CN108809447B - 一种相控阵天线的幅相校准方法 - Google Patents

一种相控阵天线的幅相校准方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种相控阵天线的幅相校准方法，包括如下步骤：S1：测得初始采样点的待测辐射单元与参考辐射单元的合矢量功率；S2：改变待测辐射单元的相移量，测得合矢量功率，直至遍历移相器的360°相移量；S3：在新的采样点测得合矢量功率；S4：再次改变相移量，测得合矢量功率，直至遍历360°相移量；S5：重复S3～S4直至遍历预设采样点；S6：将所有合矢量功率拟合得到正弦曲线，得到待测辐射单元的相对幅相；S7：重复S1～S6，得到所有辐射单元的相对幅相；S8：将所有辐射单元的幅相调整到一致，完成相控阵天线的幅相校准。相比现有的旋转矢量法，本发明相当于提高了移相器的相移量分辨率，能够更精确地进行相控阵天线的幅相校准。

Description

一种相控阵天线的幅相校准方法
技术领域
本发明涉及天线技术领域，尤其涉及一种相控阵天线的幅相校准的方法。
背景技术
相控阵天线是一种通过控制阵列天线中辐射单元的馈电幅度和相位(以下简称“幅相”)来改变方向图形状的天线。控制相位可以改变天线方向图最大值的指向，以达到波束扫描的目的。为达到精确的波束控制和扫描，天线辐射单元的幅相校准就尤为关键。
在暗室中进行幅相测试，传统的方法是采用平面近场扫描的方式，通过一个靠近阵面单元的的探头获取每个单元口面位置的幅相，这种方法被较常采用，但是相控阵天线口面辐射单元和测量探头存在耦合的问题；同时，随着测试频率需求的不断升高，波长不断减小，对测量扫描架的移动精度提出了非常高的要求，由于扫描架位置精度的限制,难以满足高精度的幅相校准的要求。
针对上述限制，现有技术提出了一种采用旋转矢量法进行幅相校准的方法(Yonezawa R,Konishi Y,Chiba I,et al.Beam-shape correction in deployablephased arrays[J].IEEE Transactions on Antennas&Propagation,1999,47(3):482-486)。该方法的基本思想是，通过一个暗室内远离天线口面的测量探头接收天线的辐射功率，在测量探头相位中心处可以得到所有辐射单元的合矢量功率，控制单个移相单元的相位变化360°并保持其他单元不变，测得矢量相加的合成信号的功率变化曲线，根据曲线最大值和最小值所在的相移和比值，最终求得该辐射单元的相对幅相(即相对幅度与相对相位)。图1是实现旋转电矢量法的基本布局，由一个正对天线的固定探头和固定的待测相控阵天线组成。图2、图3是旋转电矢量法中的矢量叠加的示意图。此方法在一定程度上解决了相控阵天线高精度幅相调试的问题。
但是，该方法以目前的技术手段，仍存在着一定的问题：目前现有的数字移相器无法提供连续的移相。常见的四位数字移相器共有16个相位状态，即移相的分辨率为22.5°；毫米波波段现有的最高的五位数字移相器共有32个相位状态，即移相的分辨率为11.25°。较低的分辨率容易导致采样的点远离图3中曲线的极值，通过拟合的方式确定的极值准确性较差，进而对相控阵天线幅相的测试和校准也造成较大的误差。
发明内容
为了克服现有技术的不足，本发明提出了一种相控阵天线的幅相校准方法，用于解决现有的旋转矢量法中数字移相器造成的取样间隔过大而导致的误差。
为实现上述目的，本发明第一方面实施例提出了一种技术方案：
一种相控阵天线的幅相校准方法，包括如下步骤：
S1：相控阵天线位于初始采样点，通过测量天线测得所述相控阵天线的待测辐射单元与参考辐射单元的合矢量功率；
S2：改变所述待测辐射单元的移相器的相移量，所述参考辐射单元保持不变，测得所述合矢量功率，直至遍历移相器的360°相移量；
S3：根据预设采样精度，改变所述待测辐射单元与参考辐射单元至测量天线的波程差，在新的采样点测得所述合矢量功率；
S4：改变所述待测辐射单元的移相器的相移量，所述参考辐射单元保持不变，测得所述合矢量功率，直至遍历移相器的360°相移量；
S5：重复S3～S4，直至遍历预设采样点；
S6：将测得的所有合矢量功率拟合得到正弦曲线，获取所述正弦曲线的极值，据此得到待测辐射单元的相对幅相；
S7：依次对所述相控阵天线的其他待测辐射单元重复步骤S1～S6，直至得到所有辐射单元的相对幅相；
S8：将所有辐射单元的幅相调整到一致，完成相控阵天线的幅相校准。
进一步，所述参考辐射单元为相控阵天线中除待测辐射单元之外的其余所有辐射单元。
进一步，S3中所述波程差的改变通过测量天线与相控阵天线相对位置的改变而实现。
进一步，S3中所述波程差的改变量小于所述移相器的相移量与360°的比值乘以所述相控阵天线的波长。
一种计算机程序产品，用于相控阵天线的幅相校准，所述计算机程序产品包括计算机可读存储介质，其中存储有执行权利要求1所述步骤的计算机可读程序指令。
相比现有的旋转矢量法，本发明相当于提高了移相器的相移量分辨率，得到的合矢量功率变化曲线精度更高，从而可以更准确的得到相控阵天线各辐射单元的相对幅相，从而更精确地进行幅相校准。并且，本技术方案不需额外的测量设备或系统。为相控阵天线的幅相校准提供了一个简洁、低成本的解决方案。
附图说明
本发明上述的和/或附加的方面和优点从下面结合附图对实施例的描述中将变得明显和容易理解，其中：
图1为现有技术的旋转矢量法的基本布局示意图；
图2为现有技术的旋转矢量法中随着移相量的变化，其矢量叠加的示意图；
图3为现有技术的旋转矢量法中单元矢量旋转一周后，合矢量功率的变化拟合曲线；
图4为本发明一实施例的相控阵天线的幅相校准系统示意图；
图5为本发明一实施例的相控阵天线的幅相校准方法流程图；
图6为本发明一实施例的相控阵天线在初始采样点的位置示意图；
图7为本发明一实施例的相控阵天线在初始采样点测得的待测辐射单元与参考辐射单元的合矢量功率离散点图；
图8为本发明一实施例的相控阵天线在新的采样点的位置示意图；
图9为本发明一实施例的相控阵天线在另一新的采样点的位置示意图；
图10为本发明一实施例的相控阵天线在新的采样点测得的待测辐射单元与参考辐射单元的合矢量功率离散点图；
图11为本发明一实施例的相控阵天线在所有预设采样点测得的待测辐射单元与参考辐射单元的合矢量功率离散点图；
图12为本发明一实施例的相控阵天线测得的所有合矢量功率离散点拟合得到的正弦曲线图。
具体实施方式
以下对本发明的实施方式作详细说明。应该强调的是，下述说明仅仅是示例性的，旨在用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。
此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本发明的描述中，“多个”的含义是两个或两个以上，除非另有明确具体的限定。
在本发明中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
在本发明中，除非另有明确的规定和限定，第一特征在第二特征之“上”或之“下”可以包括第一和第二特征直接接触，也可以包括第一和第二特征不是直接接触而是通过它们之间的另外的特征接触。而且，第一特征在第二特征“之上”、“上方”和“上面”包括第一特征在第二特征正上方和斜上方，或仅仅表示第一特征水平高度高于第二特征。第一特征在第二特征“之下”、“下方”和“下面”包括第一特征在第二特征正上方和斜上方，或仅仅表示第一特征水平高度小于第二特征。
参阅图4，本发明一种实施例中，相控阵天线201的幅相校准可在电波暗室101中进行。电波暗室101中设有测量天线401，支撑件301，所述支撑件301包括一个位置调整装置302。所述相控阵天线201置于位置调整装置302上，相控阵天线201包括复数个辐射单元202，各辐射单元202包括移相器203(图5中仅示出一个)，本实施例中，移相器203为常见的四位数字移相器，具有16个相位状态，即移相的分辨率为22.5°。
参阅图5，本实施例中相控阵天线201的幅相校准方法包括如下步骤：
S1：相控阵天线201位于如图6所示的初始采样点，此时待测辐射单元204与测量天线401相位中心的距离即波程为R1，参考辐射单元205与测量天线401相位中心的波程为R2，两者的波程差为R1-R2。通过测量天线401测得所述相控阵天线201的待测辐射单元204与参考辐射单元205的合矢量功率。本实施例中参考辐射单元205为单个辐射单元，参考辐射单元205也可为复数个辐射单元或相控阵天线201除待测辐射单元204外的其余所有辐射单元。当以相控阵天线201中除待测辐射单元204之外的其余所有辐射单元作为参考辐射单元205时，测量操作更简单，其后续S8步骤中幅相校准的计算也更简单。
S2：改变所述待测辐射单元204的移相器203的相移量，所述参考辐射单元205保持不变，测得待测辐射单元204与参考辐射单元205的合矢量功率，直至遍历移相器203的360°相移量。本实施例中每次相移量改变量为22.5°，16次后即可遍历360°相移量。参阅图7，此时测得的待测辐射单元204与参考辐射单元205的合矢量功率为图7中所示的离散点。
S3：根据预设采样精度，改变所述待测辐射单元204与参考辐射单元205至测量天线401的波程差，在新的采样点通过测量天线401测得待测辐射单元204与参考辐射单元205的合矢量功率。具体而言，所述波程差的改变可通过测量天线401与相控阵天线201相对位置的改变而实现。在本实施例中，所述相对位置的改变通过位置调整装置302实现。例如，参阅图8，相控阵天线201相对测量天线401进行了y轴方向的平移；又例如，参阅图9，相控阵天线201相对测量天线401进行了绕x轴的转动。此外，波程差的改变还可通过改变测量天线401的位置来实现，或其他能够改变测量天线401与相控阵天线201相对位置的方式，此处所列举的情况仅为示例。
当相控阵天线201位于新的采样点时，待测辐射单元204与测量天线401相位中心的波程为R′1，参考辐射单元205与测量天线401相位中心的波程为R′2，两者的波程差为R′1-R′2，波程差的改变量Δd＝|(R′1-R′2)-(R1-R2)|。待测辐射单元204与参考辐射单元205之间的相位差也相应地产生变化，所述相位差变化可等价于待测辐射单元204获得了了一个相移增量
Figure BDA0001285912720000071
Figure BDA0001285912720000072
当
Figure BDA0001285912720000073
小于移相器203本身的相移量时，在本实施例中即
Figure BDA0001285912720000074
即
Figure BDA0001285912720000075
(波程差的改变量小于移相器203的相移量与360°的比值乘以相控阵天线的波长λ)时，可认为此步骤中波程差的改变提高了移相器203的分辨率。在实际的测量校准过程中，此步骤中的采样精度可根据前述关系进行不同的设置。
S4：改变所述待测辐射单元204的移相器203的相移量，所述参考辐射单元205保持不变，测得待测辐射单元204与参考辐射单元205的合矢量功率，直至遍历移相器203的360°相移量。此时测得的待测辐射单元204与参考辐射单元205的合矢量功率为图10中所示的离散点。
S5：重复S3～S4，直至遍历预设采样点。当最终的相移增量
Figure BDA0001285912720000076
达到移相器203的相移量22.5°时，即可覆盖一个连续相位周期。此时测得的待测辐射单元204与参考辐射单元205的合矢量功率为图11中所示的离散点。
S6：将测得的所有合矢量功率离散点拟合得到正弦曲线，获取所述正弦曲线的极值，据此得到待测辐射单元204的相对幅相。S3步骤中采样精度越高时，所述拟合的正弦曲线越准确。参阅图12，本实施例中正弦曲线的最大值A对应的合矢量相位为77.5°，合矢量功率为2mW，最小值B对应的合矢量相位为257.5°，合矢量功率为0mW。
S7：依次对所述相控阵天线201的其他待测辐射单元重复步骤S1～S6，直至得到所有辐射单元的相对幅相。
S8：将各辐射单元的幅相调整到一致，完成相控阵天线201的幅相校准。具体而言，可通过衰减器对幅度进行调整，通过移相器对相位进行调整。
本发明另一实施例还包括一种计算机程序产品，用于相控阵天线的幅相校准，其特征在于，所述计算机程序产品包括计算机可读存储介质，其中存储有执行上述步骤S1～S8的计算机可读程序指令。
相比现有的旋转矢量法，本发明相当于提高了移相器的相移量分辨率，得到的合矢量功率变化曲线精度更高，从而可以更准确的得到相控阵天线各辐射单元的相对幅相，从而更精确地进行幅相校准。并且，本技术方案不需额外的测量设备或系统。为相控阵天线的幅相校准提供了一个简洁、低成本的解决方案。
以上内容是结合具体/优选的实施方式对本发明所作的进一步详细说明，不能认定本发明的具体实施只局限于这些说明。对于本发明所属技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，其还可以对这些已描述的实施方式做出若干替代或变型，而这些替代或变型方式都应当视为属于本发明的保护范围。

Claims (6)

1.一种相控阵天线的幅相校准方法，其特征在于，包括如下步骤：
S1：相控阵天线位于初始采样点，通过测量天线测得所述相控阵天线的待测辐射单元与参考辐射单元的合矢量功率；
S2：改变所述待测辐射单元的移相器的相移量，所述参考辐射单元保持不变，测得所述合矢量功率，直至遍历移相器的360°相移量；
S3：根据预设采样精度，改变所述待测辐射单元与参考辐射单元至测量天线的波程差，在新的采样点测得所述合矢量功率；
S4：改变所述待测辐射单元的移相器的相移量，所述参考辐射单元保持不变，测得所述合矢量功率，直至遍历移相器的360°相移量；
S5：重复S3～S4，直至遍历预设采样点；
S6：将测得的所有合矢量功率拟合得到正弦曲线，获取所述正弦曲线的极值，据此得到待测辐射单元的相对幅相；
S7：依次对所述相控阵天线的其他待测辐射单元重复步骤S1～S6，直至得到所有辐射单元的相对幅相；
S8：将所有辐射单元的幅相调整到一致，完成相控阵天线的幅相校准。
2.如权利要求1所述的相控阵天线的幅相校准方法，其特征在于，所述参考辐射单元为相控阵天线中除待测辐射单元之外的其余所有辐射单元。
3.如权利要求1所述的相控阵天线的幅相校准方法，其特征在于，S3中所述波程差的改变通过测量天线与相控阵天线相对位置的改变而实现。
4.如权利要求1或3所述的相控阵天线的幅相校准方法，其特征在于，S3中所述波程差的改变量小于所述移相器的相移量与360°的比值乘以所述相控阵天线的波长。
5.一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，其特征在于，该计算机程序用于执行权利要求1所述步骤的计算机可读程序指令。
6.一种电子设备，包括：存储器、及存储在存储器上的计算机程序，其特征在于，计算机程序用于执行权利要求1所述步骤的计算机可读程序指令。
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