相控阵天线系统级测试系统及测试方法与流程
本发明涉及无线通信技术领域，特别涉及一种相控阵天线系统级测试系统及测试方法。
背景技术：
相控阵天线可以通过控制阵列天线中天线单元的馈电幅度、相位来改变整个阵列天线的方向图形状，即所谓的波束赋形技术，以达到波束扫描的目的。在相控阵技术应用之前，波束扫描通常通过机械转动实现，这种转动往往存在时延长、范围窄、精度低等缺点。相控阵天线采用数字移相器实现天线波束的高速电控扫描，速度快、精度高，广泛应用于车载、舰载、卫星等通信雷达、毫米波基站等等。
相控阵天线由多通道阵列天线组成，阵列天线中的每一个单元都对应了一个射频通路。一个典型的相控阵天线可以用图1表示，其中包含阵列天线，t/r(transmitterandreceiver)组件，上下变频以及数字处理等组件。
随着5g的到来，相控阵天线被大量应用在基站上，如massivemimo(multipleinputmultipleoutput，多输入多输出系统)以及波束赋形技术的实现依赖于相控阵天线。为了保证5g通信质量以及控制电磁污染，国际标准组织3gpp(3rdgenerationpartnershipproject，第三代合作伙伴计划)出了一系列的白皮书来规范基站上相控阵天线的性能测试，包括在空口(ota：overtheair)状态下测试相控阵天线的辐射方向图、输出功率、传输信号质量、带内污染、发射机互调、参考灵敏度电平、带内阻塞、接收互调等等，并且在标准3gpp38141中给出了相关指标要求。
相关技术中，基站指标大多是通过传导测试获取，具体地，利用传导线连接在相控阵天线的阵列天线馈电，然后测试各个射频参数，甚至进行协议层测试。然而在5g毫米波基站天线中，由于波长短，整个天线尺寸小，且射频接头价格昂贵，一般的毫米波相控阵天线没有留下传导射频接头，因此，为了进行3gpp要求的基站相控阵天线性能测试，必须采用ota(over－the－airtechnology，空中下载技术)测试方式。
然而，采用ota测试方式进行基站相控阵天线性能测试有如下缺陷：
1、3gpp标准中规定测试的指标有限，仅包括辐射方向图、输出功率、传输信号质量、带内污染、发射机互调、参考灵敏度电平、带内阻塞、接收互调等
2、相关测试指标没有针对基站相控阵天线在实际工作场景下，即基站同时与多个用户进行链接通信情况下的性能测试指标，如图2所示。该类指标属于相控阵天线系统级测试指标，具体包括在massivemimo工作模式下以及波束赋形工作模式下的测试指标，如rrm(radioresourcemanagement，射频资源管理)中用于控制发射功率、用户分配、波束赋形、数字传输速率、切换标准、调试方式、差错编码方案等参数的策略和算法，发射功率分配算法、波束赋形策略、动态波束赋形模式、整体辐射性能评估等。需要说明的是，系统级测试指标是反映基站相控阵天线在实际工作场景下的真实无线性能指标，对基站布网布局、研发生产具有至关重要的知道意义。
技术实现要素：
本发明旨在至少在一定程度上解决相关技术中的技术问题之一。
为此，本发明的一个目的在于提出一种相控阵天线系统级测试系统，该测试系统可以有效提高测试的适用性和实用性，有效满足系统级测试需求。
本发明的另一个目的在于提出一种相控阵天线系统级测试方法。
本发明的再一个目的在于提出一种计算机可读存储介质。
为达到上述目的，本发明一方面实施例提出了一种相控阵天线系统级测试系统，包括：天线阵列，所述天线阵列包括至少两个测试天线和隔离材料，用于对待测试的相控阵天线进行预设距离内的系统级近场测试；微波暗室，所述天线阵列与所述相控阵天线均设置在所述微波暗室内；仪表，所述仪表包括信道模拟器和多路信号收发器，所述仪表连接所述天线阵列和所述相控阵天线，用于配合所述天线阵列对所述相控阵天线进行系统级测试。
本发明实施例的相控阵天线系统级测试系统，在ota测试方式下，采用辐射两步法(rts)，可对相控阵天线无线性能进行整体评估，不但可以进行3gpp标准中规定指标的测试，同时可以对实际工作场景下的相控阵天线系统级指标进行测试和评估，反映相控阵天线最真实的工作环境及整体无线性能，有效提高测试的适用性和实用性，有效满足系统级测试需求。
另外，根据本发明上述实施例的相控阵天线系统级测试系统还可以具有以下附加的技术特征：
进一步地，在本发明的一个实施例中，所述天线阵列为双极化天线阵列，所述双极化天线阵列包括至少两个双极化测量天线和隔离材料，所述至少两个双极化测量天线的每个双极化测量天线具有两个相互交叉设置的天线单元，其中，所述天线单元包括：第一辐射件，所述第一辐射件内部构成第一容纳腔，所述第一容纳腔的腔体贯通所述第一辐射件的第一端和第二端；第二辐射件，所述第二辐射件的第一端和所述第一辐射件的第一端不连接，所述第二辐射件的第二端和所述第一辐射件的第二端电气连接；平衡件，所述平衡件的第一端和所述第二辐射件的第二端电气连接；馈电件，所述馈电件偏离天线单元中心预设距离且与所述平衡件对应设置，其中，所述馈电件包括：外芯，所述外芯内部构成第二容纳腔，所述第二容纳腔的腔体贯通所述外芯的第一端和所述外芯的第二端，且所述外芯的第一端和所述第一辐射件的第二端电气连接；内芯，所述内芯贯穿所述第一容纳腔和所述第二容纳腔的腔体，所述内芯的第一端穿出所述第一辐射件的第一端并与所述第二辐射件耦合连接。
进一步地，在本发明的一个实施例中，所述双极化测试天线插入所述隔离材料顶部，或者所述双极化测试天线插入所述隔离材料形成的容纳腔底部。
进一步地，在本发明的一个实施例中，还包括：调谐器，所述调谐器连接所述馈电件述外芯的第二端和所述内芯的第二端。
进一步地，在本发明的一个实施例中，还包括：移动台，所述双极化天线阵列和所述相控阵天线中的至少一个设在所述移动台上。
可选地，在本发明的一个实施例中，所述预设距离可以小于或等于10cm或者两倍波长。
为达到上述目的，本发明另一方面实施例提出了一种相控阵天线系统级测试方法，其特征在于，采用上述的系统，其中，方法包括以下步骤：选择相等数量的所述测试天线和所述相控阵天线的被测天线；获取选择的所述相控阵天线的被测天线的天线方向图信息；根据所述天线方向图信息控制所述信道模拟器的端口与所述选择的相控阵天线的被测天线的端口形成一对一信号传输；控制所述信道模拟器通过运算生成测试信号，并将所述测试信号馈入对应的接收端，以进行对应测试。
本发明实施例的相控阵天线系统级测试方法，在ota测试方式下，采用辐射两步法(rts)，可对相控阵天线无线性能进行整体评估，不但可以进行3gpp标准中规定指标的测试，同时可以对实际工作场景下的相控阵天线系统级指标进行测试和评估，反映相控阵天线最真实的工作环境及整体无线性能，有效提高测试的适用性和实用性，有效满足系统级测试需求。
另外，根据本发明上述实施例的相控阵天线系统级测试方法还可以具有以下附加的技术特征：
可选地，在本发明的一个实施例中，所述相控阵天线的被测天线的天线方向图信息为仿真值或预设值。
进一步地，在本发明的一个实施例中，所述相控阵天线的被测天线的天线方向图信息为通过测试获得的所述相控阵天线动态波束赋形工作模式下的实时方向图信息。
进一步地，在本发明的一个实施例中，在获取所述选择的相控阵天线的被测天线的天线方向图信息之后，还包括：将测试天线的端口信号或所述测试信号加载射频矩阵模块处理，以形成一对一信号传输。
进一步地，在本发明的一个实施例中，在获取所述选择的相控阵天线的被测天线的天线方向图信息之后，还包括：调节选择的所述测试天线与所述相控阵天线的被测天线之间的物理距离，以形成一对一信号传输。
进一步地，在本发明的一个实施例中，在获取所述选择的相控阵天线的被测天线的天线方向图信息之后，还包括：调节选择的所述测试天线与所述相控阵天线的被测天线之间的物理距离，并将所述测试天线端口信号或所述测试信号加载射频矩阵模块处理，以形成一对一信号传输。
进一步地，在本发明的一个实施例中，在形成一对一信号传输后，还包括：通过所述信道模拟器的端口接收经加载所述射频矩阵模块处理的信号，以生成所述测试信号。
进一步地，在本发明的一个实施例中，在形成一对一信号传输后，还包括：通过所述信道模拟器的端口接收所述测试天线端口的信号，以生成所述测试信号。
可选地，在本发明的一个实施例中，所述接收端为多路信号收发器，所述测试为下行测试。
进一步地，在本发明的一个实施例中，在形成一对一信号传输后，还包括：通过所述信道模拟器的端口接收所述多路信号收发器端口的信号，以生成所述测试信号。
进一步地，在本发明的一个实施例中，在生成所述测试信号后，还包括：将所述测试信号加载射频矩阵模块处理，以进行对应测试。
可选地，在本发明的一个实施例中，所述接收端为所述测试天线，所述测试为上行测试。
另外，在本发明的一个实施例中，在进行对应测试时，进一步包括：单独进行所述测试的上行测试或下行测试，或者，同时进行所述测试的上行测试和所述下行测试。
为达到上述目的，本发明再一方面实施例提出了一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，该程序被处理器执行时实现如上述实施例所述的相控阵天线系统级测试方法。
本发明附加的方面和优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本发明的实践了解到。
附图说明
本发明上述的和/或附加的方面和优点从下面结合附图对实施例的描述中将变得明显和容易理解，其中：
图1为相关技术的相控阵天线示意图；
图2为相关技术的相控阵天线与多用户链接示意图；
图3为根据本发明一个实施例的相控阵天线系统级测试系统的结构示意图；
图4为根据本发明一个实施例的相控阵天线真实工作环境示意图；
图5为根据本发明一个实施例的相控阵天线真实信号传输示意图；
图6为根据本发明一个实施例的双极化测试天线和天线单元结构示意图；
图7为根据本发明一个实施例的隔离材料与双极化测试天线结构示意图；
图8为根据本发明另一个实施例的相控阵天线系统级测试系统的结构示意图；
图9为根据本发明又一个实施例的相控阵天线系统级测试系统的结构示意图；
图10为根据本发明实施例的相控阵天线系统级测试方法的流程图；
图11为根据本发明一个实施例的相控阵天线系统级测试方法的流程图；
图12为根据本发明一个实施例的信号传播矩阵示意图；
图13为根据本发明一个实施例的信号传播矩阵示意图；
图14为根据本发明一个实施例的虚拟导线示意图；
图15为根据本发明一个实施例的相控阵天线系统级测试方法的流程图；
图16为根据本发明一个实施例的对应通道隔离度示意图；
图17为根据本发明一个实施例的相控阵天线系统级测试方法的流程图；
图18为根据本发明一个实施例的系统级测试中测试流程图；
图19为根据本发明一个实施例的相控阵天线系统级测试方法的流程图；
图20为根据本发明一个实施例的相控阵天线系统级测试方法的流程图；
图21为根据本发明一个实施例的相控阵天线系统级测试方法的流程图；
图22为根据本发明一个实施例的相控阵天线系统级测试方法的流程图。
具体实施方式
下面详细描述本发明的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，旨在用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。
下面参照附图描述根据本发明实施例提出的相控阵天线系统级测试系统及测试方法，首先将参照附图描述根据本发明实施例提出的相控阵天线系统级测试系统。
图3是本发明一个实施例的相控阵天线系统级测试系统的结构示意图。
如图3所示，该相控阵天线系统级测试系统包括：天线阵列100、微波暗室200和仪表300。
其中，天线阵列100包括至少两个测试天线(如测试天线101所示)和隔离材料102，至少两个测试天线与待测试的相控阵天线10的被测天线11相对设置，从而形成一对一传输、空口直连，有别于现有技术中将被测件直接放置在耦合板上，以对待测试的相控阵天线10进行预设距离内的系统级近场测试。天线阵列100、相控阵天线10设在微波暗室200内。仪表300包括信道模拟器和多路信号收发器，仪表300连接天线阵列100和相控阵天线10，用于配合天线阵列100对相控阵天线10进行系统级测试。本发明实施例的测试系统可对相控阵天线无线性能进行整体评估，有效提高测试的适用性和实用性，有效满足系统级测试需求。
需要说明的是，上述的至少两个测量天线与待校准的相控阵天线10的被测天线相对设置可以理解为位置上一一对应，或者极化一一对应，被测天线和测量天线的物理距离小(下面会进行详细描述)，因此被测天线和测量天线没有方向性的对应关系吗，有别于现有技术的有方向性对应关系。也就是说，本发明实施例通过物理隔离的方法(如位置和极化一一对应，测量天线和被测天线的物理距离小，并且添加隔离材料，以及测量天线的打开方法(同时全部打开，或者依次打开，或者每次选择部分打开，或者同时打开全部极化或某一极化，或者每次选择部分极化，以控制信道模拟器的端口与选择的相控阵天线的被测天线的端口形成一对一信号传输。
另外，隔离材料可以使用吸波材料、介质材料等具有隔离性质的材料，如可以是ota暗室用的吸波材料(如海绵吸波材料，epp碳粉吸波材料，陶瓷稀薄材料等)，也可以是是铁氧体材料，在此不做具体限制，并且隔离材料与测量天线、被测天线的位置关系可以是一对一相对设置，以在保证测量准确性的情况下，节约能源，降低成本。
其中，在本发明的一个实施例中，预设距离可以小于或等于10cm或者两倍波长。具体地，现有技术的测量天线和被测天线的距离较大，距离基本上大于1米，使得只限于做远场测量，而本发明实施例可以实现近场校准测量，不限于远场测量，如对于近场测量如2-3厘米的近场测量都可以进行比较准确测试。
需要说明的是，测量天线可以使用双极化测量天线、单极化测量天线、圆极化测量天线等，也可以是自主研发天线，每个测量天线在工作中可以打开相同或不同的极化(如果不同极化的情况下)。虽然以下实施例以双极化测量天线为例，但是本领域技术人员应当理解的是，任何测量天线都可以通过以下类似方式进行配置。
进一步地，在本发明的一个实施例中，如图6所示，天线阵列100为双极化天线阵列100，双极化天线阵列100包括至少两个双极化测量天线(如图中双极化测量天线101和双极化测量天线102所示)和和隔离材料103，至少两个双极化测量天线的每个双极化测量天线具有两个相互交叉设置的天线单元，其中，天线单元包括：第一辐射件400、第二辐射件500、平衡件600和馈电件700。并且，馈电件700包括：外芯701和内芯702。
具体地，第一辐射件400内部构成第一容纳腔a，第一容纳腔a的腔体贯通第一辐射件400的第一端401和第二端402。第二辐射件500的第一端501和第一辐射件400的第一端401不连接，第二辐射件500的第二端502和第一辐射件400的第二端402电气连接。平衡件600的第一端601和第二辐射件500的第二端502电气连接。馈电件700偏离天线单元中心预设距离且与平衡件600对应设置，其中，外芯701内部构成第二容纳腔b，第二容纳腔b的腔体贯通外芯701的第一端和外芯的第二端，且外芯701的第一端7011和第一辐射件400的第二端402电气连接，并且内芯702贯穿第一容纳腔a和第二容纳腔b的腔体，内芯702的第一端7021穿出第一辐射件400的第一端401并与第二辐射件500耦合连接。本发明实施例的天线单元，可以有效满足合天线小型化要求，且有利于双极化天线设计。
具体地，如图4和图5所示，相控阵天线10工作在多用户、多径、多普勒等复杂电磁环境中。通常情况下，一个相控阵天线10服务多个无线终端，信号在相控阵天线10和多个无线终端之间传输，为了测试和评估相控阵天线10在上述真实工作环境下的系统级无线性能，本发明实施例的测试系统具有仪表300，仪表300包括信道模拟器和多路信号收发器。其中，多路信号收发机可以用来模拟和构建相控阵天线10真实工作环境下的多个无线终端，模拟出多个无线终端同时与相控阵天线10进行链接通信的情况，并配合信道模拟器(用于模拟真实的相控阵天线使用场景)、双极化天线阵列100等测试系统组件进行相控阵天线10真实工作环境的系统级测试。需要说明的是，系统级测试包括但不限于上行射频性能(如吞吐率)和通信协议性能(如波束赋形算法和内部资源管理算法)测试以及下行射频性能(如吞吐率)和通信协议性能(如波束赋形算法和内部资源管理算法)测试。
结合图6所示，下面对本发明实施例的天线单元进行详细说明。
(1)相关技术中，天线馈电方式常采用电气连接，天线长度约中心工作频率的二分之一波长，体积大，难以符合天线小型化要求。
本发明实施例的天线单元馈电件700的内芯702和第二辐射件500采用耦合连接进行馈电，从而可以使本发明实施例的天线尺寸缩小到十分之一波长，且天线阻抗匹配性能良好，进一步减小天线的rcs(radar-crosssection，雷达散射截面)，从而提高校准测量精度。
(2)相关技术中，为了利用电压巴伦遏制共模电流，两个天线的馈电部分同轴线均须设置于天线正中间，在这种情况下，利用两个天线交叉设置形成双极化天线时，两个馈电部分同轴线在中心重合，结构上无法在同一位置放置两个重合的馈电部分同轴线。但如果将馈电部分同轴线从中间移到旁侧，又会加剧馈电不平衡，从而产生共模电流。因此，现有天线很难进行双极化天线设计。
然而，本发明实施例的天线单元的馈电件700采用偏置设计，即将馈电件700设计在天线中心旁侧，该设计可在两个天线单元交叉设置时使两个馈电件相互错开，有利于双极化天线设计。同时，通过对共模电流产生原因的分析可以得知，馈电件结构的不平衡性是导致共模电流产生的根本原因，相关技术中，虽然可以通过将馈电件设计在天线中心，形成电压巴伦来减少共模电流，但由于馈电件外芯和内芯本身难以实现完全的结构对称，因此馈电件在工作中依然会产生共模电流。本发明实施例的天线单元首次提出通过提高馈电件本身的结构对称性从而达到基本消除共模电流产生的目的，即设置平衡件600与馈电件700进行配合，从而形成巴伦，同时提高了馈电件对称性、平衡性，使馈电件在工作中产生极小的共模电流，达到基本消除共模电流的目的(共模电流非常小，从工程实践角度看可以忽略不计)，提高双极化测量天线的辐射性能，从而提高校准测量精度。
进一步地，在本发明的一个实施例中，双极化测量天线插入隔离材料103顶部，或者双极化测量天线插入隔离材料103形成的容纳腔底部。
可以理解的是，如图7所示，本发明的双极化测量天线可以和隔离材料103一起进行联合设计。其中，通过增加隔离材料103，可以实现以下优点：
1)隔离材料103可以进一步抵消双极化测量天线可能产生的共模电流；
2)隔离材料103可以进一步减少双极化测量天线和被测天线之间的反射，提高测量的准确性；
3)隔离材料103可以使双极化测量天线的雷达散射截面(rcs)小，提高天线间的隔离度，提高双极化测量天线与非正对被测天线间的隔离度，缩小双极化测量天线和被测天线间的测量距离，有效提高测量的准确性。
具体地，当把双极化测量天线插入隔离材料103顶部时，可以减小天线电磁波的空间散射，而当把双极化测量天线插入隔离材料103形成的容纳腔底部时，不但可以调整天线的高度，适应不同要求的测量需求，同时还可以提高天线之间的隔离度，缩小被测天线和双极化测量天线间的测试距离，提高测量精度。
进一步地，在本发明的一个实施例中，如图8所示，双极化测试天线还包括：调谐器800。其中，调谐器800连接馈电件700的外芯701的第二端和内芯702的第二端。
可以理解的是，本发明实施例的双极化测试天线可以增加调谐器800。其中，双极化测试天线的每个天线单元分别连接一个调谐器。由于双极化测试天线尺寸较小，且只在单个频点谐振，在宽带内驻波较差，影响双极化测试天线的性能，若要使双极化测试天线应用在宽带，就需要加调谐器800调整双极化测试天线在使用频率的驻波。
具体地，本发明实施例的调谐器800可以采用电子调谐方式，其中，在双极化测试天线接口处加两个带有可变电容的阻抗匹配网络，两个匹配模块使用开关切换的方式与双极化测试天线及其他电路连接。当收发信号的频率改变时，通过检测模块检测双极化测试天线的阻抗、驻波等信息，再通过控制模块改变可变电容的值，实现自动调谐，使得天线的阻抗维持在50欧附近，减少能量的损耗。该调谐器800可以放置在隔离材料后面，因此对双极化测试天线的辐射性能不造成影响。
进一步地，在本发明的一个实施例中，如图9所示，本发明实施例的测试系统还包括：移动台900。双极化天线阵列100和相控阵天线10中的至少一个设在移动台上。
如图9所示，本发明实施例的相控阵天线系统级测试系统进一步包括移动台900。双极化天线阵列100可以设在微波暗室200内壁上、移动台900上或固定装载机构上(不能移动)；相控阵天线10可以设在移动台900上或固定装载机构上。其中，高精度的移动转台可以沿着任意坐标位置移动，包括但不限于沿x、y、z三个主要坐标轴移动。
需要说明的是，设置移动台900的目的在于进行系统级测试时，可以调节双极化天线阵列100和相控阵天线10之间的物理距离，实现物理隔离，提高双极化测试天线与相控阵天线10的被测天线之间对应通道隔离度，使信道模拟器端口与选择的相控阵天线10的被测天线端口形成一对一信号传输。
根据本发明实施例的相控阵天线系统级测试系统，在ota测试方式下，采用辐射两步法(rts)，可对相控阵天线无线性能进行整体评估，不但可以进行3gpp标准中规定指标的测试，同时可以对实际工作场景下的相控阵天线系统级指标进行测试和评估，反映相控阵天线最真实的工作环境及整体无线性能，有效提高测试的适用性和实用性，有效满足系统级测试需求。
其次参照附图描述根据本发明实施例提出的相控阵天线系统级测试方法。
图10是本发明实施例的相控阵天线系统级测试方法的流程图。
如图10所示，该相控阵天线系统级测试采用上述系统，其包括以下步骤：
在步骤s1中，选择相等数量的测试天线和相控阵天线的被测天线。
在步骤s2中，获取选择的相控阵天线的被测天线的天线方向图信息。
在步骤s3中，根据天线方向图信息控制信道模拟器的端口与选择的相控阵天线的被测天线的端口形成一对一信号传输。
在步骤s4中，控制信道模拟器通过运算生成测试信号，并将测试信号馈入对应的接收端，以进行对应测试。
需要说明的是，测试包括但不限于上行射频性能(如吞吐率)和通信协议性能(如波束赋形算法和内部资源管理算法)测试以及下行射频性能(如吞吐率)和通信协议性能(如波束赋形算法和内部资源管理算法)测试。
可选地，在本发明的一个实施例中，相控阵天线的被测天线的天线方向图信息为仿真值或预设值。
进一步地，在本发明的一个实施例中，相控阵天线的被测天线的天线方向图信息为通过测试获得的相控阵天线动态波束赋形工作模式下的实时方向图信息。
具体地，在进行相控阵天线系统级测试时，需要相控阵天线的被测天线的天线方向图信息。获取到的相控阵天线的被测天线的天线方向图信息导入到信道模拟器。
在本发明的实施例中，仅需将相控阵天线的被测天线的天线方向图信息的仿真值或预设值导入到信道模拟器进行运算即可。需要说明的是，预设值可以由本领域技术人员根据实际情况进行设置。
另外，为了更加真实地反映相控阵天线的实际工作状态，可以获取相控阵天线动态波束赋形工作模式下实时天线方向图信息，并将该天线方向图实时导入到信道模拟器进行运算。
进一步地，在本发明的一个实施例中，如图11所示，在获取选择的相控阵天线的被测天线的天线方向图信息之后，还包括：将测试天线的端口信号或测试信号加载射频矩阵模块处理，以形成一对一信号传输。
具体地，相控阵天线与天线阵列在实际信号相互传输中会产生信号传播矩阵，这是无法避免的。信号传播矩阵如图12所示。每个相控阵天线的被测天线具有两个天线单元，分别对应两个极化；每个测试天线具有两个天线单元，分别对应两个极化。
当任意测试天线的天线单元在辐射时，所有的相控阵天线的被测天线的天线单元都可以接收到来自于该测试天线的天线单元辐射的能量。如图12所示，假设存在k个测试天线的天线单元和k个相控阵天线的被测天线的天线单元，那么从k个测试天线的天线单元端口到k个相控阵天线的被测天线的天线单元端口会形成一个k×k的信号传播矩阵p。记录k×k的电磁波传播矩阵p为：
其中pxy表示从第y个测试天线的天线单元发出到x个相控阵天线的被测天线的天线单元接收的信号幅度变化，
如图13所示，为了降低所述测试天线与所述相控阵天线的被测天线之间非对应通道的交叉耦合，使所述信道模拟器端口与选择的所述相控阵天线的被测天线端口形成一对一信号传输，本发明实施例的测试方法提出进行“算法隔离”，即将所述测试天线端口信号或所述测试信号加载射频矩阵模块处理。载射频矩阵模块可以单独设置，也可以集成在仪表内。射频矩阵模块是信号传播矩阵p的逆矩阵，通过加载该矩阵，可以降低所述测试天线与所述相控阵天线的被测天线之间非对应通道的交叉耦合，提高所述测试天线之间的隔离度，实现测试天线端口和相控阵天线的被测天线端口之间一对一信号传输，具体地，一对一信号传输是指测试天线的每个单元(每个极化)端口和相控阵天线的被测天线的每个单元(每个极化)端口之间形成一对一信号传输，从而进一步实现信道模拟器端口到相控阵天线的被测天线端口之间一对一信号传输。
具体地，以下行测试为例(上行测试见公式(22)-(26))，图13中的信道模拟器端口信号(sx1，sx2，...，sxk)、测试天线端口(bx1，bx2，...，bxk)与相控阵天线的被测天线端口信号(x1，x2，...，xk)之间的关系是：
(bx1，bx2，…，bxk)t＝p*(x1，x2，…，xk)t(1)
(sx1，sx2，…，sxk)t＝m*(bx1，bx2，…，bxk)t(2)
(sx1，sx2，…，sxk)t＝m*p*(x1，x2，…，xk)t(3)
其中m是加载的射频矩阵模块，对测试天线端口(bx1，bx2，...，bxk)加载射频矩阵模块处理，p是信号传播矩阵，两者互为逆矩阵，则
p＝m-1(4)
结合(1)-(4)可得
(sx1，sx2，…，sxk)t＝(x1，x2，…，xk)t(5)
根据公式(5)，实现了信道模拟器端口与选择的相控阵天线的被测天线端口一对一信号传输。
这种一对一信号传输类似于在信道模拟器端口和相控阵天线的被测天线端口之间使用导线进行连接，因此该方法也称为“虚拟导线”方法。如图14所示。
虚拟导线相比于真实导线连接的好处：真实导线接在相控阵天线的被测天线端口上会改变相控阵天线的被测天线本身的性能，比如单元天线匹配等，影响测试效果。另外，真实导线接在相控阵天线的被测天线端口上会导致导线本身也成为辐射体，从而进一步影响相控阵天线的被测天线的辐射方向图。虚拟导线的使用，不会影响相控阵天线的被测天线的自身性能，使测试结果更能真实地反映相控阵天线的被测天线的无线性能。
进一步地，在本发明的一个实施例中，如图15所示，在获取选择的相控阵天线的被测天线的天线方向图信息之后，还包括：调节选择的测试天线与相控阵天线的被测天线之间的物理距离，以形成一对一信号传输。
具体地，相控阵天线与天线阵列在实际信号相互传输中会产生信号传播矩阵，这是无法避免的。为了降低所述测试天线与所述相控阵天线的被测天线之间非对应通道的交叉耦合，使所述信道模拟器端口与选择的所述相控阵天线的被测天线端口形成一对一信号传输，本发明实施例的测试方法提出进行“物理隔离”，即调节选择的所述测试天线与所述相控阵天线的被测天线之间的物理距离。当两者之间的物理距离可以使测试天线端口和相控阵天线的被测天线端口之间对应通道增益尽可能大，使测试天线端口和相控阵天线的被测天线端口之间非对应通道增益尽可能小时，即可实现测试天线端口和相控阵天线的被测天线端口之间对应通道隔离度尽可能大，从而降低所述测试天线与所述相控阵天线的被测天线之间非对应通道的交叉耦合，实现测试天线端口和相控阵天线的被测天线端口之间一对一信号传输，具体地，一对一信号传输是指测试天线的每个单元(每个极化)端口和相控阵天线的被测天线的每个单元(每个极化)端口之间形成一对一信号传输，从而进一步实现信道模拟器端口到相控阵天线的被测天线端口之间一对一信号传输。
以下说明本发明实施例的“物理隔离”的实现方式及对应通道、非对应通道、对应通道隔离度定义。
1.对应通道和非对应通道
如图12所示，在实际测试之中，从第k个(k＝1，2，…，k)测试天线的天线单元端口到第k个(k＝1，2，…，k)相控阵天线的被测天线的天线单元端口之间的信号传输通道在本发明实施例中定义为对应通道，对应通道存在对应通道增益，这个对应通道是本发明测试需要的，用来传输信号；而从第k个测试天线的天线单元端口到第m个(m＝1，2，…，k，且m不等于k)相控阵天线的被测天线的天线单元端口之间的信号传输通道在本发明中定义为非对应通道，非对应通道存在非对应通道增益，这个非对应通道是本发明测试不需要的，会对测试造成干扰，需要尽可能降低非对应通道增益以减小非对应通道对测试的干扰。
在理想状态下，非对应通道增益无穷小时，则信号传播矩阵p可以写成如下单位矩阵：
信号传播矩阵为单位矩阵时，可以降低所述测试天线与所述相控阵天线的被测天线之间非对应通道的交叉耦合，实现测试天线端口和相控阵天线的被测天线端口之间一对一信号传输，并进一步实现信道模拟器端口到相控阵天线的被测天线端口之间一对一信号传输。但实际上，信号传播矩阵无法成为单位矩阵，只能通过技术手段尽可能减小非对应通道增益，增大对应通道增益，尽可能使测试天线端口和相控阵天线的被测天线端口之间一对一信号传输。
为了实现上述目的，本发明实施例定义了对应通道隔离度，当对应通道隔离度尽可能大时，则测试天线端口和相控阵天线的被测天线端口之间对应通道增益尽可能大，同时，测试天线端口和相控阵天线的被测天线端口之间非对应通道增益尽可能小。
2.对应通道隔离度
本发明实施例定义的对应通道隔离度计算公式为(db表示)：
isox_y|m_n＝gx_y-gx_y|m_n(6)
其中m＝x和n＝y不能同时成立。
以3个测试天线和3个相控阵天线的被测天线为例，如图16所示。
图中tx_y表示天线阵列中第x个测试天线的第y个天线单元(极化)；rx_y表示相控阵天线中第x个相控阵天线的被测天线的第y个天线单元(极化)。任意tx_y与rx_y的信号传输通道为对应通道，如t1_1与r1_1为对应通道；任意tx_y与rm_n(其中m＝x和n＝y不能同时成立)为非对应通道，如t1_1与r1_2、t1_1与r2_1、t1_1与r2_2、t1_1与r3_1、t1_1与r3_2均为非对应通道。tx_y与rx_y之间形成的对应通道增益记录为gx_y(db表示)；tx_y与rm_n(其中m＝x和n＝y不能同时成立)之间形成的非对应通道增益为gx_y|m_n(db表示)。isox_y|m_n在本发明中定义为对应通道隔离度。
具体地，当x＝1，y＝1时，对应通道t1_1与r1_1形成的对应通道增益为g1_1；t1_1与r1_2、t1_1与r2_1、t1_1与r2_2、t1_1与r3_1、t1_1与r3_2均为非对应通道，形成的非对应通道增益分别为g1_1|1_2、g1_1|2_1、g1_1|2_2、g1_1|3_1、g1_1|3_2。根据给出的对应通道隔离度公式，可以得出对应通道t1_1与r1_1的隔离度有如下5个：
iso1_1|1_2＝g1_1-g1_1|1_2；
iso1_1|2_1＝g1_1-g1_1|2_1；
iso1_1|2_2＝g1_1-g1_1|2_2；
iso1_1|3_1＝g1_1-g1_1|3_1；
iso1_1|3_2＝g1_1-g1_1|3_2；
当测试天线的天线单元合计为k个时，那么对于第k个对应通道，其共有k-1个对应通道隔离度。图16中共示出了6个对应通道，合计共有30个对应通道隔离度。
因此，为了降低所述测试天线与所述相控阵天线的被测天线之间非对应通道的交叉耦合，就需要使测试天线端口和相控阵天线的被测天线端口之间对应通道隔离度尽可能大，也就是使测试天线端口和相控阵天线的被测天线端口之间对应通道增益尽可能大，使测试天线端口和相控阵天线的被测天线端口之间非对应通道增益尽可能小。
为了达到上述目的，本发明实施例提出“物理隔离”，即调节选择的所述测试天线与所述相控阵天线的被测天线之间的物理距离。一般地，当测试天线与所述相控阵天线的被测天线之间的物理距离减小时，对应通道隔离度呈现增大趋势，反之，当测试天线与所述相控阵天线的被测天线之间的物理距离增大时，对应通道隔离度呈现减小趋势。对应通道隔离度越高，就说明非对应通道传输的能量越弱而对应通道传输的主导能量越强，降低所述测试天线与所述相控阵天线的被测天线之间非对应通道的交叉耦合的效果越好，可以更好地实现测试天线端口和相控阵天线的被测天线端口之间一对一信号传输。
3.“物理隔离”的实现方式
本发明实施例提出“物理隔离”，即调节选择的所述测试天线与所述相控阵天线的被测天线之间的物理距离。具体实现方式为：
a.通过移动移动台，使每个测试天线与每个相控阵天线的被测天线在位置上一一对应。具体地，每个测试天线的排布方式与每个相控阵天线的被测天线排布方式镜像，包括：每个测试天线与每个相控阵天线的被测天线各方向上间距一致，且每个测试天线的每个天线单元(每个极化)与每个相控阵天线的被测天线的每个天线单元(每个极化)方向对准。
b.通过移动移动台，缩小每个测试天线与每个相控阵天线的被测天线之间的距离，提高对应通道隔离度，降低所述测试天线与所述相控阵天线的被测天线之间非对应通道的交叉耦合，实现测试天线端口和相控阵天线的被测天线端口之间一对一信号传输，从而进一步实现信道模拟器端口到相控阵天线的被测天线端口之间一对一信号传输。
c.任意使所有对应通道隔离度满足相控阵天线系统级测试要求的物理距离均可以达到物理隔离目的。目前，本发明在实际测试中可以令所有对应通道隔离度达到2db及以上，但该指标值不应成为本发明所述技术方法的限制。
通过进行“物理隔离”，可以实现信道模拟器端口到相控阵天线的被测天线端口之间一对一信号传输。和“算法隔离”一样，这种一对一信号传输类似于在信道模拟器端口和相控阵天线的被测天线端口之间使用导线进行连接，因此该方法也称为“虚拟导线”方法。如图13、图14所示。
进一步地，在本发明的一个实施例中，如图17所示，在获取选择的相控阵天线的被测天线的天线方向图信息之后，还包括：调节选择的测试天线与相控阵天线的被测天线之间的物理距离，并将测试天线端口信号或测试信号加载射频矩阵模块处理，以形成一对一信号传输。
“物理隔离”和“算法隔离”都是用来提升隔离度、降低所述测试天线与所述相控阵天线的被测天线之间非对应通道的交叉耦合、实现一对一信号传输的手段，根据实际测试要求，两种方法可以单独使用，当单一方法无法满足测试要求时则可以同时实施两种方法。
进一步地，在本发明的一个实施例中，在形成一对一信号传输后，还包括：通过信道模拟器的端口接收经加载射频矩阵模块处理的信号，以生成测试信号。
进一步地，在本发明的一个实施例中，在形成一对一信号传输后，还包括：通过信道模拟器的端口接收测试天线端口的信号，以生成测试信号。
可选地，在本发明的一个实施例中，接收端为多路信号收发器，测试为下行测试。
具体而言，结合图18、图19和图20所示，在进行下行测试时，相控阵天线的被测天线端口向测试天线端口发送信号，在只进行物理隔离的情况下，信道模拟器端口接收测试天线端口信号，通过运算形成测试信号，将该测试信号馈入多路信号收发器，进行下行测试。
在只进行算法隔离，或同时进行物理隔离和算法隔离的情况下，测试天线端口接收的相控阵天线的被测天线端口信号后先进行加载射频矩阵模块处理再发给信道模拟器端口，信道模拟器端口接收该信号并通过运算形成测试信号，将该测试信号馈入多路信号收发器，进行下行测试。
相控阵天线的被测天线端口信号x＝(x1，x2，...，xk)与多路信号收发器端口信号y＝(y1，y2，...，yp)的关系可以表示为
y＝gus*g(t)*gbs*x(7)
其中，g(t)为信道模型，可为预设值，包含了相控阵天线和多个无线终端之间的电磁传播环境，如反射、绕射、多普勒、多个到达角等，信道模型就是对相控阵天线工作环境的模拟，gus是多终端天线方向图，可为预设值，gbs是相控阵天线方向图信息，可为模拟值、预设值。该信道模拟器模拟并构建了相控阵天线真实工作环境下的信号传播公式。
具体地，对于信号从相控阵天线的被测天线端口流向多路信号收发器端口，在只进行算法隔离，或同时进行物理隔离和算法隔离的情况下，可以用下面公式表示信号流：
信道模拟器端口信号(sx1，sx2，...，sxk)、测试天线端口信号(bx1，bx2，...，bxk)与相控阵天线的被测天线端口信号(x1，x2，...，xk)之间的关系是
(bx1，bx2，…，bxk)t＝p*(x1，x2，…，xk)t(8)
(sx1，sx2，…，sxk)t＝m*(bx1，bx2，…，bxk)t(9)
(sx1，sx2，…，sxk)t＝m*p*(x1，x2，…，xk)t(10)
其中，m是加载的射频矩阵模块，p是信号传播矩阵，两者互为逆矩阵，则
p＝m-1(11)
结合(8)-(11)可得
(sx1，sx2，…，sxk)t＝(x1，x2，…，xk)t(12)
对于信号从相控阵天线的被测天线端口流向多路信号收发器端口，在只进行物理隔离的情况下，可以用下面公式表示信号流：
(bx1，bx2，…，bxk)t＝(x1，x2，…，xk)t(13)
(sx1，sx2，…，sxk)t＝(bx1，bx2，…，bxk)t(14)
(sx1，sx2，…，sxk)t＝(x1，x2，…，xk)t(15)
采用上述两种方法中的至少一种后，将信道模拟器端口信号通过运算产生的测试信号馈入多路信号收发器端口，则多路信号收发器端口信号(测试信号)(y1，y2，...，yp)可以表示为：
(y1，y2，…，yp)t＝gus*g(t)*gbs*(sx1，sx2，…，sxk)t
＝gus*g(t)*gbs*(x1，x2，…，xk)t(16)
进一步地，令
h(t)＝gus*g(t)*gbs(17)
h(t)为信道相关矩阵，在信道模拟器中计算和生成，模拟了真实使用场景中从相控阵天线的测试的天线单元端口到与其通信的多路信号收发器端口信号流的传输，对于一个多径环境，假设存在n个子径，则h(t)第p行k列元素hp，k(t)可以表示为
hn，p，k(t)是hp，k(t)中的第n个元素，代表信道模型的一个传播路径。
则相控阵天线的被测天线端口(x1，x2，...，xk)到多路信号收发器端口(y1，y2，...，yp)的信号传递关系为
(y1，y2，…，yp)t＝h(t)*(x1，x2，…，xk)t(18)
上述公式说明，本发明实施例完全实现了相控阵天线真实工作方式，即同时与多个无线终端进行通信链接的模拟，包括多个终端信息的模拟，多径使用环境的模拟，本身天线信息的模拟等，信息流在(x1，x2，...，xk)和(y1，y2，...，yp)之间的传递过程完全和实际相控阵天线工作情况一致，因此，可以进行相控阵天线系统级指标测试，如测试多用户下相控阵天线的下行mimo射频性能和通信协议性能等。
进一步地，在本发明的一个实施例中，在形成一对一信号传输后，还包括：通过信道模拟器的端口接收多路信号收发器端口的信号，以生成测试信号。
进一步地，在本发明的一个实施例中，在生成测试信号后，还包括：将测试信号加载射频矩阵模块处理，以进行对应测试。
可选地，在本发明的一个实施例中，接收端为测试天线，测试为上行测试。
结合图18、图21和图22所示，在进行上行测试时，信道模拟器接收所述多路信号收发器端口发出的信号。在只进行物理隔离的情况下，信道模拟器通过运算形成测试信号，将该测试信号馈入测试天线，测试天线向相控阵天线发送信号，进行上行测试。
在只进行算法隔离，或同时进行物理隔离和算法隔离的情况下，信道模拟器通过运算形成测试信号，该测试信号先进行加载射频矩阵模块处理再馈入测试天线，测试天线接收该信号后向相控阵天线发送信号，进行上行测试。
对于多路信号收发器端口信号y＝(y1，y2，...，yp)流向相控阵天线的被测天线端口x＝(x1，x2，...，xk)，两者的关系为：
x＝gbs*g(t)*gus*y(19)
其中，令
h′(t)＝gbs*g(t)*gus(20)
g(t)为信道模型，可为预设值，包含了相控阵天线和多个无线终端之间的电磁传播环境，如反射、绕射、多普勒、多个到达角等，信道模型就是对相控阵天线工作环境的模拟，gus是多终端天线方向图，可为预设值，gbs是相控阵天线方向图信息，可为模拟值、预设值。该信道模拟器模拟并构建了相控阵天线真实工作环境下的信号传播公式。
h′(t)为信道相关矩阵，模拟了真实使用场景中从相控阵天线的测试的天线单元端口到与其通信的多路信号收发器端口信号流的传输，该矩阵与h(t)矩阵却别在于，对于不同的信号流方向，其经过的信道模型可以不相同。
具体地，信道模拟器端口信号(测试信号)(sx1，sx2，...，sxk)与多路信号收发器端口信号(y1，y2，...，yp)之间的关系是：
(sx1，sx2，…，sxk)t＝h′(t)*(y1，y2，…，yp)t(21)
对于信号从多路信号收发器端口流向相控阵天线的被测天线端口，在只进行算法隔离，或同时进行物理隔离和算法隔离的情况下，可以用下面公式表示信号流：
信道模拟器端口信号(sx1，sx2，...，sxk)、测试天线端口信号(bx1，bx2，...，bxk)与相控阵天线的被测天线端口信号(x1，x2，...，xk)之间的关系是
(bx1，bx2，…，bxk)t＝m*(sx1，sx2，…，sxk)t(22)
(x1，x2，…，xk)t＝p*(bx1，bx2，…，bxk)t(23)
(x1，x2，…，xk)t＝m*p*(sx1，sx2，…，sxk)t(24)
其中m是加载的射频矩阵模块，p是信号传播矩阵，两者互为逆矩阵，则
p＝m-1(25)
结合(22)-(25)可得
(x1，x2，…，xk)t＝(sx1，sx2，…，sxk)t(26)
对于信号从多路信号收发器端口流向相控阵天线的被测天线端口，在只进行物理隔离的情况下，可以用下面公式表示信号流：
(bx1，bx2，…，bxk)t＝(sx1，sx2，…，sxk)t(27)
(x1，x2，…，xk)t＝(bx1，bx2，…，bxk)t(28)
(x1，x2，…，xk)t＝(sx1，sx2，…，sxk)t(29)
采用上述两种方法中的至少一种后，则多路信号收发器端口(y1，y2，...，yp)到相控阵天线的被测天线端口(x1，x2，...，xk)的信号传递关系为
(x1，x2，…，xk)t＝h′(t)*(y1，y2，…，yp)t(30)
上述公式说明，本发明实施例完全实现了相控阵天线真实工作方式，即同时与多个无线终端进行通信链接的模拟，包括多个终端信息的模拟，多径使用环境的模拟，本身天线信息的模拟等，信息流在(x1，x2，...，xk)和(y1，y2，...，yp)之间的传递过程完全和实际相控阵天线工作情况一致，因此，可以进行相控阵天线系统级指标测试，如测试多用户下相控阵天线的上行mimo射频性能和通信协议性能等。
另外，在本发明的一个实施例中，在进行对应测试时，进一步包括：单独进行测试的上行测试或下行测试，或者，同时进行测试的上行测试和下行测试。
也就是说，可单独进行上行测试或下行测试，或者同时进行上行测试和下行测试。
需要说明的是，前述对相控阵天线系统级测试系统实施例的解释说明也适用于该实施例的相控阵天线系统级测试方法，此处不再赘述。
根据本发明实施例的相控阵天线系统级测试方法，在ota测试方式下，采用辐射两步法(rts)，可对相控阵天线无线性能进行整体评估，不但可以进行3gpp标准中规定指标的测试，同时可以对实际工作场景下的相控阵天线系统级指标进行测试和评估，反映相控阵天线最真实的工作环境及整体无线性能，有效提高测试的适用性和实用性，有效满足系统级测试需求。
为了实现上述实施例，本发明还提出了一种非临时性计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，计算机程序被处理器执行时实现如上述实施例的相控阵天线系统级测试方法。
此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括至少一个该特征。在本发明的描述中，“多个”的含义是至少两个，例如两个，三个等，除非另有明确具体的限定。
在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不必须针对的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。此外，在不相互矛盾的情况下，本领域的技术人员可以将本说明书中描述的不同实施例或示例以及不同实施例或示例的特征进行结合和组合。
尽管上面已经示出和描述了本发明的实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的，不能理解为对本发明的限制，本领域的普通技术人员在本发明的范围内可以对上述实施例进行变化、修改、替换和变型。
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