CN106991211A - 面向数字器件量化的变形有源相控阵天线幅相补偿量确定方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了面向数字器件量化的变形有源相控阵天线幅相补偿量确定方法，该方法包括：确定天线阵元理想幅度和阵元理想相位、最小衰减量、最小相移量、天线阵元位置偏移量；基于有源相控阵天线机电耦合补偿模型，计算补偿变形天线电性能的阵元幅度和阵元相位；分别计算阵元幅度与最小衰减量的比值、阵元相位与最小移相器的比值，确定部分阵元量化幅度和量化相位；再分别选取幅度参考阵元和相位参考阵元，更新剩余阵元幅度和阵元相位，并与最小衰减量、最小相移量比较，确定剩余阵元量化幅度和量化相位；最终得到天线幅相补偿量。本发明可在考虑数字器件量化误差的同时，保证天线电性能最优，对有源相控阵天线电性能补偿具有工程指导意义。

Description

面向数字器件量化的变形有源相控阵天线幅相补偿量确定 方法

技术领域

本发明属于天线技术领域，具体是面向数字器件量化的变形有源相控阵天线幅相补偿量确定方法。本发明可用于采用数字器件的变形有源相控阵天线幅相补偿量的确定，改善阵面变形对天线电性能的恶化影响，保障天线可靠服役。

背景技术

有源相控阵雷达已在各种战略、战术雷达中得到广泛适用，成为当今雷达发展的主流。如美国AN/FPS-115相控阵预警雷达，以色列导弹防御系统(TBM)中的EL/M-2080相控阵雷达，我国南京电子技术研究所研制的YLC-6，YLC-2等。采用有源相控阵天线的雷达即为有源相控阵雷达，区别于无源相控阵天线，有源相控阵天线的重要组成部分是与每个阵元相连接的发射/接收组件，即T/R组件。通过控制与每个阵元相连接的T/R组件中数字器件——衰减器和移相器的工作状态，产生不同幅度相位的电磁波，从而控制天线波束形成，实现波束的无惯性高速扫描。

然而，有源相控阵天线严苛的工作环境，如振动、风荷、极端高低温等会使天线阵面产生变形，恶化天线电性能，使天线无法如预期般看得准、望得远。为改善不同工作环境下天线电性能的恶化情况，保障天线可靠服役，可通过调整阵元激励幅相对天线电性能进行补偿。基于有源相控阵天线机电耦合补偿模型，利用阵元位置偏移量与阵元激励幅相之间的数学模型，可对不同阵面变形时补偿天线电性能的阵元幅相进行计算。但受制于数字器件的量化属性，衰减器和移相器并不能连续调幅调相，仅能提供量化的步进量。如k位数字移相器只能以360°/2^k的步进间隔在0～360°范围内提供2^k阶量化的相移量，且不同位数的移相器最小相移量不同，无法根据电性能需求实现相位的任意连续调整，故而会产生相位量化误差，使天线性能偏离预期性能指标。

目前关于数字器件量化幅相确定的方法主要有四舍五入法、取整法、随机幅相法和优化算法求解等。其中，四舍五入法和取整法会产生较大的量化误差，且易形成寄生副瓣；随机幅相是按一定概率密度随机确定进位还是舍尾，该方法只能从统计的角度研究幅相量化误差对电性能的影响，无法确保每次补偿效果均为最优；优化算法是在考虑数字器件位数的基础上进行编码、优化，直接得到最优的量化幅相，耗时且不适用于对已经计算得到的阵元幅相进行量化。

因此，面向数字器件量化问题，针对有源相控阵天线机电耦合补偿模型计算所得的补偿变形天线电性能的阵元幅相，有必要综合考虑天线电性能需求和数字器件量化误差，进而确定阵元量化幅相，实现变形有源相控阵天线电性能的最优补偿，为工程应用带来指导。

发明内容

基于上述问题，本发明提供了面向数字器件量化的变形有源相控阵天线幅相补偿量确定方法，该方法基于有源相控阵天线机电耦合补偿模型，计算补偿变形天线电性能的阵元幅相；通过比较阵元幅相与最小衰减量和最小相移量的关系，先确定部分阵元量化幅相，再进一步选择参考阵元，确定剩余阵元量化幅相，最终得到所有阵元量化幅相及变形有源相控阵天线的幅相补偿量。

本发明是通过下述技术方案来实现的。

实现本发明的技术解决方案是，面向数字器件量化的变形有源相控阵天线幅相补偿量确定方法，该方法包括下述步骤：

(1)根据有源相控阵天线的设计方案，确定天线工作频率和结构参数；

(2)根据有源相控阵天线电性能需求和T/R组件中数字器件属性，确定阵元理想幅度I_n和阵元理想相位衰减器最小衰减量ΔI_min、移相器最小相移量

(3)根据有源相控阵天线的工作环境及天线结构参数，确定天线阵面变形后阵元的位置偏移量；

(4)根据阵元位置偏移量，基于有源相控阵天线机电耦合补偿模型，计算补偿变形天线电性能的阵元幅度I′_n和阵元相位

(5)根据步骤(4)得到的阵元幅度I′_n，计算所有阵元幅度与衰减器最小衰减量的比值，记阵元幅度的商为p_n，阵元幅度的余数为q_n；

(6)判断阵元幅度的余数q_n是否小于最小衰减量的1/3，如果满足判断条件，则可确定该范围内阵元量化幅度；否则，转至步骤(7)；

(7)判断阵元幅度的余数q_n是否大于最小衰减量的2/3，如果满足判断条件，则可确定该范围内阵元量化幅度；否则执行步骤(8)；

(8)根据步骤(6)和(7)已经确定的阵元量化幅度，计算量化幅度与步骤(4)计算的阵元幅度之间的幅度量化误差，将幅度量化误差绝对值最小的阵元作为幅度参考阵元O_I；

(9)利用幅度参考阵元O_I的幅度量化误差，然后更新量化幅度未确定的剩余阵元幅度；

(10)将步骤(9)所得剩余阵元幅度与最小衰减量进行比较，确定剩余阵元量化幅度；

(11)根据步骤(4)得到的阵元相位计算所有阵元相位与移相器最小相移量的比值，记阵元相位的商为s_n，阵元相位的余数为t_n；

(12)判断阵元相位的余数t_n是否小于最小相移量的1/3，如果满足判断条件，则可确定该范围内阵元量化相位；否则，转至步骤(13)；

(13)判断阵元相位的余数t_n是否大于最小相移量的2/3，如果满足判断条件，则可确定该范围内阵元量化相位；否则执行步骤(14)；

(14)根据步骤(12)和(13)已经确定的阵元量化相位，计算量化相位与步骤(4)计算的阵元相位之间的相位量化误差，将相位量化误差绝对值最小的阵元作为相位参考阵元

(15)利用相位参考阵元的相位量化误差，然后更新量化相位未确定的剩余阵元相位；

(16)将步骤(15)所得剩余阵元相位与最小相移量进行比较，确定剩余阵元量化相位；

(17)综合有源相控阵天线的阵元理想幅度和阵元理想相位，以及步骤(6)、(7)、(10)和(12)、(13)、(16)确定的阵元量化幅度和阵元量化相位，得到面向数字器件量化并确保电性能最优的变形天线幅相补偿量。

进一步，所述步骤(1)中根据有源相控阵天线的设计方案，星载有源相控阵天线的工作频率为f，结构参数包括阵元数N、阵列排布形式。

进一步，所述步骤(2)中根据有源相控阵天线的电性能需求及数字器件属性，确定阵元理想幅度I_n和阵元理想相位数字器件中衰减器的最小衰减量ΔI_min＝0.5dB及移相器的位数k，并计算移相器的最小相移量这里，阵元理想幅度I_n和阵元理想相位为天线处于理想工作状态时，衰减器和移相器提供给每个阵元的幅度和相位，单位分别为“dB”和“°”。

进一步，所述步骤(3)中对有源相控阵天线采用实验测量的方法确定阵元在x，y，z方向的位置偏移量ΔR_n＝(Δx_n,Δy_n,Δz_n)。

进一步，所述步骤(4)中计算补偿变形天线电性能的阵元幅度I′_n和阵元相位按照以下步骤进行：

(4a)基于采用快速傅里叶变换建立的有源相控阵天线机电耦合补偿模型，可得阵元位置偏移量与补偿变形天线电性能的激励电流A_n′之间的关系式如下：

式中，A_n表示天线阵元理想激励电流的复数形式，10I_n/20表示将衰减器提供的阵元理想幅度I_n转换为阵元间的归一化幅度，表示将移相器提供的阵元理想相位转换为弧度制单位；λ为有源相控阵天线的工作波长；l表示傅里叶级数变换的序号；表示天线主波束方向的单位矢量，cosα_x、cosα_y、cosα_z分别为天线主波束方向(θ₀,φ₀)与x，y，z之间的方向余弦，具体表示如下：

(4b)根据步骤(4a)得到的激励电流，计算补偿变形天线电性能的阵元幅度I′_n和阵元相位公式如下：

进一步，所述步骤(5)中计算阵元幅度I′_n与衰减器最小衰减量ΔI_min的比值，将商和余数分别存入幅度商矩阵P和幅度余数矩阵Q中，其中P＝{p_n}，Q＝{q_n}。

相应地，所述步骤(11)中计算阵元相位与移相器最小相移量的比值，将商和余数分别存入相位商矩阵S和相位余数矩阵T中，其中S＝{s_n}，T＝{t_n}。

进一步，所述步骤(6)中幅度余数矩阵Q中的元素q_n小于最小衰减量的1/3时，确定阵元量化幅度为I_n″＝p_nΔI_min。

相应地，所述步骤(12)中相位余数矩阵T中的元素t_n小于最小相移量的1/3时，确定阵元量化相位为

进一步，所述步骤(7)中幅度余数矩阵Q中的元素q_n大于最小衰减量的2/3时，确定阵元量化幅度为I_n″＝(p_n+1)ΔI_min。

相应地，所述步骤(13)中相位余数矩阵T中的元素t_n大于最小相移量的2/3时，确定阵元量化相位为

进一步，所述步骤(8)中选取参考阵元O_I按照以下步骤进行：

(8a)根据步骤(6)和步骤(7)已经确定的阵元量化幅度，计算量化幅度I_n″与步骤(4)计算的阵元幅度I′_n之间的幅度量化误差，公式如下：

ΔI′_n＝I″_n-I′_n

(8b)选取幅度量化误差绝对值最小时的阵元作为幅度参考阵元O_I，则参考阵元的幅度量化误差为

相应地，所述步骤(14)按如下过程进行：

(14a)根据步骤(12)和步骤(13)已经确定的阵元量化相位，计算量化相位与步骤(4)计算的阵元相位之间的相位量化误差，公式如下：

(14b)选取相位量化误差绝对值最小时的阵元作为相位参考阵元则参考阵元的相位量化误差为

进一步，所述步骤(9)中将参考阵元的幅度量化误差与量化幅度未确定的剩余阵元幅度叠加，更新剩余阵元幅度为公式如下：

相应地，所述步骤(15)中将参考阵元的相位量化误差与量化相位未确定的剩余阵元相位叠加，更新剩余阵元相位为公式如下：

进一步，所述步骤(10)中确定剩余阵元量化幅度按照以下步骤进行：

(10a)根据步骤(9)得到的剩余阵元幅度更新剩余阵元幅度与最小衰减量之比所得余数；

(10b)若步骤(10a)中余数小于最小衰减量的一半，则阵元量化幅度为I_n″＝p_nΔI_min，否则，阵元量化幅度为I_n″＝(p_n+1)ΔI_min。

相应地，所述步骤(16)按如下过程进行：

(16a)根据步骤(15)得到的剩余阵元相位更新剩余阵元相位与最小相移量之比所得余数；

(16b)若步骤(16a)中余数小于最小相移量的一半，则阵元量化相位为否则，阵元量化相位为

进一步，所述步骤(17)中综合有源相控阵天线阵元理想幅度I_n、阵元理想相位和补偿变形天线电性能的阵元量化幅度I″_n、阵元量化相位计算面向数字器件量化可确保天线电性能最优的变形天线幅相补偿量，公式如下：

本发明与现有技术相比，具有以下特点：

1、本发明基于有源相控阵天线机电耦合补偿模型，根据阵元位置偏移量快速计算补偿变形天线电性能的阵元幅相；进一步考虑了T/R组件中数字器件量化误差对天线电性能的影响，通过比较阵元幅度与衰减器最小衰减量、阵元相位与移相器最小相移量的关系，确定了阵元量化幅相补偿量。该方法在考虑数字器件量化误差的同时，保证天线电性能最优，对有源相控阵天线电性能补偿有工程指导意义。

2、与传统量化幅相确定的方法相比，本发明综合考虑幅相补偿量的计算效率和幅相量化误差对天线电性能的影响，将补偿天线电性能所有阵元量化幅相的确定分区间进行，对不同范围内的阵元幅相分别进行量化，很大程度上减小了由数字器件引起的幅相量化误差对天线电性能的影响。

3、本发明对于待确定量化幅相的剩余阵元，通过选取参考阵元，利用参考阵元的幅相量化误差，更新剩余阵元的幅相，最终确定剩余阵元量化幅相。参考阵元的引入，从阵元间幅相差的方式确定补偿天线电性能的阵元量化幅相，可实现面向数字器件量化的变形天线电性能最优补偿。

附图说明

图1是本发明面向数字器件量化的变形有源相控阵天线幅相补偿量确定方法的流程图；

图2是有源相控阵天线阵列排布示意图；

图3是天线阵元的位置偏移量；

图4是补偿变形天线电性能的阵元幅度；

图5是补偿变形天线电性能的阵元相位；

图6是补偿前后天线的辐射方向图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对发明作进一步的详细说明，但并不作为对发明做任何限制的依据。

参照图1，本发明为面向数字器件量化的变形有源相控阵天线幅相补偿量确定方法，具体步骤如下：

步骤1，确定天线工作频率和结构参数

根据有源相控阵天线的设计方案，确定天线的工作频率为f，结构参数包括阵元数N、阵列排布形式。

步骤2，确定阵元理想幅度和相位、衰减器最小衰减量、移相器最小相移量

根据有源相控阵天线的电性能需求及数字器件属性，确定阵元理想幅度I_n和阵元理想相位数字器件中衰减器的最小衰减量ΔI_min＝0.5dB及移相器的位数k，并计算移相器的最小相移量这里，阵元理想幅度I_n和阵元理想相位为天线处于理想工作状态时，衰减器和移相器提供给每个阵元的幅度和相位，单位分别为“dB”和“°”。

步骤3，确定天线阵面变形后阵元的位置偏移量；

采用实验测量的方法确定有源相控阵天线阵元在x，y，z方向的位置偏移量ΔR_n＝(Δx_n,Δy_n,Δz_n)。

步骤4，计算补偿变形天线电性能的阵元幅度和相位

(4a)基于采用快速傅里叶变换建立的有源相控阵天线机电耦合补偿模型，可得阵元位置偏移量与补偿变形天线电性能的激励电流A′_n之间的关系式如下：

式中，A_n表示天线阵元理想激励电流的复数形式，10I_n/20表示将衰减器提供的阵元理想幅度I_n转换为阵元间的归一化幅度，表示将移相器提供的阵元理想相位转换为弧度制单位；λ为有源相控阵天线的工作波长；l表示傅里叶级数变换的序号；表示天线主波束方向的单位矢量，cosα_x、cosα_y、cosα_z分别为天线主波束方向(θ₀,φ₀)与x，y，z之间的方向余弦，具体表示如下：

(4b)根据步骤(4a)得到的激励电流，计算补偿变形天线电性能的阵元幅度I′_n和阵元相位公式如下：

步骤5，计算所有阵元幅度与衰减器最小衰减量的比值

计算所有阵元幅度I_n′与衰减器最小衰减量ΔI_min的比值，将商p_n和余数q_n分别存入幅度商矩阵P和幅度余数矩阵Q中，其中P＝{p_n}，Q＝{q_n}。

步骤6，判断余数q_n是否小于最小衰减量的1/3

当幅度余数矩阵Q中的元素q_n小于最小衰减量的1/3时，确定阵元量化幅度为I_n″＝p_nΔI_min。

步骤7，判断余数q_n是否大于与最小衰减量的2/3

当幅度余数矩阵Q中的元素q_n大于最小衰减量的2/3时，确定阵元量化幅度为I_n″＝(p_n+1)ΔI_min。

步骤8，选取参考阵元O_I

(8a)根据步骤(6)和步骤(7)已经确定的阵元量化幅度，计算量化幅度I_n″与步骤(4)计算的阵元幅度I′_n之间的幅度量化误差，公式如下：

ΔI′_n＝I″_n-I′_n (4)

(8b)选取幅度量化误差绝对值最小时的阵元作为幅度参考阵元O_I，则参考阵元的幅度量化误差为

步骤9，更新量化幅度未确定的剩余阵元幅度

将参考阵元的幅度量化误差与量化幅度未确定的剩余阵元幅度叠加，更新剩余阵元幅度为公式如下：

步骤10，确定剩余阵元量化幅度

(10a)根据步骤(9)得到的剩余阵元幅度更新剩余阵元幅度与最小衰减量ΔI_min之比所得余数；

(10b)若步骤(10a)中余数小于最小衰减量的一半，则阵元量化幅度为I_n″＝p_nΔI_min，否则，阵元量化幅度为I_n″＝(p_n+1)ΔI_min。

步骤11，计算所有阵元相位与衰减器最小相移量的比值

计算所有阵元相位与移相器最小相移量的比值，将商s_n和余数t_n分别存入相位商矩阵S和相位余数矩阵T中，其中S＝{s_n}，T＝{t_n}。

步骤12，判断余数t_n是否小于与最小相移量的1/3

当相位余数矩阵T中的元素t_n小于最小相移量的1/3时，确定阵元量化相位为

步骤13，判断余数t_n是否大于与最小相移量的2/3

当相位余数矩阵T中的元素t_n大于最小相移量的2/3时，确定阵元量化相位为

步骤14，选取参考阵元

(14a)根据步骤(12)和步骤(13)已经确定的阵元量化相位，计算量化相位与步骤(4)计算的阵元相位之间的相位量化误差，公式如下：

(14b)选取相位量化误差绝对值最小时的阵元作为相位参考阵元则参考阵元的相位量化误差为

步骤15，更新量化相位未确定的剩余阵元相位

将参考阵元的相位量化误差与量化相位未确定的剩余阵元相位叠加，更新剩余阵元相位为公式如下：

步骤16，确定剩余阵元量化相位

(16a)根据步骤(15)得到的剩余阵元相位更新剩余阵元相位与最小相移量之比所得余数；

(16b)若步骤(16a)中余数小于最小相移量的一半，则阵元量化相位为否则，阵元量化相位为

步骤17，确定变形有源相控阵天线的幅相补偿量

综合有源相控阵天线阵元理想幅度I_n、阵元理想相位和补偿变形天线电性能的阵元量化幅度I″_n、阵元量化相位计算面向数字器件量化并可确保天线电性能最优的变形天线幅相补偿量，公式如下：

本发明的优点可通过以下仿真实验进一步说明：

一、确定有源相控阵天线的结构参数、工作频率、理想幅相及T/R组件中数字器件的参数

以工作频率f＝10GHZ、阵元数N＝8的线阵有源相控阵天线为例进行分析，如图2所示。确定天线理想工作状态时，阵元激励为等幅同相激励，即I_n＝0dB、

有源相控阵天线实现波束快速无惯性扫描的关键在于T/R组件中数字器件——衰减器和移相器对阵元幅度和相位的控制。确定T/R组件中衰减器的最小衰减量ΔI_min＝0.5dB，移相器位数为k＝4，计算得，移相器的最小相移量

二、确定阵元位置偏移量并计算补偿变形天线电性能的阵元幅相

2.1固定天线左端，在其右端沿-z方向施加载荷，测量得天线阵面各阵元的位置偏移量为ΔR_n，如图3所示。

2.2基于采用快速傅里叶变换建立的有源相控阵天线机电耦合补偿模型，可知阵元位置偏移量与补偿变形天线电性能的激励电流A′_n之间的关系式如下：

式中，A_n表示天线阵元理想激励电流的复数形式，10I_n/20表示将衰减器提供的阵元理想幅度I_n转换为阵元间的归一化幅度，表示将移相器提供的阵元理想相位转换为弧度制单位；λ为有源相控阵天线的工作波长；l表示傅里叶级数变换的序号；表示天线主波束方向的单位矢量，cosα_x、cosα_y、cosα_z分别为天线主波束方向(θ₀,φ₀)与x，y，z之间的方向余弦，具体表示如下：

2.3根据2.2中计算得到的激励电流，可得补偿变形天线电性能的阵元幅度I′_n和阵元相位公式如下：

当主波束方向为(θ₀,φ₀)＝(0°,0°)时，补偿变形天线电性能的激励电流仅与阵元z方向位置偏移量有关。根据2.1中的阵元位置偏移量，由式(1)和式(3)计算得补偿变形天线电性能的阵元幅度和阵元相位，如表1所示。

表1补偿变形天线电性能的阵元幅度和相位

三、确定阵元量化幅度

3.1计算所有阵元幅度I′_n与衰减器最小衰减量ΔI_min的比值，将商和余数分别存入矩阵P和Q中，其中P＝{p_n}，Q＝{q_n}。

3.2当q_n小于最小衰减量的1/3时，确定阵元量化幅度为I_n″＝p_nΔI_min；当q_n大于最小衰减量的2/3时，确定阵元量化幅度为I_n″＝(p_n+1)ΔI_min。由此可确定阵元1、2、3、4、7的量化幅度，如表2所示。

表2部分阵元量化幅度

3.3确定剩余阵元量化幅度

(3.3a)选取参考阵元并更新剩余阵元幅度

根据3.2中已经确定量化幅度的阵元，计算量化幅度I_n″与阵元幅度I′_n之间的幅度量化误差，公式如下：

ΔI′_n＝I″_n-I′_n

将参考阵元的幅度量化误差与量化幅度未确定的剩余阵元幅度叠加，更新剩余阵元的幅度为公式如下：

由此，可选取幅度量化误差绝对值最小的3号阵元作为参考阵元，其幅度量化误差为更新的阵元幅度

(3.3b)确定剩余阵元量化幅度

根据(3.3a)得到的阵元幅度更新剩余阵元幅度与最小衰减量之比所得余数；若余数小于最小衰减量的一半，则阵元量化幅度为I_n″＝p_nΔI_min，否则，阵元量化幅度为I_n″＝(p_n+1)ΔI_min。由此，可得剩余阵元量化幅度如表3所示。

表3剩余阵元量化幅度

四、确定阵元量化相位

4.1计算所有阵元相位与移相器最小相移量的比值，将商和余数分别存入矩阵S和T中，其中S＝{s_n}，T＝{t_n}。

4.2当t_n小于最小相移量的1/3时，确定阵元量化相位为当t_n大于最小相移量的2/3时，确定阵元量化相位为由此可确定阵元1、2、4、5、6、7的量化相位，如表4所示。

表4部分阵元量化相位

4.3确定剩余阵元量化相位

(4.3a)选取参考阵元并更新剩余阵元相位

根据4.2中已经确定量化相位的阵元，计算量化相位与阵元相位之间的相位量化误差，公式如下：

将参考阵元的相位量化误差与量化相位未确定的剩余阵元相位叠加，更新剩余阵元的相位为公式如下：

由此，可选取相位量化误差绝对值最小的1号阵元作为参考阵元，其相位量化误差为更新的阵元相位

(4.3b)确定剩余阵元量化相位

根据(4.3a)得到的阵元相位更新剩余阵元相位与最小相移量之比所得余数；若余数小于最小相移量的一半，则阵元量化相位为否则，阵元量化相位为由此，可得剩余阵元量化相位如表5所示。

表5剩余阵元量化相位

五、确定变形有源相控阵天线的幅相补偿量

根据有源相控阵天线阵元理想幅度、理想相位和补偿变形天线电性能的阵元量化幅度和量化相位，计算得到面向数字器件量化并确保天线电性能最优的变形天线幅相补偿量，由式(8)得ΔI_n＝I″_n-I_n＝I″_n、即本实施例中变形有源相控阵天线的量化幅相补偿量就是阵元量化幅相。如图4和图5所示。有源相控阵天线补偿前后的电性能对比如图6和表6所示。

表6补偿前后电性能参数对比

从表6中数据可以看出，补偿前：天线增益损失为0.2535dB；波束指向偏差7°；天线左第一副瓣电平和右第一副瓣电平较理想状态均有所抬升。应用本发明中天线幅相补偿量的确定方法对变形天线电性能进行补偿：天线增益和波束指向均达到理想电性能要求，左第一副瓣电平降低1.2473dB，右第一副瓣电平降低0.6024dB，补偿后天线主瓣区域与理想方向图完全吻合，补偿效果良好。

上述仿真实验可以看出，应用本发明提出的方法，可以实现面向数字器件的变形有源相控阵天线幅相补偿量的确定。本发明基于有源相控阵天线机电耦合补偿模型，根据阵元位置偏移量快速计算得补偿变形天线电性能的阵元幅相；通过比较阵元幅度与衰减器最小衰减量、阵元相位与移相器最小相移量的关系，将补偿天线电性能所有阵元幅相的量化分区间进行，对不同范围内的阵元幅相分别进行量化，同时，引入参考阵元的幅相量化误差，最终确定所有阵元量化幅相补偿量。本发明可在考虑数字器件量化误差的同时，保证天线电性能最优，对有源相控阵天线电性能补偿具有工程指导意义。

Claims (10)

1.面向数字器件量化的变形有源相控阵天线幅相补偿量确定方法，包括下述步骤：

(1)根据有源相控阵天线的设计方案，确定天线工作频率和结构参数；

(2)根据有源相控阵天线电性能需求和T/R组件中数字器件属性，确定阵元理想幅度I_n和阵元理想相位衰减器最小衰减量ΔI_min、移相器最小相移量

(3)根据有源相控阵天线的工作环境及天线结构参数，确定天线阵面变形后阵元的位置偏移量；

(4)根据阵元位置偏移量，基于有源相控阵天线机电耦合补偿模型，计算补偿变形天线电性能的阵元幅度I′_n和阵元相位

(5)根据步骤(4)得到的阵元幅度I′_n，计算所有阵元幅度与衰减器最小衰减量的比值，记阵元幅度的商为p_n，阵元幅度的余数为q_n；

(6)判断阵元幅度的余数q_n是否小于最小衰减量的1/3，如果满足判断条件，则可确定该范围内阵元量化幅度；否则，转至步骤(7)；

(7)判断阵元幅度的余数q_n是否大于最小衰减量的2/3，如果满足判断条件，则可确定该范围内阵元量化幅度；否则执行步骤(8)；

(8)根据步骤(6)和(7)已经确定的阵元量化幅度，计算量化幅度与步骤(4)计算的阵元幅度之间的幅度量化误差，将幅度量化误差绝对值最小的阵元作为幅度参考阵元O_I；

(9)利用幅度参考阵元O_I的幅度量化误差，然后更新量化幅度未确定的剩余阵元幅度；

(10)将步骤(9)所得剩余阵元幅度与最小衰减量进行比较，确定剩余阵元量化幅度；

(11)根据步骤(4)得到的阵元相位计算所有阵元相位与移相器最小相移量的比值，记阵元相位的商为s_n，阵元相位的余数为t_n；

(12)判断阵元相位的余数t_n是否小于最小相移量的1/3，如果满足判断条件，则可确定该范围内阵元量化相位；否则，转至步骤(13)；

(13)判断阵元相位的余数t_n是否大于最小相移量的2/3，如果满足判断条件，则可确定该范围内阵元量化相位；否则执行步骤(14)；

(14)根据步骤(12)和(13)已经确定的阵元量化相位，计算量化相位与步骤(4)计算的阵元相位之间的相位量化误差，将相位量化误差绝对值最小的阵元作为相位参考阵元

(15)利用相位参考阵元的相位量化误差，然后更新量化相位未确定的剩余阵元相位；

(16)将步骤(15)所得剩余阵元相位与最小相移量进行比较，确定剩余阵元量化相位；

(17)综合有源相控阵天线的阵元理想幅度和阵元理想相位，以及步骤(6)、(7)、(10)和(12)、(13)、(16)确定的阵元量化幅度和阵元量化相位，得到面向数字器件量化并确保电性能最优的变形天线幅相补偿量。

2.根据权利要求1所述的面向数字器件量化的变形有源相控阵天线幅相补偿量确定方法，其特征在于所述步骤(3)中对有源相控阵天线采用实验测量的方法确定阵元在x，y，z方向的位置偏移量ΔR_n＝(Δx_n,Δy_n,Δz_n)，1≤n≤N(N为有源相控阵天线的阵元数)。

3.根据权利要求1所述的面向数字器件量化的变形有源相控阵天线幅相补偿量确定方法，其特征在于所述步骤(4)按如下过程进行：

(4a)基于采用快速傅里叶变换建立的有源相控阵天线机电耦合补偿模型，可得阵元位置偏移量与补偿变形天线电性能的激励电流A_n′之间的关系式如下：

$A_n^{\′}=\frac{1}{N}\underset{l=1}{\overset{N}{\Σ}}\left\{\underset{n=1}{\overset{N}{\Σ}}\[\left(A_n+j\frac{2\mathrm{\π}}{\mathrm{\λ}}{A}_n\left({\mathrm{\ΔR}}_n-{\mathrm{\ΔR}}_1\right)\·{\hat{r}}_0\right)\exp \left(-j2\mathrm{\π}\frac{nl}{N}\right)\]\right\}\·\exp \left(j2\mathrm{\π}\frac{nl}{N}\right)$

式中，A_n表示天线阵元理想激励电流的复数形式， 表示将衰减器提供的阵元理想幅度I_n转换为阵元间的归一化幅度，表示将移相器提供的阵元理想相位转换为弧度制单位；λ为有源相控阵天线的工作波长；l表示傅里叶级数变换的序号；表示天线主波束方向的单位矢量，cosα_x、cosα_y、cosα_z分别为天线主波束方向(θ₀,φ₀)与x，y，z之间的方向余弦，具体表示如下：

$\left\{\begin{array}{c}{\mathrm{cos\α}}_{x0}={\mathrm{sin\θ}}_0{\mathrm{cos\φ}}_0\\ {\mathrm{cos\α}}_{y0}={\mathrm{sin\θ}}_0{\mathrm{sin\φ}}_0\\ {\mathrm{cos\α}}_{z0}={\mathrm{cos\θ}}_0\end{array}\right.$

(4b)根据步骤(4a)得到的激励电流，计算补偿变形天线电性能的阵元幅度I′_n和阵元相位公式如下：

4.根据权利要求1所述的面向数字器件量化的变形有源相控阵天线幅相补偿量确定方法，其特征在于所述步骤(5)中计算阵元幅度I′_n与衰减器最小衰减量ΔI_min的比值，将商和余数分别存入幅度商矩阵P和幅度余数矩阵Q中，其中P＝{p_n}，Q＝{q_n}；

所述步骤(11)中计算阵元相位与移相器最小相移量的比值，将商和余数分别存入相位商矩阵S和相位余数矩阵T中，其中S＝{s_n}，T＝{t_n}。

5.根据权利要求4所述的面向数字器件量化的变形有源相控阵天线幅相补偿量确定方法，其特征在于所述步骤(6)中幅度余数矩阵Q中的元素q_n小于最小衰减量的1/3时，确定阵元量化幅度为I_n″＝p_nΔI_min；

所述步骤(12)中相位余数矩阵T中的元素t_n小于最小相移量的1/3时，确定阵元量化相位为

6.根据权利要求5所述的面向数字器件量化的变形有源相控阵天线幅相补偿量确定方法，其特征在于所述步骤(7)中幅度余数矩阵Q中的元素q_n大于最小衰减量的2/3时，确定阵元量化幅度为I_n″＝(p_n+1)ΔI_min；

所述步骤(13)中相位余数矩阵T中的元素t_n大于最小相移量的2/3时，确定阵元量化相位为

7.根据权利要求1所述的面向数字器件量化的变形有源相控阵天线幅相补偿量确定方法，其特征在于所述步骤(8)按如下过程进行：

(8a)根据步骤(6)和步骤(7)已经确定的阵元量化幅度，计算阵元量化幅度I_n″与步骤(4)计算的阵元幅度I′_n之间的幅度量化误差，公式如下：

ΔI′_n＝I″_n-I′_n

(8b)选取幅度量化误差绝对值最小时的阵元作为幅度参考阵元O_I，则参考阵元的幅度量化误差为

所述步骤(14)按如下过程进行：

(14a)根据步骤(12)和步骤(13)已经确定的阵元量化相位，计算阵元量化相位与步骤(4)计算的阵元相位之间的相位量化误差，公式如下：

(14b)选取相位量化误差绝对值最小时的阵元作为相位参考阵元则参考阵元的相位量化误差为

8.根据权利要求7所述的面向数字器件量化的变形有源相控阵天线幅相补偿量确定方法，其特征在于所述步骤(9)中将参考阵元的幅度量化误差与量化幅度未确定的剩余阵元幅度叠加，更新剩余阵元幅度为公式如下：

$I_n^{\′new}=I_n^{\′}+{\mathrm{\ΔI}}_{O_I}^{\′};$

所述步骤(15)中将参考阵元的相位量化误差与量化相位未确定的剩余阵元相位叠加，更新剩余阵元相位为公式如下：

9.根据权利要求8所述的面向数字器件量化的变形有源相控阵天线幅相补偿量确定方法，其特征在于所述步骤(10)按如下过程进行：

(10a)根据步骤(9)得到的剩余阵元幅度更新剩余阵元幅度与最小衰减量ΔI_min之比所得余数；

(10b)若步骤(10a)中余数小于最小衰减量的一半，则阵元量化幅度为I_n″＝p_nΔI_min，否则，阵元量化幅度为I_n″＝(p_n+1)ΔI_min；

所述步骤(16)按如下过程进行：

(16a)根据步骤(15)得到的剩余阵元相位更新剩余阵元相位与最小相移量之比所得余数；

(16b)若步骤(16a)中余数小于最小相移量的一半，则阵元量化相位为否则，阵元量化相位为

10.根据权利要求1所述的面向数字器件量化的变形有源相控阵天线幅相补偿量确定方法，其特征在于所述步骤(17)中综合有源相控阵天线阵元理想幅度I_n、阵元理想相位和补偿变形天线电性能的阵元量化幅度I″_n、阵元量化相位计算面向数字器件量化可确保天线电性能最优的变形天线幅相补偿量，公式如下：