[发明专利]相控阵天线近场测量中的同时多波束精确扫描取样方法

说明书

技术领域

本发明涉及天线近场相控阵波束控制的测量技术，通过对指令、延时和工作次数的精确控制，在一个取样位置实现了同时多波束扫描取样测量，并且各波束的取样间隔均保持一致，便于进行近场到远场数学计算（快速傅里叶变换）。

背景技术

本发明用于相控阵天线近场测量中的同时多波束精确扫描取样。

在离开被测天线3~5λ(λ为工作波长)距离上，用一个电特性已知的探头在被测天线近区某一平面或曲面上按照取样定理进行扫描取样电磁场的幅度和相位数据，再经过严格的数学变换(快速傅里叶变换，Fast Fourier Transform，简写为FFT)计算出被测天线远区场的电特性，这一技术称之为天线近场测量技术。根据取样表面的不同，可分为平面扫描技术，柱面扫描技术和球面扫描技术。

探头对取样表面应沿定位器的两个轴向采取等间隔取样（满足取样定理）形成矩形排列的取样点数据，通常一个轴向做扫描，另一个轴向按照取样间隔逐一步进定位。对于相控阵天线的多个波束的取样测量，一种方法是令探头停留在取样位置上，然后连续转换各波束的同时由射频测量系统进行取样，一次完成多个波束的测量，并保证各波束的取样点在同一位置上；另一种方法是令相控阵天线保持在一个波束状态下，探头配合射频测量系统进行快速的取样。前者虽然测量的位置统一，但是探头在各取样位置之间的机械运动，包括启动、停止和定位三个过程均需要花费较长的时间；后者单次测量的机械运动短，但是总的取样测量时间与波束的数量成倍数增加。两种方法的共同缺点是总的取样测量花费的时间长，相控阵天线在此过程中由于受到温度变化的影响，工作状态很难保持稳定，导致测量结果不能完全表征相控阵天线的性能。

为了缩短相控阵天线的多个波束取样测量时间，在一次取样中需要将所有波束连续转换并完成测量，同时探头经过取样位置（理想取样点）时并不停留，而是保持匀速继续向下一个取样位置前进。这个方法看起来简单，然而，相控阵天线的波束转换和射频系统的取样测量均需要花费一定的时间，导致各波束的实际取样测量位置不同程度的偏离理想取样点，如何既允许偏离的发生而又保证取样数据经计算获得波束形状的精确，是相控阵天线近场多波束测量技术中需要解决的问题。

如果同一个波束在所有的取样位置上，实际取样位置偏离理想取样点的距离是一致的，也就是取样间隔保持不变（参见图1），根据采样定理，样本点的整体偏移而不改变取样间隔，最终经FFT计算获得的结果与在理想取样点上测量时的计算结果是一致的。为了获得精确的偏离距离以减小实际取样位置误差对近场测量结果造成的影响，首先应当保证探头经过各取样点时的滑动速度是一致的，其次从一个波束转换到下一个波束的工作周期必须是稳定的，这就要求控制波束转换和射频测量的编码控制器必须拥有精准的时钟。

基于上述原理，本专利提出了一种易于实现，能够在探头匀速滑动过程中快速转换波束并取样，从而同时获得多个波束的近区电磁场的幅度和相位数据的方法。该方法能够显著降低相控阵天线近场测量的数据取样时间，并保证各波束的取样间隔一致，便于进行FFT计算最终获得波束形状。

本发明中的编码控制器是为相控阵多波束测量而设计的，其主要任务是实时响应定位器的取样位置电脉冲，按设定时序控制相控阵波束转换和射频系统取样测量，但是并不与二者产生交互，从而保证了工作时序和波束转换周期的准确和稳定。该装置能够在类似MCU等微控制单元为平台的信号处理器内部实现，易于通过计算机指令设定波束数量、波束编码、工作时序和周期，并且通过外接晶体振荡器产生的时基信号能够精确的控制工作时间。

发明内容

本发明提供了一种在天线近场测量的探头扫描过程中同时取样相控阵天线多个波束近区数据的技术方法，并且取样数据便于进行FFT计算以获得波束形状。

实现本发明的解决方案是：定位器控制探头滑动扫描经过每一个取样位置时保持相同的均匀的速度；编码控制器在接收到来自定位器在取样位置发出的电脉冲后，首先向相控阵波束控制器发出波束编码和转换指令，然后延迟一个固定的时间，使波束转换完成；紧接着向射频测量系统发送取样测量指令，然后延迟一个固定的时间，使射频取样测量完成；再进入下一个波束转换的周期，直至所有波束转换和射频取样测量完成，最后从射频测量系统中取回所有波束取样数据，完成在探头滑动的过程中同时完成多个波束扫描取样测量。由于波束编码、波束转换指令、取样测量指令和两个固定延时长度均基于编码控制器的时钟产生，从而获得了精确的工作周期，保证了各波束的取样间隔一致，使得取样数据便于直接进行FFT计算以获得精确的波束形状。