相控阵天线有源驻波测试系统的制作方法

本发明涉及天线，具体涉及一种相控阵天线有源驻波测试系统。

背景技术：

1、不管是数字有源相控阵雷达还是模拟有源相控阵雷达，都是通过控制相控阵天线每个阵元或者子阵辐射电磁波的幅度和相位来改变天线波束的形状和指向。有源相控阵天线以其高空间合成发射功率、低发射损耗、高可靠性、高速系统响应、波束指向灵活、同时多波束等特点在雷达领域应用广泛。天线在实际工作时，除了辐射信号，由于自身的原因会在其端口存在驻波，而相控阵天线处于工作状态(发射或接收)时，天线单元之间存在互耦效应，互耦效应改变了天线单元的阻抗特性，引起天线单元端口阻抗失配，导致相控阵天线单元的驻波恶化，从而使得一部分能量反射回有源器件内部，增加有源器件烧毁的风险，同时使得波瓣图发生紊乱，降低了相控阵天线的增益。因此，相控阵天线单元的有源驻波是相控阵天线性能的一个关键指标，测试相控阵天线单元的有源驻波非常重要。

2、测试相控阵天线单元有源驻波的方法很多，许多研究学者也对相控阵天线单元的有源驻波测试方法进行了深入的研究。传统的相控阵天线单元的有源驻波测试方法为直接法，需要在每个相控阵天线单元端口连接移相器，除待测相控阵天线单元的移相器以外，其他所有相控阵天线单元的移相器通过功分合成网络合成一路连接至矢量网络分析仪port1，待测相控阵天线单元的移相器连接环形器端口1，环形器端口2连接待测相控阵天线单元，环形器端口3连接至矢量网络分析仪port2，直接测试s21并转换成驻波格式即为待测相控阵天线单元的有源驻波。这种方法只能测试阵列规模较小的相控阵天线，对于阵列规模大的相控阵天线，需要复杂且数量众多的移相器、波束控制系统、功分合成网络，测试硬件成本较高，而且该方法在测试不同相控阵天线单元时，需要频繁卸载、安装环形器，测试效率不高。

3、樊红旭在2022年全国微波毫米波会议上关于“相控阵天线有源驻波测试”提出了利用多路相参信号源的幅度相位变化，重现相控阵天线扫描时的实际工作状态，通过计算机控制完成对相控阵天线有源驻波参数的快速准确测量。测试系统的核心为多路相参信号源，此信号源中每路输出信号的幅度和相位可以精确调节，各路激励信号加到被测相控阵天线单元的各端口，从而模拟相控阵天线在实际工作时的扫描状态。通过双定向耦合器分别将各端口的入射信号和反射信号提取出来，通过多通道幅相接收机分别测试得到相控阵天线各端口在不同扫描状态下的有源驻波。这种测试方法也只能测试阵列规模较小的相控阵天线，测试硬件成本非常高，需要高精度的幅度、相位可调的相参信号源，且存在多路输出，输出的端口数量决定了可测试的阵列规模，还需要复杂的多通道幅相接收机，通道数量决定了可测试的阵列规模，测试硬件的数量与阵列规模成正比例，对于规模较大的相控阵天线，硬件成本高昂且测试系统复杂。

4、文献《一种相控阵天线有源驻波自动测试系统设计》(田垒，电子质量，2021)中提出了采用矢量网络分析仪作为测试主机，在测试软件的控制和外围设备的配合下，对相控阵天线单元在不同扫描波位下的有源驻波进行全自动测试的方法，通过控制计算机对匹配开关的选择实现宽带馈电网络选通，来满足覆盖所需波段的测试需求。该测试系统包含无回波微波暗箱、控制计算机、多通道矢量网络分析仪、功率放大器、数字移相与数字衰减器阵列、驱动及控制芯片、波束控制单元、功率分配单元、双向耦合器、直流供电单元、稳幅稳相电缆及测试软件。这种测试方法只能测试阵列规模较小的相控阵天线，测试硬件成本高昂且测试系统复杂，而且庞大且复杂的综合馈电网络带来的误差也会影响测试精度。

5、公布号为cn107796991a的专利申请文献中提出了一种相控阵天线有源驻波自动测试装置，包括计算机、矢量网络分析仪、多通道矩阵开关，使用多通道矩阵开关与待测天线阵相连，设置矩阵开关切换时间与矢量网络分析仪数据采集时间相同步，利用矢量网络分析仪测试并存储下天线阵中各天线单元的驻波系数以及单元之间的互耦系数，从而计算输出各天线单元的有源驻波参数；该方案中矩阵开关仅仅是一个单刀双掷或者单刀单掷的微波开关直接级联形成，矩阵开关按照天线单元编号实现自动采集，自动采集的数据需要人工手动代入到有源驻波计算公式中进行处理，且并未给出自动采集的过程；该方案中所设计的矩阵开关是单个矩阵开关而不是矩阵开关网络，矩阵开关的通道规模不具有普适性，无法根据需要实现任意天线阵列规模的有源驻波测试，测试8×8规模的天线阵列，需要定制8×8通道的矩阵开关，测试16×16规模的天线阵列，需要定制16×16通道的矩阵开关，即矩阵开关的通道数和待测天线阵列规模严格相关，不具有普适性。

6、综上所述，现已公开的文献资料中的相控阵天线有源驻波测试方法的硬件成本高昂、系统特别复杂，不能测试大规模的相控阵天线阵列，因此需要一种系统简单、成本低廉、测试效率高的相控阵天线有源驻波测试方法。

技术实现思路

1、本发明所要解决的技术问题在于如何提供一种系统简单、成本低廉、测试效率高的相控阵天线有源驻波测试系统。

2、本发明通过以下技术手段解决上述技术问题的：

3、本发明提出了一种相控阵天线有源驻波测试系统，所述系统包括：矩阵开关网络、矢量网络分析仪及控制计算机，控制计算机的第一端口与所述矢量网络分析仪的控制端连接，控制计算机的第二端口与所述矩阵开关网络的控制端连接，所述矩阵开关网络由m级矩阵开关级联形成，每一级矩阵开关包括多个矩阵开关单元，第p级矩阵开关中设置的矩阵开关单元的数量为(n/2)(p-1)个，p＝1、2、…、m，所述矩阵开关单元包括2个输入端口in_1、in_2和n个输出端口out_n，n为偶数，所述矩阵开关单元的任意一个输出端口与其2个输入端口之间设置有二选一电控开关，所述矢量网络分析仪的2个通信端口分别与所述矩阵开关网络中第一级矩阵开关中设置的矩阵开关单元的2个输入端口连接；

4、所述矩阵开关网络中第p级矩阵开关中的第k个矩阵开关单元的输出端口out_y-1、out_y分别连接至所述矩阵开关网络中第p+1级的第(k-1)*n/2+y/2个矩阵开关单元的输入端口in_1、in_2，y取值2、4、6、…、n。

5、进一步地，所述控制计算机的第一端口通过gpib卡或者网线与所述矢量网络分析仪的控制端连接，所述控制计算机的第二端口通过控制线缆与所述矩阵开关网络的控制端连接，所述矢量网络分析仪的通信端口经射频电缆与所述矩阵开关网络的输入端口连接。

6、进一步地，所述控制计算机包括测试指令发送模块、通道选通模块以及测试信号采集计算模块，其中：

7、所述测试指令发送模块，用于经所述控制计算机的第一端口用于向所述矢量网络分析仪的控制端输出测试指令以使所述矢量网络分析仪通过任一通信端口向所述矩阵开关网络发送测试信号；

8、所述通道选通模块，用于经所述控制计算机的第二端口用于按照固定的时序周期向所述矩阵开关网络发送控制码值，以使所述矩阵开关网络内部的矩阵开关根据控制码值打开相应的通道将所述测试信号传输至待测相控阵天线的天线单元；

9、所述测试信号采集计算模块，用于经所述控制计算机的第一端口接收所述矢量网络分析仪2个通信端口返回的测试信号，并基于所述测试信号计算待测相控阵天线的天线单元的有源驻波。

10、进一步地，所述时序周期包括t1、t2和t3，其中，t1＝dt，t2＝n*dt，t3＝n*dt*(n/2)(m-1)，dt为设定时长。

11、进一步地，在一个所述时序周期t1内，所述矩阵开关网络中第m级矩阵开关中的第j个矩阵开关单元的输入端口in_2至输出端口out_z选通，且第m级矩阵开关中的所有矩阵开关单元的输入端口in_2至输出端口out_z通道中有且仅有一个通道选通，j取值1、2、3、…、(n/2)(m-1)，其中：

12、

13、式中，x表示任意数，k表示第k个矩阵开关。

14、进一步地，在一个所述时序周期t2内，所述矩阵开关网络中第m-1级矩阵开关的第a_1个矩阵开关单元的输入端口in_2至输出端口out_v_1一直选通，其中：

15、

16、v_1＝2*temp

17、

18、式中，ceil表示向正无穷大方向取整数，k表示第k个矩阵开关，表示k除以取余数；

19、所述矩阵开关网络中第m-2级矩阵开关的第a_2个矩阵开关单元的输入端口in_2至输出端口out_v_2一直选通，其中：

20、

21、v_2＝2*temp

22、

23、式中，表示a_1除以取余数；

24、所述矩阵开关网络中第1级矩阵开关的第a_m-1个矩阵开关单元的输入端口in_2至输出端口out_v_m-1一直选通，其中：

25、

26、v_m-1＝2*temp

27、

28、式中，表示a_m-2除以取余数。

29、进一步地，在一个所述时序周期t3内，所述矩阵开关网络中第m级矩阵开关的第k个矩阵开关单元的输入端口in_1至输出端口out_x一直选通，k取值1、2、3、…、(n/2)(m-1)，x取值1、2、3、…、n；

30、所述矩阵开关网络中第m-1级矩阵开关的第a_1个矩阵开关单元的输入端口in_1至输出端口out_w_1一直选通，其中：

31、

32、w_1＝2*temp-1，

33、

34、式中，ceil表示向正无穷大方向取整数，表示k除以取余数；

35、所述矩阵开关网络中第m-2级矩阵开关的第a_2个矩阵开关单元的输入端口in_1至输出端口out_w_2一直选通，其中：

36、

37、w_2＝2*temp-1

38、

39、式中，表示a_1除以取余数；

40、所述矩阵开关网络中第1级矩阵开关的第a_m-1个矩阵开关单元的输入端口in_1至输出端口out_w_m-1一直选通，其中：

41、

42、w_m-1＝2*temp-1

43、

44、式中，表示a_m-2除以取余数。

45、进一步地，在一个所述时序周期t1内，所述测试信号采集计算模块，用于经所述控制计算机的第一端口对所述矢量网络分析仪2个通信端口接收到的测试信号进行一次采集并基于采集得到的测试信号计算待测相控阵天线的天线单元的有源驻波；

46、在一个所述时序周期t3内，所述测试信号采集计算模块，用于经所述控制计算机的第一端口对所述矢量网络分析仪2个通信端口接收到的测试信号进行n*(n/2)(m-1)-1次采集并基于采集得到的测试信号计算待测相控阵天线的天线单元的有源驻波。

47、进一步地，所述矢量网络分析仪2个通信端口返回的测试信号包括待测相控阵天线的天线单元经过所述矩阵开关网络内部打开的相应通道反射回所述矩阵开关网络中第一级矩阵开关中的矩阵开关单元一输入端口处的一部分测试信号；以及待测相控阵天线的天线单元通过空间耦合至其他天线单元，经过所述矩阵开关网络内部打开的相应通道传输至所述矩阵开关网络第一级矩阵开关中矩阵开关单元的另一输入端口的另一部分测试信号。

48、进一步地，所述测试信号包括s11数据和s21数据。

49、本发明的优点在于：

50、(1)本发明相控阵天线有源驻波测试系统中的矩阵开关网络由多级矩阵开关级联形成，其中，每级矩阵开关中设置的矩阵开关单元的数量逐级递增，前一级矩阵开关中的矩阵开关单元的输出端口与后一级矩阵开关中的矩阵开关单元的输入端口连接，而每个矩阵开关单元中的任意一个输出端口与其两个输入端口之间设置二选一电控开关，通过控制计算机来控制矩阵开关网络中各矩阵开关单元中的电控开关打开相应的通道来传输测试信号，并经矩阵开关网络的两个输入端口来向矢量网络分析仪返回测试s参数用于计算有源驻波；本发明中矩阵开关网络的基本单元为矩阵开关单元，矩阵开关单元之间按照上文描述的规律进行级联，可以实现任意组合级联形成矩阵开关网络，这种级联方式可以实现一键测试，矩阵开关网络安装连接至相控阵天线阵面后，通过计算机控制矩阵开关网络、矢量网络分析仪周期性地形成相控阵天线测试环路，然后进行一键测试并采集测试的s参数，经过程序处理直接生成相控阵天线单元的有源驻波，大大降低人力测试成本，提高测试效率，测试过程中连接至相控阵天线阵面的测试电缆无需重新卸载、安装，且使用的设备简单，仅需计算机、矢量网络分析仪和矩阵开关网络即可，降低测试硬件成本。

51、(2)本发明设计的矩阵开关网络可以根据相控阵天线阵列规模大小(相控阵天线阵列规模大小通过n的取值体现)灵活配置，不仅适用于小规模的相控阵天线的有源驻波的测试，也适用于大规模的相控阵天线的有源驻波的测试。

52、(3)测试时通过控制计算机上的测试软件可以一键测试，也可以手动配置测试，直接将所有的天线单元的有源驻波一次测试得出，测试效率高，人力成本低廉。

53、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。