一种相控阵天线快速校准测试系统及方法与流程

1.本发明涉及一种相控阵天线快速校准测试系统及方法，属于天线测量技术领域，涉及一种近场测试系统，尤其涉及相控阵天线的快速校准和方向图测试。


背景技术：

2.相控阵天线因具有波束捷变的特性，在快速指向、形状捷变、空间功率合成、空域滤波等方面具有显著优势。随着集成电路和微组装工艺的进步，相控阵天线的尺寸、成本不断降低，在雷达、通信等领域获得日益广泛的应用。
3.相控阵天线由天线阵面、t/r组件、功分馈电网络和导热结构组成，由于t/r组件的各通道指标一致性存在差异，加之各子模块在加工、装配期间引入的误差，相控阵天线各通道的初始幅度和相位不一致，且随频率发生变化。为保证相控阵正常工作，抑制因初始幅相差异造成的天线增益降低、副瓣升高等影响，需借助近场测试环境对相控阵天线进行幅相校准，并根据近场辐射特性推算出远场方向图。
4.相控阵天线的幅相校准和方向图测试过程远比单元天线的方向图测试复杂，因此普遍需要更长的测试时间。目前租借近场测试暗室的费用普遍为2～4万/天，相控阵校准测试花费的时间将直接决定其成本，尤其是低成本小规模相控阵。如何简化相控阵天线的校准和测试过程，提高测试效率对相控阵在国防领域的大规模应用至关重要。
5.李冰等在《相控阵天线自动化测试研究与实现》(航天制造技术,2017,10(5):59
‑
63.)提出了一种基于以太网的自动测试系统：上位机将相控阵天线工作所需的波控码预存储在flash中，相控阵天线根据扫描架输入的并行控制码读取波控码，可连续测量多个方向图。该方法能显著提高相控阵天线测试的自动化程度，但仍有进一步改进的空间。为保证测试的准确性，扫描探头的移动速度有限(40～80mm/s)，这是测试效率的固有制约因素。李冰提出的系统，探头扫描一轮只能测到一种频率和指向角的组合。若一轮扫描能覆盖多种频率和指向角的组合，则能显著提升校准和测试效率。


技术实现要素：

6.本发明解决的技术问题是：克服现有技术的不足，提供了一种相控阵天线快速校准测试系统及方法，通过优化测试流程、降低部分模块运算延迟的方式，显著提高相控阵天线幅相校准和方向图测试的效率。
7.本发明的技术解决方案是：一种相控阵天线快速校准测试系统，包括上位机模块、交换机模块、同步控制模块、信号源模块、功放模块、低噪放模块、待测相控阵天线、电源模块、校准控制模块、扫描模块、信号调理模块、矢网模块；
8.上位机模块通过rs422接口向校准控制模块发送配置信息，从校准控制模块接收状态信息；上位机模块通过以太网接口向交换机模块发送配置信息，从交换机模块接收扫描探头的位置信息和采集数据；
9.交换机模块通过以太网接口从上位机模块接收配置信息，根据不同的目的地址，
分别通过独立的以太网接口向信号源模块、同步控制模块、扫描模块、信号调理模块、矢网模块发送配置信息；交换机模块通过以太网接口从扫描模块接收扫描探头的位置信息，通过以太网接口从矢网模块接收采集数据，再通过以太网接口发送给上位机模块；
10.同步控制模块通过以太网接口接收交换机模块输入的配置信息，产生脉冲同步信号，通过gpio接口发送给信号源模块、校准控制模块和矢网模块；
11.发射测试状态下，信号源模块通过以太网接口接收交换机模块输入的配置信息，通过gpio接口接收同步控制模块输入的脉冲同步信号；信号源模块产生射频参考信号，通过射频同轴接口发送给功放模块；接收测试状态下，信号源模块通过以太网接口接收交换机模块输入的配置信息，通过gpio接口接收同步控制模块输入的脉冲同步信号；信号源模块产生射频参考信号，通过射频同轴接口发送给扫描模块和信号调理模块；
12.发射测试状态下，功放模块通过射频同轴接口接收信号源模块输入的射频参考信号，产生放大信号，再通过射频同轴接口发送给待测相控阵天线和信号调理模块；
13.电源模块通过供电接口向校准控制模块提供28v电源；
14.校准控制模块通过供电接口接收电源模块输入的28v供电，变换成+5v和
‑
5v，再通过供电接口输出给待测相控阵天线；校准控制模块通过rs422接口接收上位机模块输入的配置信息，通过gpio接口接收同步控制模块输入的脉冲同步信号，解析后产生波控码，再通过gpio接口发送给待测相控阵天线；校准控制模块通过rs422接口向上位机模块发送状态信息；
15.发射测试状态下，待测相控阵天线通过射频同轴接口接收功放模块输入的放大信号，通过gpio接口接收校准控制模块输入的波控码，产生射频发射信号，再通过电磁波辐射发送给扫描模块；接收测试状态下，待测相控阵天线通过电磁波辐射接收扫描模块输入的射频发射信号，通过gpio接口接收校准控制模块输入的波控码，产生射频接收信号，再通过射频同轴接口发送给低噪放模块；
16.接收测试状态下，低噪放模块通过射频同轴接口接收待测相控阵天线输入的射频接收信号，进行放大和滤波处理，产生放大信号，再通过射频同轴接口发送给信号调理模块；
17.扫描模块通过以太网接口接收交换机模块输入的配置信息，移动扫描探头，再通过以太网接口将扫描探头的位置信息发送给交换机模块；在发射测试状态下，扫描模块通过电磁波辐射接收待测相控阵天线输入的射频发射信号，产生射频接收信号，再通过射频同轴接口发送给信号调理模块；在接收测试状态下，扫描模块通过射频同轴接口接收信号源模块输入的射频参考信号，产生射频发射信号，再通过电磁波辐射发送给待测相控阵天线；
18.发射测试状态下，信号调理模块通过以太网接口接收交换机模块输入的配置信息，通过以太网接口接收交换机模块输入的配置信息，通过射频同轴接口分别接收扫描模块输入的射频接收信号和功放模块输入的放大信号，进行下变频处理，产生基带接收信号和基带参考信号，再通过射频同轴接口发送给矢网模块；接收测试状态下，信号调理模块通过以太网接口接收交换机模块输入的配置信息，通过射频同轴接口分别接收低噪放模块输入的放大信号和信号源模块输入的射频参考信号，进行下变频处理，产生基带接收信号和基带参考信号，再通过射频同轴接口发送给矢网模块；
19.矢网模块通过以太网接口接收交换机模块输入的配置信息，通过gpio接口接收同步控制模块输入的脉冲同步信号，通过射频同轴接口分别接收信号调理模块输入的基带接收信号和基带参考信号，计算基带接收信号和基带参考信号的幅度比和相位差，再通过以太网接口发送给交换机模块。
20.进一步地，所述校准控制模块包括校准数据加载器、指向角生成器、幅度码计算器、相位码计算器、波控码生成器；
21.校准数据加载器包括五个双口ram模块，分别用于存储频率序号列表、发射和接收状态下的幅度和相位校准数据；校准数据的ram地址与频率序号呈映射关系；每当脉冲有效标志为1，校准数据加载器根据当前的频率序号从相应地址读取校准数据，发送给幅度码计算器、相位码计算器和波控码生成器，再读取下一个频率序号；当脉冲有效标志累计m次为1，存储频率序号列表的ram读地址清零；
22.指向角生成器根据指向角范围生成由方位角、俯仰角组成的所有组合；指向角范围指方位角和俯仰角的初始值、递增值和总数；指向角生成器对方位角、俯仰角的初始值分别累加，再将累加结果存储在内部ram模块中；当频率有效标志累计m次为1，读取下1个方位角；当频率有效标志累计m
×
n
az
次为1，读取下1个俯仰角；当频率有效标志累计m
×
n
az
×
n
el
次为1，方位角和俯仰角置为初始值；
23.幅度码计算器用于将预存储在rom中的各通道的幅度加权数据与幅度校准数据相加，截取高6位得到幅度控制码；
24.相位码计算器用于根据相位校准数据、方位角、俯仰角和频率序号计算相位控制码；
25.波控码生成器用于通道特性测试、通道校准测试、方向图测试；当波控码生成器进行通道特性测试时，生成开启或关闭指定通道的波控码，幅度码和相位码均置0；当波控码生成器进行通道校准测试时，加载对应频率的幅度校准数据和相位校准数据，再生成开启或关闭指定通道、带校准参数的波控码；当波控码生成器进行方向图测试时，加载对应频率、指向角组合的幅度码和相位码，再生成开启全阵的波控码。
26.进一步地，所述相位控制码的计算方法为：
[0027][0028]
式中，i、j分别表示待测相控阵某通道的行号和列号，c(i,j)为第i行、第j列通道的相位码，round{}表示四舍五入取整，δ
i,j
表示第i行、第j列的相位校准数据，m表示t/r组件的移相器位数，α、β分别表示方位、俯仰方向的通道相位差；α、β又表示为：
[0029]
α＝kdsinα
s
[0030]
β＝kdcosα
s
sinε
s
[0031]
式中，k＝2π/λ，λ表示工作频率下的波长，d表示待测相控阵的通道间距，α
s
、ε
s
分别表示方位角和俯仰角。
[0032]
进一步地，相位码计算器采用cordic核执行正余弦运算，并将数据类型由定点转换成浮点；各频率对应的2πd/λ以浮点数的形式存储在rom中；相位码计算器根据频率序号从rom读取数据，将它与正余弦运算结果相乘；然后将乘积转换成定点数，并累加，取高六位
得到各通道的相位控制码。
[0033]
根据所述的一种相控阵天线快速校准测试系统实现的一种相控阵天线快速校准测试方法，包括如下步骤：
[0034]
步骤1，通过上位机模块设置同步控制模块、信号源模块、扫描模块、校准控制模块、信号调理模块、矢网模块的工作参数，并生成待测试的频率列表；
[0035]
步骤2，测量多频率下的相控阵天线各通道幅相特性，获得各通道校准数据；
[0036]
步骤3，上位机模块将频率列表和各通道校准数据加载至相控阵天线；
[0037]
步骤4，测量校准后的多频率下相控阵天线各通道幅相特性，获得校准后的多频率下相控阵天线各通道幅相校准结果；
[0038]
步骤5，检验校准后的多频率下相控阵天线各通道幅相校准结果；若校准结果符合预期，则执行步骤6；否则重新执行步骤3～5；
[0039]
步骤6，上位机模块将相控阵天线的频率列表和指向角范围加载至相控阵天线；
[0040]
步骤7，测试多种频率和指向角组合下的相控阵天线的近场辐射特性；
[0041]
步骤8，根据所述近场辐射特性推算远场方向图，根据远场方向图评估待测相控阵天线指标。
[0042]
进一步地，所述步骤2具体包括：
[0043]
上位机模块首先控制扫描模块，将扫描探头依次对准待测相控阵天线各通道的几何中心；每对准一个通道，上位机模块控制校准控制模块，只开启待测相控阵天线被对准的通道，衰减值和移相值都置为0；信号源模块每收到一个同步控制模块发送的脉冲同步信号，改变一次射频参考信号的频率；矢网模块每收到一个同步控制模块发送的脉冲同步信号，启动一次数据采集，再将采集数据发送给上位机模块。
[0044]
进一步地，所述步骤3具体包括：上位机模块根据多种频率下的相控阵天线通道幅相特性，生成通道校准数据表，加载给校准控制模块；然后将频率列表加载给信号源模块和校准控制模块。
[0045]
进一步地，所述步骤4具体包括：上位机模块首先控制扫描模块，将扫描探头依次对准待测相控阵天线各通道的几何中心；每对准一个通道，上位机模块控制校准控制模块，只开启待测相控阵天线被对准的通道；校准控制模块每收到一个同步控制模块发送的脉冲同步信号，改变一次工作频率，并将该工作频率的通道校准数据转换成波控码，再发送给待测相控阵天线；信号源模块每收到一个同步控制模块发送的脉冲同步信号，改变一次射频参考信号的频率；矢网模块每收到一个同步控制模块发送的脉冲同步信号，启动一次数据采集，再将采集数据发送给上位机模块。
[0046]
进一步地，所述步骤7具体包括：
[0047]
校准控制模块每收到1个同步控制模块发送的脉冲同步信号，改变一次工作频率参数；每收到m个同步控制模块发送的脉冲同步信号，改变一次指向角，并将工作频率置为初值；每收到m
×
n个同步控制模块发送的脉冲同步信号，将工作频率和指向角置为初值；其中，m为频率的数量，n为指向角的数量；
[0048]
校准控制模块根据工作频率、指向角和通道校准数据实时计算波控码，再把波控码发送给待测相控阵天线；信号源模块每收到一个同步控制模块发送的脉冲同步信号，改变一次射频参考信号的频率；矢网模块每收到一个同步控制模块发送的脉冲同步信号，启
动一次数据采集，再将采集数据发送给上位机模块；
[0049]
上位机模块控制扫描模块，将扫描探头按预定的轨迹运动直至测试结束。
[0050]
进一步地，所述步骤8具体包括：上位机模块根据频率和指向角将采集数据分成m
×
n组，推算出待测相控阵天线在不同频率和指向角组合下的远场方向图，以评估待测相控阵天线指标；其中，m为频率的数量，n为指向角的数量。
[0051]
本发明与现有技术相比的优点在于：
[0052]
本发明提出了一种适用于相控阵天线快速校准和方向图测试的近场测试系统。该系统基于脉冲同步机制，采用实时解算的方式缩短波控码的加载延迟，可通过2轮扫描完成相控阵天线在多种频率下的通道校准，通过1轮扫描覆盖相控阵天线在多种频率和指向角的组合下的方向图测试。以中心频率f0＝12ghz，带宽bw＝2ghz的8
×
8相控阵天线为测试对象，设工作频率数m＝5，方位角数n
az
＝25，俯仰角数n
el
＝10，1轮校准扫描时间t
clb
＝10min，1轮方向图测试时间t
pat
＝20min。若采用李冰等提出的测试系统，发射或接收测试所需总时间t
a0
为：
[0053]
t
a0
＝t
clb
+m
×
t
clb
+m
×
n
az
×
n
el
×
t
pat
＝25060min
[0054]
采用本发明提出的测试系统，发射或接收测试所需总时间t
a1
为：
[0055]
t
a1
＝t
clb
+t
clb
+t
pat
＝40min
[0056]
由以上分析可知，本发明能将该型相控阵天线的幅相校准和方向图测试效率提升了625倍。考虑相控阵天线的架设、发射测试、接收测试、数据处理及分析时间，该型相控阵天线的单台测试时间约3小时。以暗室租借费用20000元/天(12小时)估算，测试费用为5000元/台，显著降低了测试成本。
附图说明
[0057]
图1发射测试状态系统连接示意图；
[0058]
图2接收测试状态系统连接示意图；
[0059]
图3系统测试流程图；
[0060]
图4校准控制模块的硬件框图；
[0061]
图5校准控制fpga软件的数据流图；
[0062]
图6波控码解算模块的数据流图；
[0063]
图7相位码计算器的实现结构；
[0064]
图8某8
×
8相控阵天线幅相校准结果；
[0065]
图9某8
×
8相控阵天线实测方向图。
具体实施方式
[0066]
为了更好的理解上述技术方案，下面通过附图以及具体实施例对本技术技术方案做详细的说明，应当理解本技术实施例以及实施例中的具体特征是对本技术技术方案的详细的说明，而不是对本技术技术方案的限定，在不冲突的情况下，本技术实施例以及实施例中的技术特征可以相互组合。
[0067]
以下结合说明书附图对本技术实施例所提供的一种相控阵天线快速校准测试系统及方法做进一步详细的说明，具体实现方式可以包括(如图1～9所示)：一种相控阵天线
快速校准测试系统可工作在发射测试、接收测试两种状态，功能如下：
[0068]
发射测试状态：校准待测相控阵天线的发射通道，测试发射方向图；
[0069]
接收测试状态：校准待测相控阵天线的接收通道，测试接收方向图。
[0070]
发射测试状态系统组成
[0071]
在发射测试状态下，相控阵天线快速校准测试系统由上位机模块、交换机模块、同步控制模块、信号源模块、功放模块、待测相控阵天线、电源模块、校准控制模块、扫描模块、信号调理模块、矢网模块组成，如图1所示。
[0072]
上位机模块通过rs422接口向校准控制模块发送配置信息，从校准控制模块接收状态信息。上位机模块通过以太网接口向交换机模块发送配置信息，从交换机模块接收扫描探头的位置信息和采集数据。
[0073]
交换机模块通过以太网接口从上位机模块接收配置信息，根据不同的目的地址，分别通过独立的以太网接口向信号源模块、同步控制模块、扫描模块、信号调理模块、矢网模块发送配置信息。交换机模块通过以太网接口从扫描模块接收扫描探头的位置信息，通过以太网接口从矢网模块接收采集数据，再通过以太网接口发送给上位机模块。
[0074]
同步控制模块通过以太网接口接收交换机模块输入的配置信息，产生脉冲同步信号，通过gpio接口发送给信号源模块、校准控制模块和矢网模块。
[0075]
信号源模块通过以太网接口接收交换机模块输入的配置信息，通过gpio接口接收同步控制模块输入的脉冲同步信号。信号源模块产生射频参考信号，通过射频同轴接口发送给功放模块。
[0076]
功放模块通过射频同轴接口接收信号源模块输入的射频参考信号，产生放大信号，再通过射频同轴接口发送给待测相控阵天线和信号调理模块。
[0077]
电源模块通过供电接口向校准控制模块提供28v电源。
[0078]
校准控制模块通过供电接口接收电源模块输入的28v供电，变换成+5v和
‑
5v，再通过供电接口输出给待测相控阵天线。校准控制模块通过rs422接口接收上位机模块输入的配置信息，通过gpio接口接收同步控制模块输入的脉冲同步信号，解析后产生波控码，再通过gpio接口发送给待测相控阵天线。
[0079]
待测相控阵天线通过射频同轴接口接收功放模块输入的放大信号，通过gpio接口接收校准控制模块输入的波控码，产生射频发射信号，再通过电磁波辐射发送给扫描模块。
[0080]
扫描模块通过以太网接口接收交换机模块输入的配置信息，移动扫描探头，再通过以太网接口将扫描探头的位置信息发送给交换机模块。扫描模块通过电磁波辐射接收待测相控阵天线输入的射频发射信号，产生射频接收信号，再通过射频同轴接口发送给信号调理模块。
[0081]
信号调理模块通过以太网接口接收交换机模块输入的配置信息，通过以太网接口接收交换机模块输入的配置信息，通过射频同轴接口分别接收扫描模块输入的射频接收信号和功放模块输入的放大信号，进行下变频处理，产生基带接收信号和基带参考信号，再通过射频同轴接口发送给矢网模块。
[0082]
矢网模块通过以太网接口接收交换机模块输入的配置信息，通过gpio接口接收同步控制模块输入的脉冲同步信号，通过射频同轴接口分别接收信号调理模块输入的基带接收信号和基带参考信号，计算基带接收信号和基带参考信号的幅度比和相位差(即采集数
据)，再通过以太网接口发送给交换机模块。
[0083]
接收测试状态系统组成
[0084]
在接收测试状态下，相控阵天线快速校准测试系统由上位机模块、交换机模块、同步控制模块、信号源模块、扫描模块、电源模块、校准控制模块、待测相控阵天线、低噪放模块、信号调理模块、矢网模块组成，如图2所示。
[0085]
上位机模块通过rs422接口向校准控制模块发送配置信息，通过rs422接口从校准控制模块接收状态信息。上位机模块通过以太网接口向交换机模块发送配置信息，从交换机模块接收扫描探头的位置信息和采集数据。
[0086]
交换机模块通过以太网接口从上位机模块接收配置信息，根据不同的目的地址，分别通过独立的以太网接口向信号源模块、同步控制模块、扫描模块、信号调理模块、矢网模块发送配置信息。交换机模块通过以太网接口从扫描模块接收扫描探头的位置信息，通过以太网接口从矢网模块接收采集数据，再通过以太网接口发送给上位机模块。
[0087]
同步控制模块通过以太网接口接收交换机模块输入的配置信息，产生脉冲同步信号，通过gpio接口发送给信号源模块、校准控制模块和矢网模块。
[0088]
信号源模块通过以太网接口接收交换机模块输入的配置信息，通过gpio接口接收同步控制模块输入的脉冲同步信号。信号源模块产生射频参考信号，通过射频同轴接口发送给扫描模块和信号调理模块。
[0089]
扫描模块通过以太网接口接收交换机模块输入的配置信息，移动扫描探头，再通过以太网接口将扫描探头的位置信息发送给交换机模块。扫描模块通过射频同轴接口接收信号源模块输入的射频参考信号，产生射频发射信号，再通过电磁波辐射发送给待测相控阵天线。
[0090]
电源模块通过供电接口向校准控制模块提供28v电源。
[0091]
校准控制模块通过供电接口接收电源模块输入的28v供电，变换成+5v和
‑
5v，再通过供电接口输出给待测相控阵天线。校准控制模块通过rs422接口接收上位机模块输入的配置信息，通过gpio接口接收同步控制模块输入的脉冲同步信号，解析后产生波控码，再通过gpio接口发送给待测相控阵天线。校准控制模块通过rs422接口向上位机模块发送状态信息。
[0092]
待测相控阵天线通过电磁波辐射接收扫描模块输入的射频发射信号，通过gpio接口接收校准控制模块输入的波控码，产生射频接收信号，再通过射频同轴接口发送给低噪放模块。
[0093]
低噪放模块通过射频同轴接口接收待测相控阵天线输入的射频接收信号，进行放大和滤波处理，产生放大信号，再通过射频同轴接口发送给信号调理模块。
[0094]
信号调理模块通过以太网接口接收交换机模块输入的配置信息，通过射频同轴接口分别接收低噪放模块输入的放大信号和信号源模块输入的射频参考信号，进行下变频处理，产生基带接收信号和基带参考信号，再通过射频同轴接口发送给矢网模块。
[0095]
矢网模块通过以太网接口接收交换机模块输入的配置信息，通过gpio接口接收同步控制模块输入的脉冲同步信号，通过射频同轴接口分别接收信号调理模块输入的基带接收信号和基带参考信号，计算基带接收信号和基带参考信号的幅度比和相位差(即采集数据)，再通过以太网接口发送给交换机模块。
[0096]
系统测试流程
[0097]
一种相控阵天线快速校准测试系统，发射测试、接收测试的流程是一致的，如图3所示。
[0098]
步骤1：模块初始化
[0099]
上位机模块设置同步控制模块、信号源模块、扫描模块、校准控制模块、信号调理模块、矢网模块的工作参数。
[0100]
步骤2：测量通道幅相特性(多频率)
[0101]
上位机模块首先控制扫描模块，将扫描探头依次对准待测相控阵天线各通道的几何中心。每对准一个通道，上位机模块控制校准控制模块，只开启待测相控阵天线被对准的t/r通道，衰减值和移相值都置为0；信号源模块每收到1个同步控制模块发送的脉冲同步信号，改变1次射频参考信号的频率；矢网模块每收到1个同步控制模块发送的脉冲同步信号，启动1次数据采集，再将采集数据发送给上位机模块。
[0102]
步骤3：加载通道校准数据和频率列表
[0103]
上位机模块根据多种频率下的通道幅相特性，生成通道校准数据表，加载给校准控制模块；然后将频率列表加载给信号源模块和校准控制模块。
[0104]
步骤4：测量校准后的通道幅相特性(多频率)
[0105]
上位机模块首先控制扫描模块，将扫描探头依次对准待测相控阵天线各通道的几何中心。每对准一个通道，上位机模块控制校准控制模块，只开启待测相控阵天线被对准的t/r通道：校准控制模块每收到1个同步控制模块发送的脉冲同步信号，改变1次工作频率，并将该工作频率的通道校准数据转换成波控码，再发送给待测相控阵天线；信号源模块每收到1个同步控制模块发送的脉冲同步信号，改变1次射频参考信号的频率；矢网模块每收到1个同步控制模块发送的脉冲同步信号，启动1次数据采集，再将采集数据发送给上位机模块。
[0106]
步骤5：检验通道校准结果
[0107]
上位机模块将通道校准数据按频率重新分组，若各种频率下的通道幅相一致性符合预期，执行步骤6；否则重新执行步骤3
‑
5。
[0108]
步骤6：加载频率列表和指向角范围
[0109]
上位机模块将频率列表加载给信号源模块，将频率列表和指向角范围加载给校准控制模块。
[0110]
步骤7：测试近场辐射特性(多种频率和指向角组合)
[0111]
设频率的数量为m，指向角的数量为n。校准控制模块每收到1个同步控制模块发送的脉冲同步信号，改变1次工作频率参数；每收到m个同步控制模块发送的脉冲同步信号，改变1次指向角，并将工作频率置为初值；每收到m
×
n个同步控制模块发送的脉冲同步信号，将工作频率和指向角置为初值。然后，校准控制模块根据工作频率、指向角和通道校准数据实时计算波控码，再把波控码发送给待测相控阵天线；信号源模块每收到1个同步控制模块发送的脉冲同步信号，改变1次射频参考信号的频率；矢网模块每收到1个同步控制模块发送的脉冲同步信号，启动1次数据采集，再将采集数据发送给上位机模块。上位机模块控制扫描模块，将扫描探头按预定的轨迹运动直至测试结束。
[0112]
步骤8：推算远场方向图
[0113]
上位机模块根据频率和指向角将采集数据分成m
×
n组，推算出待测相控阵天线在不同频率和指向角组合下的远场方向图，以评估待测相控阵天线的指向精度、波束宽度等指标。
[0114]
在本技术实施例所提供的方案中，一种相控阵天线快速校准测试系统，之所以能显著提高测试效率，是因为以下2个主要原因：
[0115]
1、引入脉冲同步机制，以减少扫描次数为目标优化了系统组成和测试流程；
[0116]
2、设计了一种基于fpga的校准控制模块，采用实时解算的方式，将波控码的单次加载延迟控制在100us以内，使优化的测试流程得以工程实现。下面详细阐述校准控制模块的实现方案。
[0117]
系统构成
[0118]
校准控制模块的硬件由fpga电路、存储电路、隔离422接口电路、隔离同步接口电路、总线驱动电路及电源电路组成，硬件组成框图如图4所示。
[0119]
fpga作为主控芯片，选型时需考虑尺寸空间和的逻辑、存储的资源需求。在性能与尺寸之间取折中，fpga选用xilinx公司的xc6slx45t，它具有6822个slice、58个dsp资源、2088kb存储资源和2组gtp收发器，静态工作电流仅23ma，且原生支持基于mutiboot技术的软件远程升级。为方便片内的时钟管理模块(cmt)产生待测相控阵天线工作所需的10mhz时钟，晶振zpb28的谐振频率确定为40mhz。fpga采用spi flash串行配置，配置芯片选用winbond公司的w25q128fvsig，其存储容量为128mb。
[0120]
存储电路负责存储频率列表、指向角范围和各频率的通道校准数据。若测试期间待测相控阵天线因意外情况断电，已加载的参数不会因此丢失。fpga采用qspi接口读写存储芯片，存储芯片选用winbond公司的w25q128fvsig，其存储容量为128mb。
[0121]
隔离rs422接口电路是校准控制模块接收上位机模块配置信息的接口，负责rs422总线与fpga io之间的电平转换。485接口芯片选用ad公司的adm2682ebriz，该芯片内置隔离dc/dc，使输入、输出信号相互隔离；它配置成全双工模式，最高传输速率16mbps。为了增强静电防护能力，adm2682ebriz对外的输入端、输出端均添加了maxim公司的max3208eate，该芯片内置4对开关二极管，可承受
±
15kv的瞬时电压。
[0122]
隔离同步接口电路是校准控制模块接收脉冲同步信号的接口。总线隔离芯片选用ad公司的adum5402crwz，该芯片内置隔离dc/dc，使输入、输出信号相互隔离；它包含2路输入和输出io，最高传输速率25mbps。为了增强静电防护能力，adum5402crwz对外的输入端、输出端均添加了maxim公司的max3208eate，可承受
±
15kv的瞬时电压。
[0123]
总线驱动电路幅相是校准控制模块向待测相控阵天线发送波控码的接口，负责3.3v和5v之间的电平转换，增强输出端口的驱动能力。总线驱动芯片选用4片ti公司的sn74lvc8t245，该芯片的最大传输速率为150mbps，可承受
±
2kv的瞬时电压。为防止待测相控阵天线在上电后因io状态不确定而工作异常，通过上拉电阻将加电使能(低有效)、片选信号(低有效)置高，通过下拉电阻将发送使能(高有效)和接收使能(高有效)置低。
[0124]
电源电路负责隔离输入的28v，并转换成待测相控阵天线工作所需的5v和
‑
5v，以及校准控制模块工作所需的5v、1.2v、2.5v和3.3v。对于待测相控阵天线所需的5v供电，dc/dc选用振华微的m28s05d120tn2，其输入电压范围16～40v，输出电压5v，最大输出功率120w，尺寸仅61x25x13mm。对于
‑
5v供电，dc/dc选用株洲宏达的hmr5dc28s05，其输入电压范
围16～40v，输出电压5v，最大输出功率5w，尺寸仅12.7
×
12.7
×
10.8mm。对于校准控制模块工作所需的5v供电，dc/dc选用株洲宏达的hmr5dc28s05。为将5v转换成各芯片工作所需的1.2v、2.5v和3.3v，电源转换芯片选用ti公司的tps70345和lt公司的lt1763
‑
2.5。tps70345的输入电压范围2.7～7v，3.3v、1.2v的额定电流分别为1a和2a；lt1763
‑
2.5的输入电压范围1.8～20v，额定电流500ma，满足各芯片的供电需求。
[0125]
fpga模块构成
[0126]
校准控制fpga软件采用自顶向下的方式开展设计。顶层模块用于定义软件的对外接口，声明和例化各功能模块。顶层模块例化了时钟模块、复位模块、rs422接收模块、指令解析模块、响应编帧模块、rs422发送模块、脉冲检测模块、波控码解算模块、qspi flash接口模块、t/r接口模块和供电控制模块。校准控制fpga软件的数据流图如图5所示。
[0127]
时钟模块采用vivado提供的mmcm ip核实现，将晶振输入的40mhz时钟产生100mhz主时钟和10mhz接口时钟。
[0128]
复位模块在时钟锁定后，将复位信号置1，使除时钟模块外的其它模块复位。复位信号置1持续约167ms后恢复为0。复位信号在100mhz时钟域产生，复位保持有效的计数阈值为2
24
。
[0129]
rs422接收模块用于解析rs422总线数据，包含消抖器、串口接收控制器2个软件单元，工作在100mhz时钟域。rs422总线数据在消抖后输入串口接收控制器，进行串并转换和校验。若校验正确，将串并转换结果赋值给uart接收数据；若校验错误，uart接收数据赋值e0。
[0130]
指令解析模块从uart接收数据中提取指令、工作模式、频率范围、指向角范围和校准数据，将指令解析状态发送给响应编帧模块，将工作模式、频率范围、指向角范围和校准数据发送给波控码解算模块，将指令发送给供电控制模块。指令包括开启或关闭t/r供电，工作模式包括发射或接收测试状态、通道校准或方向图测试，频率范围由频率总数和频率序号列表组成，指向角范围是指方位角、俯仰角的起始值、步进值和数量。指令解析模块工作在100mhz时钟域。
[0131]
响应编帧模块负责回报指令解析状态和fpga的核心温度。指令解析状态包括解析成功、帧格式错误、帧长错误和校验错误。响应编帧模块采用ise提供的xadc ip核读取fpga的核心温度，在读温度指令解析成功后，根据fpga的核心温度构造uart发送数据发送给rs422发送模块。响应编帧模块工作在100mhz时钟域。
[0132]
rs422发送模块用于生成rs422总线数据，包含串口发送控制器、发送脉冲生成器、发送缓存3个软件单元。若串口发送控制模块缓存空，发送脉冲为1，否则为0。uart发送数据写入发送缓存，若发送缓存不为空且发送脉冲为1，从发送缓存读取1字节数据输入串口发送控制模块。rs422发送模块工作在100mhz时钟域。
[0133]
脉冲检测模块用于检测脉冲同步信号，包含消抖器1个软件单元。脉冲输入信号经消抖处理后，若从0变至1且保持1000个时钟周期(10us)以上，脉冲有效标志由0变至1。脉冲检测模块工作在100mhz时钟域。
[0134]
qspi flash接口模块工作在10mhz时钟域，负责控制存储芯片进行擦除和读写操作。qspi flash接口模块将波控码解算模块输入的频率列表、指向角范围和校准数据写入存储芯片，在收到波控码解算模块的读数请求时，从存储芯片读取频率列表、指向角范围和
校准数据。
[0135]
供电控制模块根据指令解析模块的指令，打开或关断待测相控阵天线的5v供电。供电控制模块工作在100mhz时钟域。
[0136]
t/r接口模块将波控码解算模块输入的波控码转换成约定格式的串行比特流，控制t/r按预期工作。t/r接口模块工作在10mhz时钟域。待测相控阵天线的需分成4个4
×
4子阵依次配置，配置单个4
×
4子阵的串行比特流共130位，因此全阵配置时间为：
[0137]
t
cfg
＝0.1
×
130
×
4＝52us
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(3)
[0138]
波控码解算模块是校准控制fpga软件设计的核心，包含校准数据加载器、指向角生成器、幅度码计算器、相位码计算器、波控码生成器5个软件单元。波控码解算模块的数据流图如图6所示。
[0139]
校准数据加载器包含五个双口ram，分别用于存储频率序号列表、发射和接收状态下的幅度和相位校准数据。校准数据的ram地址与频率序号呈映射关系。每当脉冲有效标志为1，校准数据加载器根据当前的频率序号从相应地址读取校准数据，发送给幅度码计算器、相位码计算器和波控码生成器，再读取下一个频率序号。当脉冲有效标志累计m次为1，存储频率序号列表的ram读地址清零。由于频率序号可以非等间隔取值，提高了测试的灵活程度。
[0140]
指向角生成器根据指向角范围生成由方位角、俯仰角组成的所有组合。指向角范围指方位角和俯仰角的初始值、递增值和总数。指向角生成器对方位角、俯仰角的初始值分别累加，再将累加结果存储在ram中。当频率有效标志累计m次为1，读取下1个方位角；当频率有效标志累计m
×
n
az
次为1，读取下1个俯仰角；当频率有效标志累计m
×
n
az
×
n
el
次为1，方位角和俯仰角置为初始值。
[0141]
幅度码计算器基于查表法实现。各通道的幅度加权数据预存储在rom中，幅度码计算器将它与幅度校准数据相加，截取高6位得到幅度控制码。
[0142]
相位码计算器基于实时计算实现。设i、j分别表示待测相控阵某通道的行号和列号，第i行、第j列通道的相位码表示为：
[0143][0144]
式中，round{}表示四舍五入取整，δ
i,j
表示第i行、第j列的相位校准数据，m表示t/r组件的移相器位数，α、β分别表示方位、俯仰方向的通道相位差。α、β又表示为：
[0145]
α＝kdsinα
s
[0146]
β＝kdcosα
s
sinε
s (5)
[0147]
式中，k＝2π/λ，λ表示工作频率下的波长，d表示待测相控阵的通道间距，α
s
、ε
s
分别表示方位角和俯仰角。
[0148]
相位码计算器采用cordic核执行正余弦运算，并将数据类型由定点转换成浮点。浮点乘法能显著降低截位误差。各频率对应的2πd/λ以浮点数的形式存储在rom中。相位码计算器根据频率序号从rom读取该数据，将它与正余弦运算结果相乘。然后将乘积转换成定点数，按式(4)累加，取高六位得到各通道的相位码。相位码计算器的实现结构如图7所示，这种实现结构既能保证运算精度和实时性，又减少了资源占用。
[0149]
波控码生成器支持通道特性测试、通道校准测试、方向图测试三种工作模式。当波控码生成器进入通道特性测试模式，生成开启或关闭指定通道的波控码，幅度码和相位码均置0；当波控码生成器进入通道校准测试模式，加载对应频率的幅度校准数据和相位校准数据，再生成开启或关闭指定通道、带校准参数的波控码；当波控码生成器进入方向图测试模式，加载对应频率、指向角组合的幅度码和相位码，再生成开启全阵的波控码。
[0150]
波控码解算模块能在2us内生成幅度码和相位码。由于全阵配置时间为52us，待测相控阵天线能在100us内完成频率和指向角的切换。
[0151]
实时性分析
[0152]
本节对相控阵天线快速校准测试系统的实时性进行分析。设扫描探头的移动速度v＝40mm/s，矢网模块的采集周期t
sa
＝200us，则有：
[0153][0154]
式中，η为比例系数，η＝0.8。由于待测相控阵天线的中心频率f0＝12ghz，λ＝12.5mm。扫描探头的移动距离在ηλ/2以内时，待测相控阵天线的近场辐射特性基本保持不变。代入设定的参数，可计算出方向图测试的最大次数n
pat
＝1250，即1轮扫描最多测试1250种频率和指向角的组合。
[0155]
应用效果
[0156]
待测相控阵天线在完成初次幅相校准后，幅度起伏控制在5db以内，相位偏差控制在
±
10
°
以内；完成二次精校准后，幅度均方差小于
±
1db，相位均方差小于
±5°
，如图8所示。由于tr组件的调幅精度为0.5db，移相精度为5.625
°
。考虑t/r组件本身寄生幅相的附加影响，校准引入的误差基本控制在理论范围内。待测相控阵天线在方位角和俯仰角均为0
°
时，测试的方向图如图9所示。方向图增益、波束宽度、副瓣电平等关键指标与hfss仿真结果非常吻合，表明待测相控阵天线设计正确，幅相校准数据准确可靠。
[0157]
显然，本领域的技术人员可以对本技术进行各种改动和变型而不脱离本技术的精神和范围。这样，倘若本技术的这些修改和变型属于本技术权利要求及其等同技术的范围之内，则本技术也意图包含这些改动和变型在内。
[0158]
本发明说明书中未作详细描述的内容属本领域技术人员的公知技术。