一种仿真天线阵列标校与射频信号监测系统的制作方法

本发明涉及射频信号技术领域，主要涉及一种仿真天线阵列标校与射频信号监测系统，用于射频仿真天线阵列的标校与射频仿真信号监测。

背景技术：

目前，使用三元组类型的仿真天线阵列的标校通常使用四天线的标校系统完成，其测向使用干涉仪体制。这种标校方法需要和转台配合才能完成天线阵列的标校，标校时间长，效率低，当阵列规模比较大时，会给使用带来较大的影响。其二，这种标校完成后，标校设备无辐射信号的监测功能，无法监测仿真系统的工作状态。

技术实现要素：

为了克服现有装置在使用效率与功能方面的不足，本发明提出一种仿真天线阵列标校与射频信号监测系统。

为实现上述发明目的，本发明采用的技术方案是：

一种仿真天线阵列标校与射频信号监测系统，包含同时工作的两个测量回路：校准测量回路、信号特征测量回路；

所述校准测量回路，由矢量网络分析仪、微波信号源、通道控制与频率适配模块、标校天线和射频组合电路组成，所述射频组合输出端通过矢量网络分析仪分别与微波信号源、本振信号源的输入端相连，本振信号源的输出端通过电缆与射频组合输入接口相连；微波信号源的输出端通过电缆与通道控制与频率适配模块的输入端相连；通道控制与频率适配模块的输出端通过电缆与仿真天线阵列相连；微波信号源的参考端通过电缆与射频组合输入接口相连；矢量网络分析仪的数据端与主控计算机的数据端相连；

所述信号特征测量回路，由微波信号源、通道控制与频率适配模块、标校天线圆阵、射频组合和信号处理模块组成，所述射频组合输出端通过信号处理模块与主控计算机输入端相连，主控计算机第一输出端通过电缆分别与信号处理模块、射频组合、仿真天线阵列的输入接口相连；主控计算机第二输出端通过电缆分别与微波信号源、通道控制与频率适配模块的输入接口相连；

一种仿真天线阵列标校与射频信号监测系统，所述标校天线是由若干个天线单元组成，其中，圆心位置的天线，用于天线阵列的标校测量，其它的天线单元组成一个圆阵，用于信号的到达角、强度、频率和样式等信号特征的测量。天线阵列和射频组合安装在专用工作支架上。

一种仿真天线阵列标校与射频信号监测系统的监测方法，通过两个回路的协同工作，来完成标校天线阵列的校准测量，其步骤如下：

1)标校工作步骤

a)在阵列标校工作模式时，工作支架固定在转台基座上，0号天线位于仿真天线阵列球心位置；

b)开始标校测量，测量流程：

c)流程中的“信号幅度与相位测量”工作由标校测量回路完成信号幅度与相位测量；其具体步骤按标校测量回路测量；

d)流程中的“信号到达角测量”工作由信号特征测量回路完成信号到达角与幅度测量；其具体步骤按信号特征测量回路测量；

e)流程中标校测量回路测量得到的天线输出的射频幅度与信号特征测量回路测量的射频信号幅度一致，且测量的到达角与正在测量的天线的视角一致，则数据校验结果为正确，否则重新设置待测天线通道进行重新测量。若校验结果为正确，继续测量，否则提示测量完成后需要人工检查该通道并重新测量该通道，并继续完成整个天线阵的标校测量；

f)测量得到的数据为所有天线通道与参考信号的幅度差ai和相位差φi，利用下式，得到初值表的幅度a与相位φ数据，标校结束；

公式：a＝ai-min([a1…an])

φ＝φi-min([φ1…φn])

式中：i＝1…n；

n：为天线通道数。

2)信号监测工作步骤

a)将监测系统置于仿真天线阵列球心附近，将标校天线对准球面阵中心；此时，试验设备天线在仿真天线球面阵的球心位置上；若以球面阵中心为试验设备正前方，监测系统在试验设备的左右侧后附近，前后位置上不超过试验设备；

b)信号特征测量回路完成信号到达角、幅度、频率、波形测量及信号到达时间；其具体步骤按信号特征测量回路测量；

c)将测量的信号到达角转换到试验设备所在位置的到达角；转换方法按信号特征测量回路测量步骤；

3)角模拟精度测量工作步骤

a)在角模拟精度测量工作模式时，工作支架固定在转台基座上；0号天线位于仿真天线阵列球心位置，同标校工作步骤中的布局；

b)角模拟精度测量流程如下：

角模拟精度测量开始，经测量参数设置，设置待测天线通道，信号到达角与幅度测量，至测量任务完成判断，判断完成，经记录到达角与幅度测量结果，至角模拟精度测量结束；判断未完成，否，返回至设置待测天线通道步骤；

c)分析测量结果，如果到达角与幅度与预设一致，则系统标校正确，否则对预设不一致的通道进行检测并重新标校。

d)角模拟精度测量完成后，统计天线阵列的角模拟精度，完成天线角模拟精度评估。统计公式见下式。

式中：σθ、分别为方位角和俯仰角的精度；

n为测量天线通道的个数；

dθi、为第i个通道测量得到的方位角和俯仰角误差；

4)校准测量回路工作步骤：

校准测量回路测量的是校准时仿真天线阵列各天线辐射的射频信号幅度、相位与参考信号的差值；其步骤为：

a)设置微波信号源产生的射频信号参数，设置本振信号源产生的本振信号参数；微波信号源生成校准用微波射频信号，它生成的信号分成两路，一路送给仿真天线阵列，一路送给矢量网络分仪，作为参考信号；本振信号源生成本振信号，送给射频组合；

b)设置要测量的天线通道、信号频率；控制通道控制与频率适配模块和仿真天线阵列，将射频信号按照标校要求的天线通道辐射；

c)标校天线接收仿真天线辐射的信号和微波信号源送来的参考信号，经射频组合变换为中频信号，送到矢量网络分析仪，得到仿真天线辐射信号与参考信号的幅度差和相位差；

d)循环b)和c)步骤，直到所有天线通道测量完毕；

5)信号特征测量回路工作步骤

信号特征测量回路测量的是仿真试验过程中仿真天线阵列各天线辐射的射频信号的到达角、幅度、信号样式及到达时间，其步骤为：

a)在仿真试验前，启动系统并处于监测工作状态，直到仿真试验结束；

b)系统接收到仿真天线阵列辐射的信号后，实时完成信号到达角、强度、频率、信号样式等特征的计算，同时从时间服务单元获取信号到达时间；

c)将信号到达角转换到试验设备天线的位置：假设标校设备的坐标为p(xc，yc，zc)，试验设备的坐标为o(0，0，0)，测量的到达角为doap(θp，ψp)，则通过下面的式转换为试验设备的到达角doao(θo，ψo)；

co＝[xp，yp，zp]-[xc,yc,zc]

式中：cp被测天线相对标校设备的直角坐标；

co被测天线相对标校设备的直角坐标；

rp被测天线相对标校设备天线的距离；

d)将计算得到的信号到达角、幅度、频率、信号样式和到达时间等信息记录到存储设备中，并在主控计算机上显示；

e)各个天线接收到仿真天线辐射的射频信号，利用a/d将其变换为数字信息，然后利用dsp和服务器实现数字信号处理；

一种仿真天线阵列标校与射频信号监测系统的监测方法，所述主控计算机用于各部分的控制，包括极化控制、测试的频率点、仿真天线阵列测试通道、测试天线阵面、矢量网络分析仪的设置与测量、信号处理、系统工作控制；系统校准工作流程如下：

所述主控计算机用于各部分的控制，包括极化控制、测试的频率点、仿真天线阵列测试通道、测试天线阵面、矢量网络分析仪的设置与测量、信号处理、系统工作控制；系统校准工作流程如下：

校准开始—doa/幅度测量结果正确—信号幅度测量—校准测量是否完成—是，生成初值—结束—否，通过切换通道返回至—doa/幅度测量。

由于采用上述技术方案，本发明的优越性如下：

本发明集成了射频信号监测功能，使用方便、工作效率高。本发明它能够脱离转台独立工作，工作效率高，而且能够对仿真系统发射的射频信号进行实时测量，得到信号的辐射强度、信号样式与辐射角度等信号特征的测量。

附图说明

图1是本发明连接示意图；

图2是信号特征测量回路组成示意图；

图3是标校天线布置示意图；

图4是系统校准工作流程示意图。

图5是工作支架示意图；

图6设备布局侧视图；

图7设备布局俯视图；

图8角模拟精度测量流程图。

具体实施方式

如图1至图4所示，一种仿真天线阵列标校与射频信号监测系统，系统由标校天线、射频组合、微波信号源、矢量网络分析仪、通道控制与频率适配模块、信号处理模块、主控服务器及专用工作支架组成。系统有两个测量回路，包含同时工作的两个测量回路：校准测量回路、信号特征测量回路。

回路一是由矢量网络分析仪、微波信号源、通道控制与频率适配模块、标校天线和射频组合等部分组成初值校准回路，完成天线阵列的初值标校测量；

回路二由微波信号源、通道控制与频率适配模块、标校天线圆阵、射频组合和信号处理模块等部分组成信号特征测量回路，完成射频信号来波方向、辐射强度、信号样式及频率等信号参数的测量计算，以实现天线角模拟精度评估与射频信号测量监测，并可以在初值标校中完成对信号的监测，确保初值测量结果的正确性。

所述校准测量回路，由矢量网络分析仪、微波信号源、通道控制与频率适配模块、标校天线和射频组合电路组成，所述射频组合输出端通过矢量网络分析仪分别与微波信号源、本振信号源的输入端相连，本振信号源的输出端通过电缆与射频组合输入接口相连；微波信号源的输出端通过电缆与通道控制与频率适配模块的输入端相连；通道控制与频率适配模块的输出端通过电缆与仿真天线阵列相连；微波信号源的参考端通过电缆与射频组合输入接口相连；矢量网络分析仪的数据端与主控计算机的数据端相连；

所述信号特征测量回路，由微波信号源、通道控制与频率适配模块、标校天线圆阵、射频组合和信号处理模块组成，所述射频组合输出端通过信号处理模块与主控计算机输入端相连，主控计算机第一输出端通过电缆分别与信号处理模块、射频组合、仿真天线阵列的输入接口相连；主控计算机第二输出端通过电缆分别与微波信号源、通道控制与频率适配模块的输入接口相连；

图1中的说明：

1、图中仿真天线阵列是待校准设备，不是本系统设备。它接收微波信号源产生的射频信号，控制其按照校准要求向标校设备辐射；

2、微波信号源用于生成校准用微波射频信号，生成的信号分成两路，一路送给仿真天线阵列，一路送给矢量网络分仪作为参考信号；

3矢量网络分析仪接收参考信号和天线阵列辐射的射频信号，测量其幅度差和相位，来获取各馈电通道的幅度、相位差；

信号特征测量回路组成如图2所示，标校圆天线阵接收的射频信号，通过射频组合放大并转换为中频信号，送到信号处理模块，由信号处理模块完成信号的a/d变换，利用空间谱估计等算法，计算仿真天线阵列辐射信号的强度、到达角、频率、信号样式等射频信号参数；

图3所示为标校天线布置示意图。它是由11个天线单元组成，其中，10个天线单元组成一个圆阵，用于信号的到达角、强度、频率和样式的测量；圆心位置有一个天线，用于天线阵列初始值的标校测量。

主控计算机主要用于各部分的控制，主要包括极化控制、测试的频率点、仿真天线阵列测试通道、测试天线阵面、矢量网络分析仪的设置与测量、信号处理、系统工作控制等。如图4所示，为系统校准工作流程示意图，系统工作流程控制即由主控计算机完成。

系统使用时，使用标校支架架设，将电轴对准球面阵的中心。

所述标校天线是由若干个天线单元组成，其中，圆心位置的天线(附图3编号为0)，用于天线阵列的标校测量，其它的天线单元组成一个圆阵(附图3编号1～10)，用于信号的到达角、强度、频率和样式等信号特征的测量。天线阵列和射频组合安装在专用工作支架上。

一种仿真天线阵列标校与射频信号监测系统的监测方法，其步骤如下：

1)标校工作步骤

a)在阵列标校工作模式时，工作支架固定在转台基座上。0号天线位于仿真天线阵列球心位置。如图6所示：

b)开始标校测量，测量流程图如附图4：

c)流程图中的“信号幅度与相位测量”工作由标校测量回路完成信号幅度与相位测量。其具体步骤参见标校测量回路测量步骤。

d)流程图中的“信号到达角测量”工作由信号特征测量回路完成信号到达角与幅度测量。其具体步骤参见信号特征测量回路测量步骤。

e)流程中标校测量回路测量得到的天线输出的射频幅度与信号特征测量回路测量的射频信号幅度一致，且测量的到达角与正在测量的天线的视角一致，则数据校验结果为正确，否则重新设置待测天线通道进行重新测量。若校验结果为正确，继续测量，否则提示测量完成后需要人工检查该通道并重新测量该通道，并继续完成整个天线阵的标校测量。

f)测量得到的数据为所有天线通道与参考信号的幅度差ai和相位差φi，利用下式，得到初值表的幅度a与相位φ数据，标校结束。

公式：a＝ai-min([a1…an])

φ＝φi-min([φ1…φn])

式中：i＝1…n；

n：为天线通道数。

2)信号监测工作步骤

a)将监测系统置于仿真天线阵列球心附近，将标校天线对准球面阵中心。此时，试验设备天线在仿真天线球面阵的球心位置上。若以球面阵中心为试验设备正前方，监测系统在试验设备的左右侧后附近，前后位置上不超过试验设备。如图7所示：

b)信号特征测量回路完成信号到达角、幅度、频率、波形测量及信号到达时间。其具体步骤参见信号特征测量回路测量步骤。

c)将测量的信号到达角转换到试验设备所在位置的到达角。转换方法参见信号特征测量回路测量步骤。

3)角模拟精度测量工作步骤

a)在角模拟精度测量工作模式时，工作支架固定在转台基座上。0号天线位于仿真天线阵列球心位置。同标校工作步骤中的布局；

b)角模拟精度测量流程图如图8：

c)分析测量结果，如果到达角与幅度与预设一致，则系统标校正确，否则对预设不一致的通道进行检测并重新标校。

d)角模拟精度测量完成后，统计天线阵列的角模拟精度，完成天线角模拟精度评估。统计公式见下式。

式中：σθ、分别为方位角和俯仰角的精度；

n为测量天线通道的个数；

dθi、为第i个通道测量得到的方位角和俯仰角误差。

4)校准测量回路工作步骤

校准测量回路测量的是校准时仿真天线阵列各天线辐射的射频信号幅度、相位与参考信号的差值。其步骤为：

e)设置微波信号源产生的射频信号参数，设置本振信号源产生的本振信号参数；微波信号源生成校准用微波射频信号，它生成的信号分成两路，一路送给仿真天线阵列，一路送给矢量网络分仪，作为参考信号；本振信号源生成本振信号，送给射频组合；

f)设置要测量的天线通道、信号频率；控制通道控制与频率适配模块和仿真天线阵列，将射频信号按照标校要求的天线通道辐射；

g)标校天线接收仿真天线辐射的信号和微波信号源送来的参考信号，经射频组合变换为中频信号，送到矢量网络分析仪，得到仿真天线辐射信号与参考信号的幅度差和相位差；

h)循环b)和c)步骤，直到所有天线通道测量完毕。

5)信号特征测量回路工作步骤

信号特征测量回路测量的是仿真试验过程中仿真天线阵列各天线辐射的射频信号的到达角、幅度、信号样式及到达时间。其步骤为：

f)在仿真试验前，启动系统并处于监测工作状态，直到仿真试验结束；

g)系统接收到仿真天线阵列辐射的信号后，实时完成信号到达角、强度、频率、信号样式等特征的计算，同时从时间服务单元获取信号到达时间；

h)将信号到达角转换到试验设备天线的位置：假设标校设备的坐标为p(xc，yc，zc)，试验设备的坐标为o(0，0，0)，测量的到达角为doap(θp，ψp)，则通过下面的式转换为试验设备的到达角doao(θo，ψo)；

co＝[xp,yp,zp]-[xc，yc，zc]

式中：cp被测天线相对标校设备的直角坐标；

co被测天线相对标校设备的直角坐标；

rp被测天线相对标校设备天线的距离。

i)将计算得到的信号到达角、幅度、频率、信号样式和到达时间等信息记录到存储设备中，并在主控计算机上显示。

j)各个天线接收到仿真天线辐射的射频信号，利用a/d将其变换为数字信息，然后利用dsp和服务器实现数字信号处理。信号特征提取比较复杂，不详细介绍。其处理算法如到达角的计算采用uca－esprit算法，详细参见《阵列信号处理及matlab实现》中的“均匀圆阵中的二维doa估计”一节。频率估计使用傅里叶变换频率估计，详细参见《无源定位技术》中的“傅里叶变换频率估计”一节。

其中专用工作支架是利用机械结构确保0号天线相位中心位于暗室球面天线阵的球心位置；标校天线圆阵与标校天线关系，是位于中心的0号天线用于标校测量回路，1～10号天线用于信号监测测量回路。0号天线位于1～10号天线的圆心位置。

所述主控计算机用于各部分的控制，包括极化控制、测试的频率点、仿真天线阵列测试通道、测试天线阵面、矢量网络分析仪的设置与测量、信号处理、系统工作控制；系统校准工作流程如下：

所述主控计算机用于各部分的控制，包括极化控制、测试的频率点、仿真天线阵列测试通道、测试天线阵面、矢量网络分析仪的设置与测量、信号处理、系统工作控制；系统校准工作流程如下：

校准开始—doa/幅度测量结果正确—信号幅度测量—校准测量是否完成—是，生成初值—结束—否，通过切换通道返回至—doa/幅度测量。