一种相控阵射频波束指向切换时间测试系统及方法与流程

1.本发明属于相控阵系统测试技术领域，涉及一种相控阵射频波束指向切换时间测试系统及方法，应用于各类民用和军用相控阵系统的测试中。


背景技术：

2.相控阵系统的一大特点就是其优异的波束扫描实时性，采用射频波束形成的相控阵系统，射频波束指向切换时间是波束扫描实时性的量化体现。波束指向切换时间包括波束指向参数传输时间、移相码计算时间、移相码发送时间和移相器动作时间等部分，包含了数字信号和射频信号的测量。
3.通常采用示波器进行信号的时域特性测试，但仅限于数字信号和低频信号，对于测量频率相位相对时间的变化关系的需求，需要采用调制域分析仪进行测量，此类仪器较为缺乏，且对于波束指向切换这一包含数字和射频信号的特殊测试，难以测量。现有的测试方法采用分段测量方式对射频波束指向切换时间进行测试，如采用示波器测量出从控制信号发出到移相信号发出的时间，这一时间包含了传输和计算时间，再采用调制域分析仪测量出射频信号相位变化时间。然而这一方式需要在移相码计算模块到移相器间设置信号测量点，信号测量点通常位于产品内部，设置较为不便，且该方法由于忽略部分内部传输路径，导致测量不够准确。
4.现有技术中，公开日期为2015年5月6日、公开号为cn104601254a的中国发明专利申请《基于射频开关矩阵的信号源测试系统及方法》根据测试用例的需求自动切换射频通路，搭建测试项目要求的测试环境，从而减少使用的测试资源，测试流程简单，提高了系统的灵活性；但是该文献并未解决如何测试射频波束指向切换时间。


技术实现要素：

5.本发明的目的在于如何设计一种相控阵射频波束指向切换时间测试系统及方法，以解决现有的射频波束指向切换时间的测试方法存在的测量不便、步骤复杂、结果不准确的问题。
6.本发明是通过以下技术方案解决上述技术问题的：
7.一种相控阵射频波束指向切换时间测试系统，包括：上位机(1)、功分器(2)、混频器(3)、开关矩阵(4)、信号源(5)、示波器(6)和待测产品(7)；所述的信号源(5)输出端口与功分器(2)输入端口连接，功分器(2)输出端口的一路接入待测产品(7)输入端口，另一路接入混频器(3)；所述的待测产品(7)的输出端口按端口序号与开关矩阵(4)的输入端口对应连接，所述的开关矩阵(4)的输出端口与混频器(3)的射频端口连接，混频器(3)的中频输出端口采用示波器探头或sma/bnc转换线接至示波器(6)的1号端口；所述的上位机(1)和待测产品(7)间采用r422接口连接，所述的rs422接口的tx+或tx-线单独引出，接至示波器(6)的2号端口；所述的上位机(1)与信号源(5)、示波器(6)、开关矩阵(4)之间采用网口或gpib接口连接；所述的上位机(1)用于配置所述的待测产品(7)的工作模式、波束指向参数、指令执
行时间，根据通信协议将上述参数信息发送至待测产品(7)，获取所述的待测产品(7)的遥测参数，控制开关矩阵(4)切换至对应的测试通道，配置所述的信号源(5)、示波器(6)的状态参数；所述的功分器(2)用于将测试信号一分为二，输入待测产品(7)和混频器(3)，作为测试输入信号和混频本振信号；所述的混频器(3)用于将待测产品(7)输出信号和测试输入信号混频产生用于测试的零频信号；所述的开关矩阵(4)用于根据上位机(1)指令将测试通路切换至待测产品(7)的对应通道；所述的信号源(5)用于产生测试所需点频信号；所述的示波器(6)用于捕捉零频信号幅度变化；采集上位机(1)端口发送的数据；所述的待测产品(7)根据不同的指令工作在不同的工作模式；通过所述的上位机(1)接收所述的波束指向参数和指令执行时间，并根据所述的指向参数和指令执行时间，改变通道移相量。
8.本发明采用同频混频的方式，将射频信号混频至零频，把不易观察及测量的射频信号的相位变化，转换为时域上的幅度变化，经示波器表笔倍数放大后，通过示波器直观测量，将对波束指向参数这一数字信号的测量和射频信号相位变化的测量统一于示波器上，通过测量出两者改变时间的差值，直接得出包含波束指向参数传输时间、移相码计算时间、移相码发送时间和移相器动作时间的射频波束指向切换时间；本发明的测试系统所采用的仪器设备及测试附件均为常规设备及仪器，无需设计制作专用测试设备，降低测试系统的使用难度和门槛。
9.作为本发明技术方案的进一步改进，所述的上位机(1)包括：模拟数据发送模块、遥测模块、仪表参数配置模块和测试结果输出模块；
10.所述的模拟数据发送模块用于配置所述的待测产品(7)的工作模式、波束指向参数、指令执行时间，并根据通信协议进行编码，发送至待测产品(7)；
11.所述的遥测模块用于接收所述的待测产品(7)回传的工作状态指示、通道移相码和异常状态指示数据，并根据通信协议进行解码，显示于所述的上位机(1)的测试界面；
12.所述的仪表参数配置模块用于配置信号源(5)的输出信号频率及功率、配置示波器(6)调用的状态参数文件、控制开关矩阵(4)根据测试需要切换至与待测产品(7)对应的测试通道进行逐通道测试；
13.所述的测试结果输出模块用于读取示波器(6)的测试数据并对测试数据进行运算后输出测试结果。
14.作为本发明技术方案的进一步改进，所述的功分器(2)选用通用的一分二射频功分器。
15.作为本发明技术方案的进一步改进，所述的混频器(3)选用无源混频器(3)。
16.作为本发明技术方案的进一步改进，所述的功分器(2)以及混频器(3)的工作频率范围覆盖待测产品(7)的测试频率。
17.作为本发明技术方案的进一步改进，所述的开关矩阵(4)具备本控和远控功能，本控状态下供测试人员手动切换测试通道，远控状态下由上位机(1)逐通道切换进行测试。
18.一种应用于所述的相控阵射频波束指向切换时间测试系统的测试方法，包括以下步骤：
19.由信号源(5)产生所述的待测产品(7)工作频率的射频信号，经功分器(2)一分为二，一路用作所述的本振信号，一路用作测试输入信号；
20.将待测产品(7)输出的射频信号与所述的本振信号的同频信号混频输入混频器
(3)从而得到零频信号；
21.通过示波器(6)检测上位机(1)的rs422数据发送端口信号作为测试触发信号源，即波束切换开始时间标志；
22.通过示波器(6)检测到所述的零频信号的幅度跳变完成作为测试结束时间，即移相动作完成标志；
23.通过示波器(6)测量rs422数据端口发送第一帧信号跳变开始到所述的零频信号幅度跳变完成的时间间隔，得到当前通道的所述的波束切换时间测试结果；
24.由上位机(1)控制开关矩阵(4)及待测产品(7)，逐通道重复进行测试，取其中最差值作为所述的波束切换时间测试结果，并记录。
25.本发明的优点在于：
26.本发明采用同频混频的方式，将射频信号混频至零频，把不易观察及测量的射频信号的相位变化，转换为时域上的幅度变化，经示波器表笔倍数放大后，通过示波器直观测量，将对波束指向参数这一数字信号的测量和射频信号相位变化的测量统一于示波器上，通过测量出两者改变时间的差值，直接得出包含波束指向参数传输时间、移相码计算时间、移相码发送时间和移相器动作时间的射频波束指向切换时间；本发明的测试系统所采用的仪器设备及测试附件均为常规设备及仪器，无需设计制作专用测试设备，降低测试系统的使用难度和门槛。
附图说明
27.图1为本发明实施例的相控阵射频波束指向切换时间测试系统的结构框图；
28.图2为本发明实施例的相控阵射频波束指向切换时间测试方法的流程图；
29.图3为本发明实施例的波束指向切换前后的通道相位变化示意图；
30.图4为本发明实施例的相控阵射频波束指向切换时间测试采集到的波束指向数据发送开始标志及转化到零频的移相动作完成标志示意图。
具体实施方式
31.为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
32.下面结合说明书附图以及具体的实施例对本发明的技术方案作进一步描述：
33.实施例一
34.如图1所示，本发明实施例提供的相控阵射频波束指向切换时间测试系统包括：上位机1、功分器2、混频器3、开关矩阵4、信号源5、示波器6和待测产品7。
35.所述的信号源5输出端口采用射频电缆与功分器2输入端口连接，功分器2输出端口采用射频电缆一路接入待测产品7输入端口，作为待测产品7输入信号，另一路接入混频器3，作为本振信号。
36.所述的待测产品7输出端口按对应端口序号采用射频电缆与开关矩阵4的输入端口连接；开关矩阵4具备本控与远控功能；所述的本控功能用于通过位于所述的开关矩阵4
面板的按键手动切换测试通道；所述的远控功能用于通过所述的上位机1发送指令控制所述的开关矩阵4的切换测试通道；具备图形化界面，可通过点击界面按钮切换测试通道。开关矩阵4，各通道开关为大功率开关，耐受功率＞10w；所述的各通道开关一端接入功分网络，另一端接大功率负载，所述的大功率负载配备散热装置。
37.所述的开关矩阵4输出端口采用射频电缆接入混频器3射频端口，混频器3中频输出端口采用示波器6探头或sma/bnc转换线接至示波器61号或其它测试端口。
38.所述的上位机1和待测产品7间采用r422接口连接，上位机1如不具备rs422端口，可采用usb转rs422转接器转接。此外，需将rs422接口的tx+或tx-线单独引出作为测试触发信号接至示波器62号或其它测试端口。
39.所述的上位机1与信号源5、示波器6、开关矩阵4之间采用网口或gpib接口连接。
40.所述的功分器2选用各类通用一分二射频功分器2均可，功分器2的工作频率范围需要覆盖测试频率；混频器3选用无源混频器3即可，混频器3的工作频率范围需要覆盖测试频率；开关矩阵4用于相控阵多通道重复测试，减少重复测试时手动更换测试通道电缆这一重复性耗时较长的工作，如通道较少和存在节省成本的需求，可不做强制要求。
41.所述的上位机1用于配置所述的待测产品7的工作模式、波束指向参数、指令执行时间，根据通信协议将上述参数信息发送至待测产品7；获取所述的待测产品7的遥测参数；控制开关矩阵4切换至对应的测试通道；配置所述的信号源5、示波器6的状态参数；
42.所述的功分器2用于将测试信号一分为二，输入待测产品7和混频器3，作为测试输入信号和混频本振信号；
43.所述的混频器3用于将待测产品7输出信号和测试输入信号混频产生用于测试的零频信号；通过混频器3将所述的待测产品7输出信号的相位变化转换为可用示波器6测量的时域幅度变化。
44.所述的开关矩阵4用于根据上位机1指令将测试通路切换至待测产品7的对应通道；
45.所述的信号源5用于产生测试所需点频信号；
46.所述的示波器6用于捕捉零频信号幅度变化；采集上位机1端口发送的数据；
47.所述的待测产品7根据不同的指令工作在不同的工作模式；通过所述的上位机1接收所述的波束指向参数和指令执行时间，并根据所述的指向参数和指令执行时间，改变通道移相量。
48.上位机1中包含用于控制测试仪器、矩阵和开关矩阵4的测试软件，可以用于配置测试仪器、开关矩阵4、待测产品7的相关参数；也可以用于获取待测产品7的遥测状态数据；还可以用于采集测试仪器产生的测试数据，计算出测试结果。测试软件可采用c语言开发，上位机1和待测产品7间通过点对点通信传输协议，采用4线制全双工rs422接口、异步通信方式，上位机1对待测产品7进行遥控和遥测；上位机1与开关矩阵4和测试仪器通过用户数据报协议，上位机1可以设置仪器和矩阵参数，获取测试数据，并运算出测试结果。
49.所述的上位机1包括：模拟数据发送模块、遥测模块、仪表参数配置模块和测试结果输出模块。
50.模拟数据发送模块，用于配置待测产品7的工作模式、波束指向参数、指令执行时间，并根据通信协议进行编码，通过rs422接口发送至待测产品7，供待测产品7根据波束控
制指令进行移相码计算。
51.遥测模块，通过rs422接口接收待测产品7周期性17秒回传的工作状态指示、通道移相码和异常状态指示数据，并根据通信协议进行解码，显示在上位机1的测试界面。
52.仪表参数配置模块，可以根据待测产品7的工作频率需求，设置信号源5的输出信号频率、功率及开关状态，以及示波器6调用的状态参数文件；还可控制开关矩阵4的通道状态，在当前测试通道完成后，逐一切换至其余未测通道，进行逐通道测试；其中，示波器6调用的状态参数文件需要在测试开始前，根据所用示波器6通道、待测产品7调试状态进行设置后，存储为测试所需状态文件。
53.测试结果输出模块，可以用于读取示波器6测量数据，包括触发时间和移相动作完成时间，并计算二者差值作为当前通道的切换时间测试数据记录，经逐通道重复测试后，取最差值输出作为测试结果。同时，将各通道测试时示波器6所显示的测试结果进行截图保存，作为原始记录供用户在测试完成后查看。
54.如图2所示，本发明实施例提供的相控阵射频波束指向切换时间测试方法包括以下步骤：
55.步骤s1，配置待测产品7的工作模式、开关矩阵4的测试通道、测试仪器的状态参数。
56.在配置上述参数前，可以先按照图1所示的相控阵射频波束指向切换时间测试系统将上位机1、信号源5、示波器6、开关矩阵4和待测产品7进行连接。
57.完成上位机1、信号源5、示波器6、开关矩阵4和待测产品7的连接后，打开上位机1测试软件，打开上位机1、信号源5、示波器6、开关矩阵4和待测产品7的电源，通过上位机1硬件驱动模块可以查看上位机1、信号源5、示波器6、开关矩阵4的连接状态是否正常。
58.确认连接状态正常后，利用仪表参数配置模块，根据待测产品7的测试参数对信号源5的输出频率、输出功率、开关状态进行设置，对开关矩阵4进行初始化，并设置或调用示波器6的配置参数或文件，完成测试相关仪表设备的设置，保证待测产品7和仪表设备的安全。
59.可以利用测试软件的模拟数据发送模块配置待测产品7的工作模式，并通过遥测模块查看待测产品7的工作模式设置是否正确。
60.步骤s2，配置待测产品7的初始波束指向角度。
61.在待测产品7工作模式设置完成后，在测试软件的模拟数据发送模块中，使用对应的工作模式，将待测产品7的波束指向角度设置为初始角度，可定义为(0
°
,0
°
)，或其它与后续测量用指向角存在一定偏差的角度。发送初始波束指向角时，同时也需要填写执行间隔时间信息，建议预留充分时间供测试软件完成初始指向角发送。
62.步骤s3，发送切换的波束指向角度、执行时间，设置示波器6单次触发。
63.在测试软件的模拟数据发送模块中，填写期望的波束指向切换角度、波束切换执行间隔时间，点击开始测试按钮，由测试软件的仪表参数配置模块将示波器6设置为单次触发模式。
64.测试开始后，由测试软件的在测试软件的模拟数据发送模块计算出执行时间，并将波束指向角度和执行时间发送至待测产品7。
65.步骤s4，示波器6捕获数据发送开始时间，测量移相动作完成时间，计算此通道波
束切换时间。
66.示波器6捕获到上位机1和待测产品7间rs422接口tx+/-引脚发送的数据信息完成触发，如图4所示，即波束指向数据发送开始时间，由上位机1测试结果输出模块记为t1。
67.当前测试通道移相前、后的通道相位在频域上的变化如图3所示，经混频至零频，转化到时域上后，通过示波器6测量出零频信号的幅度跳变，如图4所示，跳变时间即为移相动作完成时间，由上位机1测试结果输出模块记为t2。
68.由上位机1测试结果输出模块计算出当前通道波束切换时间，为t
2-t1，并将示波器6上的图形截图保存至上位机1，命名为当前测试通道名称。
69.步骤s5，取最差值最为待测产品7波束切换时间，结束测试。
70.对待测产品7进行逐通道测试，由上位机1测试结果输出模块记录各通道波束切换时间，并保存测试测图。当所有通道测量完毕后，取其中的最差值作为待测产品7的波束切换时间，测试完成。
71.本发明采用同频混频这一方式，将射频信号混频至零频，把不易观察及测量的射频信号的相位变化，转换为时域上的幅度变化，经示波器表笔倍数放大后，可以通过示波器直观测量。本发明所述的测试系统所采用的仪器设备及测试附件均为常规设备及仪器，无需设计制作专用测试设备，降低测试系统的使用难度和门槛。本发明所述的测试系统及方法的优势在于，将对波束指向参数这一数字信号的测量和射频信号相位变化的测量统一于示波器上，通过测量出两者改变时间的差值，直接得出包含波束指向参数传输时间、移相码计算时间、移相码发送时间和移相器动作时间的射频波束指向切换时间。
72.测试系统采用常用测量仪器设备，将射频信号相位时间关系转换到幅度时间关系；用示波器6观测数字信号和转换后的相位变换信号，便于使用；使用通用测量仪器设备作为测试设备，无需专用测试设备；通过设计一种将数字信号传输时间、指向角计算时间、射频波束指向切换这三种不同的时间量合并测量的方法，替代原始的分段测量模式，无需待测产品7内部预制或临时改装测试接口，并提升了测试精度。通过上位机1控制对通道的重复测试，在有线阶段测量出相控阵射频波束指向切换时间。
73.以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。