相控阵天线阵元通道相位偏转特性测试方法与流程

1.本发明涉及相控阵天线领域的一种相控阵天线阵元通道相位偏转特性测试方法。


背景技术：

2.相控阵天线系统已成为现代天线雷达系统中不可缺少的重要组成部分，相控阵天线系统在航天测控、导航定位以及雷达中扮演越来越重要的角色。相控阵体制雷达的天线由许多天线单元排成阵列而组成。单元数目从几百个到几万个，这些单元有规则地排列在平面上，构成阵列天线。天线的单元数目越多，则波束在空间可能的方位就越多。就能利用电磁波相干原理，通过计算机控制馈往各辐射单元电流的相位，合成不同相位波束。这种雷达利用计算机控制天线阵的移相器，从而改变阵面上的相位分布，最终形成所需波束并使波束在空间按一定规则扫描。辐射单元把接收到的回波信号送入主机，完成雷达对目标的搜索、跟踪和测量。相控阵天线的测试包括波束指向、波束宽度、天线益、波束零点、副瓣位置及副瓣电平等基本特性的测试。在相控阵天线系统中，天线方向图是描述天线特性的重要参数，不同用途的电子设备往往要求天线具有不同的方向特性，也就是说天线方向图的形状往往决定了电子设备的技术性能。在搜索和跟踪目标时，整个天线系统可以固定不动，天线波束指向不必用机械伺服系统来控制，而是通过控制阵列天线中各个单元的相位，得到所需的天线方向图和波束指向，使波束在一定空域中按预定规律进行扫描。天线方向图是描述天线性能的重要参数，对于有源相控阵天线而言，其方向图的测试通常是一项复杂而又艰巨的工作。通常的天线方向图测试需要经过近场测试和远场测试两个阶段。近场测试在完成对相控阵天线各单元相位测试的基础上，可以通过数学的方法计算得出该天线的方向图，但由于近场测试很难真实模拟天线的实际使用环境，所以即使能算出理想天线的性能，现实使用中的天线仍需要通过远场测量来检验。由于在传统天线方向图测量中，通常采用的都是单通道，单频点的测量方式，这种测量方法烦琐、费时，有时还会得到片面的结果，很难全面刻画天线的频带响应特性。由于单脉冲体制需要和差通道的数据信息，因此不同通道必须具备各自独立的天线方向图数据；而基于抗干扰的考虑，雷达又必须能够工作在较宽的频率范围内，这就要求必须对所有通道、所有工作频点的天线方向图进行测量。针对这种复杂体制的雷达，如果仍然采用传统的天线方向图测试方法，那么测试的工作将会是一项庞大的工程。
3.观测值都是以阵元天线的相位中心位置为基准的，而阵元天线的相位中心与其几何中心实际上是不一致的，天线相位中心的偏差对相对定位结果的影响，根据天线性能的好坏可达数mm至十几mm。对于准确度要求非常高的测量来说，这种影响是不能忽视的。阵元的相位偏转特性对于。通过阵元天线相位的测量，找出阵元天线相位中心的物理位置，并以此为基础测量阵元天线的相位偏转特性，是相控阵天线系统设计中迫切需要解决的问题。阵元的相位偏转特性主要通过暗室实验转台的方式找到待测阵元天线的相位中心，并进行阵元天线偏转相位特性测试找到阵元天线的相位偏转特性，以此为基础修正相控阵的天线阵元的通道相位。


技术实现要素：

4.本发明的目的是针对上述相控阵天线系统设计中的核心的阵元天线相位中心测量及阵元天线相位偏转特性的问题，提供一种简单可靠、耗费硬件资源小，能够提高相控阵天线系统设计的可靠性的测试方法，并利用该方法可在工程实践方便的测量出阵元天线的相位中心及相位偏转特性，用于修正相控阵天线的波束形成，确保相控阵天线系统的工程设计满足指标要求。
5.本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：一种相控阵天线阵元通道相位偏转特性测试方法，其特征在于包括如下步骤：步骤1、测试准备：在微波暗室中，将将定位设备、射频设备、控制设备、标校天线与待测阵元天线都装在暗室实验转台上，在相控阵天线系统开始相位中心测试前，首先进行空间位置定标，将激光跟踪仪架设于暗室地面的三脚架上方，将靶标球分别安装在两端暗室实验转台顶部的极化轴上方，将两者空间坐标进行定标；步骤2、相位中心测试：对相控阵天线系统内各设备的空间位置坐标信息进行定标后进行相位中心测试，给出相控阵天线系统设计的基础设计数据，将天线测试控制系统产生的发射触发信号通过光纤送至信号源，信号源按照时序要求输出不同频点的连续波射频信号，通过暗室实验转台的方式找到待测阵元天线的相位中心，利用测量的阵元相位中心点确定相控阵天线的阵元坐标值，进而形成上、下行波束，根据暗室实验转台实际转过的角度，得到被试天线的波束指向精度；步骤3、偏转相位特性测试：通过软件设置暗室实验转台的偏转角度，以阵元天线相位中心 o为原点为坐标系，旋转阵元天线，利用三维调整机构暗室实验转台各轴，使被测试天线的相位中心o与旋转阵元天线中心点o’对准，分别将所有接收通道的接收数据送至测试控制系统中的数据采集单元，采集阵元天线相位偏转数据，然后采用暗室实验转台、高精度架以及光学测量设备相结合的方式测量出阵元天线的实际相位中心及相位偏转特性，并进行阵元天线偏转相位特性测试找到阵元天线的相位偏转特性，根据阵元天线偏转角状态的相位特性数据，按偏转的方位角与俯仰角绘制出阵元天线相位偏转特性图，以此为基础修正相控阵的天线阵元的通道相位。
6.本发明相比于现有技术的有益效果是：实现方法比较简单，耗费硬件资源小。本发明将将定位设备、射频设备、控制设备、标校天线与待测阵元天线都装在暗室实验转台上，激光跟踪仪架设于暗室地面的三脚架上方，将靶标球分别安装在两端暗室实验转台顶部的极化轴上方，将两者空间坐标进行定标；操作简便快捷，便于系统设计。通过暗室微波测试的方式，采用转台、高精度架以及光学测量设备相结合的方式测量出阵元天线的相位中心及相位偏转特性，仅需要利用微波暗室转台及传统仪器，按照设计的测试步骤，就能得到相控阵天线阵元的相位中心以及阵元的相位的偏转特性数据。有利于提高系统设计的波束形成的性能，降低了系统设计成本。
7.本发明将天线测试控制系统产生的发射触发信号通过光纤送至信号源，信号源按照时序要求输出不同频点的连续波射频信号，通过暗室实验转台的方式找到待测阵元天线的相位中心，利用测量的阵元相位中心点确定相控阵天线的阵元坐标值，进而形成上、下行波束，根据暗室实验转台实际转过的角度，得到被试天线的波束指向精度；通过测量阵元的相位中心以及阵元的相位偏转特性，确定了相控阵天线的波束形成的实现基础。利用测量
的阵元相位中心点确定相控阵天线的阵元坐标值，进而形成上、下行波束，并通过测试-调整配相数据-再测试的工作流程，可以得到满足系统要求的天线方向图，同时利用测量阵元的相位偏转特性数据，还可以进一步修正波束形成算法，使得波束形成性能更好，从而可避免系统设计的随意与盲目性，确保了相控阵天线系统的工程设计满足指标要求。
8.本发明采用暗室实验转台、高精度架以及光学测量设备相结合的方式测量出阵元天线的实际相位中心及相位偏转特性，并进行阵元天线偏转相位特性测试找到阵元天线的相位偏转特性，并给出相控阵天线系统设计的基础设计数据，便于在相控阵天线设计时按具体情况进行优化取舍。根据阵元天线偏转角状态的相位特性数据，按偏转的方位角与俯仰角绘制出阵元天线相位偏转特性图，以此为基础修正相控阵的天线阵元的通道相位。利用阵元天线相位偏转角特性数据可以按偏转的方位角与俯仰角绘制出阵元天线相位偏转特性图，阵元天线偏转角状态的相位特性数据：可以修正阵元天线通道相位：实际测量的相位中心能够有效地表征各阵元间实际相位关系。在高频实测相位中心比理论相位中心更靠近馈电点，提高了相控阵天线系统设计的可靠性。
附图说明
9.下面结合附图和实施实例对本发明进一步说明。
10.图1是本发明的相控阵天线阵元的相位偏转特性测试原理示意图；图2是图1的相位偏转特性测试的流程示意图；图3是相控阵天线的阵元的相位中心及阵元的相位偏转特性的测试的坐标测量示意图；图4是相控阵天线的阵元的相位中心及阵元的相位偏转特性的测试设备示意图；图5是测试阵元天线的相位偏转特性的示意图。图5(a)是调节转台的示意图，图5(b) 是标校天线与振子天线法线对准示意图，图5(c)实现以(ψ,δ)表示远场点的方向的示意图；图6是相控阵天线的阵元的相位中心及阵元的相位偏转特性网络示意图。
具体实施方式
11.参阅图1-图3。根据本发明，采用如下步骤：步骤1、测试准备：在微波暗室中，将定位设备、射频设备、控制设备、将定位设备、射频设备、控制设备、标校天线与待测阵元天线都装在暗室实验转台上，在相控阵天线系统开始相位中心测试前，首先进行空间位置定标，将激光跟踪仪架设于暗室地面的三脚架上方，将靶标球分别安装在两端暗室实验转台顶部的极化轴上方，将两者空间坐标进行定标；步骤2、相位中心测试：对相控阵天线系统内各设备的空间位置坐标信息进行定标后进行相位中心测试，给出相控阵天线系统设计的基础设计数据，将天线测试控制系统产生的发射触发信号通过光纤送至信号源，信号源按照时序要求输出不同频点的连续波射频信号，通过暗室实验转台的方式找到待测阵元天线的相位中心，利用测量的阵元相位中心点确定相控阵天线的阵元坐标值，进而形成上、下行波束，根据暗室实验转台实际转过的角度，得到被试天线的波束指向精度；步骤3、偏转相位特性测试：通过软件设置暗室实验转台的偏转角度，以阵元天线
相位中心 o为原点为坐标系，旋转阵元天线，利用三维调整机构暗室实验转台各轴，使被测试天线的相位中心o与旋转阵元天线中心点o’对准，分别将所有接收通道的接收数据送至测试控制系统中的数据采集单元，采集阵元天线相位偏转数据，然后采用暗室实验转台、高精度架以及光学测量设备相结合的方式测量出阵元天线的实际相位中心及相位偏转特性，并进行阵元天线偏转相位特性测试找到阵元天线的相位偏转特性，根据阵元天线偏转角状态的相位特性数据，按偏转的方位角与俯仰角绘制出阵元天线相位偏转特性图，以此为基础修正相控阵的天线阵元的通道相位。
12.标校天线与待测阵元天线都装在暗室转台上后在微波暗室中进行开启测试，在准备阶段进行信标天线与待测天线空间位置定标，通过激光跟踪仪和靶标球smr输出空间位置信息，并建立图3所示测试端转台靶标、参考端转台靶标和激光跟踪仪的xyz空间坐标系，利用二轴测试转台进行相位中心测试，根据待测天线空间坐标输出相位中心空间位置坐标，在偏转相位特性测试中输出相位方向图相位中心，完成测试。
13.参阅图4.定位设备包括：主要实现待测天线精确定位和采样位置移动的测试端转台、标校端转台，通过转台驱动器lan、ttl双路连接的网络交换机。
14.射频设备包括：连接被测天线、标校天线的矢量网络分析仪，标较天线射频信号rf 通过rfb矢量网络分析仪，通过低噪放射频盒，配合射频线缆形成完整的测试链路。
15.控制设备包括，通过网络交换机相连的控制计算机及配套控制设备和矢量网络分析仪，用于接收定位设备和射频设备的触发信号，完成测试过程中的时序交互，同时兼备网络控制命令的传输。
16.在相控阵天线系统开始相位中心测试前，测试采用激光跟踪仪架设于暗室地面的三脚架上方，将靶标球分别安装在两端转台顶部的极化轴上方，架设跟踪仪固定靶球确认可测试过程中的各位置靶球可接收，对测试三维空间坐标进行定标记录对相控阵天线系统内上述各设备的空间位置坐标信息进行定标，将两者空间坐标进行定标。
17.建立坐标系与记录过程如下：两端三维调整机构转台az、el轴安装靶标并旋转，记录各测试点的位置信息并拟合一个圆，以圆心为坐标系的相位中心o以及旋转中心点o’利用三维调整机构转台各轴，使o与o’点对准空间位置定标，利用激光跟踪仪与测试靶标，架设标校天线与待测天线，使标校天线相位中心与转台旋转中心对准，同时建立测试空间坐标系进行相位中心测试和相位偏转特性测试；测控工作主要包括测试准备阶段空间位置定标、分为测试阶段1的相位中心测试、测试阶段2的偏转相位特性测试三个阶段，测试阶段1：在已经建立的空间坐标系下，利用转台对空间相位信息进行扫描采集，计算待测天线的相位中心坐标(xc,yc,zc)，根据已知的空间坐标系给出相位中心相对待测天线的实际位置信息；测试阶段2：在完成测试1的基础上，利用已知相位中心的待测天线以及标校天线，完成偏转相位中心测试。
18.参阅图5。按如下步骤可测得阵元天线的相位中心及相位偏转特性，测试前，先安装如图5(a)所示调节转台，使标校天线与振子天线法线对准，按图5(b)所示，在坐标系上取(ψ,δ)表示远场点的方向，以0点为参考点的天线阵元相位方向函数为ψ0(ψ,δ),以天线阵元的相位中心点为参考点的天线阵元相位方向函数为ψc(ψ,δ)＝ψ0(ψ,δ)
‑ꢀ
k(uxc vyc wzc)，u＝cosδsinψ,v＝sinδ,w＝cosδcosψ,
其中，δ表示俯仰角，ψ表示方位角，ψ0表示以0点为参考点的天线阵元相位方向函数，ψc表示以天线阵元的相位中心点，为参考点的天线阵元相位方向函数，k为阵元天线相位偏移特性因子。
19.ψc(ψ,δ)在以(ψ0,δ0)为中心的一个立体角内的最小变化量，则ω是(ψ
0,
δ0)附近的一个区域,使δ取极小的 (xc,yc,zc)坐标值满足a
11
xc a
12
yc a
13
zc＝b1a
21
xc a
22
yc a
23
zc＝b2a
31
xc a
32
yc a
33
zc＝b3其中：a
11
＝∫
ω
(u-u0)2cosδdψdδa
22
＝∫
ω
(v-v0)2cosδdψdδa
33
＝∫
ω
(w-w0)2cosδdψdδa
12
＝a
21
＝∫
ω
(u-u0)(v-v0)cosδdψdδa
13
＝a
31
＝∫
ω
(u-u0)(w-w0)cosδdψdδa
23
＝a
32
＝∫
ω
(v-v0)(w-w0)cosδdψdδ)cosδdψdδ)cosδdψdδ)cosδdψdδ为：由测得的相位方向图ψ0(ψ,δ)通过解方程组可求得相位中心的位置(xc,yc,zc)。其中，a11～ a33、b1～b3为计算的中间变量，μ、w、v为方向向量值，μ0、w0、v0为0点的方向向量值。
20.如图5(d)所示，转台按照软件设置的角度，以阵元天线相位中心o为原点旋转阵元天线a，以(ψ,δ)表示远场点的方向，采集阵元天线相位偏转数据为：{阵元天线相位偏转修正值(ψ，δ)}。
21.参阅图6。阵元天线通道相位＝标校相位 空间相位 {阵元天线相位偏转修正值 (ψ，δ)}阵元天线相位偏转角特性数据可以按偏转的方位角与俯仰角绘制出阵元天线相位偏转特性图，利用该数据采用内插方式可得到采样点之间的偏转角特性数据。利用该阵元天线相位偏转角特性数据可以修正阵元天线通道相位：阵元天线通道相位＝标校相位 空间相位 {阵元天线相位偏转修正值(ψ，δ)}，{阵元天线相位偏转修正值(ψ，δ)}并以此为基础改善相控阵天线波束形成性能。
22.以上所述的仅是本发明的优选实施例。应当指出，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以作出若干变形和改进，这些变更和改变应视为属于本发明的保护范围。