相控阵天线有源驻波自动测试装置和方法与流程

本发明属于阵列天线技术领域，特别涉及到相控阵天线有源驻波自动测试技术。

背景技术：

随着现代雷达系统的进步与发展，相控阵天线以波束集成化程度高，波束灵活捷变等优点得到了越来越多的应用。有源驻波作为相控阵天线的一项重要指标参数，影响着天线辐射效率，天线的有源驻波在2.0以下时,增益损失为0.5db，相控阵天线辐射效率为90％左右。一般要求有源驻波在天线扫描范围内能够达到2.0以下,对相控阵天线系统来说比较合适。

相控阵天线规模不同，其天线单元数可由几十到几千个组成。为了得到相控阵天线的有源驻波，需要测试相控阵天线中每个天线单元的单元驻波值与单元之间的互耦系数。测试时，为了获得各单元间的互耦系数，通常使用矢量网络分析仪与两待测天线单元连接，采集完毕数据后进行更换测试天线单元的方法，使用此测试方法过程中，需要更换很多次测试电缆才能采集到相控阵天线中各天线单元的互耦系数，可以看出，相控阵天线有源驻波的测试工作十分巨大，往往耗费大量人力物力。如何提高测试效率，降低测试成本，是相控阵天线有源驻波测试的迫切需求。

技术实现要素：

本发明所要解决的技术问题在于提供了一种相控阵天线有源驻波自动测试技术，缩短相控阵天线有源驻波测试时间，减少人力成本，提高测试工作效率，降低测试成本。

本发明是通过以下技术方案解决上述技术问题的：一种相控阵天线有源驻波自动测试装置，包括计算机、矢量网络分析仪、多通道矩阵开关，其中多通道矩阵开关连接到对应的通道数的待测天线阵，多通道矩阵开关的每个通道控制待测天线阵中的一个天线单元的连通/断开，计算机连接到矩阵开关的控制端口以及矢量网络分析仪，用来控制矩阵开内各开关通道的连通/断开，以及采集矢量网络分析仪的数据，矢量网络分析仪的端口一和端口二分别连接到多通道矩阵开关的输入端口和输出端口，用来测试天线阵中天线单元驻波系数与单元间互耦系数。

优化的，有源驻波计算公式见公式(1)～(3)：

为天线阵中各天线单元的无源反射系数，为编号m、n单元之间的互耦系数，为编号n天线单元的有源反射系数，bn为编号n天线单元的复数激励，amn为该天线单元的激励幅度，在不做幅度加权时取1，j为虚数单位，θ为求坐标系俯仰角，φ为求坐标系方位角，xn、yn为编号为n的天线单元在天线阵中的横纵坐标，acivevswrnn为编号为n的天线单元有源驻波值。

优化的，所述多通道矩阵开关由多个微波开关级联而成的开关矩阵，矩阵开关能够同时进行多个通道的连通/断开操作。

优化的，矩阵开关上每个通道都带有高低电平信号控制电路，根据控制信号电平的高或低实现开关通道的连通/断开。

优化的，待测天线阵中包含8×8或者16×16个天线单元，矩阵开关对应采用8×8或者16×16个通道的矩阵开关。

优化的，所述矩阵开关切换时间与矢量网络分析仪数据采集时间相匹配。

本发明还公开了一种相控阵天线有源驻波自动测试装置进行测试的方法，包括下述步骤：

步骤1.使用多通道矩阵开关与待测天线阵相连；

步骤2.设置矩阵开关切换时间与矢量网络分析仪数据采集时间相匹配；

步骤3.矢量网络分析仪测试得到天线阵中各天线单元的驻波系数以及单元之间的互耦系数，并保存测试文件，计算机从矢量网络分析仪中采集测试文件进行保存；

步骤4.代入有源驻波系列计算公式，计算得到各天线单元的有源驻波参数。

优化的，步骤3中，利用矢量网络分析仪进行测试天线阵中天线单元驻波系数与单元间互耦系数时，使用矢网的两个端口进行测试，测试前，将矢网进行全二端口校准，校准流程包括以下步骤：

步骤10、在矢量网络分析仪端口一和端口二上连接两根测试电缆；

步骤20、选择矢量网络分析仪全二端口校准功能；

步骤30、分别在端口一和端口二上依次进行开路、短路、负载校准；

步骤40、使用双阴校准件连接两根测试电缆进行直通校准；

步骤50：校准完成。

优化的，步骤3中的测试具体流程如下：控制/采集计算机发送测试指令并自动给出测试的天线单元编号，对应矩阵开关闭合，矢网测试获得的s11、s21、s12、s22四项参数的幅度与相位，计算机采集矢网中的测试数据进行存储，直至完成所有的测试，四项参数中，s11为当前测试的与矢网端口一相连的天线单元驻波系数，s21为当前测试的与矢网端口一相连的天线单元到与矢网端口二相连的天线单元的传输系数，s12为当前测试的与矢网端口二相连的天线单元到与矢网端口一相连的天线单元的传输系数，s22为当前测试的与矢网端口二相连的天线单元驻波系数，s21与s12认为是同一项参数，即单元之间的互耦系数。

优化的，步骤4中，在获得天线阵中各天线单元的驻波系数以及单元之间的互耦系数的矢网测试数据后，须去除开关矩阵网络的插入损耗，获得准确的天线阵中各天线单元驻波系数以及单元之间的互耦系数。

本发明相比现有技术具有以下优点：提供一种相控阵天线有源驻波自动测试技术，使用多通道矩阵开关与待测天线阵相连，设置矩阵开关切换时间与矢量网络分析仪(测试仪表)数据采集时间相同步，利用矢量网络分析仪测试并存储下天线阵中各天线单元的驻波系数以及单元之间的互耦系数，根据相控阵中天线单元的有源驻波计算公式编写自动计算程序，待整个天线阵中各天线单元驻波系数与互耦系数测试完毕，计算并输出各天线单元的有源驻波参数，完成测试。自动测试缩短了相控阵天线有源驻波测试时间，减少人力成本，提高测试工作效率，降低测试成本。

附图说明

图1阵列天线有源驻波自动测试方法流程图。

图2给出了示例8×8阵列天线有源驻波测试时器件连接图；

图3给出示例8×8阵列天线有源驻波测试结果；

图4给出示例8×8阵列天线有源驻波测试结果-等高线图；

图5给出了示例1×16裂缝波导阵列天线有源驻波测试时器件连接图；

图6给出示例1×16裂缝波导阵列天线有源驻波测试结果；

图7给出示例1×16裂缝波导阵列天线有源驻波测试结果-等高线图；

图8矢量网络分析仪校准流程；

图9天线自动测试控制流程。

具体实施方式

下面对本发明的实施例作详细说明，本实施例在以本发明技术方案为前提下进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。

本发明提供一种相控阵天线有源驻波自动测试装置，包括计算机、矢量网络分析仪、多通道矩阵开关。其中多通道矩阵开关连接到对应的通道数的待测天线阵，多通道矩阵开关的每个通道控制待测天线阵中的一个天线单元的连通/断开，计算机连接到矩阵开关的控制端口以及矢量网络分析仪，用来控制矩阵开内各开关通道的连通/断开，以及采集矢量网络分析仪的数据，矢量网络分析仪的端口一和端口二分别连接到多通道矩阵开关的输入端口和输出端口，用来测试天线阵中天线单元驻波系数与单元间互耦系数。

该相控阵天线有源驻波自动测试装置，使用多通道矩阵开关与待测天线阵相连，设置矩阵开关切换时间与矢量网络分析仪(测试仪表)数据采集时间相同步，利用矢量网络分析仪测试并存储下天线阵中各天线单元的驻波系数以及单元之间的互耦系数，根据相控阵中天线单元的有源驻波计算公式编写有源驻波的自动计算程序，有源驻波计算公式见公式(1)～(3)：

为天线阵中各天线单元的无源反射系数，为编号m、n单元之间的互耦系数，为编号n天线单元的有源反射系数，bn为编号n天线单元的复数激励，amn为该天线单元的激励幅度，在不做幅度加权时取1，j为虚数单位，θ为求坐标系俯仰角，φ为求坐标系方位角，xn、yn为编号为n的天线单元在天线阵中的横纵坐标，acivevswrnn为编号为n的天线单元有源驻波值。待整个天线阵中各天线单元驻波系数与互耦系数测试完毕，计算并输出各天线单元的有源驻波参数，完成测试。

所述多通道矩阵开关由多个微波开关级联而成的开关矩阵，矩阵开关可以同时进行多个通道的连通/断开操作。矩阵开关上每个通道都带有高低电平信号控制电路，可根据控制信号电平的高或低实现开关通道的连通/断开。

请参阅图1，使用该相控阵天线有源驻波自动测试装置进行测试的步骤如下：

步骤1.使用多通道矩阵开关与待测天线阵相连：

根据待测天线阵的规模大小，可以选用不同规模的矩阵开关。实际工程中，天线阵常划分为多个子阵，通常子阵中包含8×8或者16×16个天线单元，因为这两种规模的子阵已经能够保证天线单元的有源驻波测试结果与天线单元在天线阵中的测试结果有很高的一致性。对应的，可选择8×8或者16×16个通道的矩阵开关与待测子阵相连，等待测试。

步骤2.设置矩阵开关切换时间与矢量网络分析仪(测试仪表)数据采集时间相匹配：

本实施例中，是通过计算机发出测试指令并依次给出天线单元编号，具体的，矢量网络分析仪和矩阵开关根据计算机的测试指令与天线单元编号进行工作，矩阵开关与相应天线单元编号对应的开关闭合，矢量网络分析仪开始发送信号并接收回波信号获得测试数据。由于测试时，矢量网络分析仪的数据采集均需要一定的时间，故而需要设置开关开断时间与矢量网络分析仪(测试仪表)数据采集时间相匹配，以此保证矢网有足够的时间完成数据采集。具体的，矩阵开关的开/断需要触发信号，触发信号由矢量网络分析仪提供，矢量网络分析仪根据计算机的控制发出开/断的触发信号。

步骤3.矢量网络分析仪测试得到天线阵中各天线单元的驻波系数以及单元之间的互耦系数，并保存测试文件，计算机从矢网中采集测试文件进行保存

利用矢量网络分析仪(简称：矢网)进行测试天线阵中天线单元驻波系数与单元间互耦系数时，使用矢网的两个端口进行测试，其中矢网的端口一接矩阵开关输入端口，矢网的端口二接矩阵开关输出端口，测试前，须将矢网进行全二端口校准，校准流程见图8，包括以下步骤：

步骤10、在矢量网络分析仪端口一和端口二上连接两根测试电缆；

步骤20、选择矢量网络分析仪全二端口校准功能；

步骤30、分别在端口一和端口二上依次进行开路、短路、负载校准；

步骤40、使用双阴校准件连接两根测试电缆进行直通校准；

步骤50：校准完成。

进行全二端口校准是去除直接与矢网相连的两根短电缆的插入损耗。

为了提高测试效率，可编写测试控制程序，控制流程见图9，在测试时，控制/采集计算机发送测试指令并自动给出测试的天线单元编号，对应矩阵开关闭合，矢网测试获得的s11、s21、s12、s22四项参数的幅度与相位，计算机采集矢网中的测试数据进行存储，直至完成所有的测试。四项参数中，s11为当前测试的与矢网端口一相连的天线单元驻波系数，s21为当前测试的与矢网端口一相连的天线单元到与矢网端口二相连的天线单元的传输系数，s12为当前测试的与矢网端口二相连的天线单元到与矢网端口一相连的天线单元的传输系数，s22为当前测试的与矢网端口二相连的天线单元驻波系数。一般地，天线单元为无源器件，其构成的网络为互易网络，s21与s12在理论上认为是同一项参数，即单元之间的互耦系数。

步骤4.代入有源驻波系列计算公式，计算得到各天线单元的有源驻波参数

由天线单元有源驻波参数系列计算公式(1)-(3)：

带入天线阵中各天线单元的驻波系数以及单元之间的互耦系数计算获得各天线单元的有源驻波参数acivevswrnn。值得注意的是，在获得天线阵中各天线单元的驻波系数以及单元之间的互耦系数的矢网测试数据后，还须去除开关矩阵网络的插入损耗，才能获得较为准确的天线阵中各天线单元驻波系数以及单元之间的互耦系数。开关矩阵网络的插入损耗是一项由制造厂家提供的出厂数据，认为是固定值，故此操作只需带入厂家提供的矩阵开关数据即可完成。

实施例一

请参阅图2，本发明给出了一个对一工作于x波段8×8阵列天线进行有源驻波测试的实施例，控制与数据采集计算机通过通信电缆与矢量网络分析仪相连，矢量网络分析仪的两个端口分别与矩阵开关的输入/输出端口相连；与8×8天线阵相对应的，矩阵开关中包含8×8个开关，矩阵开关控制端口与控制计算机相连，以同步开关切换和矢网采集保存数据的时间；矩阵开关中每个开关有一个端口，各开关与天线单元对应相连。

工作于x波段8×8阵列天线进行有源驻波测试的的步骤如下：

步骤12.使用8×8矩阵开关与8×8天线阵相连，矩阵开关中每个开关有一个端口，各开关与天线单元对应相连，天线单元编号1～64；

步骤22.设置控制/采集计算机参数，设置矩阵开关切换时间与矢量网络分析仪数据采集时间相匹配；

步骤32.利用矢量网络分析仪测试并存储下天线阵中各天线单元的驻波系数以及单元之间的互耦系数。如图9所述的天线自动测试控制流程，计算机依次给出编号1(2)、1(3)、1(4)……1(64)、2(1)、2(3)、2(4)……2(64)……63(64)，测试得到所有的天线单元两两组合测试结果。计算机从矢网中采集测试文件进行保存；

步骤4.在计算机中，读取测试数据。将第n号天线单元驻波系数与其他所有单元间的互耦参数代入系列计算公式，计算并输出第n号天线单元的有源驻波参数acivevswrnn。

图3给出示例8×8阵列天线有源驻波测试结果，图中给出了天线阵法向波束情况下阵中各天线单元的有源驻波测试结果。图4给出示例8×8阵列天线有源驻波测试结果-等高线图，图中给出了天线阵中某一天线单元在波束扫描情况下的有源驻波测试结果。

实施例二

请参阅图5，本发明给出了一个对一工作于x波段1×16裂缝波导阵列天线进行有源驻波测试的实施例，该阵列天线是裂缝波导天线形式，是由16根裂缝波导组成的1×16平面阵列天线，其包含了16个有源通道，通过天线测试阵中各天线单元有源驻波测试结果。

图5给出了示例1×16裂缝波导阵列天线有源驻波测试时器件连接图，图中，控制与数据采集计算机通过通信电缆与矢量网络分析仪相连；矢量网络分析仪的两个端口分别与矩阵开关的输入/输出端口相连；与1×16天线阵相对应的，矩阵开关中包含1×16个开关，矩阵开关控制端口与控制计算机相连，以同步开关切换和矢网采集保存数据的时间；矩阵开关中每个开关有一个端口，各开关与天线单元对应相连。

工作于x波段1×16裂缝波导阵列天线进行有源驻波测试的的步骤如下：

步骤12.使用1×16矩阵开关与1×16天线阵相连，矩阵开关中每个开关有一个端口，各开关与天线单元对应相连，天线单元编号1～16；

步骤22.设置1×16矩阵开关切换时间与矢量网络分析仪数据采集时间相同步；

步骤32.利用矢量网络分析仪测试并存储下天线阵中各天线单元的驻波系数以及单元之间的互耦系数。如图9所述的天线自动测试控制流程，计算机依次给出编号1(2)、1(3)、1(4)……1(16)、2(1)、2(3)、2(4)……2(16)……15(16)，测试得到所有的天线单元两两组合测试结果。计算机从矢网中采集测试文件进行保存；

步骤4.在计算机中，读取测试数据。将第n号天线单元驻波系数与其他所有单元间的互耦参数代入系列计算公式，计算并输出第n号天线单元的有源驻波参数acivevswrnn。

图6给出示例1×16裂缝波导阵列天线有源驻波测试结果，图中给出了天线阵法向波束情况下阵中各天线单元的有源驻波测试结果。图7给出示例1×16裂缝波导阵列天线有源驻波测试结果-等高线图，图中给出了天线阵中某一天线单元在波束扫描情况下的有源驻波测试结果。

以上内容是结合具体的优选实施方式对本发明所作的详细说明，不能认定本发明具体实施仅限于这些说明。对于本发明所属技术领域的技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干简单推演或替换，如变换阵列天线尺寸、矩阵开关尺寸，选择不同形式的阵列天线，变换测试结果中波束扫描角度等，都应当视为属于本发明由所提交的权利要求书确定的发明保护范围。