CN106324573A - 一种适用于平板端射阵列天线的幅相误差校正方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种适用于平板端射阵列天线的幅相误差校正方法，包括：（1）搭建幅相误差校正系统；（2）布置暗室测试场景；（3）执行校正操作：基于设定好的测试系统参数，进行接收内校、发射内校、接收外校、发射外校操作，同时记录测试结果；（4）计算幅相误差补偿系数：根据近场扫描探头的位置，计算由于传播路径不同导致的平板端射阵列天线各通道传输信号的幅度相位差异；然后，结合内校和外校测试数据，计算平板端射阵列天线各通道接收和发射的幅相误差补偿系数；（5）波瓣测试验证。本发明可以精确的校正平板端射阵列天线各通道的幅相误差，提高平板端射阵在实际应用中的天线性能；采用数字技术来实现幅相误差，可移植性强，控制灵活。

Description

一种适用于平板端射阵列天线的幅相误差校正方法

技术领域

本发明涉及数字阵列雷达系统技术领域，尤其是一种适用于平板端射阵列天线的幅相误差校正方法。

背景技术

对于数字阵列雷达系统来说，接收波束形成通过加权的方式消除入射信号到不同天线单元的相位差，实现各通道信号的同相叠加，使接收增益在目标方向上达到最大；发射波束形成通过对各个通道发射信号的相位进行控制，使发射的方向增益在某一个方向上达到最大，即在该方向上形成一个波束。接收和发射波束形成的基本条件是要求通道具有一定的平稳性，以及各个通道间的幅度和相位保持一致。

然而，在实际应用中，由于天线安装精度有限、环境变化等因素的影响，各通道间的幅度和相位无法保证完全一致。总的来说，通道幅相误差可大致分为两种：随机误差和固定误差。对于随机误差来说，由于雷达收发系统中某些器件的特性会随着外界环境的变化而变化，导致各通道的幅相也随之变化，无法保持一致，每次雷达开机都会变化。而固定误差是由天线阵列的不一致所引起的，一旦天线安装结束，由天线单元安装误差、射频电缆的长度不同而引起的通道间幅相误差的差异基本不变，不用每次雷达开机时都校正。实际雷达系统中，随机误差和固定误差综合起来影响各通道幅相的一致性，最终导致波束形成效果不佳。

为保证阵列雷达系统的性能，需要对由随机误差和固定误差综合导致的通道幅相误差进行校正，消除通道间幅相误差。目前，大多数幅相误差校正方法都是针对传统的边射阵雷达系统，并不适用于端射阵雷达。所谓的边射阵是指天线的波束指向垂直于天线阵面，而端射阵的波束指向沿着天线阵面的轴向。因此，传统的边射阵幅相误差校正方法不能直接用于对端射阵列天线雷达系统的幅相误差校正。此外，由于端射阵列天线的实现形式多种多样，因此不同端射阵列天线系统的幅相误差校正方法也不尽相同。目前，尚未有针对平板端射阵列天线雷达系统的幅相误差校正方法。

发明内容

本发明的目的在于提供一种能够消除由于随机误差和固定误差综合导致的平板端射阵列天线各收发通道之间的幅相差异，提高平板端射阵在实际应用中的天线性能的适用于平板端射阵列天线的幅相误差校正方法。

为实现上述目的，本发明采用了以下技术方案：一种适用于平板端射阵列天线的幅相误差校正方法，该方法包括下列顺序的步骤：

(1)搭建幅相误差校正系统：根据平板端射阵列天线的规模，设计相应的校正网络、校正分机、收发系统、电源系统、信号与数据处理系统，然后连接组成平板端射阵列天线有源系统；

(2)布置暗室测试场景：设置近场采样面到天线结构的距离；根据被测天线结构尺寸，设置近场扫描探头采样平面尺寸；设置近场采样间隔；设置测试频率；设置近场扫描探头的极化方式；

(3)执行校正操作：基于设定好的测试系统参数，进行接收内校、发射内校、接收外校、发射外校操作，同时记录测试结果；

(4)计算幅相误差补偿系数：根据近场扫描探头的位置，计算由于传播路径不同导致的平板端射阵列天线各通道传输信号的幅度相位差异；然后，结合内校和外校测试数据，计算平板端射阵列天线各通道接收和发射的幅相误差补偿系数；

(5)波瓣测试验证：近场扫描探头在预先规划好的区域内依次通过各个预设采样位置进行扫描，平板端射阵列天线接收每个采样位置处近场扫描探头发射的信号，得到近场采样数据；将幅相误差补偿系数代入近场采样数据进行波束合成，得到平板端射阵列天线的近场幅相分布，进一步通过暗室测试系统将近场幅相分布转换成远场方向图。

在步骤(1)中，所述校正网络由多个相互连通的耦合单元组成，用于接收内校和发射内校的信号传输；每个耦合单元含有两个端口，一个端口连接天线单元，另一个端口连接收发系统的收发通道；所有互联的耦合单元通过一个总口与校正分机相连；

所述校正分机在接收内校和发射内校时与校正网络相连，用于通过校正网络发射和接收测试信号；在接收外校和发射外校时与近场扫描探头连接，用于通过近场扫描探头发射和接收测试信号；

所述收发系统将平板端射阵列天线接收的电磁信号转化为信号处理及数据处理系统可以处理的数字信号；产生标准的测试信号并通过平板端射阵列天线发射出去；根据天线单元数，确定所需的收发通道数，每个天线单元对应一个收发通道，从而确定收发系统的规模；

所述信号与数据处理系统用于控制测试信号的发射和接收，以及幅相误差系数的计算、波束形成。

在步骤(2)中，设置近场采样面到天线结构的距离为L＝Nλ，其中λ为发射信号波长，N为3～5，根据被测天线结构尺寸，设置近场扫描探头采样面的尺寸，使得采样面边界处的电平低于中心处30dB～40dB，近场采样间隔设置为dx≤λ/2，dy≤λ/2,；设置近场扫描探头的测试频率为平板端射阵列天线的中心频率，极化方式与平板端射阵列天线的极化方式一致。

在步骤(3)中，放置端射天线面对近场扫描探头，使其端射方向与近场扫描探头的扫描平面垂直，外校时，近场扫描探头从第一行的天线单元开始按顺序依次对准每个天线单元方向图的上翘方向，其中每行天线单元的上翘方向一致，最终形成扫描平面及探头运行轨迹；小黑点的位置与天线单元的方向图上翘方向一一对应；所述小黑点是近场扫描探头运动过程中所停留的位置，具体是指近场扫描探头在扫描过程中，运动到小黑点所示的位置时会做短暂的停留，用于发射或者接收信号；

在接收内校时，校正分机连接校正网络，发射测试信号，收发系统接收信号，得到每个收发通道的接收数据，用JAi表示第i个收发通道的接收数据；

在发射内校时，校正分机连接校正网络，收发通道依次发射测试信号，校正分机依次接收每个收发通道的发射信号，得到每个收发通道的发射数据，用FAi表示校正分机接收的第i个收发通道的发射数据；

在接收外校时，校正分机连接近场扫描探头，测试探头按照预先设定的轨迹运动；在每个小黑点处，探头发射测试信号，对应的天线单元接收信号；用JBi表示第i个收发通道的接收数据；

在发射外校时，校正分机连接近场扫描探头，测试探头按照预先设定的轨迹运动；在每个小黑点处，对应的天线单元发射测试信号，探头接收信号，用FBi表示校正分机接收的第i个收发通道的发射数据

由上述技术方案可知，本发明的优点在于：第一，本发明可以精确的校正平板端射阵列天线各通道的幅相误差，提高平板端射阵在实际应用中的天线性能；第二，本发明通过采用数字技术来实现幅相误差，具有可移植性强，控制灵活的优点；第三，与无源测试不同，本发明采用有源系统进行天线测试，获得的幅相误差数据更加精确；第四，本发明采用程序化的操作方法进行幅相误差校正，系统一旦搭建好，设置好相应的参数，自动完成各项操作，具有效率高的优点。

附图说明

图1是本发明中暗室测试场景示意图；

图2是本发明中近场扫描探头外校时的扫描过程示意图；

图3是本发明中近场扫描探头波瓣测试时的扫描过程示意图；

图4、图5是应用本发明对平板端射阵列天线的波瓣测试结果，其中图4是方位向的方向图，图5是俯仰向的方向图。

具体实施方式

一种适用于平板端射阵列天线的幅相误差校正方法，该方法包括下列顺序的步骤：

(1)搭建幅相误差校正系统：根据平板端射阵列天线的规模，设计相应的校正网络、校正分机、收发系统、电源系统、信号与数据处理系统，然后连接组成平板端射阵列天线有源系统；

(2)布置暗室测试场景：如图1所示，设置近场采样面到天线结构的距离；根据被测天线结构尺寸，设置近场扫描探头采样平面尺寸；设置近场采样间隔；设置测试频率；设置近场扫描探头的极化方式；近场扫描探头在本发明中以下简称探头；

(3)执行校正操作：基于设定好的测试系统参数，进行接收内校、发射内校、接收外校、发射外校操作，同时记录测试结果；

(4)计算幅相误差补偿系数：根据近场扫描探头的位置，计算由于传播路径不同导致的平板端射阵列天线各通道传输信号的幅度相位差异；然后，结合内校和外校测试数据，计算平板端射阵列天线各通道接收和发射的幅相误差补偿系数；

(5)波瓣测试验证：近场扫描探头在预先规划好的区域内依次通过各个预设采样位置进行扫描，平板端射阵列天线接收每个采样位置处近场扫描探头发射的信号，得到近场采样数据；将幅相误差补偿系数代入近场采样数据进行波束合成，得到平板端射阵列天线的近场幅相分布，进一步通过暗室测试系统4将近场幅相分布转换成远场方向图。暗室内的暗室测试系统4，可以将天线的近场采样数据转化成远场的方向图。

如图1所示，吸波材料1、探头2、采样架3是暗室固有的设备，其中吸波材料1贴满整个暗室的墙面、天花板、地面，同时天线单元5周围也布置满吸波材料1。探头2安装在采样架3上，通过控制采样架3的运动来移动探头2。暗室测试系统4是一套用于控制采样架3移动、分析采样数据以及产生控制信号的软件和硬件系统统称，是暗室的专用测试设备。

在步骤(1)中，所述校正网络由多个相互连通的耦合单元组成，用于接收内校和发射内校的信号传输；每个耦合单元含有两个端口，一个端口连接天线单元5，另一个端口连接收发系统的收发通道；所有互联的耦合单元通过一个总口与校正分机相连；

所述校正分机在接收内校和发射内校时与校正网络相连，用于通过校正网络发射和接收测试信号；在接收外校和发射外校时与近场扫描探头连接，用于通过近场扫描探头发射和接收测试信号；

所述收发系统将平板端射阵列天线接收的电磁信号转化为信号处理及数据处理系统可以处理的数字信号；产生标准的测试信号并通过平板端射阵列天线发射出去；根据天线单元数，确定所需的收发通道数，每个天线单元5对应一个收发通道，从而确定收发系统的规模；

所述信号与数据处理系统用于控制测试信号的发射和接收，以及幅相误差系数的计算、波束形成。

在步骤(2)中，设置近场采样面到天线结构的距离为L＝Nλ，其中λ为发射信号波长，N为3～5，根据被测天线结构尺寸，设置近场扫描探头采样面的尺寸，使得采样面边界处的电平低于中心处30dB～40dB，近场采样间隔设置为dx≤λ/2，dy≤λ/2,；设置近场扫描探头的测试频率为平板端射阵列天线的中心频率，极化方式与平板端射阵列天线的极化方式一致。

在步骤(3)中，如图2所示，放置端射天线面对近场扫描探头，使其端射方向与近场扫描探头的扫描平面垂直。外校时，近场扫描探头从第一行的天线单元5开始按顺序依次对准每个天线单元5方向图的上翘方向，其中每行天线单元5的上翘方向一致，最终形成如图2所示的扫描平面及探头运行轨迹。图2中的小黑点的位置与天线单元5的方向图上翘方向一一对应，例如探头扫描的位置a对准天线单元51方向图的上翘方向，探头会在每个小黑点处与对应的天线单元5相互传输信号。所述小黑点是近场扫描探头运动过程中所停留的位置，具体是指近场扫描探头在扫描过程中，运动到小黑点所示的位置时会做短暂的停留，用于发射或者接收信号。

如图3所示，波瓣测试时，近场扫描探头在预设的扫描平面上按照预设的轨迹运动。探头在扫描平面上按照从左到右、从上到下的顺序运动，运动至每个小黑点的位置时，与天线阵面相互传输信号。

在接收内校时，校正分机连接校正网络，发射测试信号，收发系统接收信号，得到每个收发通道的接收数据，用JAi表示第i个收发通道的接收数据；

在发射内校时，校正分机连接校正网络，收发通道依次发射测试信号，校正分机依次接收每个收发通道的发射信号，得到每个收发通道的发射数据，用FAi表示校正分机接收的第i个收发通道的发射数据；

在接收外校时，如图2所示，校正分机连接近场扫描探头，测试探头按照预先设定的轨迹运动；在每个小黑点处，探头发射测试信号，对应的天线单元5接收信号；用JBi表示第i个收发通道的接收数据；

在发射外校时，如图2所示，校正分机连接近场扫描探头，测试探头按照预先设定的轨迹运动；在每个小黑点处，对应的天线单元5发射测试信号，探头接收信号，用FBi表示校正分机接收的第i个收发通道的发射数据

外校时，以第一个天线单元到近场扫描探头的距离为基准，用Ci表示第i个天线单元到近场扫描探头传播路径不同所引起的传输信号的幅度相位差异，则第i个收发通道的接收和发射的校正系数分别计算为JDi＝JAi*Ci/JBi和FDi＝FAi*Ci/FBi。

波瓣测试步骤：如图3所示，近场扫描探头在预设扫描区域内按预先规划好的扫描轨迹进行运动和数据采样。在每个小黑点处，平板端射阵列天线接收近场扫描探头的发射信号，得到近场采样数据。将幅相误差补偿系数代入近场采样数据进行波束合成，得到平板端射阵列天线的近场幅相分布，进一步通过暗室测试系统4将近场幅相分布转换成远场方向图。如图4、图5所示，波瓣测试的结果符合平板端射阵列天线的方向图特性，验证了本发明所提出方法的有效性。

本发明针对平板端射阵列天线的特点，通过合理搭建测试系统、优化设计探头扫描路径、以及采用数字处理的方法，解决了传统校正方法无法有效进行平板端射阵列天线幅相误差校正的难题，提高平板端射阵在实际应用中的天线性能。通过暗室测试实验，证明了该方法的有效性，在实际应用中取得了良好的效果。

Claims (4)

1.一种适用于平板端射阵列天线的幅相误差校正方法，该方法包括下列顺序的步骤：

(1)搭建幅相误差校正系统：根据平板端射阵列天线的规模，设计相应的校正网络、校正分机、收发系统、电源系统、信号与数据处理系统，然后连接组成平板端射阵列天线有源系统；

(2)布置暗室测试场景：设置近场采样面到天线结构的距离；根据被测天线结构尺寸，设置近场扫描探头采样平面尺寸；设置近场采样间隔；设置测试频率；设置近场扫描探头的极化方式；

(3)执行校正操作：基于设定好的测试系统参数，进行接收内校、发射内校、接收外校、发射外校操作，同时记录测试结果；

(4)计算幅相误差补偿系数：根据近场扫描探头的位置，计算由于传播路径不同导致的平板端射阵列天线各通道传输信号的幅度相位差异；然后，结合内校和外校测试数据，计算平板端射阵列天线各通道接收和发射的幅相误差补偿系数；

(5)波瓣测试验证：近场扫描探头在预先规划好的区域内依次通过各个预设采样位置进行扫描，平板端射阵列天线接收每个采样位置处近场扫描探头发射的信号，得到近场采样数据；将幅相误差补偿系数代入近场采样数据进行波束合成，得到平板端射阵列天线的近场幅相分布，进一步通过暗室测试系统将近场幅相分布转换成远场方向图。

2.根据权利要求1所述的适用于平板端射阵列天线的幅相误差校正方法，其特征在于：在步骤(1)中，所述校正网络由多个相互连通的耦合单元组成，用于接收内校和发射内校的信号传输；每个耦合单元含有两个端口，一个端口连接天线单元，另一个端口连接收发系统的收发通道；所有互联的耦合单元通过一个总口与校正分机相连；

所述校正分机在接收内校和发射内校时与校正网络相连，用于通过校正网络发射和接收测试信号；在接收外校和发射外校时与近场扫描探头连接，用于通过近场扫描探头发射和接收测试信号；

所述收发系统将平板端射阵列天线接收的电磁信号转化为信号处理及数据处理系统可以处理的数字信号；产生标准的测试信号并通过平板端射阵列天线发射出去；根据天线单元数，确定所需的收发通道数，每个天线单元对应一个收发通道，从而确定收发系统的规模；所述信号与数据处理系统用于控制测试信号的发射和接收，以及幅相误差系数的计算、波束形成。

3.根据权利要求1所述的适用于平板端射阵列天线的幅相误差校正方法，其特征在于：在步骤(2)中，设置近场采样面到天线结构的距离为L＝Nλ，其中λ为发射信号波长，N为3～5，根据被测天线结构尺寸，设置近场扫描探头采样面的尺寸，使得采样面边界处的电平低于中心处30dB～40dB，近场采样间隔设置为dx≤λ/2，dy≤λ/2,；设置近场扫描探头的测试频率为平板端射阵列天线的中心频率，极化方式与平板端射阵列天线的极化方式一致。

4.根据权利要求1所述的适用于平板端射阵列天线的幅相误差校正方法，其特征在于：在步骤(3)中，放置端射天线面对近场扫描探头，使其端射方向与近场扫描探头的扫描平面垂直，外校时，近场扫描探头从第一行的天线单元开始按顺序依次对准每个天线单元方向图的上翘方向，其中每行天线单元的上翘方向一致，最终形成扫描平面及探头运行轨迹；小黑点的位置与天线单元的方向图上翘方向一一对应；所述小黑点是近场扫描探头运动过程中所停留的位置，具体是指近场扫描探头在扫描过程中，运动到小黑点所示的位置时会做短暂的停留，用于发射或者接收信号；

在接收内校时，校正分机连接校正网络，发射测试信号，收发系统接收信号，得到每个收发通道的接收数据，用JAi表示第i个收发通道的接收数据；

在发射内校时，校正分机连接校正网络，收发通道依次发射测试信号，校正分机依次接收每个收发通道的发射信号，得到每个收发通道的发射数据，用FAi表示校正分机接收的第i个收发通道的发射数据；

在接收外校时，校正分机连接近场扫描探头，测试探头按照预先设定的轨迹运动；在每个小黑点处，探头发射测试信号，对应的天线单元接收信号；用JBi表示第i个收发通道的接收数据；

在发射外校时，校正分机连接近场扫描探头，测试探头按照预先设定的轨迹运动；在每个小黑点处，对应的天线单元发射测试信号，探头接收信号，用FBi表示校正分机接收的第i个收发通道的发射数据。