一种多波束相控阵天线性能参数测试系统及方法与流程

本技术涉及天线测试，特别地，涉及一种多波束相控阵天线性能参数测试系统及方法。

背景技术：

1、近年来，随着卫星导航领域技术的发展，多波束相控阵天线以其高增益信号输出模式、多波束多目标工作方式、全空域覆盖等技术优势，在天线技术领域得到广泛关注。

2、多波束相控阵天线是指：阵面由几十至成百上千个不等的天线单元组成的、能够生成2路以上独立可控数字或模拟波束信号的接收天线，其外观呈现为球形形态、矩形形态、平面阵形态、多面阵形态等。其中，每个波束能对准既定的目标，完成对既定目标来向信号的接收转发输出。

3、在多波束相控阵天线设计中，由于其高增益信号输出、多波束多目标工作方式、全空域覆盖的技术特点，其阵面数目必然很庞大，再考虑其内部的射频组件、信号处理模块、时钟模块、通信模块、电源模块、散热模块等模组，多波束相控阵天线基本具有外形尺寸大、重量重的特点。

4、当前行业中对普通天线的测量，一般在微波暗室中进行，通过测量天线方向图的方式测量其性能参数，并已经具备相当成熟的技术和市场条件。而相对普通天线，多波束相控阵天线直径可能达到1.5m以上、重量可能达到300kg以上，由于其尺寸和重量的巨大差异，当前市面中现有的微波暗室不具备对多波束相控阵天线性能参数测试的条件。

5、而对大型多波束相控阵天线性能参数的测量，常规的方法有三类：

6、一类是建设对应的微波暗室进行测量，在微波暗室环境中利用天线近场测量系统来测量天线的幅度和相位分布，由近场测试数据推算天线的远场性能完成方向图生成，再通过方向图得出其性能参数状态。建设的微波暗室需和天线近场方向重合；

7、二类是在自由空间测试环境进行测量，通过远场标校塔架设辅助天线，配备三轴转台带动待测的多波束相控阵天线按照既定的间隔转动，以机械扫描的方法获得远场方向图数据，通过方向图得出其性能参数状态；

8、三类是在自由空间测试环境进行测量，将辅助天线搭载在无人机上，控制无人机在待测天线的远场区域，按照既定的间隔全空域覆盖飞行，以机械扫描的方法获得远场方向图数据，拟合生成方向图后得出其性能参数状态。

9、但是采用以上常规测量方法会遇到以下问题：

10、1、针对多波束相控阵天线搭建微波暗室的方法，其成本高昂，对大尺寸和重量的天线甚至难以实现；

11、2、自由空间测试环境中配备三轴转台转动待测天线的方法，需要给上百千克重量的天线配备三轴机械伺服转台，并且控制伺服转台以极小的角度步进进行全空域覆盖转动，实现要求高、成本高昂；

12、3、自由空间测试环境中配置无人机搭载辅助天线的方法，其实现方式复杂，成本高昂，并且由于无人机飞行的控制精度、飞行震动等影响，所采集的数据会有一定的误差，拟合生成的方向图不能精确反映天线性能参数状态。

技术实现思路

1、针对上述技术问题，本技术提供了一种多波束相控阵天线性能参数测试系统及方法，达到降低成本、简化结构、测试结果准确可靠的目的。

2、本技术采用的技术方案如下：

3、一种多波束相控阵天线性能参数测试系统，包括：

4、信号播发子系统，包括信号生成设备、辅助天线、天线支架，所述信号生成设备用于按设定频率、调制方式和电平大小生成测试信号，所述辅助天线设置在所述天线支架上，用于将生成的所述测试信号朝向设定的方向播发出去，其中，所述辅助天线的相位中心对准待测的多波束相控阵天线的相位中心，所述辅助天线和待测的多波束相控阵天线之间的距离满足最小远场测试距离条件；

5、信号测量子系统，包括信号接收设备，与待测的多波束相控阵天线电路连接，用于接收和测量待测的多波束相控阵天线的输出信号的参数信息，所述参数信息包括信号功率、载噪比；

6、控制子系统，包括自动化测试设备，分别与信号生成设备、信号接收设备和待测的多波束相控阵天线电路连接，用于控制信号播发子系统的播发信号的频率、调制方式和电平大小；控制待测的多波束相控阵天线进行信号的接收转发和波束指向；设置信号测量子系统的测量参数、读取信号测量子系统接收和测量的待测的多波束相控阵天线的输出信号的参数信息；以及自动存储、分析测量数据，生成多波束相控阵天线性能参数测试结果，包括波束指向精度和副瓣电平。

7、进一步地，若待测的多波束相控阵天线的输出为数字多波束信号时，所述子系统还包括数字多波束信号处理设备，所述数字多波束信号处理设备电路连接设置在信号接收设备和待测的多波束相控阵天线输出端之间，用于将待测的多波束相控阵天线输出的数字多波束信号先转换为射频测试信号。

8、进一步地，所述待测的多波束相控阵天线的形态包括球形、矩形、平面阵、多面阵。

9、一种多波束相控阵天线性能参数测试方法，基于所述的多波束相控阵天线性能参数测试系统，包括步骤：

10、s1、设置信号播发子系统的测试信号的频率、调制方式、电平大小，开始向待测的多波束相控阵天线播发测试信号，记录所播发测试信号电平大小为et；

11、s2、以待测的多波束相控阵天线相位中心为坐标原点建立三维笛卡尔坐标系，所述三维笛卡尔坐标系的x轴指向正东方、y轴指向正北方，z轴指向对天方位，方位角φ为方向矢量在xy平面的投影与y轴的夹角，俯仰角θ为方向矢量和xy平面的夹角；

12、s3、精确测量辅助天线在所述三维笛卡尔坐标系中的指向角度（φt，θt）；

13、s4、控制待测的多波束相控阵天线生成1个波束的信号，该波束指向角度为（φt，θt）；

14、s5、控制信号接收设备接收和测量待测的多波束相控阵天线输出信号的参数信息记为p，并记录测量的基准三维数据列（φt，θt，et-et）；

15、s6、控制信号播发子系统开始播发测试信号，按照方位角φ和俯仰角θ在各自的取值范围内按各自的步进，得到的所有方位角φ和俯仰角θ取值两两组合后得到的所有指向角度(φi，θi)，待测的多波束相控阵天线按照所有指向角度(φi，θi)依次生成波束信号，且每生成1个波束信号，均实时调整信号播发子系统播发的测试信号的电平大小，直至信号测量子系统测量的参数信息为p时，则记录当前信号播发子系统播发的测试信号的电平大小为ei，最终得到所有指向角度(φi，θi)范围内的三维数据列（φi，θi，et-ei），i为采集的数据个数；

16、s7、根据辅助天线在所述三维笛卡尔坐标系中的指向角度（φt，θt）和所述三维数据列（φi，θi，et-ei）计算得到待测的多波束相控阵天线性能参数测试结果，包括波束指向精度和副瓣电平。

17、进一步地，所述调制方式包括单载波信号、数字调制信号、符合标准空间信号接口控制文件规范的卫星导航信号。

18、进一步地，所述步骤s7具体包括步骤：

19、s701、从所述三维数据列（φi，θi，et -ei）中查找et -ei 为最大值时对应的指向角度（φm，θm），计算指向角度（φm，θm）与精确测量出的辅助天线的指向角度（φt，θt）的角度差得到待测的多波束相控阵天线的波束指向精度。

20、进一步地，所述步骤s7具体包括步骤：

21、s711、根据所述三维数据列（φi，θi，et -ei）建立三维坐标系，并将对应数据点描出，在描出的图形中，以辅助天线的指向角度（φt，θt）为基准，以天线3db带宽宽度为半径确定主波束覆盖范围，则在主波束覆盖范围之外所测量的最大et -ei值，即为待测的多波束相控阵天线的副瓣电平。

22、进一步地，所述步骤s6中，在对多波束相控阵天线波束指向精度性能参数测试时，根据多波束相控阵天线波束指向误差基本很小，可能在1°以下的特性，设定方位角φ、俯仰角θ的取值范围分别为φt±3°、θt±3°；同时根据波束指向精度测试结果精度要求和多波束相控阵天线可以设置的最小角度步进情况，设定方位角φ的步进量δφ、俯仰角θ的步进量δθ均为0.02°~0.1°，精确测量出波束指向精度指标的同时减少数据采集量，节省测试时间。

23、进一步地，所述步骤s6中，在对多波束相控阵天线副瓣电平性能参数测试时，根据此方法下多波束相控阵天线副瓣出现位置不可预测的特性，设定方位角φ的取值范围为0°~360°、俯仰角θ的取值范围为0°~90°；同时根据副瓣电平测试结果精度要求，设定方位角φ的步进量δφ、俯仰角θ的步进量δθ均为1°~3°，对多波束相控阵天线进行全区域覆盖扫描的同时减少数据采集量，保证副瓣电平测试结果的可靠性。

24、进一步地，所述步骤s6具体包括步骤:

25、s61、设置方位角φ的取值范围为[φ0，φ1]，俯仰角θ的取值范围为[θ0，θ1]，方位角φ的步进量为△φ，俯仰角θ的步进量为△θ；

26、s62、控制信号播发子系统开始播发测试信号、控制待测的多波束相控阵天线生成1个波束的信号，该波束的指向角度为（φ0，θ0）；

27、s63、实时调整信号播发子系统播发的测试信号的电平大小，直至信号测量子系统测量的参数信息为p时，记录当前信号播发子系统播发的测试信号的电平大小，记为e0，将测量的三维数据列（φ0，θ0，et -e0）进行保存；

28、s64、控制待测的多波束相控阵天线生成波束的俯仰角θ不变，根据方位角扫描步进量△φ步进改变方位角φ，且每步进改变一次波束的方位角φ后，重复执行一次步骤s63，直至方位角φ等于φ1；

29、s65、根据俯仰角扫描步进量△θ，不断步进改变待测的多波束相控阵天线生成波束的俯仰角θ，所述俯仰角θ每步进改变一次，则重复一次步骤s64，直至俯仰角θ等于θ1，最终测得整个方位角、俯仰角度取值范围内的所有三维数据列（φi，θi，et -ei），i为采集的数据个数。

30、相比现有技术，本技术具有以下有益效果：

31、本技术的测试系统采用通用测量仪器搭建，不需要专用测量仪器，易于实现，成本低。同时，在本系统中使用的测量仪器均为卫星导航行业内的通用测量仪器，系统内设备的复用率高。

32、本技术的测试系统在自由空间测试环境中使用，不依赖使用环境，不需要搭建微波暗室，不需要配备天线机械伺服转台等附加设备，便于布设，极大降低对大型多波束相控阵天线性能测量的复杂度，极大的节省测试成本。

33、本技术操作灵活，控制简单，以软件方式实现自动化测试。系统搭建完成后，设置软件初始化参数，软件可自动控制波束指向、控制信号播发的电平，完成数据的自动采集和结果输出，灵活可靠，自动化程度高。

34、本技术的结果测量精度高。本技术通过软件控制波束指向移动的方式进行不同方位的信号扫描，测试过程中不移动测量仪器、不需要三轴转台带动天线转动，避免了机械转动引入的波束指向误差。

35、本技术通过调整信号播发子系统电平，使得信号测量子系统测量出的测试信号参数信息恒定为p，保证数据采集过程中测试信号参数信息始终保持在测量子系统测量范围内，避免超出测量仪器可测试范围导致出现的测量误差，同时数据采集过程中不需要人工干预，避免了人工干预可能引入的操作误差。

36、本技术通用性强，不需要测量天线方向图即可测出天线关键参数指标，测试对象适用于所有类型的多波束相控阵天线，如天线的外观可以呈现球形形态、矩形形态、平面阵形态、多面阵形态等，天线的信号输出模式可以为数字多波束信号、模拟多波束信号等，因此本技术对各种形态、各种信号输出模式的多波束相控阵天线的波束指向精度、副瓣电平参数测量，均可适用，满足不同类型多波束相控阵天线的测试需要，具有广泛的市场应用前景。

37、除了上面所描述的目的、特征和优点之外，本技术还有其它的目的、特征和优点。下面将参照附图，对本技术作进一步详细的说明。