平流层雷达相控阵天线可靠性试验系统及方法

1.本发明涉及航天器地面试验技术领域，尤其涉及一种平流层雷达相控阵天线可靠性试验系统及试验方法。


背景技术：

2.平流层雷达是一种工作在平流层高度（7km至11km~50km）的雷达，通常搭载于浮空器平台（包括气球和飞艇）。平流层浮空器平台技术经历多年的发展和技术攻关，技术已趋于成熟，但搭载的雷达任务载荷的总体技术和样机尚处于技术论证和起步阶段。平流层浮空器作为长航时驻空平台，对载荷产品的稳定性和可靠性要求极高。相控阵天线具备波束快速扫描能力，可实现多目标探测和跟踪，但应用于平流层雷达，其必然面临低温下的启动问题，低气压下的散热对流等问题，具有一定的挑战。因此如何在地面模拟的低温低气压环境下，全面充分地测试雷达，尤其是相控阵天线的可靠性测试是关键问题之一。
3.目前在地面试验方面，可以进行低温低气压环境（如20km高空，空气气压在5kpa左右，温度在-85℃左右）的模拟，多采用热真空试验罐设备。由于热真空试验罐是通过内壁的热沉和加热笼等进行罐内温度的精准控制，其内部全为金属材料，对雷达电磁波反射很强，直接开启或持续进行相控阵天线的大功率辐射测试，容易损坏天线核心的收/发（t/r）组件。所以在现有的热真空试验罐内，不支持大功率辐射试验，而一般是采用在t/r后端接匹配负载的形式进行间接测量，无法进行阵面的大功率辐射和波束扫描功能的测试。
4.因此，针对相控阵天线可靠性测试的缺陷，设计和发明一种适用于平流层相控阵雷达天线的可靠性试验系统和方法，具有积极的工程意义。


技术实现要素：

5.鉴于上述问题，本发明提供了一种平流层雷达相控阵天线可靠性试验系统及方法，以解决上述技术问题。
6.本发明的第一个方面提供了一种平流层雷达相控阵天线可靠性试验系统，包括：热真空试验罐单元，用于模拟试验所需的低温低气压环境；吸波单元，设于所述热真空试验罐单元内，为内部中空的柱状结构，所述吸波单元的底端封闭，另一端为开口，内壁覆盖吸波材料，用于吸收待测相控阵天线单元向所述热真空试验罐单元内壁发射的电磁波信号；电磁波方向感应阵列单元，设于所述吸波单元的底部，用于从多个方位感应接收所述电磁波信号；待测相控阵天线单元，设于所述吸波单元为开口的一端，其天线阵面法向与所述电磁波方向感应阵列单元所在平面垂直，用于按照预定顺序辐射不同波束角度的所述电磁波信号；电磁波功率测量阵列单元，设于所述热真空试验罐单元外部，连接所述电磁波方向感应阵列单元，用于测量不同方位所述电磁波信号的功率值；控制与处理单元，设于所述热真空试验罐单元外部，连接所述待测相控阵天线单元和所述电磁波功率测量阵列单元，用于控制所述待测相控阵天线单元产生所述电磁波信号，以及，计算并验证每个波束角度下所述电磁波信号的功率值及波束扫描方向的正确性。
7.根据本发明的实施例，所述电磁波方向感应阵列单元包括：多个标准增益喇叭天线，阵列式均匀布设在所述吸波单元的底部，其口面垂直于所述待测相控阵天线单元的天线阵面法向。
8.根据本发明的实施例，所述多个标准增益喇叭天线的水平间距为：
9.所述多个标准增益喇叭天线的垂直间距为：
10.其中，l表示所述水平间距，h表示所述垂直间距，表示所述待测相控阵天线单元的方位半功率波束宽度，表示所述待测相控阵天线单元的俯仰半功率波束宽度，r表示所述待测相控阵天线单元与所述标准增益喇叭天线的口面之间的水平距离。
11.根据本发明的实施例，标准增益喇叭天线的口面伸出所述吸波单元的底端内壁上的吸波材料。
12.根据本发明的实施例，所述电磁波功率测量阵列单元包括：多个数字微波功率计，每个所述数据微波功率计分别通过穿舱电缆对应连接一个所述标准增益喇叭天线，分别用于测量不同方位的标准增益喇叭天线接收到的电磁波信号的功率值。
13.根据本发明的实施例，所述控制与处理单元包括：供电与控制模块，通过穿舱电缆连接所述待测相控阵天线单元，用于给所述待测相控阵天线单元供电，并控制所述待测相控阵天线单元产生不同波束方向的所述电磁波信号；信号处理模块，连接所述电磁波功率测量阵列单元，用于计算所述电磁波信号在不同波束角度下的功率值，并确定所述电磁波信号的波束扫描方向，验证所述功率值及波束扫描方向的正确性。
14.根据本发明的实施例，所述待测相控阵天线单元通过支架固定在所述吸波单元为开口处。
15.本发明第二个方面提供了一种平流层雷达相控阵天线可靠性试验方法，应用于如第一方面任意一项所述的平流层雷达相控阵天线可靠性试验系统，包括：在模拟试验所需的低温低气压环境下，按照预定顺序控制待测相控阵天线单元辐射不同波束角度的所述电磁波信号；通过电磁波方向感应阵列单元从多个方位感应接收所述电磁波信号，并通过电磁波功率测量阵列单元测量不同方位所述电磁波信号的功率值；通过控制与处理单元对不同方位的电磁波信号进行计算处理，得到所述电磁波信号的功率值及波束方向感应结果；对所述电磁波信号的功率值及波束方向感应结果进行可靠性试验验证，得到最终结果。
16.根据本发明的实施例，所述按照预定顺序控制待测相控阵天线单元辐射不同波束角度的所述电磁波信号包括：设置所述待测相控阵天线单元的扫描步进；以所述待测相控阵天线单元向外辐射的法向为零角度，根据所述扫描步进逐步在水平方向和俯仰方向提升或降低所述待测相控阵天线单元的波束角度。
17.根据本发明的实施例，所述通过控制与处理单元对不同方位的电磁波信号进行计算处理，得到所述电磁波信号的功率值及波束方向感应结果包括：将所述电磁波方向感应
阵列单元以行和列为单位分别计算所述电磁波信号的平均功率值；分别筛选所述电磁波信号在行方向和列方向的平均功率值中的最大值，将平均功率值最大的行与平均功率值最大的列交叉的方向位记为所述波束方向感应结果。
18.在本发明实施例采用的上述至少一个技术方案能够达到以下有益效果：该系统提供给相控阵天线激励信号和控制信号，使其按照既定的程序顺序辐射已知不同波束方向的大功率电磁信号；电磁波方向感应阵列单元接收来自相控阵天线的大功率信号；电磁波功率测量阵列单元测量来自电磁波方向感应阵列单元的对应多个通道信号功率；多个通道信号功率值传输至控制与处理单元，进行相应实时的计算和处理，检查每个波束角度下功率值和波束扫描方向的正确性，根据可靠性试验判据给出测试最终结果。该系统解决了天线在地面进行低温低气压模拟环境下无法连续开启大功率辐射测试的问题，同时可持续验证天线波束扫描能力；模拟实际使用环境中的全状态，更容易暴露出故障，测试结果更科学和可信，为实现可靠性增长提供了有力保障。
附图说明
19.为了更完整地理解本发明及其优势，现在将参考结合附图的以下描述，其中：图1示意性示出了本发明实施例提供的一种平流层雷达相控阵天线可靠性试验系统的示意图；图2示意性示出了本发明实施例提供的电磁波方向感应阵列单元的示意图；图3示意性示出了本发明实施例提供的一种平流层雷达相控阵天线可靠性试验方法的流程图；图4示意性示出了本发明实施例提供的一种电磁波功率测量阵列单元的示意图。
20.附图标记说明：1-热真空试验罐单元；2-吸波单元；3-电磁波方向感应阵列单元；31-标准增益喇叭天线；4-待测相控阵天线单元；5-电磁波功率测量阵列单元；51-数字微波功率计；6-控制与处理单元。
具体实施方式
21.以下，将参照附图来描述本发明的实施例。但是应该理解，这些描述只是示例性的，而并非要限制本发明的范围。在下面的详细描述中，为便于解释，阐述了许多具体的细节以提供对本发明实施例的全面理解。然而，明显地，一个或多个实施例在没有这些具体细节的情况下也可以被实施。此外，在以下说明中，省略了对公知结构和技术的描述，以避免不必要地混淆本发明的概念。
22.在此使用的术语仅仅是为了描述具体实施例，而并非意在限制本发明。在此使用的术语“包括”、“包含”等表明了所述特征、步骤、操作和/或部件的存在，但是并不排除存在或添加一个或多个其他特征、步骤、操作或部件。
23.在此使用的所有术语（包括技术和科学术语）具有本领域技术人员通常所理解的含义，除非另外定义。应注意，这里使用的术语应解释为具有与本说明书的上下文相一致的含义，而不应以理想化或过于刻板的方式来解释。
24.附图中示出了一些方框图和/或流程图。应理解，方框图和/或流程图中的一些方
框或其组合可以由计算机程序指令来实现。这些计算机程序指令可以提供给通用计算机、专用计算机或其他可编程数据处理装置的处理器，从而这些指令在由该处理器执行时可以创建用于实现这些方框图和/或流程图中所说明的功能/操作的装置。
25.如图1所示，本发明实施例提供了一种平流层雷达相控阵天线可靠性试验系统，包括：热真空试验罐单元1、吸波单元2、电磁波方向感应阵列单元3、待测相控阵天线单元4、电磁波功率测量阵列单元5及控制与处理单元6。
26.热真空试验罐单元1用于模拟试验所需的低温低气压环境。热真空试验罐的重要组成部分包括真空容器、主罐体等主热沉等。
27.吸波单元2设于热真空试验罐单元1内，为内部中空的柱状结构，吸波单元2的底端封闭，另一端为开口，内壁覆盖吸波材料。在本实施例中，吸波单元2提供了一个微波信号的传输通道，可以吸收待测相控阵天线单元4向热真空试验罐单元1内壁发射的电磁波信号，解决了天线在地面进行低温低气压模拟环境下无法连续开启大功率辐射测试的问题，同时可持续验证天线波束扫描能力。图1示意性示出了劈尖吸波材料构成的吸波墙。为了模拟典型平流层20km高度下环境，吸波材料选用需在气压5kpa左右，温度在-85℃左右的环境中保持优良的吸波性能。
28.电磁波方向感应阵列单元3设于吸波单元2的底部，用于从多个方位感应接收电磁波信号。具体的，电磁波方向感应阵列单元3可以包括多个标准增益喇叭天线31，阵列式均匀布设在吸波单元2的底部，其口面垂直于待测相控阵天线单元4的天线阵面法向，可实现电磁波的方向性感应接收。标准增益喇叭天线31的口面伸出吸波单元2的底端内壁上的吸波材料。
29.如图2示意性示出了本实施例中电磁波方向感应阵列单元3的示意图。电磁波方向感应阵列单元3由9个标准增益喇叭天线31组成，编号依次是1~9，该9个标准增益喇叭天线31之间的水平和垂直方向的间距分别相等。
30.示意性的，若待测相控阵天线单元4的扫描步进为一个俯仰/方位向半功率波束宽度，扫描范围为1个俯仰/方位向的半功率波束宽度。据此可计算和设计电磁波方向感应阵列单元3中标准增益喇叭天线31的位置布设。
31.多个标准增益喇叭天线31的水平间距为：
32.多个标准增益喇叭天线31的垂直间距为：
33.其中，l表示水平间距，h表示垂直间距，表示待测相控阵天线单元4的方位半功率波束宽度，表示待测相控阵天线单元4的俯仰半功率波束宽度，r表示待测相控阵天线单元4与标准增益喇叭天线31的口面之间的水平距离。
34.进一步地，标准增益喇叭天线31的数量可根据实际的天线扫描步进和扫描范围进
行选择来布设，也可根据吸波单元2内部空间进行综合设计，不限于该实施例所提供的数量。
35.在本实施例中，待测相控阵天线单元4通过支架固定在吸波单元2为开口的一端，其天线阵面法向与电磁波方向感应阵列单元3所在平面垂直，用于按照预定顺序辐射不同波束角度的电磁波信号。其中，相控阵天线单元为待测试设备，具备大功率辐射电磁波信号能力，同时具备波束扫描功能。作为平流层工作的相控阵天线，通常具有较窄的波束宽度，这样吸波单元2圆筒的尺寸也可设计不用过大。
36.在本实施例中，电磁波功率测量阵列单元5设于热真空试验罐单元1外部，连接电磁波方向感应阵列单元3，用于测量不同方位电磁波信号的功率值。具体的，电磁波功率测量阵列单元5包括多个数字微波功率计51，每个数据微波功率计51分别通过穿舱电缆对应连接一个标准增益喇叭天线31，分别用于测量不同方位的标准增益喇叭天线31接收到的电磁波信号的功率值。微波功率计是一种用于测量微波信号功率的通用电子仪器，其工作原理是将微波信号转换成电信号，从而实现微波功率的准确测量。
37.示意性的，在本实施例中，电磁波功率测量阵列单元5由9个微波功率计组成，编号依次是1~9，该9个微波功率计分别对应测量编号为1~9的电磁波方向感应阵列单元3中的标准增益喇叭天线31。
38.在本实施例中，控制与处理单元6设于热真空试验罐单元1外部，连接待测相控阵天线单元4和电磁波功率测量阵列单元5，用于控制待测相控阵天线单元4产生电磁波信号，以及，用于计算并验证每个波束角度下电磁波信号的功率值及波束扫描方向的正确性。
39.可选地，控制与处理单元6包括供电与控制模块和信号处理模块。其中，供电与控制模块通过穿舱电缆连接待测相控阵天线单元4，用于给待测相控阵天线单元4供电，并给相控阵天线提供电源、射频激励信号、开启与关闭辐射指令、波束控制指令等，控制待测相控阵天线单元4产生不同波束方向的电磁波信号；信号处理模块连接电磁波功率测量阵列单元5，用于计算电磁波信号在不同波束角度下的功率值，并确定电磁波信号的波束扫描方向，验证功率值及波束扫描方向的正确性，具体的计算方法将在后续介绍。
40.根据本发明提供的平流层雷达相控阵天线可靠性试验系统，可以解决了天线在地面进行低温低气压模拟环境下无法连续开启大功率辐射测试的问题，同时可持续验证天线波束扫描能力；该系统可以模拟实际使用环境中的全状态，更容易暴露出故障，测试结果更科学和可信，为实现可靠性增长提供了有力保障。
41.本发明另一方面提供了一种平流层雷达相控阵天线可靠性试验方法，应用于如图1所示的平流层雷达相控阵天线可靠性试验系统。
42.如图3所示，本发明提供的一种平流层雷达相控阵天线可靠性试验方法包括s1~s4。
43.s1，在模拟试验所需的低温低气压环境下，通过控制与处理单元6控制待测相控阵天线单元4按照预定顺序辐射不同波束角度的电磁波信号。
44.在本实施例中，在控制与处理单元6中设置待测相控阵天线单元4的扫描步进，在以待测相控阵天线单元4向外辐射的法向为零角度，根据扫描步进逐步在水平方向和俯仰方向提升或降低待测相控阵天线单元的波束角度。
45.示例性地，波束扫描的步进可以设置为一个半功率波束宽度，扫描范围为
±
1个半
功率波束宽度，相控阵天线波束扫描的角度值，可以参考以下矩阵进行设置：
46.其中，定义相控阵天线的波束扫描方向为：以天线阵面朝外辐射的法向位置为水平和俯仰方向的零角度，水平往左扫描为方位波束负角度，水平往右扫描为方位波束正角度，垂直往上扫描为俯仰波束正角度，垂直往下扫描为俯仰波束负角度。
47.s2，通过电磁波方向感应阵列单元3从多个方位感应接收电磁波信号，并通过电磁波功率测量阵列单元5测量不同方位电磁波信号的功率值。
48.参考图2，在本实施例中，以9个标准增益喇叭天线31组成的电磁波方向感应阵列单元3为例，每个喇叭接收到的信号功率值记为p
mn
，1≤m≤3，1≤n≤3，其中m为行数，n为列数，该功率值可构成功率矩阵。图4示出了电磁波功率测量矩阵的示意图。
49.s3，通过控制与处理单元6对不同方位的电磁波信号进行计算处理，得到电磁波信号的功率值及波束方向感应结果。
50.由于用于接收的标准增益喇叭天线31的波束宽度一般比待测相控阵天线发射波束宽度要宽，直接通过9路信号功率值进行比较大小，对天线波束方向的判定存在一定误判的风险。
51.本发明提供一种简便的计算方法，包括：将电磁波方向感应阵列单元3以行和列为单位分别计算电磁波信号的平均功率值；分别筛选电磁波信号在行方向和列方向的平均功率值中的最大值，将平均功率值最大的行与平均功率值最大的列交叉的方向位记为波束方向感应结果。
52.示例性地，图4提供是电磁波功率测量矩阵示意图，该9个功率值可分别计算每行每列的平均功率值，得到每行的平均功率值为
53.以及每列的平均功率值为
54.通过比较找出每行或每列平均功率最大值，交叉重叠位置即为电磁波方位感应位置结果：
55.其中，index为求索引位置，max为求最大值。
56.s4，对电磁波信号的功率值及波束方向感应结果进行可靠性试验验证，得到最终结果。
57.检查每个天线波束角度下功率值和波束扫描方向的正确性，根据可靠性试验判据给出测试最终结果。
58.本发明提供的平流层雷达相控阵天线可靠性试验方法可以可持续验证天线波束扫描能力，为实现可靠性增长提供了有力保障。
59.本领域技术人员可以理解，本发明的各个实施例中记载的特征可以进行多种组合或/或结合，即使这样的组合或结合没有明确记载于本发明中。特别地，在不脱离本发明精神和教导的情况下，本发明的各个实施例中记载的特征可以进行多种组合和/或结合。所有这些组合和/或结合均落入本发明的范围。
60.尽管已经参照本发明的特定示例性实施例示出并描述了本发明，但是本领域技术人员应该理解，在不背离所附实施例及其等同物限定的本发明的精神和范围的情况下，可以对本发明进行形式和细节上的多种改变。因此，本发明的范围不应该限于上述实施例，而是应该不仅由所附实施例来进行确定，还由所附实施例的等同物来进行限定。

技术特征：
1.一种平流层雷达相控阵天线可靠性试验系统，其特征在于，包括：热真空试验罐单元（1），用于模拟试验所需的低温低气压环境；吸波单元（2），设于所述热真空试验罐单元（1）内，为内部中空的柱状结构，所述吸波单元（2）的底端封闭，另一端为开口，内壁覆盖吸波材料，用于吸收待测相控阵天线单元（4）向所述热真空试验罐单元（1）内壁发射的电磁波信号；电磁波方向感应阵列单元（3），设于所述吸波单元（2）的底部，用于从多个方位感应接收所述电磁波信号；待测相控阵天线单元（4），设于所述吸波单元（2）为开口的一端，其天线阵面法向与所述电磁波方向感应阵列单元（3）所在平面垂直，用于按照预定顺序辐射不同波束角度的所述电磁波信号；电磁波功率测量阵列单元（5），设于所述热真空试验罐单元（1）外部，连接所述电磁波方向感应阵列单元（3），用于测量不同方位所述电磁波信号的功率值；控制与处理单元（6），设于所述热真空试验罐单元（1）外部，连接所述待测相控阵天线单元（4）和所述电磁波功率测量阵列单元（5），用于控制所述待测相控阵天线单元（4）产生所述电磁波信号，以及，计算并验证每个波束角度下所述电磁波信号的功率值及波束扫描方向的正确性。2.根据权利要求1所述的平流层雷达相控阵天线可靠性试验系统，其特征在于，所述电磁波方向感应阵列单元（3）包括：多个标准增益喇叭天线（31），阵列式均匀布设在所述吸波单元（2）的底部，其口面垂直于所述待测相控阵天线单元（4）的天线阵面法向。3.根据权利要求2所述的平流层雷达相控阵天线可靠性试验系统，其特征在于，所述多个标准增益喇叭天线（31）的水平间距为：所述多个标准增益喇叭天线（31）的垂直间距为：其中，l表示所述水平间距，h表示所述垂直间距，表示所述待测相控阵天线单元（4）的方位半功率波束宽度，表示所述待测相控阵天线单元（4）的俯仰半功率波束宽度，r表示所述待测相控阵天线单元（4）与所述标准增益喇叭天线（31）的口面之间的水平距离。4.根据权利要求2所述的平流层雷达相控阵天线可靠性试验系统，其特征在于，所述标准增益喇叭天线（31）的口面伸出所述吸波单元（2）的底端内壁上的吸波材料。5.根据权利要求2所述的平流层雷达相控阵天线可靠性试验系统，其特征在于，所述电磁波功率测量阵列单元（5）包括：多个数字微波功率计（51），每个所述数据微波功率计（51）分别通过穿舱电缆对应连接一个所述标准增益喇叭天线（31），分别用于测量不同方位的标准增益喇叭天线（31）接收到的电磁波信号的功率值。6.根据权利要求1所述的平流层雷达相控阵天线可靠性试验系统，其特征在于，所述控
制与处理单元（6）包括：供电与控制模块，通过穿舱电缆连接所述待测相控阵天线单元（4），用于给所述待测相控阵天线单元（4）供电，并控制所述待测相控阵天线单元（4）产生不同波束方向的所述电磁波信号；信号处理模块，连接所述电磁波功率测量阵列单元（5），用于计算所述电磁波信号在不同波束角度下的功率值，并确定所述电磁波信号的波束扫描方向，验证所述功率值及波束扫描方向的正确性。7.根据权利要求1所述的平流层雷达相控阵天线可靠性试验系统，其特征在于，所述待测相控阵天线单元（4）通过支架固定在所述吸波单元（2）为开口处。8.一种平流层雷达相控阵天线可靠性试验方法，应用于如权利要求1至7任意一项所述的平流层雷达相控阵天线可靠性试验系统，其特征在于，包括：在模拟试验所需的低温低气压环境下，通过控制与处理单元（6）控制待测相控阵天线单元（4）按照预定顺序辐射不同波束角度的所述电磁波信号；通过电磁波方向感应阵列单元（3）从多个方位感应接收所述电磁波信号，并通过电磁波功率测量阵列单元（5）测量不同方位所述电磁波信号的功率值；通过控制与处理单元（6）对不同方位的电磁波信号进行计算处理，得到所述电磁波信号的功率值及波束方向感应结果；对所述电磁波信号的功率值及波束方向感应结果进行可靠性试验验证，得到最终结果。9.根据权利要求8所述的平流层雷达相控阵天线可靠性试验方法，其特征在于，所述通过控制与处理单元（6）控制待测相控阵天线单元（4）按照预定顺序辐射不同波束角度的电磁波信号包括：设置所述待测相控阵天线单元（4）的扫描步进；以所述待测相控阵天线单元（4）向外辐射的法向为零角度，根据所述扫描步进逐步在水平方向和俯仰方向提升或降低所述待测相控阵天线单元（4）的波束角度。10.根据权利要求8所述的平流层雷达相控阵天线可靠性试验方法，其特征在于，所述通过控制与处理单元（6）对不同方位的电磁波信号进行计算处理，得到所述电磁波信号的功率值及波束方向感应结果包括：将所述电磁波方向感应阵列单元（3）以行和列为单位分别计算所述电磁波信号的平均功率值；分别筛选所述电磁波信号在行方向和列方向的平均功率值中的最大值，将平均功率值最大的行与平均功率值最大的列交叉的方向位记为所述波束方向感应结果。

技术总结
本发明提供了一种平流层雷达相控阵天线可靠性试验系统及方法，应用于航天器地面试验技术领域。该系统包括：热真空试验罐单元；吸波单元，设于热真空试验罐单元内，为内部中空的柱状结构，吸波单元的底端封闭，另一端为开口，内壁覆盖吸波材料；电磁波方向感应阵列单元，设于吸波单元的底部；待测相控阵天线单元，设于吸波单元为开口的一端，其天线阵面法向与电磁波方向感应阵列单元所在平面垂直；电磁波功率测量阵列单元，连接电磁波方向感应阵列单元；控制与处理单元，设于热真空试验罐单元外部，连接待测相控阵天线单元和电磁波功率测量阵列单元。该系统及方法解决了现阶段无法在低温低气压模拟环境下连续开启大功率辐射测试的问题。的问题。的问题。


技术研发人员：万阳良 陈龙永 栾禹辰 唐海波
受保护的技术使用者：中国科学院空天信息创新研究院
技术研发日：2023.07.12
技术公布日：2023/8/14