CN105911531B - 一种用于相控阵天线现场校准的装置 - Google Patents
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Abstract
本发明属于微波近场测量领域，具体涉及一种用于相控阵天线现场校准的装置，包括光学探针阵列和信号处理系统；所述光学探针阵列通过固定机架架设在相控阵天线阵面上,阵列中的每个光学探针对应一个天线单元,并精确控制各个光学探针与天线单元之间的距离及其一致性,光学探针阵列通过保偏光纤与信号处理系统相连，天线阵面的激励由信号处理系统中的激励信号源经过定向耦合器的直通端提供。光学探针阵列不含金属器件，不会影响雷达天线的近场辐射场，保证了测量的真实性；同时探针与天线单元的距离靠的很近，使其不受电磁场在地面及物体反射等产生的多路径效应以及天线单元之间存在的耦合效应等干扰的影响，保障了测试的准确性。
Description
技术领域
本发明属于微波近场测量领域，具体涉及一种用于相控阵天线现场校准的装置。
背景技术
相控阵雷达以拥有相控阵天线而得名，其在国土防空、导弹防御系统及舰载、机载和星载火控、预警系统等军事领域，乃至在射电天文、卫星通信、气象水文、空中交通管制、地球勘探和生物医学等国民经济诸部门的广泛应用，日益受世人的关注和重视。相控阵天线阵面一般较大，其中许多器件的制造和组装都有公差,以及天线单元间互耦的影响,常常使各通道呈现出相当大的幅相误差,从而引起相控阵天线增益的下降、副瓣的升高甚至波束倾斜。在现代相控阵雷达中，如何能快速准确地确定天线单元的幅相激励，并能诊断出单元的故障，是保证相控阵雷达性能的重要环节，具有重要的意义。
通常相控阵雷达天线在设计生产完成后需要在微波暗室中进行检测，但一方面微波暗室室内检测与天线实际使用环境存在较大差异，因此在雷达的工作环境中对雷达天线进行现场校准对掌握雷达的实际性能参数是十分必要的；另一方面，相控阵雷达天线在实际使用中需要面临雷达快速拆撤、转移后快速布设的情况，必须进行现场校准的情况；此外，服役状态的天线在长期工作后将产生器件老化、热变形以及机械形变等问题，引起天线的幅相误差，因此在天线的整个服役生命周期中，都需要对天线进行定期的检测与校准。
相控阵雷达天线现场检测及校准方法大致分为远场校准和近场校准两种方式，远场校准时，需要特定的测试环境(远距离测试场)，并在几个预定角度上测出天线辐射场幅相信息，再计算获得天线口径场的幅相分布。这种方法受限于测试场地要求，并且测试过程中容易受到环境散射及多路径效应的影响，往往具有较大的误差，实际环境中使用难度较大；通常的近场校准采用开口波导、偶极子天线、喇叭天线作为接收天线，但对相控阵雷达天线单元辐射场进行测量时，这些接收天线尺寸较大，既不能满足与发射天线单元一一对应，也不能解决相邻天线单元的耦合场问题。专利CN 102472785和专利CN 103105541B均公开了一种用于电磁场近场测量的方法和装置，通过近场探头测量电磁场变化引起的光强变化得到天线单元近场辐射电磁场的信息，该技术结构紧凑、工作稳定、系统兼容性强，但这些技术只能测得电磁场的幅度信息，无法满足相控阵天线阵面幅度和相位同时校准的需求，同时上述两个专利公开的方法探针个数有限且每个探针均需一条微波信号处理链路来实现电磁信号的输出，不适合相控阵天线阵面大量天线单元的辐射场的校准和测量，因此十分需要一种更为精确快捷的现场校准装置来对相控阵雷达天线进行现场校准
发明内容
本发明的目的是提供一种基于光学探针阵列的相控阵雷达天线现场校准的装置，利用光学探针对被测场干扰小、测量精度高、空间分辨率高等优点，通过对相控阵天线单元的近场辐射特性的准确测量，实现对工作模式下相控阵天线的幅相校准和功效评估。
为实现上述目的，本发明提供了以下技术方案：一种用于相控阵天线现场校准的装置，包括光学探针阵列和信号处理系统；所述光学探针阵列通过固定机架架设在相控阵天线阵面上,阵列中的每个光学探针对应一个天线单元,并精确控制各个光学探针与天线单元之间的距离及其一致性,光学探针阵列通过保偏光纤与信号处理系统相连；
所述信号处理系统包括激光器、光环行器、光开关、光电探测器、第一混频器和第二混频器、射频信号源、锁相放大器；相控阵天线阵面的激励信号源输出分为两部分，一部分直接输送给天线阵面作为天线阵面激励信号；另一部分信号与另一混频信号源的输出信号通过第一混频器进行混频后产生中频信号输送给锁相放大器作为参考信号；自探针返回的光信号经光电转换后与混频信号源的另一输出信号经过第二混频器下变频后产生的中频信号进入到锁相放大器信号输入端，上述两个中频信号进行锁相积分放大后，便可获得天线单元近场辐射的振幅和相位信息光电探测器光电探测器；
优选的，装置中所用的传输光纤和光无源器件均采用保偏结构；
优选的，所述光学探针的外壁为玻璃管，入射激光通过光学探针中的准直透镜聚焦准直后，再经过起偏器和波片入射到电光晶体，电光晶体在天线单元的近场辐射电场的作用下产生电光效应，其光学折射率分布发生变化，从而导致在其中传输的激光的偏振特性随着天线单元的辐射场变化，从而将天线单元的辐射近场信号调制到激光光束上，光束在入射到高反射率介质片后被反射，从而使得载有辐射电场幅相信息的激光光束经过保偏光纤进入到信号处理系统中；
优选的，所述激光器发射的激光信号通过光环行器进入到光开关，在系统软件的控制下，光开关进行快速切换将光束导入到与之相连的光学探针阵列中的任一探针单元，从而可实现对待测阵面的天线单元的依次测量；
优选的，经过探针反射回来的载有天线单元近场信息的激光光束经过光环行器进入到光电探测器后被转换为微波信号并进入到第二混频器的射频端,混频信号源输出的射频信号经过功分器一分为二,一路输出连接到第一混频器的本振端,另一路连接到第二混频器的本振端,第二混频器的中频信号输出端连接到锁相放大器的信号输入端。
本发明的技术效果在于：光学探针阵列不含金属器件，不会影响雷达天线的近场辐射场，保证了测量的真实性；同时探针与天线单元的距离靠的很近，使其不受电磁场在地面及物体反射等产生的多路径效应以及天线单元之间存在的耦合效应等干扰的影响，保障了测试的准确性；并且装置架设安装方便，采用阵列式探针测量，可实现天线单元得幅度和相位的同时测量，十分适合相控阵雷达阵面的现场快速校准。
附图说明
图1是本发明装置的结构示意图；
图2是本发明中光学探针的结构示意图。
具体实施方式
如图1所示，一种用于相控阵天线现场校准的装置包括光学探针阵列2和信号处理系统15；所述光学探针阵列2通过固定机架架设在相控阵天线阵面1上,光学探针阵列2中的每个光学探针对应一个天线单元,并精确控制各个探针与天线单元之间的距离及其一致性,光学探针阵列通过保偏光纤3与信号处理系统15相连。
为防止天线阵面过强的电磁干扰信号进入信号处理系统而影响其内部其他电子器件的正常工作,系统采用一段较长的保偏光纤用以连接光学探针阵列和信号处理系统，使得信号处理系统远离雷达发射阵面，减小雷达信号干扰测量的准确性。同时为防止激光的偏振态在光纤和光器件的传输过程中由于外界扰动等因素发生变化影响测量结果的精度，系统中所用的传输光纤和光无源器件均采用保偏结构。
图2为所述光学探针阵列2中单个光学探针的结构示意图,探针的外壁为玻璃管21，入射激光通过光学探针中的准直透镜16聚焦准直后，再经过起偏器17和波片18入射到电光晶体19，电光晶体19在天线单元得近场辐射电场的作用下产生电光效应，其光学折射率分布发生变化，从而导致在其中传输的激光的偏振特性随着天线单元的辐射场变化，从而将天线单元的辐射近场信号调制到激光光束上，光束在入射到高反射率介质片20后被反射，从而使得载有辐射电场幅相信息的激光光束经过保偏光纤3进入到信号处理系统15中。
光学探针通过利用电光晶体在天线单元近场辐射场作用下的泡科尔斯效应，使得在晶体中传输的光束的偏振态发生改变，从而天线单元发射的电场对光信号进行调制，调制后的光信号反射回到后端信号处理系统中进行光电变换、外差检测、信号处理等功能来获得天线单元的幅相信息。由于相控阵的天线单元一般较多，为了能够快速、便捷的对天线阵面进行现场校准，将多个探针组成探针阵列近距离架设在天线阵面上，通过信号处理系统中光开关进行切换用以节省测量时间，实现天线阵面快速校准，同时多路光学探针共用一条微波信号处理链路，有利于减小测量装置的复杂度和体积。
优选的，所述信号处理系统15可提供光路选择、光电变换、外差检测以及信号处理等功能。光源6发射的激光信号通过光环行器5进入到光开关4，在系统软件的控制下，光开关可以进行快速切换将光束导入到与之相连的光学探针阵列中的任一探针单元，从而可实现对待测阵面的天线单元的依次测量。
经过探针反射回来的载有天线单元近场信息的激光光束经过光环行器5进入到光电探测器7后被转换为微波信号并进入到第二混频器8的射频端,混频信号源11输出的射频信号经过功分器10一分为二,一路输出连接到第二混频器8的本振端,另一路连接到第一混频器12的本振端,第二混频器8的中频信号输出端连接到锁相放大器9的信号输入端。由于锁相放大器对输入信号的频率要求两百兆赫兹以下，所以混频信号源11和激励信号源13的输出微波信号频率相近，频率间隔低于两百兆赫兹。在锁相放大器9中，第二混频器8的中频输出信号和第一混频器12提供的中频输出参考信号进行比相和放大，最后得到被测天线单元电磁场的相对幅度和相对相位信息数据，从而实现对天线阵面各个天线单元的近场测量校准。
Claims (5)
1.一种用于相控阵天线现场校准的装置，其特征在于：包括光学探针阵列和信号处理系统；所述光学探针阵列通过固定机架架设在相控阵天线阵面上,阵列中的每个光学探针对应一个天线单元,并精确控制各个光学探针与天线单元之间的距离及其一致性,光学探针阵列通过保偏光纤与信号处理系统相连；
所述信号处理系统包括激光器、光环行器、光开关、光电探测器、第一混频器和第二混频器、射频信号源、锁相放大器；相控阵天线阵面的激励信号源输出分为两部分，一部分直接输送给天线阵面作为天线阵面激励信号；另一部分信号与另一混频信号源的输出信号通过第一混频器进行混频后产生中频信号输送给锁相放大器作为参考信号；自探针返回的光信号经光电转换后与混频信号源的另一输出信号经过第二混频器下变频后产生的中频信号进入到锁相放大器信号输入端，上述两个中频信号进行锁相积分放大后，便可获得天线单元近场辐射的振幅和相位信息。
2.根据权利要求1所述的用于相控阵天线现场校准的装置，其特征在于：装置中所用的传输光纤和光无源器件均采用保偏结构。
3.根据权利要求1所述的用于相控阵天线现场校准的装置，其特征在于：所述光学探针的外壁为玻璃管，入射激光通过光学探针中的准直透镜聚焦准直后，再经过起偏器和波片入射到电光晶体，电光晶体在天线单元的近场辐射电场的作用下产生电光效应，其光学折射率分布发生变化，从而导致在其中传输的激光的偏振特性随着天线单元的辐射场变化，从而将天线单元的辐射近场信号调制到激光光束上，光束在入射到高反射率介质片后被反射，从而使得载有辐射电场幅相信息的激光光束经过保偏光纤进入到信号处理系统中。
4.根据权利要求1所述的用于相控阵天线现场校准的装置，其特征在于：所述激光器发射的激光信号通过光环行器进入到光开关，在系统软件的控制下，光开关进行快速切换将光束导入到与之相连的光学探针阵列中的任一探针单元，从而可实现对待测阵面的天线单元的依次测量。
5.根据权利要求4所述的用于相控阵天线现场校准的装置，其特征在于：经过探针反射回来的载有天线单元近场信息的激光光束经过光环行器进入到光电探测器后被转换为微波信号并进入到第二混频器的射频端,混频信号源输出的射频信号经过功分器一分为二,一路输出连接到第一混频器的本振端,另一路连接到第二混频器的本振端,第二混频器的中频信号输出端连接到锁相放大器的信号输入端。
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