CN109541324B - 一种基于紧缩场的阵中单元天线相位中心测量方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种天线阵列中单元天线相位中心的测量方法，所述方法推导了紧缩场中相位中心位置与阵中单元间相位差的转换关系以及通过紧缩场直接测量的阵列输出功率与阵中单元间相位差关系，并利用紧缩场直接测量阵列天线合成输出功率，根据测量结果推导阵列中单元天线间相位差并进一步推导为阵中单元相位中心位置。通过本发明的测量方法，可以测量阵列中单元天线相位中心的位置。

Description

一种基于紧缩场的阵中单元天线相位中心测量方法
技术领域
本发明涉及阵中单元天线相位中心测量，具体的说，是一种基于紧缩场的阵中单元天线相位中心测量方法。
背景技术
阵列天线主要用于波束形成或综合孔径成像，满足快速高精度的成像需求。确定阵中单元天线的相位中心，则是实现高精度阵列波束聚焦的必要条件。通常，天线相位中心不在天线口面上，并且会随着天线方向角增加发生改变。对于阵列天线来说，由于天线在阵中受到周围其他单元的互藕影响其相位中心位置会进一步发生变化。在阵列近场的波束聚焦或成像时，为了进行准确的相位补偿需要获得天线位置和聚焦点位置间距离，而天线位置指的就是单元天线相位中心。如果该位置不能有效测量或估计不准，则会造成相位补偿误差使聚焦波束散焦，影响波束效率和波束宽度，进而降低系统的温度灵敏度和空间分辨率。因此，如何有效的获得阵列中单元天线的相位中心位置是阵列聚焦中重要的研究课题。
通常，天线的相位中心可通过仿真计算和实际测量获得。如参考文献(参见王建,谢渊,李欣.角锥喇叭相位中心的移动参考点计算法[J].电子科技大学学报,2008,37(4):538-540.)中报道的角锥喇叭相位中心的移动参考点计算法，是在仿真基础上结合理论计算对天线相位中心进行估计。在现有仿真软件的仿真精度上，仿真计算估计的相位中心具有较高精度，但是由于实际加工中的不一致性和阵中天线间互藕影响，仿真计算估计的相位中心与实际被测天线的阵中单元相位中心位置存在偏差。为了更精确获得天线相位中心，实际测量中通常采用远场相位比较法和近场移动参考点法。其中，远场相位比较法是将被测天线放置在位于测量远场区的测量转台上，通过旋转测量转台观测天线接收相位变化，并根据变化趋势调节被测天线位置最终使被测天线相位中心与测量转台转轴中心重合，得到被测天线相位中心的具体位置。该方法远场测量环境和场地，且要求被测天线相位直接可测，在测量过程中需要较长时间反复移动被测天线以确定相位中心，尤其对于频率较高的毫米波天线来说微小的移动量都会对测量结果有较大影响。近场移动参考点法在文献(参见尚军平,傅德民,邓颖波.天线相位中心的精确测量方法研究[J].西安电子科技大学学报(自然科学版),2008,35(4):673-677.)中进行了报道，该方法也是相位中心的常用测量方法之一。该方法可在近场范围实现测量，其基本原理与远场相位比较法类似。与远场相位比较法相比，近场移动参考点法无需远场测量环境和场地，但是依然要求且要求被测天线相位直接可测，并在测量过程中需要反复平移、转动被测天线。
发明内容
本发明技术解决问题：克服现有技术的不足，供一种基于紧缩场的阵中单元天线相位中心测量方法，确定被测天线的阵中单元天线相位中心位置。测量过程中，通过调节被测天线的阵中单元天线相位实现单元天线相位对齐的方法，计算出被测天线的阵中单元天线的相位中心位置。该方法获得的相位中心位置的测量结果为被测天线在波束聚焦时的补偿相位计算提供了准确参数，可以提高波束聚焦性能。
本发明的技术解决方案：一种基于紧缩场的阵中单元天线相位中心测量方法，如图3所示，具体实现步骤如下：
第一步，在紧缩场中安装被测天线和信号发射馈源。被测天线(阵列天线)固定在紧缩场中的被测天线转台上，并确保被测天线口面中心垂线与被测天线转台中心重合且被测天线的天线口面与紧缩场静区来波方向垂直；信号发射馈源固定在紧缩场发射馈源安装处，信号发射馈源波导口接噪声源。安装结束后被测天线和信号发射馈源位置如图1所示。
第二步，采用旋转电矢量校准法对被测天线进行相位对齐。保持其余接收通道不变，对第1通道在0～360°以1°步进依次改变相位增量Δ，则加入相位增量后第1通道接收到的信号为：
Figure BDA0001862150220000021
此时测量随相位增量变化的各通道接收功率之和S，并对功率测量数据进行均值处理后结果按照：
y＝Acos(x+x0)+B
形式进行曲线拟合，并通过索引得到各通道接收功率和的最大值Smax，最小值Smin及取得最大值时对应的相位增量Δ1，此时Δ1即为通道1需要补偿的相位值，计算机控制移相器将将通道1的相位增量变为
Figure BDA0001862150220000022
完成对第1通道的相位校准。重复上述校准过程，依次完成对所有通道的相位增量补偿和幅度调节。最终达到相位增量Δ1均满足校准误差需求后停止循环校准过程。此时，获得了阵列各通道的相位调节值
Figure BDA0001862150220000023
θ为天线测量转台旋转角度。其中y为测量功率和的拟合结果，A为信号幅度值，x为对应变化通道的相位增量，x0为信号初始相位值，B为信号幅度偏置，
第三步，每间隔1°旋转天线测量转台，重复第二步操作，保证被测阵列天线在相控阵聚焦所需指向范围内变化并完成相位对齐，并记录相位对齐数据，得到
Figure BDA0001862150220000031
第四步，将实测相位对齐数据中各单元通道相位变化与理论值比对，根据相位变化与相位中心位置的关系确定被测阵中单元天线的相位中心位置。根据相位中心与相位补偿关系可知，实际相位补偿偏差值对应的相位中心位置偏移为dij：
Figure BDA0001862150220000032
其中λ为系统工作的中心频点所对应波长。通常情况下，由于阵列单元天线自身特性相位中心位置偏移dij会随着指向角度θj变化；由于天线间不一致性和阵中单元互藕影响阵列中不同位置i单元天线的dij会不同。
本发明与现有技术相比的优点在于：本发明使用的相位中心测量方法有效解决了目前常用的远场相位比较法和近场移动参考点法中要求被测天线相位直接可测的测量条件，适用于被测天线已安装在系统中并且不便拆卸后独立测量的测量情况；此外，在测量过程中旋转被测天线虽然需要一定测试时间但是本方法可以同时测量被测天线(天线阵列)中的数个单元天线，针对被测天线是具有大量单元天线的天线阵列的情况在测量效率上具有明显优势。
(1)与现有的相位中心测量方法(主要包括远场相位比较法和近场移动参考点法)相比有以下优点：
(a)与远场相位比较法相比，本发明在紧缩场内完成测量，不需要大范围的远场测量场地。
(b)与远场相位比较法和近场移动参考点法相比，由于无需通过外部仪器测量被测天线相位信息，因此不需要被测天线相位直接可测。这一点适用于被测天线已安装在系统中并且不便拆卸后独立测量的测量情况，更准确的对被测天线的工作状态进行测量。
(2)与远场相位比较法和近场移动参考点法相比，由于本发明可以同时测量被测天线(天线阵列)中的数个单元天线，针对被测天线是具有大量单元天线的天线阵列的情况在测量效率上具有明显优势。
附图说明
图1为紧缩场测试天线安装位置示意图；
图2为应用本发明的确定相位补偿实例；
图3为本发明方法的流程图。
具体实施方式
下面结合附图及实施例对本发明进行说明。整个执行步骤如图3所示，首先。安装被测天线，然后使用旋转电矢量法进行相位对齐，再转动天线测量转台并重复使用旋转电矢量法，最后根据相位对齐数据计算出被测天线中单元天线的相位中心位置。
如图1所示，按照本发明第一步在紧缩场中安装被测天线和信号发射馈源。实例中被测天线为由16各单元天线构成的一维天线阵。在0～360°范围内以1°步进依次改变通道1的相位增量Δ1，此时Δ1即为通道1需要补偿的相位值，计算机控制移相器将将通道1的相位增量变为
Figure BDA0001862150220000041
完成对第1通道的相位校准。重复上述校准过程，依次完成对所有通道的相位增量补偿和幅度调节。最终达到相位增量Δ1均满足校准误差需求后停止循环校准过程。此时，获得了阵列各通道的相位调节值
Figure BDA0001862150220000042
θ为天线测量转台旋转角度，并可得到一组
Figure BDA0001862150220000043
根据相控阵聚焦原理和紧缩场远场近似条件可知，当阵列对任意θj角度聚焦时，聚焦相位应为：
Figure BDA0001862150220000044
其中d为阵列单元间隔。此时可估计出阵列间单元相对相位的理想变化
Figure BDA0001862150220000045
以θj＝0为相位参考点，移相器所需移相
Figure BDA0001862150220000046
可表示为：
Figure BDA0001862150220000047
其中
Figure BDA0001862150220000048
为单元理论移相值，ωij为相位中心变化产生的移相值变化，
Figure BDA0001862150220000049
为通道间误差。其中
Figure BDA00018621502200000410
仅与通道有关不会随着聚焦角度变化而变化。ωij即为所需测量值。
此时，对于
Figure BDA00018621502200000411
可将第一个单元作为相位参考单元进行如下运算：
Figure BDA00018621502200000412
Figure BDA00018621502200000413
通过理论计算得到的值，由下式获得：
Figure BDA00018621502200000414
则可得到：
Figure BDA00018621502200000415
即可得到以第一个单元为参考的情况下其他单元的相位中心位置变化。在实际波束聚焦时使用上述结果可以对各单元进行相位补偿。结果如图2所示，a代表该被测天线中各单元天线在波束聚焦中的相位补偿，其中星画线为将单元天线等效为理想点源时计算的相位补偿；圈画线为按本发明的方法测试并考虑相位中心后的相位补偿。b为两种补偿方式下的相位差异。可以看出本发明的方法对因单元天线相位中心引起的相位误差具有校正效果，测得该误差约为10°。
提供以上实施例仅仅是为了描述本发明的目的，而并非要限制本发明的范围。本发明的范围由所附权利要求限定。不脱离本发明的精神和原理而做出的各种等同替换和修改，均应涵盖在本发明的范围之内。

Claims (3)

1.一种基于紧缩场的阵中单元天线相位中心测量方法，其特征在于，包括以下步骤：
第一步，在紧缩场中安装被测天线和信号发射馈源，被测天线即阵列天线固定在紧缩场中的被测天线转台上，并确保被测天线口面中心垂线与被测天线转台中心重合且被测天线的天线口面与紧缩场静区来波方向垂直；信号发射馈源固定在紧缩场发射馈源安装处，信号发射馈源波导口接噪声源；
第二步，采用旋转电矢量校准法对被测天线进行相位对齐，被测天线的阵中单元通道相位一致，记录此时被测天线各通道移相数据；采用旋转电矢量校准法对被测天线进行相位对齐的过程为：
(1)保持其余接收通道不变，对第1通道在0～360°以1°步进依次改变相位增量Δ，则加入相位增量后第1通道接收到的信号为：
Figure FDA0002521699540000011
此时测量随相位增量变化的各通道接收功率之和S，并对功率测量数据进行均值处理后结果按照：
y＝Acos(x+x0)+B
形式进行曲线拟合，其中y为测量功率和的拟合结果，A为信号幅度值，x为对应变化通道的相位增量，x0为信号初始相位值，B为信号幅度偏置，并通过索引得到各通道接收功率和的最大值Smax，最小值Smin及取得最大值时对应的相位增量Δ1，此时Δ1即为通道1需要补偿的相位值，计算机控制移相器将将通道1的相位增量变为
Figure FDA0002521699540000012
完成对第1通道的相位校准；
(2)重复上述步骤(1)的相位校准过程，依次完成对所有通道的相位增量补偿和幅度调节，最终达到相位增量Δ1均满足校准误差需求后停止循环校准过程，通道总数为n，对于第i号通道的相位调节值记为
Figure FDA0002521699540000013
i＝1,…,n,θ＝0°，θ为天线测量转台旋转角度；
第三步，记录相位对齐时被测天线各通道移相数据随被测天线状态角度变化值，将被测天线转台旋转角度θ重复第二步操作；
第四步，统计记录的被测天线各通道移相数据随变化被测天线转台旋转角度θ的变化，计算被测天线的阵中单元天线相位中心变化并确定被测天线的阵中单元天线相位中心位置。
2.根据权利要求1所述的基于紧缩场的阵中单元天线相位中心测量方法，其特征在于：所述第三步中，每间隔设定的角度旋转天线测量转台方法为：
在所需的相位中心测量范围内以1°的角度间隔旋转天线测量转台，并重复第二步中的相位校准过程，得到移相器所需移相
Figure FDA0002521699540000022
i＝1,…,n,j＝1,…,m，其中，m天线测量转台的旋转角度状态总数，以1°的角度间隔旋转天线测量转台，旋转范围为0°至50°，则m＝51；j代表天线测量转台的旋转角度θ的角度序号,即天线测量转台的第j个旋转角度。
3.根据权利要求1所述的基于紧缩场的阵中单元天线相位中心测量方法，其特征在于：所述第三步中，将实测相位对齐数据中各单元通道相位变化与理论值比对，根据相位变化与相位中心位置的关系确定被测阵中单元天线的相位中心位置的过程为：
根据相位中心与相位补偿关系，实际相位补偿偏差值对应的相位中心位置偏移为dij：
Figure FDA0002521699540000021
其中λ为被测天线工作的中心频点所对应波长，
Figure FDA0002521699540000023
为移相器所需移相。
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