CN103904432B - 相控阵天线波束指向的校正装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及雷达天线技术领域，提出了一种相控阵天线波束指向的校正装置及方法，所述校正装置用于在俯仰方向上进行相位校正，并且所述相控阵天线包括多个天线单元；所述校正装置包括输入接口转换模块、水平面相位计算模块、相位俯仰角校正模块和输出接口转换模块，其中，相位俯仰角校正模块用于根据俯仰角对各天线单元的水平面相位进行校正。本发明的装置和方法能应用于大俯仰角的场景，并能提高波束指向的精度。

Description

相控阵天线波束指向的校正装置及方法

技术领域

本发明涉及雷达天线技术领域，尤其涉及一种相控阵天线波束指向的校正装置及方法。

背景技术

独立安装的机载相控阵天线通常由多个天线单元组成，各个天线单元按一定规律分布安装在一条直线或曲线安装板上。按天线单元排列形式可分为直线相控阵天线和曲线相控阵天线，按单元间距又可分为等间距相控阵天线和非等间距相控阵天线。

机载相控阵天线与波束控制系统配合进行工作，如图2所示，一个简易的波束控制系统通常由波束控制计算机、功率分配/合成器、移相器等组成。波束控制计算机根据输入的目标水平角度ψ计算出各个天线单元所需的相位φ₀、φ₁、φ₂……φ_N-1，并转换为移相器控制码F₀、F₁、F₂……F_N-1，控制各个通道的移相器，射频信号经移相器进行相位调整后，由天线单元向空间辐射，即可在空间形成水平指向为ψ的波束。

独立安装的机载相控阵天线通常需要工作在大俯仰角度上，但是其波束宽度较窄，一般只能在水平面电扫，故必须考虑俯仰方向上波束指向问题。

如果不对不同俯仰角度下波束指向进行校正，那么独立安装的机载相控阵天线仅在水平面上下较窄的一个俯仰范围内才能使用。

发明内容

本发明旨在解决上述问题，根据俯仰角对波束指向进行校正，从而使其能应用于较宽的俯仰角范围，同时保证波束指向的精度。

具体地，本发明提出了一种相控阵天线波束指向的校正装置，所述校正装置用于在俯仰方向上进行相位校正，并且所述相控阵天线包括多个天线单元，其特征在于：

所述校正装置包括输入接口转换模块、水平面相位计算模块、相位俯仰角校正模块、输出接口转换模块，其中，

输入接口转换模块，用于接收外部输入的波束水平角度ψ和俯仰角度θ，在将其转换为本装置所要求的信号形式后，将转换后的水平角度ψ送入水平面相位计算模块，将转换后的俯仰角度θ送入相位俯仰角校正模块；

水平面相位计算模块，用于根据水平角度ψ确定所述相控阵天线的各个天线单元的水平面相位，并将该水平面相位送入相位俯仰角校正模块；

相位俯仰角校正模块，用于根据俯仰角θ对各个所述天线单元的水平面相位进行校正，并将校正后的相位送入输出接口转换模块；

输出接口转换模块，用于将校正后的相位转换为天线单元的移相器所要求的信号形式，并输出到各相应天线单元的移相器。

特别地，在所述校正装置中，对于所述天线单元以直线或曲线形式排列、天线单元间距相等或不等的各种情况，所述相位俯仰角校正模块以如下方式校正相位：

${{\mathrm{\φ}}_i}^C={{\mathrm{\φ}}_i}^A\cos \mathrm{\θ}+\frac{2\mathrm{\π}}{\mathrm{\λ}}{Z}_i\sin \mathrm{\θ}$

其中，φ_i ^C为第i个天线单元的校正相位，φ_i ^A为在水平面相位计算模块中计算出的第i个天线单元的水平面相位，θ为俯仰角，Z_i为第i个天线单元的Z轴坐标。

特别地，在所述校正装置中，所述水平面相位计算模块、相位俯仰角校正模块都以浮点DSP作为运算器。

特别地，在所述校正装置中，所述相控阵天线的多个天线单元等间距地以直线形式排列。

特别地，在上述多个天线单元等间距地以直线形式排列的相控阵天线的校正装置中，所述水平面相位计算模块按如下方式计算水平面相位：

首先计算出在水平面内的馈电相位差：

$\mathrm{\Δ\φ}=\frac{2\mathrm{\π}}{\mathrm{\λ}}d\sin \mathrm{\ψ}$

其中，Δφ为水平馈电相位差，λ为射频信号波长，d为天线单元间距，ψ为波束水平角度；

然后，以如下方式确定水平相位：

φ_i＝φ₀+i×Δφ

其中，φ_i为第i个天线单元的水平相位，Δφ为水平馈电相位差，φ₀为一常量。

特别地，在所述校正装置中，所述相位俯仰角校正模块以如下方式校正相位：

φ_i ^C＝φ_icosθ

其中，φ_i ^C为第i个天线单元的校正相位，θ为俯仰角。

同时，本发明提出了一种用于上述校正设备的校正方法，其特征在于，所述校正方法包括如下步骤：

从外部接收所述波束的水平角度ψ和俯仰角度θ，

根据水平角度ψ和各天线单元的位置确定水平面相位，

根据俯仰角度θ校正水平面相位，

将校正后的相位输出到相应天线单元的移相器。

特别地，在所述校正装置中，对于所述天线单元以直线或曲线形式排列、天线单元间距相等或不等的各种情况，所述根据俯仰角度θ校正水平面相位以如下方式进行：

${{\mathrm{\φ}}_i}^C={{\mathrm{\φ}}_i}^A\cos \mathrm{\θ}+\frac{2\mathrm{\π}}{\mathrm{\λ}}{Z}_i\sin \mathrm{\θ}$

其中，φ_i ^C为第i个天线单元的校正相位，φ_i ^A为在水平面相位计算模块中计算出的第i个天线单元的水平面相位，θ为俯仰角，Z_i为第i个天线单元的Z轴坐标。

特别地，所述方法中，当上述多个天线单元等间距地以直线形式排列时，所述水平馈电相位差以如下方式确定：

$\mathrm{\Δ\φ}=\frac{2\mathrm{\π}}{\mathrm{\λ}}d\sin \mathrm{\ψ}$

其中，Δφ为水平馈电相位差，λ为射频信号波长，d为天线单元间距，ψ为波束水平角度；

所述水平面相位以如下方式确定：

φ_i＝φ₀+i×Δφ

其中，φ_i为第i个天线单元的水平相位，Δφ为水平馈电相位差，φ₀为一常量。

特别地，在所述校正装置中，所述相位的俯仰角校正以如下方式确定：

φ_i ^C＝φ_icosθ

其中，φ_i ^C为第i个天线单元的校正相位，θ为俯仰角。

由于上述装置和方法考虑了俯仰角度对波束指向的影响，因而，使得所述装置和方法可以用于大俯仰角的情况，同时保证了在大俯仰角情况下的波束指向的精度。

附图说明

图1示出了包含N个天线单元的直线相控阵天线的示意图；

图2示出了包含N个天线单元的波束形成系统的示意图；

图3示出了包含N个天线单元的直线相控阵天线水平面内波束指向的示意图；

图4示出了根据本发明的校正装置的组成图；

图5示出了更加本发明的校正方法的处理框图。

具体实施方式

为了实现本发明的校正目标，根据本发明的一个实施例，提出了一种相控阵天线波束指向的校正装置，所述校正装置用于在俯仰方向上进行相位校正，并且所述相控阵天线包括多个天线单元。如图4所示，所述装置包括：

接口转换模块，用于接收从外界，如飞机操控系统，输入的水平角度ψ和俯仰角度θ，该接口转换模块将所述输入转换为所需要的信号形式后，并分别将水平角度ψ送入水平面相位模块，将俯仰角度θ送入相位俯仰角校正模块；

水平面相位模块，用于根据各个天线单元的位置以及水平角度ψ，确定所述相控阵天线的各个天线单元的水平面相位，并将该相位送入相位俯仰角校正模块；

相位俯仰角校正模块，由于俯仰角的存在，上面所得到的只是各个天线单元的水平面相位，为了在大俯仰角时也能高精度地定向所述波束，本模块根据接口转换模块送入的俯仰角，对各个所述天线单元的相位进行校正，并将校正后的相位送入输出接口转换模块；

输出接口转换模块，用于将校正后的相位转换为各个所述天线单元的移相器所要求的信号形式，即计算出各移相器的控制码，并输出到各相应的移相器。

在上面的实施例中，所述水平面相位模块可以根据相控阵理论计算出水平面内波束角度为（ψ，0）时各天线单元的水平面相位为

在一个更具体的实施例中，对于所述天线单元以直线或曲线形式排列、天线单元间距相等或不等的各种情况，所述相位俯仰角校正模块以如下方式校正相位：

${{\mathrm{\φ}}_i}^C={{\mathrm{\φ}}_i}^A\cos \mathrm{\θ}+\frac{2\mathrm{\π}}{\mathrm{\λ}}{Z}_i\sin \mathrm{\θ}$

其中，φ_i ^C为第i个天线单元的校正相位，φ_i ^A为在水平面相位计算模块中计算出的第i个天线单元的水平面相位，θ为俯仰角，Z_i为第i个天线单元的Z轴坐标。

并且考虑到运算量和时效性，上述相位俯仰角校正模块和水平面相位模块都以一片高速浮点DSP作为运算器。

上述实施例可以用于天线单元按各种方式布置的相控阵天线，而在实际应用中，各个天线单元等间距地以直线形式排列的相控阵天线具有典型意义。

图3示出了这样的一个特殊实例，其中，所述机载相控阵天线包含了N个等间距地以直线形式排列的天线单元，并且其中所述波束位于水平面内。

如图3所示，由于波束位于水平面内时，因而可以设波束角度为（ψ，0），即水平角度为ψ，俯仰角度为0，那么相邻单元之间的馈电相位差（阵内移相值）为：

${\mathrm{\Δ\φ}}_1=\frac{2\mathrm{\π}}{\mathrm{\λ}}d\sin \mathrm{\ψ}$

式中，Δφ₁为相邻单元之间水平馈电相位差，λ为射频信号波长，d为天线单元间距，ψ为波束水平角度。

显然，上述情况过于特殊，在通常情况下，俯仰角度不会为0，在图1中示出了一种更一般的情况，其中，波束指向不在水平面内，而是具有俯仰角度为θ，设波束角度为（ψ，θ），即水平角度为ψ，俯仰角度为θ，那么相邻单元之间的馈电相位差（阵内移相值）为：

${\mathrm{\Δ\φ}}_2=\frac{2\mathrm{\π}}{\mathrm{\λ}}d\cos \mathrm{\θ}\sin \mathrm{\ψ}={\mathrm{\Δ\φ}}_1\cos \mathrm{\θ}$

式中，Δφ₁为相邻单元之间水平馈电相位差，Δφ₂为相邻单元之间馈电相位差，λ为射频信号波长，d为天线单元间距，ψ为波束水平角度，θ为波束俯仰角度。

如图5所示，在这种情况下，由于这N个天线单元是沿直线均匀分布的，那么它们的相位分别为φ₀、φ₀+Δφ₂、φ₀+2Δφ₂、……φ₀+(N-1)Δφ₂，即φ₀、φ₀+Δφ₁cosθ、φ₀+2Δφ₁cosθ、……φ₀+(N-1)Δφ₁cosθ，由于φ₀为一常量，φ₀值大小对波束指向无影响，因此相位亦为φ₀cosθ、（φ₀+Δφ₁）cosθ、（φ₀+2Δφ₁）cosθ、……（φ₀+(N-1)Δφ₁）cosθ。

基于以上的分析，可以得到如下的优选实施例。

根据本发明的一个实施例，所述校正装置用于上述多个天线单元等间距地以直线形式排列的相控阵天线，其中所述水平面相位计算模块按如下方式计算水平面相位：

首先计算出在水平面内的馈电相位差：

$\mathrm{\Δ\φ}=\frac{2\mathrm{\π}}{\mathrm{\λ}}d\sin \mathrm{\ψ}$

其中，Δφ为水平馈电相位差，λ为射频信号波长，d为天线单元间距，ψ为波束水平角度；

然后，以如下方式确定水平面相位：

φ_i＝φ₀+i×Δφ

其中，φ_i为第i个天线单元的水平相位，Δφ为水平馈电相位差，φ₀为一常量。

类似地，在一个优选的实施例中，在按上述方式确定了水平面相位后，所述相位的俯仰角校正以如下方式确定：

φ_i ^C＝φ_icosθ

其中，φ_i ^C为第i个天线单元经过俯仰角校正后的相位，θ为俯仰角。

除了上述校正设备外，本发明还提出了一种相应的校正方法，所述校正装置用于在俯仰方向上进行相位校正，并且所述相控阵天线包括多个天线单元,在该方法的一个实施例中，包括如下步骤：

从外部接收所述波束的水平角度ψ和俯仰角度θ，

根据水平角度ψ和各天线单元的位置确定水平面相位，

根据俯仰角度θ校正水平面相位，

将校正后的相位输出到相应天线单元的移相器。

并且，在上述方法中，可以根据相控阵理论计算出水平面内波束角度为（ψ，0）时各天线单元的水平面相位为

在一个更具体的实施例中，对于所述天线单元以直线或曲线形式排列、天线单元间距相等或不等的各种情况，所述根据俯仰角度θ校正水平面相位以如下方式进行：

${{\mathrm{\φ}}_i}^C={{\mathrm{\φ}}_i}^A\cos \mathrm{\θ}+\frac{2\mathrm{\π}}{\mathrm{\λ}}{Z}_i\sin \mathrm{\θ}$

其中，φ_i ^C为第i个天线单元的校正相位，φ_i ^A为在水平面相位计算模块中计算出的第i个天线单元的水平面相位，θ为俯仰角，Z_i为第i个天线单元的Z轴坐标。

并且考虑到运算量和时效性，上述相位俯仰角校正和水平面相位都以一片高速浮点DSP作为运算器。

并且，与上述校正设备的描述类似，对于包含了N个等间距地以直线形式排列的机载相控阵天线的情况，所述方法有如下的实施方式:

在所述校正装置中，所述水平馈电相位差以如下方式确定：

$\mathrm{\Δ\φ}=\frac{2\mathrm{\π}}{\mathrm{\λ}}d\sin \mathrm{\ψ}$

其中，Δφ为水平馈电相位差，λ为射频信号波长，d为天线单元间距，ψ为波束水平角度；

所述水平面相位以如下方式确定：

φ_i＝φ₀+i×Δφ

其中，φ_i为第i个天线单元的水平相位，Δφ为水平馈电相位差，φ₀为一常量。

特别地，在所述校正装置中，所述相位的俯仰角校正以如下方式确定：

φ_i ^C＝φ_icosθ

其中，φ_i ^C为第i个天线单元的校正相位，θ为俯仰角。

上面结合实施例对本发明进行了描述，但应该知道的是，上述实施例并不构成对本发明的限制，而仅仅是示例性的。本发明的范围由权利要求所限定，并且只要不脱离本发明的思想，本说明书和权利要求中所记载的技术方案的任何组合及其等效替换都落入本发明的保护范围。

Claims (8)

1.一种相控阵天线波束指向的校正装置，所述校正装置用于在俯仰方向上进行相位校正，并且所述相控阵天线包括多个天线单元，其特征在于：

所述校正装置包括输入接口转换模块、水平面相位计算模块、相位俯仰角校正模块、输出接口转换模块，其中，

输入接口转换模块，用于接收外部输入的波束水平角度ψ和俯仰角度θ，在将其转换为本装置所要求的信号形式后，将转换后的水平角度ψ送入水平面相位计算模块，将转换后的俯仰角度θ送入相位俯仰角校正模块；

水平面相位计算模块，用于根据水平角度ψ确定所述相控阵天线的各个天线单元的水平面相位，并将该水平面相位送入相位俯仰角校正模块；

相位俯仰角校正模块，用于根据俯仰角θ对各个所述天线单元的水平面相位进行校正，并将校正后的相位送入输出接口转换模块；

输出接口转换模块，用于将校正后的相位转换为天线单元的移相器所要求的信号形式，并输出到各相应天线单元的移相器；

对于所述天线单元以直线或曲线形式排列、天线单元间距相等或不等的各种情况，所述相位俯仰角校正模块以如下方式校正相位：

${\mathrm{\φ}}_i^C={\mathrm{\φ}}_i^{A}cos\mathrm{\θ}+\frac{2\mathrm{\π}}{\mathrm{\λ}}{Z}_{i}sin\mathrm{\θ}$

其中，φ_i ^C为第i个天线单元的校正相位，φ_i ^A为在水平面相位计算模块中计算出的第i个天线单元的水平面相位，θ为俯仰角，Z_i为第i个天线单元的Z轴坐标。

2.根据权利要求1所述的校正装置，其特征在于，所述水平面相位计算模块、相位俯仰角校正模块都以浮点DSP作为运算器。

3.根据权利要求1所述的校正装置，其特征在于，所述相控阵天线的多个天线单元等间距地以直线形式排列。

4.根据权利要求3所述的校正装置，其特征在于，所述水平面相位计算模块按如下方式计算水平面相位：

首先计算出在水平面内的馈电相位差：

$\mathrm{\Δ}\mathrm{\φ}=\frac{2\mathrm{\π}}{\mathrm{\λ}}dsin\mathrm{\ψ}$

其中，Δφ为水平馈电相位差，λ为射频信号波长，d为天线单元间距，ψ为波束水平角度；

然后，以如下方式确定水平相位：

φ_i＝φ₀+i×Δφ

其中，φ_i为第i个天线单元的水平相位，Δφ为水平馈电相位差，φ₀为一常量。

5.根据权利要求4所述的校正装置，其特征在于，所述相位俯仰角校正模块以如下方式校正相位：

φ_i ^C＝φ_icosθ

其中，φ_i ^C为第i个天线单元的校正相位，θ为俯仰角。

6.一种相控阵天线波束指向的校正方法，所述校正方法用于在俯仰方向上进行相位校正，并且所述相控阵天线包括多个天线单元，其特征在于,所述方法包括如下步骤：

从外部接收所述波束的水平角度ψ和俯仰角度θ，

根据水平角度ψ和各天线单元的位置确定水平面相位，

根据俯仰角度θ校正水平面相位，

将校正后的相位输出到相应天线单元的移相器；

对于所述天线单元以直线或曲线形式排列、天线单元间距相等或不等的各种情况，所述根据俯仰角度θ校正水平面相位以如下方式进行：

${\mathrm{\φ}}_i^C={\mathrm{\φ}}_i^{A}cos\mathrm{\θ}+\frac{2\mathrm{\π}}{\mathrm{\λ}}{Z}_{i}sin\mathrm{\θ}$

其中，φ_i ^C为第i个天线单元的校正相位，φ_i ^A为在水平面相位计算模块中计算出的第i个天线单元的水平面相位，θ为俯仰角，Z_i为第i个天线单元的Z轴坐标。

7.根据权利要求6所述的校正方法，其特征在于，当所述相控阵天线的多个天线单元等间距地以直线形式排列时，水平馈电相位差以如下方式确定：

$\mathrm{\Δ}\mathrm{\φ}=\frac{2\mathrm{\π}}{\mathrm{\λ}}dsin\mathrm{\ψ}$

其中，Δφ为水平馈电相位差，λ为射频信号波长，d为天线单元间距，ψ为波束水平角度；

所述水平面相位以如下方式确定：

φ_i＝φ₀+i×Δφ

其中，φ_i为第i个天线单元的水平相位，Δφ为水平馈电相位差，φ₀为一常量。

8.根据权利要求7所述的校正方法，其特征在于，相位的俯仰角校正以如下方式确定：

φ_i ^C＝φ_icosθ

其中，φ_i ^C为第i个天线单元的校正相位，θ为俯仰角。