CN101483274A - 一种相位可变功率检测的阵列天线外校准的方法 - Google Patents

Abstract

一种相位可变功率检测的阵列天线外校准的方法是一种阵列天线通道幅度和相位一致性校正的外校准算法。阵列天线由很多天线单元组成，每个天线单元信号的相位可控，各天线单元信号叠加形成阵列天线的信号。为了实现阵列天线的校准，改变与各天线单元相连的可变数字移相器的状态，得到阵列天线对外校准信号的响应，对应某一通道多个不同状态下的响应组成了一个正定或者超定的方程组，通过对方程组的求解得到该通道相对参考信号的相对幅度和相对相位，并由此得到阵列各通道的幅相一致性误差，从而实现校准。

Description

一种相位可变功率检测的阵列天线外校准的方法

技术领域

本发明涉及一种阵列天线，特别是一种阵列天线的外校准方法。

背景技术

阵列天线由很多天线单元组成，每个单元馈以一定幅度和相位的信号以形成特定的波束并实现波束扫描。一般情况下，通过控制连接单元的衰减器对单元信号幅度进行调节并形成所需要的波束，通过改变连接单元的移相器的相位对单元信号的相位进行控制以实现波束扫描。

为了精确的控制波束，需要知道天线各单元实际的相位响应。然而，相位响应受各种不可避免的误差以及制造公差的影响并且是时间和温度的函数，所以校准被用来确定相位响应误差并对相位进行补偿。同样，各单元的幅度响应也与误差和制造公差有关，校准被用来确定幅度响应误差并对幅度给予补偿。

目前出现的阵列天线校准方法很多，按照校准时其信号注入的不同路径可以分为内校准和外校准两大类。

外校准包括近场测量、中场测量、远场测量、换相测量以及REV方法等。外校准是距待测天线一定距离处架设辅助天线进行信号注入或采样，再经过幅相监测和比较，得出单元通道幅相误差，辅助天线的架设可在相控阵天线的近场、中场和远场。与内校准相比，外校准在天线阵内没有大量定向耦合器和矩阵开关元件，但某些外校准方法要求被监测的各路应有高频开关用于接通被测通道。

近场测量指在近场范围内，根据场在某一表面上的分布，利用BTM(Backward Transformation Method)反推天线口径场分布，更精确的方法是相控阵天线近场测量的矩阵方法(MM)，该方法能够复原出相控阵天线各单元的激励幅相，并且它能够用于任意几何形状的阵列天线。近场矩阵方法要解决的主要问题是矩阵病态问题，这就要求必需解决有限扫描面截断问题以及非均匀扫描问题，还需要解决矩阵的快速求解问题。目前主要处于实验研究阶段，距工程应用还有许多工作要做。

中场测量法是利用互耦原理对相控阵天线进行校正，相控阵有一维相扫和二维相扫之分，与之对应，中场校正技术也可分为中场两点法和中场三点法。该方法要求相控阵天线具有单路收/发功能，即一个有源单元(或通道)处于发射或接收状态时，其它有源单元(或通道)处于关闭状态，且各个单元(或通道)之间相互隔离。相控阵天线中场校正技术利用一个参考天线放置在被测阵列前方一定距离处的几个特定位置上对阵列进行测试，通过数据相关处理获得校正参数。该方法的缺点是，要求天线具有高频开关用于选通被测通道，现有的测量系统表明，该方法的精度仍有待提高。

远场测量要求在远场距离上对相控阵天线进行测量，Dan Davis提出了一个远场测量相控阵天线的模型，它需要一个远距离测试场、辅助天线和转台系统，被测天线装在一个精密的旋转定位装置上，并接收一远场辐射信号，在N个预定的角位置，在天线端口精确地测出天线的幅度相位值，接着进行矩阵求逆运算得到孔径的相位和幅度值。该方法的关键在于要有精密的旋转定位装置。

换相测量法由俄罗斯科学家提出，其基本思想就是在探头和被测天线均固定的条件下给相控阵天线不同的配相，利用探头接收到的信号建立以单元激励为未知数的矩阵方程(又称测量方程)，通过求解矩阵方程得到各单元的激励。该方法的突出优点是通过一次测量就可以得到所有配相状态下的辐射特性，不需要附加的测量就可得到天线的方向图、增益等特性，测量周期短，是一种非常高效的测量方法。该方法需要极其复杂的控制，建立测量所需的软件和硬件费用很大。该方法的最大缺点是探头采样信息量不足，为求得矩阵方程的唯一解，必须利用移相器的先验信息——移相器换相时传输系数模和相移变化的统计平均值，这极大的影响了该方法的工程通用性，制约了该技术的发展。

REV(Rotating-element Electric Field Vector)方法是日本三菱电气公司(Mitsubishi Electric Corporation)上世纪八十年代在机载有源相控阵天线的开发过程中提出的一种相控阵天线检测校正方法。它是一种基于功率测量的方法，通过连续改变被测单元移相器的相位，其余所有单元相位状态不变，测量接收功率的变化，然后计算出各单元产生的电场相对于初始合成场的相对幅度和相对相位，由此可以确定各单元的幅相一致性。REV方法虽然数据处理简单，但存在解的模糊性问题，并要求相位连续改变。

其它的一些外校准方法如Ron Sorace提出的一种在四个正交相位状态下根据功率采样结果进行单元幅度和相位校正的方法，具体校准方法为：为了校准阵列第n个通道的幅相，将所有通道的相位设置成阵波束指向某一特定方位(如基站)，把此时相位状态记作0状态，在第n个通道所有相位状态下测量所接收到的或所发射的功率，把产生最大功率的设置与所假设的0状态设置的差作为校准偏移。对阵列中的每个阵元重复该过程，并根据检测误差调整每个通道的前次相位校正。重复阵列的相位校准和校正直到相位误差在低于可接收的程度时达到收敛，这样就形成了每个通道的新校正值。Ron Sorace的方法不必在所有相位状态下进行测量，只在四个正交相位状态(0°、180°、90°和270°)下进行测量，根据测量值就可得到最大校准偏移量的似然估值。该方法必须在四个正交相位状态下才能校准，适用性差。

发明内容

本发明的技术解决问题是：克服现有技术的不足，提供一种能在简单软件和硬件环境下即可精确实现阵列天线校准的外校准的方法，实现对阵列天线各通道幅度和相位的一致性校正。

本发明的技术解决方案是：一种相位可变功率检测的阵列天线外校准的方法，通过以下步骤实现：

第一步，功率源馈电，辅助天线接收到信号后，功率检测器测得阵列天线的初始合成场初始合成场经A/D转换器转换为数字信号传输给校正处理器；

第二步，控制器控制阵列天线的第一通道的移相器移相，移相量分别为

功率检测器分别测得第一通道移相器N个相位状态下阵列天线的合成场

对应的功率

并经A/D转换器转换为数字信号传输给校正处理器，其中N是移相器的相位状态数；

第三步，校正处理器以

为参考对

归一化得公式(1)～公式(N-1)，

......

......

其中

$A_1=\frac{E_1}{E_0},$ 为第一通道相对于初始合成场矢量的幅度误差，

为第一通道相对于合成场矢量的相位误差，

......

......

第四步，在校正处理器中对公式(1)～公式(N-1)求解，可以得到α₁、β₁、

即可通过

得到第一通道的幅度误差

和第一通道相对于合成场矢量的相位误差

第五步，重复第一至第四步由校正处理器得到第二通道至第n通道的幅度误差

和相位误差

其中i是≤n的自然数，代表阵列天线第i个通道，n是阵列天线的总通道数；

第六步，校正处理器对比阵列天线的各个通道的幅度误差

和相位误差

若各个通道的幅度误差

和相位误差

不一致，校正处理器将各个通道的幅度误差和相位误差

传输到控制器，控制器通过调整阵列天线各通道的幅度和相位使其一致，完成对阵列天线各通道的外校准。

所述的移相器的相位状态数N≥3。

所述的移相器的最佳相位分布

其中

本发明与现有技术相比有益效果为：

(1)本发明校准过程简单，利用阵列天线本身的特性进行校准，不需要增加过多的辅助器件，只须增加一个辅助天线，对硬件环境要求低；

(2)本发明校准方法计算简单，控制过程简便，数据处理方便易行，测量中建立软件的费用少；

(3)本发明校准方法对相位的角度没有限制。

附图说明

图1为本发明阵列天线的校准结构示意图；

图2为本发明算法原理图；

图3为本发明阵列天线校准方法的流程框图。

具体实施方式

如图1所示，本发明校准时需要增加一个辅助天线7用于接收阵列信号或发射参考信号，阵列天线6为待测天线，移相器1、功率源3、控制器4、功率负载5、功率检测器8、A/D转换器9和校正处理器10为阵列天线6原有的辅助设备。阵列天线6由很多天线单元2组成，每个天线单元2后连接一个移相器1，每个天线单元2均可用来发射或接收电磁信号。

当阵列天线6处于发射模式时，功率源3通过相应的移相器1给每个天线单元通道馈电以发射阵列信号。功率源3通过一个功分器将一路信号分成多路馈给每个天线单元。控制器4控制每个移相器1的相位状态以改变馈给每个天线单元的信号的相位。通过控制器4设置每个天线单元信号的相位可以形成所要求的特定形状的波束并实现波束扫描。在阵列天线6处于发射模式时，用于校准的辅助天线7被用作接收天线以接收阵列天线6发射的信号。

阵列天线6发射信号，辅助天线7接收信号，并将接收信号送往功率检测器8进行功率检测，再经A/D转换器9转换成数字信号，送到校正处理器10进行校正处理。通过控制器4调节移相器1的状态，根据多个状态下辅助天线7的信号功率响应得到被校准阵列天线各通道初始状态下的幅相一致性误差，实现校准。

如图2所示，为校准方法的原理图，当阵列天线6和辅助天线7之间的位置以及其它边界条件不变时，场矢量不变，阵列天线6在辅助天线7处产生的场矢量为各通道产生的场矢量的叠加和，即若第i个通道产生的场为

则阵列天线产生的场为

故当第i个通道的相位状态发生变化时第i个通道产生的场也会发生变化，亦即第i个通道移相器相移Δ_i时，它产生的场变为

同时，阵列产生的总场也会相应发生变化变为

该校准方法正是利用这一点，在多个相位状态下检测阵列信号的变化，根据检测结果求得各通道的幅相一致性误差。

校准过程如图3所示：(以移相器的相位状态数4为例，移相器的相位状态数不同时与之同理)

1)功率源3馈电，辅助天线7接收到信号后，功率检测器8测得阵列天线6的初始合成场功率

经A/D转换器9转换为数字信号传输给校正处理器10。

2)控制器控制阵列天线6的第一通道的移相器移相，移相量分别为

(

为第一通道第一、二、三、四相位的移相量)功率检测器8分别测得第一通道移相器四个相位状态下阵列天线的合成场

对应的功率

为第一通道第一、二、三、四相位的合力场功率)经A/D转换器9转换为数字信号传输给校正处理器10。

3)校正处理器10以

为参考对

归一化，即分别于

相除得到公式(1)～公式(3)，

其中

$A_1=\frac{E_1}{E_0},$

(E₁是第一通道幅度值，同理下文中E_i是第i通道幅度值，E₀为初始合成场幅度值)为第一通道相对于初始合成场矢量的幅度误差，

(

为第一通道变化一个状态的相位，

为合力场的初始相位)为第一通道相对于合成场矢量的相位误差，

(其中

为第一通道变化一个、两个、三个、四个相位时相对于合成场矢量的相位误差)

4)令 $Q_{112}=P_{112}({\mathrm{\α}}_{12}^2+{\mathrm{\β}}_{12}^2)-({\mathrm{\α}}_{11}^2+{\mathrm{\β}}_{11}^2),$ $Q_{113}=P_{113}({\mathrm{\α}}_{13}^2+{\mathrm{\β}}_{13}^2)-({\mathrm{\α}}_{11}^2+{\mathrm{\β}}_{11}^2),$ $Q_{114}=P_{114}({\mathrm{\α}}_{14}^2+{\mathrm{\β}}_{14}^2)-({\mathrm{\α}}_{11}^2+{\mathrm{\β}}_{11}^2),$ R₁₁₂＝2(α₁₁-α₁₂P₁₁₂)，R₁₁₃＝2(α₁₁-α₁₃P₁₁₃)，R₁₁₄＝2(α₁₁-α₁₄P₁₁₄)T₁₁₂＝2(-β₁₁+β₁₂P₁₁₂)，T₁₁₃＝2(-β₁₁+β₁₃P₁₁₃)，T₁₁₄＝2(-β₁₁+β₁₄P₁₁₄)，U₁₁₂＝1-P₁₁₂，U₁₁₃＝1-P₁₁₃U₁₁₄＝1-P₁₁₄，化解公式(1)～(3)，得到公式(4)～(6)。

Q₁₁₂(α₁ ²+β₁ ²)+R₁₁₂α₁+T₁₁₂β₁＝U₁₁₂   (4)

$Q_{113}({\mathrm{\α}}_1^2+{\mathrm{\β}}_1^2)+R_{113}{\mathrm{\α}}_1+T_{113}{\mathrm{\β}}_1=U_{113}---\left(5\right)$

$Q_{114l}({\mathrm{\α}}_1^2+{\mathrm{\β}}_1^2)+R_{114}{\mathrm{\α}}_1+T_{114}{\mathrm{\β}}_1=U_{114}---\left(6\right)$

在校正处理器中对公式(4)～公式(6)求解，可以得到α₁、β₁、即可通过得到第一通道的幅度误差

和第一通道相对于合成场矢量的相位误差

5)重复上述过程，校正处理器10得到第二通道至第n通道的幅度误差

和相位误差

其中i是≤n的自然数，代表阵列天线第i个通道，n是阵列天线的总通道数。

6)校正处理器10比较阵列天线6的各个通道的幅度误差

和相位误差

若各个通道的幅度误差

和相位误差

不一致，校正处理器将各个通道的幅度误差

和相位误差传输到控制器，控制器通过调整阵列天线各通道的幅度和相位使天线各通道的幅相保持一致，从而完成对阵列天线各通道的外校准。

移相器1的相位状态数为四时，此时解得的幅度误差和相位误差是唯一的，无模糊性。移相器四个相位状态时的最佳相位状态分布为四个正交相位状态，即0°/90°/180°/270°，或者

在0°～90°之间。

若只用移相器1的三个态，也可以求得α_i与β_i，但此时所求得的解为双解，即会出现解的模糊性，需要利用其它先验知识或者列阵天线的一些固有特性来进行解的判断。三个相位状态的最佳分布为：即相差120°，

在0°～90°之间。

实际上，受功率检测器灵敏度和分辨率等的限制，移相器1的四个态或三个态存在一个最佳相位分布的问题，主要的目的是保证公式(4)～(6)是线性无关的，即它们三个组成的方程组的系数矩阵满秩。根据六端口理论中求解一个矢量(复数量)的最佳相位分布准则可知：

(1)当用三个态进行求解时，这三个态的相位差以120°为宜；

(2)当用四个以上的态进行求解时，各态之间的相位差以360°/N为宜，其中N为状态数。

需要说明的是，选取四个以上的状态可以进一步提高测量精度，这当然需要更多的时间；

如果将波束形成网络置于初始态(即无移相)作为第一态，则移相器仅需要变化两个或三个态即可求解。

移相器如果变化5～6个状态，则可进一步提高求解精度，但需要更多的时间。当变化五个状态时，最佳的相位状态为

在0°～90°之间；当变化六个状态时，最佳的相位状态为

在0°～90°之间。

若移相器1改变N个相态，则最佳相位状态为 其中

。

当阵列天线6处于接收模式时，每个天线单元通道接收外部信号源的信号并通过相应的移相器1传给功率负载5。功率负载5通过一个功率合成器将接收到的多路信号合成为一路信号。控制器4控制每个移相器1的状态以改变每个天线单元通道接收到的信号的相位。通过控制器4设置接收信号的相位可以形成所要求的接收波束。在阵列天线6处于接收模式时，用于校准的辅助天线7被用作发射天线以发射参考信号。

本发明未详细说明部分属本领域技术人员公知常识。

Claims (3)

1、一种相位可变功率检测的阵列天线外校准的方法，其特征在于通过以下步骤实现：

第一步，功率源(3)馈电，辅助天线(7)接收到信号后，功率检测器(8)测得阵列天线(6)的初始合成场功率并经A/D转换器(9)转换为数字信号传输给校正处理器(10)；

第二步，控制器(4)控制阵列天线(6)的第一通道的移相器(1)移相，移相量分别为

功率检测器(8)分别测得第一通道移相器N个相位状态下阵列天线(6)的合成场 ${\stackrel{\→}{E}}_{011},{\stackrel{\→}{E}}_{012},{\stackrel{\→}{E}}_{013},\·\·\·{\stackrel{\→}{E}}_{01N}$ 对应的功率 ${\left|{\stackrel{\→}{E}}_{011}\right|}^2{,\left|{\stackrel{\→}{E}}_{012}\right|}^2{\left|{\stackrel{\→}{E}}_{013}\right|}^2{,\·\·\·\left|{\stackrel{\→}{E}}_{01N}\right|}^2,$ 并经A/D转换器(9)转换为数字信号传输给校正处理器(10)，其中N是移相器(1)的相位状态数；

第三步，校正处理器(10)以

为参考对 ${\left|{\stackrel{\→}{E}}_{012}\right|}^2{\left|{\stackrel{\→}{E}}_{013}\right|}^2{,\·\·\·\left|{\stackrel{\→}{E}}_{01N}\right|}^2,$ 归一化得公式(1)～公式(N-1)，

.....

.....

其中

为第一通道相对于初始合成场矢量的幅度误差，

为第一通道相对于合成场矢量的相位误差，

.....

.....

第四步，在校正处理器(10)中对公式(1)～公式(N-1)求解，可以得到α₁、β₁、

即可通过得到第一通道的幅度误差和第一通道相对于合成场矢量的相位误差

第五步，重复第一至第四步由校正处理器(10)得到第二通道至第n通道的幅度误差

和相位误差其中i是≤n的自然数，代表阵列天线(6)第i个通道，n是阵列天线(6)的总通道数；

第六步，校正处理器(10)比较阵列天线(6)的各个通道的幅度误差和相位误差

若各个通道的幅度误差

和相位误差不一致，校正处理器(10)将各个通道的幅度误差

和相位误差

传输到控制器(4)，控制器(4)通过调整阵列天线各通道的幅度和相位使其一致，完成对阵列天线(6)各通道的外校准。

2、根据权利要求1所述的一种相位可变功率检测的阵列天线外校准的方法，其特征在于：所述的移相器(1)的相位状态数N≥3。

3、根据权利要求1或2所述的一种相位可变功率检测的阵列天线外校准的方法，其特征在于：所述的移相器(1)的最佳相位分布

其中

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