CN109150325A - 一种相控阵天线中场校准方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种相控阵天线中场校准方法，依次测定并计算各通道的绝对幅度值和绝对相位值，并利用计算所得的绝对幅度值和绝对相位值对相控阵天线进行中场校准。本发明的中场校准方法无需对T/R组件提出严苛的幅相一致性要求，减小调试、加工和装配难度；射频通道无需设计额外的开关/耦合自校电路，减小电路设计难度；通过幅相校准，可消除单元天线互耦影响，校准后相控阵天线的通道幅度一致性优于±1.5dB，相位一致性优于±10°；相对近场校准系统，无需专用的高步进精度扫描台架，测试时间短，测试效率提升明显。

Description

一种相控阵天线中场校准方法

技术领域

本发明涉及无线通讯技术领域，尤其是一种相控阵天线中场校准方法。

背景技术

在相控阵天线设计中，理论要求每个通道的幅相特性完全一致，以提高合成效率，满足相应的波束性能指标。在微波频段，保持相控阵天线各通道幅相特性一致的方法如下：1)通过设计、加工及调试的过程控制保证通道一致性；2)设计额外的开关/耦合自校电路校准各通道的幅相特性。以上措施显著增加了电路的成本和复杂性，且对调试、加工和装配要求较高。在毫米波频段，可采用近场校准方法减小通道的加工和装配误差：由专用的近场扫描台架逐通道采集得到幅相特性，再将其校准至同一基准。该措施需要专用的测试装置，特别是高步进精度的扫描台架不易获得，校准过程非常耗时，且单元天线间的互耦难以消除。

发明内容

为解决现有相控阵天线校准方法中存在下述问题：1)增加了硬件电路复杂性和调试、加工、装配的难度；2)需要专用的测试装置，本发明提供了一种相控阵天线的中场校准方法。

本发明的技术方案如下：

一种相控阵天线中场校准方法，其特征在于，包括步骤：

1)对齐相控阵天线与探头天线并保持测量距离d；

2)调节相控阵天线各通道移相器处于第一移相状态，依次测定并记录各通道的幅度值和相位值；

3)调节相控阵天线各通道移相器处于第二移相状态，依次测定并记录各通道的幅度值和相位值；

4)分别计算各通道的绝对幅度值和绝对相位值；

5)以各通道绝对相位值的平均值为基准，调节各通道移相器，使相控阵天线口面呈等相位面；以通道的绝对幅度最低值为基准，调节各通道辐射功率相同；

6)重复步骤1)～5)，对相控阵天线接收状态的幅度值和相位值进行校准。

上述技术方案中，依次测定并计算各通道的绝对幅度值和绝对相位值，并利用计算所得的绝对幅度值和绝对相位值对相控阵天线进行中场校准，无需对T/R组件提出严苛的幅相一致性要求，减小调试、加工和装配难度；射频通道无需设计额外的开关/耦合自校电路，减小电路设计难度；通过幅相校准，可消除单元天线互耦影响，校准后相控阵天线的通道幅度一致性优于±1.5dB，相位一致性优于±10°，以上指标可保证形成收发波束，波束性能达到指标要求；相对近场校准系统，无需专用的高步进精度扫描台架，由于无需步进电机逐通道采样，电机机械运动的时间可省略，测试时间平均可缩减10秒/通道～20秒/通道(取决于电机性能)，对于大规模阵面的校准，测试效率提升明显。

进一步地，所述相控阵天线与所述探头天线极化匹配。相控阵天线与探头天线极化匹配，可以避免交叉极化分量影响校准效果。

进一步地，所述相控阵天线与所述探头天线为极化特性相同的圆极化或线极化天线。

优选地，所述第一移相状态与所述第二移相状态的相位差为180°。

进一步地，步骤1)所述测量距离d满足如下条件:

10λ≤d≤2D²/λ

其中，λ为工作波长，D为相控阵天线孔径尺寸。

若缩短测量距离，可增加相控阵天线方向图覆盖范围，若增加测量距离，可减小多次反射和凋落波，测量距离需在二者间折中选择。

进一步地，步骤2)和3)中，非被测通道关闭电源或置于最大衰减态。

进一步地，步骤4)中，采用旋转矢量法消除各通道间的互耦，并计算各通道的绝对幅度值和绝对相位值。

进一步地，步骤5)中通过调节各通道的衰减器，使各通道辐射功率相同。

进一步地，上述相控阵天线中场校准方法还包括验证步骤：重复步骤1)～5)，保证各通道的幅度值和相位值趋同。

进一步地，所述验证步骤的验证次数为1～2次。

本发明的技术方案具有如下有益效果：

1)无需对T/R组件提出严苛的幅相一致性要求，减小调试、加工和装配难度；

2)射频通道无需设计额外的开关/耦合自校电路，减小电路设计难度；

3)通过幅相校准，可消除单元天线互耦影响。校准后相控阵天线的通道幅度一致性优于±1.5dB，相位一致性优于±10°，以上指标可保证形成收发波束，波束性能达到指标要求；

4)相对近场校准系统，无需专用的高步进精度扫描台架。由于无需步进电机逐通道采样，电机机械运动的时间可省略，测试时间平均可缩减10秒/通道～20秒/通道(取决于电机性能)，对于大规模阵面的校准，测试效率提升明显。

本发明的其他方面和优点根据下面结合附图的详细的描述而变得明显，所述附图通过示例说明本发明的原理。

附图说明

本发明将通过例子并参照附图的方式说明，其中：

图1为本发明相控阵天线中场校准方法流程图。

图2本发明实施例中一款K波段相控阵天线中场校准前的方向接接收图(0°-180°)。

图3本发明实施例中一款K波段相控阵天线中场校准后的方向接接收图(0°-180°)。

具体实施方式

本说明书中公开的所有特征，或公开的所有方法或过程中的步骤，除了互相排斥的特征和/或步骤以外，均可以以任何方式组合。

本说明书中公开的任一特征，除非特别叙述，均可被其他等效或具有类似目的的替代特征加以替换。即，除非特别叙述，每个特征只是一系列等效或类似特征中的一个例子而已。

现有相控阵天线校准方法中存在下述问题：1)通过设计、加工及调试的过程控制保证通道一致性，或者设计额外的开关/耦合自校电路校准各通道的幅相特性，上述方法增加了硬件电路复杂性和调试、加工、装配的难度；2)近场校准方法需要专用的测试装置，测试装置扫描台架不易获得，校准过程非常耗时，且单元天线间的互耦难以消除。

本发明要解决的技术问题：提供一种相控阵天线中场校准方法，该校准方法调试、加工和装配难度小，电路设计难度小，无需专用的测试装置，且校准过程快速，能消除单元天线间的互耦。

基础实施方式：

图1为本发明相控阵天线中场校准方法流程图，如图1所示，包括步骤：

1)对齐相控阵天线与探头天线并保持测量距离d；

2)调节相控阵天线各通道移相器处于第一移相状态，依次测定并记录各通道的幅度值和相位值，示例性地：第一移相状态可以为基态、30°移相状态、60°移相状态、90°移相状态；

3)调节相控阵天线各通道移相器处于第二移相状态，依次测定并记录各通道的幅度值和相位值，示例性地：第二移相状态可以为180°移相状态、210°移相状态、240°移相状态、270°移相状态；

4)分别计算各通道的绝对幅度值和绝对相位值；

5)以各通道绝对相位值的平均值为基准，调节各通道移相器，使相控阵天线口面呈等相位面；以任一通道的绝对幅度值为基准，使各通道辐射功率相同；

6)重复步骤1)～5)，对相控阵天线接收状态的幅度值和相位值进行校准。

上述技术方案中，依次测定并计算各通道的绝对幅度值和绝对相位值，并利用计算所得的绝对幅度值和绝对相位值对相控阵天线进行中场校准，无需对T/R组件提出严苛的幅相一致性要求，减小调试、加工和装配难度；射频通道无需设计额外的开关/耦合自校电路，减小电路设计难度；通过幅相校准，可消除单元天线互耦影响，校准后相控阵天线的通道幅度一致性优于±1.5dB，相位一致性优于±10°，以上指标可保证形成收发波束，波束性能达到指标要求；相对近场校准系统，无需专用的高步进精度扫描台架，由于无需步进电机逐通道采样，电机机械运动的时间可省略，测试时间平均可缩减10秒/通道～20秒/通道(取决于电机性能)，对于大规模阵面的校准，测试效率提升明显。

优选地，所述相控阵天线与所述探头天线极化匹配。相控阵天线与探头天线极化匹配，可以避免交叉极化分量影响校准效果。示例性地，所述相控阵天线和所述探头天线为极化特性相同的圆极化天线或线极化天线。

优选地，步骤1)所述测量距离d满足如下条件:

10λ≤d≤2D²/λ

其中，λ为工作波长，D为相控阵天线孔径尺寸。

若缩短测量距离，可增加相控阵天线方向图覆盖范围，若增加测量距离，可减小多次反射和凋落波，测量距离需在二者间折中选择。

优选地，步骤2)和3)中，非被测通道关闭电源或置于最大衰减态。

优选地，步骤4)中，采用旋转矢量法消除各通道间的互耦，并计算各通道的绝对幅度值和绝对相位值。

优选地，步骤5)中通过调节各通道的衰减器，使各通道辐射功率相同。

优选地，上述相控阵天线中场校准方法还包括验证步骤：重复步骤1)～5)，保证各通道的幅度值和相位值趋同。

优选地，所述验证步骤的验证次数为1～2次。

本发明的相控阵天线中场校准方法原理框图如图1所示。

示例性地：

一种相控阵天线中场校准方法，包括步骤：

1)将相控阵天线和探头天线与矢网测试端口相连，相控阵天线和探头天线置于暗室中，设置相控阵天线与探头天线对齐并保持测量距离d，其中，矢网测试端口用于测定并记录相控阵天线各通道的幅度值和相位值，所述相控阵天线和探头天线均为圆极化天线，测量距离d满足如下条件:

10λ≤d≤2D²/λ其中，λ为工作波长，D为相控阵天线孔径尺寸；

2)调节相控阵天线N个通道移相器处于基态，依次测定所述N个通道的幅度值和相位值，记第i个通道的幅度值为E_0i，相位值为其中N＞1、1≤i≤N且N为整数、i为整数，其中，非被测通道关闭电源或置于最大衰减态；

3)调节相控阵天线N个通道移相器处于180°移相状态，依次测定所述N个通道的幅度值和相位值，记第i个通道的幅度值为E_00i，相位值为其中，非被测通道关闭电源或置于最大衰减态；

4)采用旋转矢量法消除各通道间的互耦，利用E_0i、E_00i、分别计算第i个通道的绝对幅度值A_i和绝对相位值θ_i，计算方法如下：

令

第i个通道的绝对相位值θ_i由下式计算：

第i个通道的绝对幅度值A_i由下式计算：

A_i＝10log₁₀(R_i/2cosθ_i)；

5)以各通道绝对相位值的平均值为基准，调节各通道移相器，使相控阵天线口面呈等相位面；以N个通道绝对幅度值的最小值为基准，调节各通道衰减器，使各通道辐射功率相同；

6)重复步骤1)～5)，保证各通道的幅度和相位趋同；

7)重复上述步骤，对相控阵天线接收状态的幅度和相位进行校准，验证次数为2次。

示例性地：

利用本发明提供的相控阵天线中场校准方法对一款K波段相控阵天线进行了中场校准，其工作频率为2X.XGHz±500MHz，64阵元。校准效果如下：

1)校准前的收发幅度一致性为±2.5dB，相位随机分布，校准后的收发幅度一致性优于±1dB，相位一致性优于±5.625°；

2)校准前后的接收方向图分别如图2和图3所示，校准前未形成方向图，校准后波束指向正常，副瓣抑制大于-12dBc，可见在毫米波频段，无法通过T/R组件的幅相一致性约束来保证相控阵天线的波束性能；

3)使用中场校准方法，该相控阵天线的收发校准时间少于10分钟，若使用传统近场校准方法，校准时间大于60分钟，测试效率显著提高。

本发明并不局限于前述的具体实施方式。本发明扩展到任何在本说明书中披露的新特征或任何新的组合，以及披露的任一新的方法或过程的步骤或任何新的组合。

Claims (9)

1.一种相控阵天线中场校准方法，其特征在于，包括步骤：

1)对齐相控阵天线与探头天线并保持测量距离d；

2)调节相控阵天线各通道移相器处于第一移相状态，依次测定并记录各通道的幅度值和相位值；

3)调节相控阵天线各通道移相器处于第二移相状态，依次测定并记录各通道的幅度值和相位值；

4)分别计算各通道的绝对幅度值和绝对相位值；

5)以各通道绝对相位值的平均值为基准，调节各通道移相器，使相控阵天线口面呈等相位面，以通道的绝对幅度最低值为基准，调节各通道辐射功率相同；

6)重复步骤1)～5)，对相控阵天线接收状态的幅度值和相位值进行校准。

2.根据权利要求1所述的相控阵天线中场校准方法，其特征在于，所述相控阵天线与所述探头天线极化匹配。

3.根据权利要求2所述的相控阵天线中场校准方法，其特征在于，所述第一移相状态与所述第二移相状态的相位差为180°。

4.根据权利要求1所述的相控阵天线中场校准方法，其特征在于，步骤1)所述测量距离d满足如下条件:

10λ≤d≤2D²/λ

其中，λ为工作波长，D为相控阵天线孔径尺寸。

5.根据权利要求1所述的相控阵天线中场校准方法，其特征在于，步骤2)和3)中，非被测通道关闭电源或置于最大衰减态。

6.根据权利要求1所述的相控阵天线中场校准方法，其特征在于，步骤4)中，采用旋转矢量法消除各通道间的互耦，并计算各通道的绝对幅度值和绝对相位值。

7.根据权利要求1所述的相控阵天线中场校准方法，其特征在于，步骤5)中通过调节各通道的衰减器，使各通道辐射功率相同。

8.根据权利要求1～7任意一项所述的相控阵天线中场校准方法，其特征在于，该方法还包括验证步骤：重复步骤1)～5)，保证各通道的幅度值和相位值趋同。

9.根据权利要求8所述的相控阵天线中场校准方法，其特征在于，所述验证步骤的验证次数为1～2次。