相控阵天线的测试系统的制作方法

1.本实用新型涉及测试技术领域，尤其是涉及一种相控阵天线的测试系统。


背景技术：

2.目前，相控阵天线主要由相控阵幅相调节模块和相控阵阵面组成。相控阵阵面由多个相控阵单元组成，按照一定的方式进行位置排布。幅相调节模块为一个或一组相控阵单元提供幅度和相位调节功能。
3.相控阵阵面上分布的每个相控阵单元，可以向空间中不同方向辐射电磁波，不同方向的辐射能力不同，称为单元辐射方向图。相控阵天线的工作原理是通过相控阵单元在空间中形成的电磁波叠加形成相控阵的总辐射方向图。幅相调节单元可以通过调整一个或一组相控阵单元的幅度和相位，在空间形成不同的电磁波叠加场，从而形成不同的辐射方向图。相控阵要形成预期的辐射方向图，需要每个相控阵单元通道的幅度相位保持同样的初始状态，然后通过幅相调节模块的控制，形成预期的不同辐射方向图。由于每一个相控阵单元通道中部件存在差异，在初始状态下辐射出的电磁波幅度和相位不一致。在研制和生产过程中，需要对每一路或每一组相控阵单元通道的初始幅度和相位进行校准。
4.对于有源相控阵天线的幅相校准和测试的需求，现有技术中常用的方法是平面近场扫描系统。但是，目前这种相控阵天线幅相校准方法的操作便捷度较低。


技术实现要素：

5.本实用新型的目的在于提供相控阵天线的测试系统，以缓解了现有技术中存在的目前的相控阵天线幅相校准方法的操作便捷度较低的技术问题。
6.第一方面，本实用新型实施例提供了一种相控阵天线的测试系统，包括：电波暗室、测试台、反射面天线以及球面扫描装置；
7.测试台用于放置相控阵天线的待测件，电波暗室用于提供相控阵天线的测试环境；
8.反射面天线包括反射面和馈源，反射面用于将馈源发射出的球面波信号转化为平面波信号，或，用于将待测件所发射的信号反射并聚焦至馈源；
9.球面扫描装置包括球面扫描机构和安装于球面扫描机构上的测试天线，球面扫描机构用于带动测试天线以待测件为圆心执行圆弧形运动，圆弧形位于竖直平面上。
10.结合第一方面，本实用新型实施例提供了第一方面的第一种可能的实施方式，其中，测试台设置于电波暗室的底部，反射面设置于电波暗室的顶部。
11.结合第一方面，本实用新型实施例提供了第一方面的第二种可能的实施方式，其中，球面扫描装置设置于反射面和待测件之间。
12.结合第一方面，本实用新型实施例提供了第一方面的第三种可能的实施方式，其中，反射面天线还包括吸波屏，吸波屏为可伸缩或可拆卸结构，吸波屏位于反射面和待测件之间。
13.结合第一方面，本实用新型实施例提供了第一方面的第四种可能的实施方式，其中，球面扫描装置上还设置有运动装置，运动装置用于控制所述球面扫描装置移动或收起。
14.结合第一方面，本实用新型实施例提供了第一方面的第五种可能的实施方式，其中，球面扫描机构为以下之一：摇臂，弧形轨道，工业机械臂。
15.结合第一方面，本实用新型实施例提供了第一方面的第六种可能的实施方式，其中，还包括转动机构，转动机构用于控制球面扫描机构和测试台围绕虚拟转轴进行相对转动，虚拟转轴位于圆弧形的竖直方向的直径上。
16.结合第一方面，本实用新型实施例提供了第一方面的第七种可能的实施方式，转动机构设于测试台，用于控制测试台在水平方向转动。
17.本实用新型实施例提供的技术方案带来了以下有益效果：本实用新型实施例提供的相控阵天线的测试系统，包括：电波暗室、测试台、反射面天线以及球面扫描装置，测试台用于放置相控阵天线的待测件，电波暗室用于提供相控阵天线的测试环境，反射面天线包括反射面和馈源，反射面用于将馈源发射出的球面波信号转化为平面波信号，或，用于将待测件所发射的信号反射并聚焦至馈源，球面扫描装置包括球面扫描机构和安装于球面扫描机构上的测试天线，球面扫描机构用于带动测试天线以待测件为圆心执行圆弧形运动，圆弧形位于竖直平面上，通过反射面将馈源发射出的球面波转化为平面波，在进行幅相校准时能够在近距离内形成远场测量条件，使得测量静区内的电磁波的幅度和相位基本一致，无需像平面近场一样对每个单元进行精确定位、逐一校准，只需要切换相控阵单元的通道逐一采集幅相数据即可完成校准，从而解决了现有技术中存在的相控阵天线的幅相校准操作便捷度较低的技术问题。
附图说明
18.为了更清楚地说明本实用新型具体实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对具体实施方式或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本实用新型的一些实施方式，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
19.图1为现有技术中相控阵的结构示意图；
20.图2为现有技术中平面近场扫描范围的结构示意图；
21.图3为本实用新型实施例提供的相控阵天线的测试系统的结构示意图；
22.图4为本实用新型实施例提供的球面扫描采样的球面坐标系的示意图；
23.图5为本实用新型实施例提供的相控阵天线的测试系统的另一结构示意图。
具体实施方式
24.下面将结合实施例对本实用新型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实用新型一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本实用新型中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本实用新型保护的范围。
25.目前，相控阵天线因其天然的技术优势，其应用领域随着研制成本的降低而得到迅猛发展，在航空航天、气象、通信等各领域得到广泛应用。
26.相控阵天线主要由相控阵幅相调节模块和相控阵阵面组成。相控阵阵面由多个相控阵单元组成，按照一定的方式进行位置排布。如图1所示，幅相调节模块为一个或一组相控阵单元提供幅度和相位调节功能。
27.相控阵阵面上分布的每个相控阵单元，可以向空间中不同方向辐射电磁波，不同方向的辐射能力不同，称为单元辐射方向图。相控阵天线的工作原理是通过相控阵单元在空间中形成的电磁波叠加形成相控阵的总辐射方向图。幅相调节单元可以通过调整一个或一组相控阵单元的幅度和相位，在空间形成不同的电磁波叠加场，从而形成不同的辐射方向图。
28.相控阵要形成预期的辐射方向图，需要每个相控阵单元通道的幅度相位保持同样的初始状态，然后通过幅相调节模块的控制，形成预期的不同辐射方向图。由于每一个相控阵单元通道中部件存在差异，在初始状态下辐射出的电磁波幅度和相位不一致。在研制和生产过程中，需要对每一路或每一组相控阵单元通道的初始幅度和相位进行校准。
29.此外，通常还会对有源相控阵形成的最终辐射方向图、eirp、g/t值等进行测试，以确保相控阵的校准和其他有源性能指标符合设计和使用要求。
30.对于有源相控阵天线的幅相校准和测试的需求，现有技术中常用的方法是平面近场扫描系统。平面近场扫描系统能够同时满足校准和测试两方面需求。但它具有下列缺点：
31.1)不具备远波位测试能力：平面近场做方向图测试时，如图2所示，由于尺寸受限，通常只能扫描到相控阵天线正前方约
±
45
°
范围的方向图。对于一些波束指向在
±
60
°
及以上的相控阵天线的远波位方向图测试，则无能为力。
32.2)精确度较低：方向图测试时，越靠近远波位边缘，测试精度越差。在大角度测试时，平面近场的普通测试探头交叉极化急剧恶化，无法准确测得相控阵天线的交叉极化性能。而卫星相控阵由于极化复用，通常对交叉极化性能要求比较高，平面近场很难满足精度要求。
33.3)速度较慢：在幅相校准时，平面近场的校准方法是利用安装在二维扫描架上的测量探头对准相控阵单元测试该通道的幅度和相位值。利用二维扫描架的平面移动，逐个扫描每一个相控阵单元通道的幅度和相位值。得到相控阵单元之间的幅相差异后，可以将幅相差异数据输入给幅相调节模块，将通道差异补齐。这种方法采用物理移动的方式对单元通道逐个进行校准，速度慢，对于几千个单元的大型相控阵天线，尤其明显。
34.4)安装便捷度较低：平面近场扫描架精度要求高，为了避免结构变形导致精度变差，扫描架几乎都是竖直安装在地面上，在垂直面上做二维扫描运动。这意味着相控阵天线也需要将阵面安装在垂直面上，从而对准测试探头。因此相控阵天线和其配套的有源部件和供电单元的安装都会变得很繁琐，且很难保证安装精度，需要不停调整。此外，相控阵天线和扫描架上的测量探头的相对位置精度要求很高，位置偏差和平行度不够都会带来较大的误差，因此，需要耗费大量的时间用于校准前的位置标定和调整。
35.其他类型的测试系统难以同时满足幅相校准和测试两方面的高精度、高效率的测试需求。
36.基于此，本实用新型实施例提供的一种相控阵天线的测试系统，可以缓解现有技术中存在的目前的相控阵天线幅相校准方法的操作便捷度较低的技术问题。
37.为便于对本实施例进行理解，首先对本实用新型实施例所公开的一种相控阵天线
的测试系统进行详细介绍。
38.本技术实施例提供的一种相控阵天线的测试系统，包括：电波暗室、测试台、反射面天线以及球面扫描装置。
39.其中，测试台用于放置相控阵天线的待测件，电波暗室用于提供相控阵天线的测试环境；反射面天线包括反射面和馈源，反射面用于将馈源发射出的球面波信号转化为平面波信号，或，用于将待测件所发射的信号反射并聚焦至馈源；球面扫描装置包括球面扫描机构和安装于球面扫描机构上的测试天线，球面扫描机构用于带动测试天线以待测件为圆心执行圆弧形运动，圆弧形位于竖直平面上。
40.需要说明的是，测试台可以设置于电波暗室的底部，反射面可以设置于电波暗室的顶部。球面扫描装置可以设置于反射面和待测件之间。
41.在实际应用中，如图3所示，相控阵天线301的测试系统包括电波暗室，测试台302，反射面天线，球面扫描装置，其中：电波暗室用于提供测试环境，测试台302用于放置待测件(即相控阵天线301)。
42.作为本技术实施例的一种实施方式，如图3所示，反射面天线包括反射面304和至少一个馈源303a，馈源303a和反射面304用于产生平面波照射相控阵，其他可以产生同等功效的部件也可以达到同样的技术效果。比如，通过天线阵列的波束赋形技术产生平面波辐射的平面波反射器，也可以替换反射面达到同等的技术效果。
43.示例性的，平面波信号可以用于待测件的幅相校准，该平面波信号还可以用于待测件的其他的接收性能测试，或者，反射面天线用于将待测件所发射的信号反射并聚焦至馈源用于待测件的发射性能测试。
44.作为本技术实施例的一种实施方式，如图3所示，球面扫描装置用于对待测件执行球面扫描，包括球面扫描机构305和安装于球面扫描机构305上的测试天线303b，球面扫描机构305用于带动测试天线303b以待测件为圆心执行圆弧形运动。本实施方式中，球面扫描机构305为摇臂式结构，可选地，还可以选用弧形轨道结构或工业机械臂。
45.作为本技术实施例的另一种实施方式，测试系统还包括转动机构，转动机构用于控制球面扫描机构和测试台围绕虚拟转轴进行相对转动，虚拟转轴位于圆弧形的竖直方向的直径上。参照图4，这个相对转动用于控制球面扫描装置上的测试天线到达球面扫描的球坐标上的phi方向的不同角度，配合该测试天线在竖直平面的圆弧形运动(能够到达球面扫描球坐标上的theta方向的不同角度)实现球面扫描采样。
46.作为示例，上述转动机构包括两种可选的具体实施方式。一种实施方式中，转动机构设于球面扫描装置，用于控制球面扫描装置围绕测试台作圆周运动。另一种实施方式中，转动机构设于测试台，用于控制测试台在水平方向转动。
47.此外，如图3所示，用于产生平面波照射的反射面天线，其中馈源303a默认是双极化，通过极化切换开关，控制两个极化分别产生平面波用于幅相校准。馈源303a也可以为单极化，对待测件进行其中一个极化的幅相校准后，再控制馈源303a和待测件沿着馈源303a的主要辐射方向(轴线)相对旋转90
°
，即可实现另一个极化方向的幅相校准。为了实现这个相对旋转，单极化的馈源303a需要具备一维转动机构，或者，测试台302需要具备一维转动机构。
48.本技术实施例中，当用于幅相校准时，反射面将馈源发射出的球面波转化为平面
波，在近距离内形成远场测量条件，使得测量静区内的电磁波的幅度和相位基本一致，无需像平面近场一样对每个单元进行精确定位、逐一校准，只需要切换相控阵单元的通道逐一采集幅相数据即可完成校准。
49.在实际应用中，平面波信号还可以用于对待测件进行接收性能测试；或，反射面天线用于将待测件所发射的信号反射并聚焦至馈源，以对待测件的发射性能进行测试。示例性的，如图3所示，球面扫描装置位于反射面天线和待测件之间的位置。
50.作为一种可能的实施方式，反射面天线还包括吸波屏，吸波屏为可伸缩或可拆卸结构，吸波屏位于反射面和待测件之间。在实际应用中，吸波屏可以用于在球面扫描装置执行测试时吸收照射至反射面的方向的电磁波。例如，如图5所示，反射面天线还包括可以伸缩/拆卸的吸波屏501，吸波屏501可以吸收电磁波，用于在使用球面扫描装置执行测试时将其伸出/安装，以吸收照射到反射面方向的电磁波，避免反射面对电磁波的反射对测试造成干扰。
51.作为一种可能的实施方式，球面扫描装置上还设置有运动装置，运动装置用于控制球面扫描装置移动或收起。示例性的，球面扫描装置能够移动或收起以避开反射面和待测件之间的信号传输路径，避免在使用反射面天线执行幅相校准时造成干扰。该运动装置的机械形式例如可以采用相关技术中的轮式/履带式/滑轨式结构。需要说明的是，当球面扫描机构为如图3所示的摇臂式结构时，不需额外设置该运动装置，或者说，球面扫描装置自带该运动装置，当球面扫描机构305带动测试天线303b运动到theta大于某个角度时，可以避开反射面304和待测件之间的信号传输路径。类似地，当球面扫描机构为工业机械臂时，不需额外设置该运动装置，或者说，球面扫描装置自带该运动装置，工业机械臂的控制器可以控制其手臂收起或移动以避开反射面和待测件之间的信号传输路径。
52.在实际应用中，球面扫描装置的测试内容可以包括下述任意一项或多项：待测件的方向图测试、增益测试、方向性系数测试、以及效率测试。例如，球面扫描的测试项目例如可以包括2d/3d方向图，增益，方向性系数，效率等。测试系统可以实现相控阵天线的单元幅相校准、方向图测试、eirp和g/t值等相控阵主要测试指标，功能齐全，可测较大的待测件，成本低，速度快，精度高，安装方便快捷，具有现有系统不具备的优势。
53.本技术实施例中，当用于方向图测试时，待测件只需平放在测试台上，方便操作。进行球面近场扫描时，无需将待测件的位置进行精确对准，只需要将待测件置于测试台的静区内，估计一个可包裹待测件的最小球面直径d，用公式λ/d计算所需的采样密度进行采样，并进行近远场变换即可。球面测试也不受前面所说的平面近场的扫描范围的限制，可以测试任意类型、任意波束指向的天线，并且测试精度并不会因为远波位情况而降低。在扫描采样时，测试天线始终指向待测件，理论上在任意角度采样都能保证同样的精度，不会像平面近场一样，随着扫描范围扩大导致测试天线无法正对待测件，方向图改变和交叉极化恶化导致测试精度降低。
54.本实用新型采用在一个测试系统中实现紧缩场测试和球面近场测试，融合了两种测试方式的优势，可以高效精准地完成相控阵天线的幅相校准和测试，比现有技术的平面扫描系统具有诸多优势，同时又避免了建设两个独立的测试系统所花费的巨大成本。
55.由于紧缩场是一种间接远场测试系统，可以在很近的物理距离测量毫米波电大体，因此可适用于大尺寸的待测件。球面近场系统由于采用了近远场变换算法，可以在小空
间内实现大型待测件的测试。本系统融合了两种系统的优势，可以用较低的成本实现大型相控阵天线的快速、高精度的校准和测试。
56.本实用新型实施例提供的相控阵天线的测试系统，与上述实施例提供的相控阵天线的测试系统具有相同的技术特征，所以也能解决相同的技术问题，达到相同的技术效果。
57.另外，在本技术实施例的描述中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本技术中的具体含义。
58.在本技术的描述中，需要说明的是，术语“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本技术和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本技术的限制。此外，术语“第一”、“第二”、“第三”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。
59.本技术实施例中的控制器可以是处理器的形式，该处理器可能是一种集成电路芯片，具有信号的处理能力。在实现过程中，上述各功能可以通过处理器中的硬件的集成逻辑电路或者软件形式的指令完成。上述的处理器可以是通用处理器，包括中央处理器(central processing unit，简称cpu)、网络处理器(network processor，简称np)等；还可以是数字信号处理器(digital signal processing，简称dsp)、专用集成电路(application specific integrated circuit，简称asic)、现成可编程门阵列(field-programmable gate array，简称fpga)或者其他可编程逻辑器件、分立门或者晶体管逻辑器件、分立硬件组件。可以实现或者执行本技术实施例中的公开的各功能及逻辑框图。通用处理器可以是微处理器或者该处理器也可以是任何常规的处理器等。结合本技术实施例所公开的设备、装置、电路以及系统等可以直接体现为硬件译码处理器执行完成，或者用译码处理器中的硬件及软件模块组合执行完成。软件模块可以位于随机存储器，闪存、只读存储器，可编程只读存储器或者电可擦写可编程存储器、寄存器等本领域成熟的存储介质中。该存储介质位于存储器，处理器读取存储器中的信息，结合其硬件实现上述功能。
60.在本技术所提供的实施例中，应该理解到，所揭露装置和系统等，可以通过其它的方式实现。以上所描述的装置实施例仅仅是示意性的，例如，所述单元的划分，仅仅为一种逻辑功能划分，实际实现时可以有另外的划分方式，又例如，多个单元或组件可以结合或者可以集成到另一个系统，或一些特征可以忽略，或不执行。另一点，所显示或讨论的相互之间的耦合或直接耦合或通信连接可以是通过一些通信接口，装置或单元的间接耦合或通信连接，可以是电性，机械或其它的形式。
61.再例如，附图中的框图显示了根据本技术的多个实施例的装置和计算机程序产品的可能实现的体系架构、功能和操作。在这点上，流程图或框图中的每个方框可以代表一个模块、程序段或代码的一部分，所述模块、程序段或代码的一部分包含一个或多个用于实现规定的逻辑功能的可执行指令。也应当注意，在有些作为替换的实现方式中，方框中所标注的功能也可以以不同于附图中所标注的顺序发生。例如，两个连续的方框实际上可以基本并行地执行，它们有时也可以按相反的顺序执行，这依所涉及的功能而定。也要注意的是，
框图和/或流程图中的每个方框、以及框图和/或流程图中的方框的组合，可以用执行规定的功能或动作的专用的基于硬件的系统来实现，或者可以用专用硬件与计算机指令的组合来实现。
62.所述作为分离部件说明的单元可以是或者也可以不是物理上分开的，作为单元显示的部件可以是或者也可以不是物理单元，即可以位于一个地方，或者也可以分布到多个网络单元上。可以根据实际的需要选择其中的部分或者全部单元来实现本实施例方案的目的。
63.另外，在本技术提供的实施例中的各功能单元可以集成在一个处理单元中，也可以是各个单元单独物理存在，也可以两个或两个以上单元集成在一个单元中。
64.所述功能如果以软件功能单元的形式实现并作为独立的产品销售或使用时，可以存储在一个计算机可读取存储介质中。基于这样的理解，本技术的技术方案本质上或者说对现有技术做出贡献的部分或者该技术方案的部分可以以软件产品的形式体现出来，该计算机软件产品存储在一个存储介质中，包括若干指令用以使得一台计算机设备(可以是个人计算机，服务器，或者网络设备等)执行本技术各个实施例中的功能。而前述的存储介质包括：u盘、移动硬盘、只读存储器(read-only memory，简称rom)、随机存取存储器(random access memory，简称ram)、磁碟或者光盘等各种可以存储程序代码的介质。
65.应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步定义和解释。
66.最后应说明的是：以上所述实施例，仅为本技术的具体实施方式，用以说明本技术的技术方案，而非对其限制，本技术的保护范围并不局限于此，尽管参照前述实施例对本技术进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：任何熟悉本技术领域的技术人员在本技术揭露的技术范围内，其依然可以对前述实施例所记载的技术方案进行修改或可轻易想到变化，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改、变化或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本技术实施例技术方案的范围。都应涵盖在本技术的保护范围之内。因此，本技术的保护范围应以权利要求的保护范围为准。