一种基于频分的近场天线测试系统及其测试方法与流程

本申请涉及一种天线的测试系统及其测试方法，特别是涉及阵列天线、相控阵天线或反射面天线的近场测试系统及其近场测试方法。

背景技术：

天线阵列(antenna array)是一组个体天线(individual antenna)的集合。这些个体天线用来发射和/或接收无线电波，它们连接在一起，并且控制它们的信号(例如电流)具有特定的幅度(amplitude)和/或相位(phase)关系。不同相位的控制信号相互作用，使得天线阵列的信号在预定方向被强化，在非预定方向被抑制。这使得天线阵列通常被作为单个天线使用与对待，并且比个体天线具有更好的方向特性(directional characteristic)与天线增益(antenna gain)。

天线阵列有许多种类。如果天线阵列中的每个个体天线均可单独控制，那就是相控阵天线(Phased Array Antenna)。相控阵天线中，控制每个个体天线的信号相位被设计为——能使整个天线阵列的有效辐射方向图(effective radiation pattern)在预定方向被强化、在非预定方向被抑制。个体天线的控制信号之间的相位关系可以是固定的，例如塔阵(Tower array)；也可以是可调节的，例如波束控制(Beam steering)。相控阵天线在广播、雷达、航天通讯、气象调查、光学、射频识别、人机界面等方面得到了广泛应用。

在雷达领域，相控阵天线通常分为被动(passive，也称无源)和主动(active，也称有源)两种。未经特别说明时，相控阵雷达通常是指被动相控阵雷达。被动相控阵雷达也称被动电子扫描阵列(passive electronically scanned array，PESA)，其仅有一个射频源，由该射频源产生射频信号经过多个相移模块(phase shift module)后分别送往每个个体天线的发射单元。主动相控阵雷达也称主动电子扫描阵列(active electronically scanned array，AESA)，其发射与接收功能是由大量的收发模块(transmit/receive module)实现的。每个收发模块包括发射机、接收机与天线，这些收发模块组成阵列便构成了主动相控阵雷达。与被动相控阵雷达不同，主动相控阵雷达为每个收发模块均设置有独立的射频源，每个射频源可以产生独立(例如不同频率)的射频信号，这些相互独立的射频信号经过多个相移模块后分别送往每个收发模块中的发射机。

相控阵天线在研发过程中的一项关键技术就是测试，如何快速、准确地完成相控阵天线的测试是当前相控阵天线研发过程中的重点。相控阵天线的测试技术可以分为远场(far field)测试和近场(near field)测试两种。远场测试通常是基于野外的测试方法，外界电磁环境较为复杂，很难测试准确。近场测试需要的空间小，测试准确且方便快捷。近年来，近场测试得到了越来越多地使用。

相控阵天线的近场测试通常在微波暗室中进行，并采用一个或多个探头(probe)。

申请公布号为CN103344847A、申请公布日为2013年10月9日的中国发明专利申请公开了一种相控阵天线的近场测量方法，仅采用一个探头对相控阵天线进行测试。申请公布号为CN103926474A、申请公布日为2014年7月16日的中国发明专利申请也公开了一种有源相控阵天线的近场测量方法，也是仅采用一个探头对相控阵天线进行测试。这种单探头的相控阵对于电尺寸较小的相控阵天线可以较快地完成测试，但对于电尺寸较大的相控阵天线就需要非常长的测试时间。其中的电尺寸是指相控阵天线的物理尺寸与工作波长之比。

授权公告号为CN204595204U、授权公告日为2015年8月26日的中国实用新型专利公开了一种有源相控阵雷达的收发模块(T/R模块)的测试方案，采用与收发模块相同数量的多个探头，并由相同数量的开关电路分别控制，用来对相控阵天线的每个收发模块进行测试。仔细分析该开关矩阵式测试方案后，可以发现其存在如下不足。其一，有源相控阵雷达所包含的收发模块数量少则数十，多则上万。该方案需要设置与收发模块相同数量的探头和开关电路，这种测试系统的规模非常庞大且成本高昂。其二，不同的有源相控阵雷达所包含的收发模块数量各不相同，该方案无法用于收发模块数量不同的其他有源相控阵雷达，因而缺乏通用性。其三，该方案是采用开关切换方式，一次仅使用一个探头测试一个收发模块，从而实现对大量收发模块的分时测试，这样就用多探头的开关切换时间替代了单探头的探头移动时间，大大提高了测试速度。但即便如此，大型相控阵天线的测试时间依然相当漫长，往往需要一个月乃至数个月的测试时间。

申请公布号为CN105259544A、申请公布日为2016年1月20日的中国发明专利申请公开了一种有源相控阵雷达的收发模块(T/R组件)的测试方案，将测试激励信号送给所有收发模块，每个收发模块内部的移相器对测试激励信号分别进行正交相位调制，信号处理器再通过正交相位解调来完成对各个收发模块的测试。仔细分析该方案后，可以发现其与本申请有实质性的差异。该方案是针对有源相控阵雷达的收发模块进行幅度与相位的测试，测试的是收发模块的输入与输出的信号流，采用的是有线信号传输方式。本申请涉及的是对相控阵天线进行测试，测试的是天线口面的电场感应，采用的是无线信号传输方式。

技术实现要素：

本申请所要解决的技术问题是提供一种基于频分复用的近场天线测试系统，避免采用开关切换方式，从而进一步提高天线测试速度和测试效率，缩短测试时间。为此，本申请还要提供相应的天线测试方法。

为解决上述技术问题，本申请的基于频分的近场天线测试系统及其测试方法分为两种情况。第一种情况是待测天线作为接收天线，第二种情况是待测天线作为发射天线。

当待测天线作为接收天线时，本申请基于频分的近场天线测试系统包括信号源、变频单元、多个探头、待测天线、接收机。信号源产生初始信号。一路初始信号经过变频单元转换为一组发射信号并分别送往多个探头同时对外发射；所述一组发射信号的频率各异且均近似于初始信号的频率(即各个发射信号与初始信号的频率差值均远小于初始信号的频率)。待测天线为阵列天线、相控阵天线或反射面天线。多个探头辐射出的电磁波在空间传输后被待测天线同时接收并送往接收机，所接收信号经过接收机检测得到其中各不同频率分量的幅度和相位。

当待测天线作为接收天线时，相应的天线测试方法包括如下步骤：

步骤S201：信号源产生初始信号并送往变频单元；

步骤S202：变频单元将一路初始信号变换为一组发射信号并分别送往多个探头；所述一组发射信号的频率各异且均近似于初始信号的频率；

步骤S203：每个探头分别将一路发射信号同时对外发射；

步骤S204：待测天线同时接收多个探头所发射的电磁波，所接收信号被送往接收机；

步骤S205：接收机从接收信号中同时检测出各不同频率分量的幅度和相位。

当待测天线处于接收位置时，本申请基于频分的近场天线测试系统及其测试方法在最优情况下仅需使用唯一信号源与单通道的接收机。其测试方法基于频分方式，构造出频率各不相同且均与初始信号的频率差别很小的一组发射信号，这一组发射信号可以同时被待测天线接收并由接收机来同时检测幅度和相位，相当于分别在每个探头的位置单独发射初始信号进行多次分时测试的组合情况。本申请不仅节省了现有方案中的开关切换时间因而提高了测试速度与测试效率，而且由于这一组发射信号与初始信号的频率差别很小因而测试结果准确。

当待测天线作为发射天线时，本申请基于频分的近场天线测试系统包括信号源、待测天线、多个探头、接收机；信号源产生发射信号。待测天线为相控阵天线或反射面天线。发射信号送往待测天线对外发射。待测天线辐射出的电磁波在空间传输后被多个探头分别同时接收，每个探头所接收的信号分别送往接收机检测得到幅度和相位。

当待测天线作为发射天线时，相应的天线测试方法包括如下步骤：

步骤S901：信号源产生发射信号并送往待测天线；

步骤S902：待测天线将一路发射信号对外发射；

步骤S903：多个探头分别同时接收待测天线所发射的信号，并将所接收信号分别送往接收机；

步骤S904：接收机同时检测多个所接收信号的幅度和相位值。

当待测天线处于发射位置时，本申请基于频分的近场天线测试系统及其测试方法需要使用具有多路通道(即多个端口)的一个接收机，或者是多个单通道接收机。其测试方法是通过接收机的多个通道来实现对多探头所接收的多个信号的同时检测。

附图说明

图1是待测天线为接收天线时测试系统实施例一的示意图。

图2是待测天线为接收天线时测试系统实施例一对应的测试方法流程图。

图3是一个8×8阵列天线与一个8×1探头组的示意图。

图4是待测天线为接收天线时测试系统实施例二的示意图。

图5是待测天线为接收天线时测试系统实施例二对应的测试方法流程图。

图6是待测天线为接收天线时测试系统实施例三的示意图。

图7是待测天线为接收天线时测试系统实施例三对应的测试方法流程图。

图8是待测天线为发射天线时测试系统的示意图。

图9是待测天线为发射天线时测试系统对应的测试方法流程图。

具体实施方式

请参阅图1，当待测天线为接收天线时，本申请基于频分的近场天线测试系统的实施例一包括：

——信号源，通过线缆连接变频单元。所述信号源用于产生初始信号f0并送往变频单元。所述初始信号f0例如是由晶体振荡器(crystal oscillator)产生并可选地通过频率变换得到，该初始信号f0作为整个近场天线测试系统的测试频率。

所述信号源还将自身的时钟信号作为参考信号REF送往整个近场天线测试系统的各组成部分，为整个近场天线测试系统提供统一的时间基准。所述参考信号REF例如为10MHz。

——变频单元，通过线缆连接各个探头。所述变频单元接收信号源所输出的初始信号f0，并将一路初始信号f0变换为一组发射信号ft1～ftN，这一组发射信号ft1～ftN的频率各不相同，但每个发射信号与初始信号f0的频率差都远小于初始信号f0的频率，因此可以将这一组发射信号ft1～ftN的频率近似地认为是初始信号f0的频率。这一组发射信号ft1～ftN分别送往多个探头。优选地，发射信号的数量与探头数量相同。

所述远小于至少指小于1/100，优选是小于1/10³，更优选是小于1/10⁴，更优选是小于1/10⁵，更优选是小于1/10⁶。例如，每个发射信号与初始信号f0的频率差均为几个kHz，而初始信号f0的频率通常是以GHz作为单位。

——多个探头，用于将变频单元所输出的一组发射信号ft1～ftN同时对外发射。其中的每个探头将变频单元所输出的频率各异的一个发射信号同时对外发射。

所述多个探头通常排列为直线，例如多个探头沿水平方向排为一行，或者是沿垂直方向排为一列。或者，所述多个探头也可排列为圆形、圆弧形、长方形矩阵等二维阵列。

——待测天线，通过线缆连接接收机。所述待测天线为包含多个个体天线的相控阵天线或反射面天线，其中的多个(部分或全部的)个体天线用于同时接收多个探头所辐射出的、在空间传输的电磁波，也就是由待测天线同时接收多个探头同时发射的一组发射信号ft1～ftN，待测天线的接收信号fr被送往接收机。

——接收机，至少具有一路接收通道(即接收端口)。所述接收机仅使用一路接收通道从待测天线所输出的接收信号fr中同时检测各个不同频率分量的幅度和相位，从而判定待测天线的接收特性。

如果多个探头同时发射相同频率的信号，这些信号会在空间合成，待测天线就无法分辨出每个探头所发射的信号并进行检测。将初始信号f0进行极微小的频率偏移后形成一组频率各异的发射信号ft1～ftN并由多个探头同时发射，这些信号由于频率各异不会在空间合成，而待测天线也能分辨出每个探头所发射的信号并由接收机实现检测，并且检测结果非常近似于多个探头分别发射初始信号f0并由待测天线分别接收的情况。例如，本申请的相控阵近场天线测试系统采用8个探头同时发射一组发射信号ft1～ft8，就相当于采用唯一探头在探头一的位置发射初始信号f0由待测天线接收，再将唯一探头移动到探头二的位置发射初始信号f0由待测天线接收，……，再将唯一探头移动到探头八的位置发射初始信号f0由待测天线接收。

优选地，所述多个探头部署在扫描架上，扫描架可以移动。通过移动扫描架可以调节待测天线与多个探头之间的位置关系，从而使探头的位置覆盖待测天线的整个近场扫描面。

请参阅图2，图1所示的基于频分的近场天线测试系统的实施例一对应的测试方法包括如下步骤：

步骤S201：信号源产生初始信号f0并送往变频单元。此外，信号源还将自身的时钟信号作为参考信号REF送往整个近场天线测试系统的各组成部分，为整个近场天线测试系统提供统一的时间基准，至少包括送往变频单元和接收机作为时钟信号。

步骤S202：变频单元将一路初始信号f0变换为一组发射信号，并分别送往多个探头。这一组发射信号ft1～ftN的频率各不相同，但都近似地等于初始信号f0的频率。优选地，发射信号的数量与探头数量相同。

步骤S203：多个探头分别将一组发射信号ft1～ftN同时对外发射。换而言之，每个探头分别将频率各异的一路发射信号同时对外发射。

步骤S204：待测的相控阵天线或反射面天线作为接收天线，同时接收多个探头所发射的电磁波，即同时接收多个探头所发射的一组发射信号ft1～ftN，所接收信号fr被送往接收机。

步骤S205：接收机从所接收信号fr中同时检测出各不同频率分量的幅度和相位值，从而判定待测天线的接收特性。

优选地，在步骤S205之后还包括：重复步骤S201至步骤S205并且每次使用不同频率的初始信号f0，如此这般进行频率遍历扫描直至完成待测天线整个频段的测试。

优选地，在步骤S205之后还包括：重复步骤S201至步骤S205并且每次移动扫描架的位置。作为发射端的多个探头和作为接收端的待测天线可选地部署在扫描架上，通过移动扫描架可以不断调节待测天线与多个探头之间的位置关系，直至探头的位置覆盖待测天线的整个近场扫描面。

例如请参阅图3，假设待测天线包含64个阵元(即个体天线)且排列为8排8列，可以是相控阵天线或反射面天线。排为一列的8个探头固定在扫描架上。假设待测天线的工作频段是18GHz～20GHz，测试频率的扫描步进是1GHz，则频率遍历扫描以及覆盖整个近场扫描面的测试过程如下。

首先测试18GHz，因此将初始信号f0设为18GHz，变频单元将初始信号f0变换为一组8个发射信号ft1～ft8例如分别为17.997GHz、17.998GHz、17.999GHz、18GHz、18.001GHz、18.002GHz、18.003GHz、18.004GHz。排为一列的8个探头同时分别发射这一组8个发射信号ft1～ft8，待测天线同时接收这些信号并传给接收机检测分析，由此可以判断待测天线在18GHz的接收特性。采用同样方式测试19GHz、20GHz。

然后移动扫描架，重复上述测试18GHz、19GHz、20GHz的过程。例如根据测试频率设置探头采样间隔，以此作为扫描架的移动步进值。不断移动扫描架并重复上述测试过程，以使排为一列的8个探头与待测天线之间的位置关系不断变化，直至探头的位置遍历了待测天线的整个近场扫描面，从而得到探头覆盖整个近场扫描面的待测天线在各测试频率的接收特性。

优选地，在步骤S205之后还包括，通过已有算法实现相控阵天线的近场到远场的变换，获得相控阵天线的辐射方向图等信息。例如，先针对待测天线进行上述测试方法的各步骤得到待测天线作为接收天线在近场扫描面上的幅度及相位分布，然后根据测量数据、探头的特性和近场扫描面的位置信息，通过已有算法计算出天线远场特性的全部信息。将待测天线改为标准增益天线后重新进行上述测试方法的各步骤得到标准增益天线的天线远场特性的全部信息，根据标准增益天线已知的标定增益值计算待测天线的增益值，完成待测天线的增益测试。

请参阅图4，这是当待测天线为接收天线时，本申请基于频分的近场天线测试系统的实施例二。与实施例一相比，实施例二给出了变频单元的一种具体实现方式。所述变频单元具体包括：

——分配单元，用于将一路初始信号f0复制为多路初始信号f0，并分别送往各个混频单元作为第一输入。

——本振单元，用于产生一组中间信号fm1～fmN，并分别送往各个混频单元作为第二输入。这一组中间信号fm1～fmN的频率各不相同，并且每个中间信号都远小于初始信号f0的频率。

所述本振单元可以采用本地振荡器(local oscillator)、倍频器(frequency multiplier)、分频器(frequency divider)、混频器(frequency mixer)的任意一种或多种的组合来实现。例如频率分量Δf可通过对本地振荡器的输出信号和/或参考信号REF进行分频、倍频和/或混频实现。

——多个混频单元，每个混频单元用于将第一输入与第二输入进行频率相加和/或频率相减(即混频)后输出。多个混频单元分别输出多路频率各不相同的一组发射信号ft1～ftN，这一组发射信号ft1～ftN分别送往多个探头。优选地，发射信号的数量与探头数量相同。

例如，中间信号fmn＝(n-1)Δf，发射信号ftn＝f0+fmn＝f0+(n-1)Δf，其中n的取值范围是自然数且1≤n≤N。

请参阅图5，图4所示的基于频分的近场天线测试系统的实施例二对应的测试方法包括如下步骤：

步骤S501：信号源产生初始信号f0并送往分配单元。此外，信号源还将自身的时钟信号作为参考信号REF送往整个测试系统的各组成部分，为整个测试系统提供统一的时间基准，至少包括送往分配单元、本振单元、混频单元和接收机作为时钟信号。

步骤S502：分配单元将一路初始信号f0复制为多路初始信号f0，并分别提供给各个混频单元作为第一输入。

步骤S503：本振单元产生一组中间信号fm1～fmN，并分别送往各个混频单元作为第二输入。这一组中间信号fm1～fmN的频率各不相同，并且每个中间信号与初始信号f0的频率差都远小于初始信号f0的频率。

所述步骤S502与步骤S503的顺序可以互换、或者同时进行。

步骤S504：每个混频单元均将各自的第一输入(初始信号f0)与第二输入(一组中间信号fm1～fmN中的一个)进行频率相加和/或频率相减(即混频)后得到一组发射信号ft1～ftN中的一个，多个混频单元便输出一组发射信号ft1～ftN并分别送往多个探头。这一组发射信号ft1～ftN的频率各不相同，但都近似地等于初始信号f0的频率。优选地，发射信号的数量与探头数量相同。

下面是步骤S505至步骤S507，分别等同于步骤S203至步骤S205，不再赘述。

实施例二也可采用与实施例一相同的频率遍历扫描、探头覆盖整个近场扫描面、近场测试参数与远场测试参数的转换等附加方案。

请参阅图6，这是当待测天线为接收天线时，本申请基于频分的近场天线测试系统的实施例三。与实施例一相比，实施例三用多个信号源取代了实施例一中的唯一信号源和变频单元。

所述多个信号源通过线缆连接各个探头。所述多个信号源用于产生一组相参的发射信号ft1～ftN。相参是指各信号源产生的信号之间具有确定的相位关系。这一组发射信号ft1～ftN的频率各不相同，但任意两个发射信号之间频率差都远小于任意一个发射信号的频率，因此可以将这一组发射信号ft1～ftN的频率近似地认为等同于测试频率f0。这一组发射信号ft1～ftN分别送往多个探头。优选地，发射信号的数量与探头数量相同。

此外，至少一个信号源还将自身的时钟信号作为参考信号REF送往整个测试系统的各组成部分，为整个测试系统提供统一的时间基准。所述参考信号REF例如为10MHz。

请参阅图7，图6所示的基于频分的近场天线测试系统的实施例三对应的测试方法包括如下步骤：

步骤S701：多个信号源分别产生一组相参的发射信号ft1～ftN，并分别送往多个探头。这一组发射信号ft1～ftN的频率各不相同，但频率非常接近因而可以近似地认为频率相同。优选地，发射信号的数量与探头数量相同。

此外，至少一个信号源还将自身的时钟信号作为参考信号REF送往整个测试系统的各组成部分，为整个测试系统提供统一的时间基准，至少包括送往接收机作为时钟信号。

下面是步骤S702至步骤S704，分别等同于步骤S203至步骤S205，不再赘述。

实施例三也可采用与实施例一相同的频率遍历扫描、探头覆盖整个近场扫描面、近场测试参数与远场测试参数的转换等附加方案。

与现有的单探头的相控阵近场天线测试系统相比，本申请的近场天线测试系统采用多探头，可以显著地提高天线测试速度与测试效率，缩短测试时间。与现有的多探头的相控阵近场天线测试系统相比，本申请以频分(frequency division)方式取代了开关切换方式，由于省略了开关切换时间，并且多个探头可以一起发射由待测天线同时接收并由接收机的单通道进行检测分析，进一步提高了天线测试速度与测试效率，缩短了测试时间。

请参阅图8，当待测天线为发射天线时，本申请基于频分的近场天线测试系统包括：

——信号源，通过线缆连接待测天线。所述信号源用于产生发射信号fr并送往待测天线。所述发射信号ft例如是由晶体振荡器产生并通过频率变换得到，该发射信号ft作为整个近场天线测试系统的测试频率。

所述信号源还将自身的时钟信号作为参考信号REF送往整个近场天线测试系统的各组成部分，为整个近场天线测试系统提供统一的时间基准。所述参考信号REF例如为10MHz。

——待测天线，为包含多个个体天线的相控阵天线或反射面天线，用于将一路发射信号ft对外发射。

——多个探头，通过电缆连接接收机。多个探头用于同时分别接收待测天线所发射的信号ft，多个探头所接收信号fr1～frN分别送往一个接收机的各个端口或多个接收机。例如，探头数量小于或等于接收机的端口数量。

——接收机，具有多路接收通道，或者是多个接收机。这些接收通道用于同时检测一组接收信号fr1～frN的幅度和相位，从而判定待测天线的发射特性。例如，常规的四端口矢量网络分析仪具有8路相参接收通道，每一路接收通道就相当于是一个独立的单通道接收机。具有多个接收通道的接收机也可改为多个单通道接收机。

优选地，所述多个探头部署在扫描架上，扫描架可以移动。通过移动扫描架可以调节待测天线与多个探头之间的位置关系，从而使探头的位置覆盖待测天线的整个近场扫描面。

请参阅图9，图8所示的基于频分的相控阵近场天线测试系统对应的测试方法包括如下步骤：

步骤S901：信号源产生发射信号ft并送往待测天线。此外，信号源还将自身的时钟信号作为参考信号REF送往整个近场天线测试系统的各组成部分，为整个近场天线测试系统提供统一的时间基准。

步骤S902：待测天线将一路发射信号ft对外发射。

步骤S903：多个探头同时分别接收待测天线所发射的一路发射信号ft，每个探头分别将所接收信号fr1～frN分别送往接收机。

步骤S904：接收机同时检测一组接收信号fr1～frN的幅度和相位值，从而判定待测天线的发射特性。

待测天线作为发射天线时的天线测试方法，也可采用待测天线作为接收天线时天线测试方法的各实施例相同的频率遍历扫描、探头覆盖整个近场扫描面、近场到远场的变换和口面场反演等附加方法步骤。

以上仅为本申请的优选实施例，并不用于限定本申请。对于本领域的技术人员来说，本申请可以有各种更改和变化。凡在本申请的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本申请的保护范围之内。