相控阵天线单元特性近场测量方法
【专利摘要】本发明提出的一种相控阵天线单元幅相特性近场测量方法，旨在提供一种能够在所有单元同时工作时测量独立的单元的方向图及其口面近场的近场测量方法。本发明通过下述技术方案予以实现：选择一个被测相控阵天线AUT，用一个相连电脑PC和相连控制器的矢量网络分析仪PNA，以及分别相连PNA和控制器的近场扫描架探头组成检测天线单元幅相特性的近场测量系统；AUT作为发射天线，探头作为接收天线，扫描架探头安装在位于测量天线口面前方。设备间按照近场测试方法连接。测量相控阵天线第m个单元幅相特性am时，近场扫描平面内的每个测试点均采用矢量平均方法，测量并计算该单元T/R组件、阵元、阵元到测量点空间链路总体的幅相特性n＝1,...,N；计算出相控阵测量单元的幅相特性am。
【专利说明】相控阵天线单元特性近场测量方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及相控阵天线测量领域，具体涉及有源相控阵天线各个单元的幅相特性的近场测量方法。
技术背景
[0002]在图7所示的现有技术有源相控阵天线中，一个相控阵天线包括了 M个具有相同特性的单元，每个单元主要由T/R组件和无源阵元串联构成。理论上，这些单元的幅相特性是完全一致的，即ai = a2 =...= aM，但由于相控阵天线在制作过程中，每个单元采用的器件性能有差异，阵元安装位置也存在误差，从而导致单元间的幅相特性不一致。准确测量相控阵天线单元的幅相特性，是相控阵天线校正的必要手段。目前天线测量的方法包括近场测量和远场测量，相对于与远场测量，近场测量具有诸多优点，包括测量场地要求低、容易获得天线近场和远场辐射特性的三维分布、避免远场测量中波束主轴对不准等问题。近场测量的理论基础是电磁波传播中的惠更斯-基尔霍夫原理，基本方法是:首先测量一个包围被测天线的近场闭合曲面上切线方向场的分布，然后根据电磁波传播理论，推导该天线远场位置场分布，最后推导天线口面场分布。而天线口面场分布，就是相控阵单元的幅相特性。一般情况下，只要被测天线辐射的电磁波在扫描曲面外可以忽略，闭合曲面扫描没有必要，而是采用近场平面、球面或者圆柱面扫描。采用上述传统的近场测量方法进行相控阵天线单元幅相特性测量时，由于近场测量数据中包括了单元间的耦合干扰，所以，通过近场推导口面场的计算结果误差较大，无法得到准确的单元幅相特性B111，其中m = 1，...，M。
【发明内容】
[0003]本发明的目的是针对现有技术存在的不足之处，提供一种解决相控阵天线单元幅相特性近场测量中存在单元间耦合干扰的技术问题的相控阵天线单元幅相特性近场测量方法。
[0004]本发明的上述目的可以通过以下措施来达到。一种相控阵天线单元幅相特性近场测量方法，其特征在于包括如下步骤:
[0005](I)选择一个被测相控阵天线AUT，，一个矢量网络分析仪(PNA)，一个近场扫描架，近场扫描架上安装一个探头，一个控制器，一台电脑(PC)5AUT作为发射天线，探头作为接收天线，扫描架探头安装在位于测量天线口面前方，距离为d处，d为3— 5个波长；被测相控阵天线AUT与PNA相连，作为AUT的信号源，提供稳定的单频信号，PNA把该单频信号耦合回PNA测量端口 A作为参考信号，PNA的测量端口 B与近场扫描架探头相连，从而测量探头接收信号的幅度和相位；PNA通过接口与PC相连，把测量数据传输给PC，PC完成数据处理和测量最终结果输出；控制器分别与AUT、PNA和扫描架相连，通过位置同步信号和控制同步信号控制AUT相位加权、探头位置和PNA测量三者的同步，同时也控制对AUT任意单元T/R组件的相位加权，并接收探头位置信息；
[0006](2)控制器控制扫描架，使得探头在一个确定的平面β上运动，探头运动轨迹可以是水平连续垂直步进，也可以是垂直连续水平步进；在探头运动轨迹的曲线上，PNA选择离散的N个点位置进行信号测量，记录下探头接收信号的幅度和相位，这N个点的选择，要满足空间采样定理，即相邻测量点的距离小于半个波长。
[0007](3)相控阵天线包含M个单元，每个单元由T/R组件和无源阵元串联构成，每个单元测量方法相同；选择测量第m个单元幅相特性am时，m = 1，...，M,相位加权按如下步骤实施:
[0008]控制器控制探头移动到平行于被测AUT阵面的平面β内第I个测量点位置，控制被测相控阵的T/R组件相位加权值，除第m个单元外的其余M-1个单元的T/R组件相位加权值始终保持为e'同时控制第m个单元T/R组件的相位加权值，依次取K种不同权值，即
€>2πκ，其中，K = 2b，b小于等于T/R组件移相器移相位数，而k = 1，...，K ;
[0009]在第m个单元T/R组件在不同相位加权时，PNA根据控制器提供的同步信息，依次测量和记录K个测量值/I1I，其中k = 1，...，K;
[0010]然后根据矢量平均方法，在PC中完成对第m个单元在平面β第I个测量点的幅
相特性计算，即
【权利要求】
1.一种相控阵天线单元幅相特性近场测量方法，其特征在于包括如下步骤: (1)选择一个被测相控阵天线AUT，用一个相连电脑PC和相连控制器的矢量网络分析仪PNA，以及分别相连PNA和控制器的近场扫描架探头组成检测天线单元幅相特性的近场测量系统;AUT作为发射天线，探头作为接收天线，扫描架探头安装在位于测量天线口面前方，距离为d处，d为3— 5个波长；被测相控阵天线AUT与PNA相连，作为AUT的信号源，提供稳定的单频信号，PNA把该单频信号耦合回PNA测量端口 A作为参考信号，PNA的测量端口 B与近场扫描架探头相连，从而测量探头接收信号的幅度和相位；PNA通过接口与PC相连，把测量数据传输给PC，PC完成数据处理和测量最终结果输出；控制器分别与AUT、PNA和扫描架相连，通过位置同步信号和控制同步信号控制AUT相位加权、探头位置和PNA测量三者的同步，同时也控制对AUT任意单元T/R组件的相位加权，并接收探头位置信息； (2)在探头运动轨迹的曲线上，PNA根据控制器提供的上述三个同步信号，选择相邻距离小于半个波长的离散的N个点位置进行测量，记录下探头接收信号的幅度和相位。 (3)选择测量第m个单元幅 相特性am时，m= I,..., M,相位加权按如下步骤实施: 控制器控制探头移动到被测AUT平面β内第I个测量点位置，控制被测相控阵的T/R组件相位加权值，除第m个单元外的其余M-1个单元的T/R组件相位加权值始终保持为eJ0,同时控制第m个单元T/R组件的相位加权值，依次取K种不同权值，即，其中，K =2b, b小于等于T/R组件移相器移相位数，Mk= I,..., K； 在第m个单元T/R组件在不同相位加权时，PNA根据控制器提供的同步信息，依次测量和记录K个测量值41?，其中k = 1，...，K ; 然后根据矢量平均方法，在PC中完成对第m个单元在平面β第I个测量点的幅相特
性计算，即
2.如权利要求1所述的相控阵天线单元幅相特性近场测量方法，其特征在于:相控阵天线包含M个单元，每个单元由T/R组件和无源阵元串联构成，每个单元测量方法相同。
3.如权利要求1所述的相控阵天线单元幅相特性近场测量方法，其特征在于:探头只需要完成一次β面扫描，在扫描到第η个点时，测量所有单元的不同相位加权下的数据Ai'k , m = 1，...，Μ, η = 1，...，N, k = 1，...，K, PNA先记录下这些测量数据,然后,再在PC上分别计算每个单元的幅相特性参数。
4.如权利要求1所述的相控阵天线单元幅相特性近场测量方法，其特征在于:在控制器控制下，近场扫描架探头的扫描轨迹是水平连续垂直步进或是垂直连续水平步进。
5.如权利要求4所述的相控阵天线单元幅相特性近场测量方法，其特征在于:在扫描平面内，控制器选择N个点作为测量点，根据空间采样定义，相邻测量点的水平和垂直距离均小于半个波长，且这些测量点是均匀分布的。
6.如权利要求1所述的相控阵天线单元幅相特性近场测量方法，其特征在于:扫描架向控制器发送周期为T的位置同步脉冲信号，每个脉冲对应扫描平面内一个测量点，控制器向相控阵天线和PNA发送相同的周期为Ts的脉冲控制同步信号，每个脉冲对应一个测量数据。
7.如权利要求6所述的相控阵天线单元幅相特性近场测量方法，其特征在于:在每个周期Ts时间内，控制器同时向相控阵各个T/R组件发送相位加权信号，即除第m个单元T/R组件以外的M-1个单元T/R组件相位加权为e'而第m个单元的T/R组件相位加权依次取
8.如权利要求7所述的相控阵天线单元幅相特性近场测量方法，其特征在于:在每个周期Ts内，PNA测量记录K个测量数据
9.如权利要求1所述的相控阵天线单元幅相特性近场测量方法，其特征在于:ΡΝΑ把在第η个测量点记录的K个测量值数据yQ传递给PC，在PC内进行矢量平均计算，其中k =I,...,K0每个测量值，包括三个部分:一是被测单元幅相特性
10.如权利要求1所述的相控阵天线单元幅相特性近场测量方法，其特征在于:在对第m个单元T/R组件采用不同相位加时，后两个量是不变换的，并对测量数据做如下处理:
【文档编号】G01R29/10GK103926474SQ201410101672
【公开日】2014年7月16日 申请日期:2014年3月18日 优先权日:2014年3月18日
【发明者】杜艳, 何海丹, 曾浩, 何庆强, 杨顺平 申请人:中国电子科技集团公司第十研究所