一种基于商用相控阵的毫米波平面波生成测试方法及系统

本发明涉及属于毫米波天线空口测试，特别是一种基于商用相控阵的毫米波平面波生成测试方法及系统。

背景技术：

1、毫米波相控阵广泛应用于5g通信、卫星通信和雷达系统。在高度集成的封装天线模块中，通常不提供单个射频（rf）通道的传导测试端口，因此需要采用空口测试来进行天线方向图、阵列校准以及波束扫描精度测试。然而，在毫米波频段，直接远场测试在大规模生产场景中成本较高，并且存在测量动态范围受限的问题；而紧缩场（catr）测试系统则需要高精度加工的反射面以及严格控制的暗室环境。这些限制推动了基于平面波生成器（pwg）的紧凑型ota测试方法的发展。

2、传统pwg通常采用专门设计的稀疏pwg天线阵列、高精度幅相控制网络以及幅度和相位稳定的低损耗线缆。在毫米波频段，由于需要大量 pwg 阵元及其对应的射频链路，上述要求会导致较高的系统成本。随着待测设备（dut）口径增大，pwg口径和受控通道数量也必须相应扩展，这使得传统pwg在未来大规模毫米波相控阵系统测试中的成本可能变得难以承受。

3、传统平面波生成器通常需要专用平面波生成阵列及高精度幅相控制硬件而导致在毫米波段系统成本较高的问题。然而，该方案仍面临两大实际问题：其一，紧凑的阵列布局、较小的阵元间距及集成馈电网络，使得理想点源模型无法准确表征从pwg阵列到静区（qz）的传递响应；其二，幅相控制的低分辨率会降低qz的质量，影响测试准确性。

4、因此，发展一种低成本且便于扩展的毫米波pwg测试系统，对于降低大规模毫米波相控阵系统的测试成本具有重要意义。

技术实现思路

1、本发明所要解决的技术问题是克服现有技术的不足而提供一种基于商用相控阵的毫米波平面波生成测试方法及系统，本发明具有系统集成度高、实现成本低和商用硬件资源利用率高等特点，可用于待测毫米波天线或相控阵的方向图测量、阵列校准等紧凑空口测试应用。

2、本发明为解决上述技术问题采用以下技术方案：

3、根据本发明提出的一种基于商用相控阵的毫米波平面波生成测试方法，包括：

4、步骤 1：向商用相控阵依次加载hadamard编码的全阵激励状态，目标区域内的多个采样点获取接收电场响应，根据接收电场响应解码得到商用相控阵至目标区域采样点的实测传输矩阵；

5、步骤 2：根据实测传输矩阵对目标区域内的电场分布进行仿真优化，获得商用相控阵的优化幅相激励；将优化幅相激励量化为商用相控阵支持的离散幅相控制，并加载至商用相控阵；

6、步骤 3：在目标区域内测量电场分布，测得幅度分布和相位分布；并根据测得的幅度分布和相位分布确定目标静区的场平坦度。

7、作为本发明所述的一种基于商用相控阵的毫米波平面波生成测试方法进一步优化方案，

8、商用相控阵包括n个天线单元，在距商用相控阵距离为r的目标区域内设置m个场采样位置；由商用相控阵的各阵元至各场采样位置的传输矩阵，其关系表示为：

9、

10、其中，，为由n个天线单元到m个场采样位置的实测传输矩阵，，为激励向量，，为目标静区内期望合成的主极化平面波采样场向量；为m行n列的复数矩阵，为包含n个复数元素的列向量，为包含m个复数元素的列向量。

11、作为本发明所述的一种基于商用相控阵的毫米波平面波生成测试方法进一步优化方案，步骤1包括：

12、步骤1.1：构建n阶hadamard编码矩阵，，的每一行对应一次全阵激励状态，并将+1和分别映射为商用相控阵能够加载的0°和180°相位状态；

13、步骤1.2：对于第m个场采样位置，m=1,2,…,m，依次加载a中的n组全阵激励状态，获取第m个场采样位置在n组全阵激励状态下的接收响应，并组成第m个场采样位置的响应向量；

14、步骤1.3：将n个天线单元到第m个场采样位置的传递函数组成传递函数向量，则有：

15、

16、由下式解码得到第m个场采样位置处的传递函数向量：

17、

18、其中，上标t表示矩阵转置；

19、步骤1.4：针对m=1,2,…,m依次重复步骤1.2和步骤1.3，将所得m个传递函数向量按照场采样位置的顺序进行排列，得到实测传输矩阵h。

20、作为本发明所述的一种基于商用相控阵的毫米波平面波生成测试方法进一步优化方案，步骤2中获得优化幅相激励包括：

21、步骤2.1：以激励向量w为优化变量，按照下式求解带功率限制的最小二乘优化问题：

22、

23、其中，为实测传输矩阵h的伪逆，c为大于0的功率控制系数；

24、步骤2.2：扫描多个候选功率控制系数c，分别计算各候选功率控制系数c所对应合成场的幅度峰峰值波动和相位峰峰值波动，根据幅度峰峰值波动和相位峰峰值波动选择功率控制系数c及其对应的激励向量w，将所选择的激励向量w作为优化幅相激励。

25、作为本发明所述的一种基于商用相控阵的毫米波平面波生成测试方法进一步优化方案，步骤2中将优化幅相激励量化为离散幅相控制状态包括：

26、步骤2.3：对于第n个天线单元，n=1,2,…,n，将激励向量w中的连续复激励表示为：

27、

28、其中，为第n个天线单元的连续复激励的幅度，为第n个天线单元的连续复激励的相位，e为自然常数，j为虚数单位；

29、步骤2.4：利用幅度量化函数将幅度映射为商用相控阵支持的最接近幅度状态，利用相位量化函数将相位映射为商用相控阵支持的最接近相位状态，按照下式得到第n个天线单元的量化激励：

30、

31、其中，为幅度量化函数，为相位量化函数；

32、步骤2.5：由n个量化激励 组成量化激励向量，并将量化激励向量转换为商用相控阵的控制接口对应的幅度控制字和相位控制字，以形成离散幅相控制状态。

33、作为本发明所述的一种基于商用相控阵的毫米波平面波生成测试方法进一步优化方案，步骤3包括：

34、步骤3.1：将幅度控制字和相位控制字加载至商用相控阵，使商用相控阵的全部天线单元同时辐射；

35、步骤3.2：在目标区域的各场采样位置测量接收响应，获得目标静区内的幅度分布和相位分布；

36、步骤3.3：分别计算目标静区内幅度最大值与幅度最小值之差以及相位最大值与相位最小值之差，得到幅度峰峰值波动和相位峰峰值波动，并根据幅度峰峰值波动和相位峰峰值波动确定目标静区的场平坦度。

37、一种基于商用相控阵的毫米波平面波生成测试系统，包括：

38、实测传输矩阵获取模块，用于向商用相控阵依次加载hadamard编码的全阵激励状态，目标区域内的多个采样点获取接收电场响应，根据接收电场响应解码得到商用相控阵至目标区域采样点的实测传输矩阵；

39、幅相激励优化量化模块，用于根据实测传输矩阵对目标区域内的电场分布进行仿真优化，获得商用相控阵的优化幅相激励，并将优化幅相激励量化为商用相控阵支持的离散幅相控制；

40、静区场平坦度测量模块，用于将离散幅相控制加载至商用相控阵，在目标区域内测量电场分布，获得幅度分布和相位分布，并根据幅度分布和相位分布确定目标静区的场平坦度。

41、本发明采用以上技术方案与现有技术相比，具有以下技术效果：

42、（1）采用实测传输矩阵表征商用相控阵各天线单元至目标区域各场采样位置的实际传输响应，能够计及阵元互耦、集成馈电网络和封装对场分布的影响，提高平面波场综合模型与实际系统的一致性。

43、（2）采用hadamard编码的全阵激励状态进行传输响应采样，在采样过程中保持全部天线单元处于开启状态，并利用正交编码进行解码，提高毫米波频段传输响应获取的稳定性。

44、（3）利用商用相控阵集成的幅相控制能力生成准平面波，减少对专用稀疏阵列、高精度外部幅相控制网络及大量独立射频链路的依赖，降低系统实现成本并提高系统集成度。