CN109541330A - 一种平面波模拟器的阵列天线通道校准系统 - Google Patents

一种平面波模拟器的阵列天线通道校准系统 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种平面波模拟器的阵列天线通道校准系统，包括一个包含多个子单元的平面波模拟器的天线阵列，一个控制各个子单元的幅度和相位调控网络，一个位置固定且已知的校准探头天线或探头阵列，一台矢量网络分析仪及接头电缆等附件；该校准系统利用矢量叠加原理，通过对被测阵列天线通道相位的控制，在距离二维阵列天线口面单元通道天线远场区域，采集被测阵列天线通道相位变化时的传输系数(S21)值，从而解析通道幅相的差异。该通道校准系统应用范围广泛，可以用于阵列天线的单元通道一致性校准，尤其对于平面波生成器阵列天线的单元通道校准。

Description

一种平面波模拟器的阵列天线通道校准系统
技术领域
本发明涉及电磁场与微波技术领域、阵列天线技术领域、天线及系统测量技术领域，尤其涉及平面阵列天线的通道一致性近场校准领域，特别是平面波模拟器阵列天线的通道校准系统，具体内容是以单探头或探头阵列的测量方式在平面天线阵列近场区域内对其各通道幅度相位一致性进行校准。
背景技术
随着5G移动通信技术的研究和相关样机的生产，阵列天线的设计、生产、测量技术开始进入移动通信领域并被特别重视。大规模有源天线阵列技术作为5G移动通信技术的关键技术之一，对于大规模天线阵列的测量技术，国内外已有多家设备生产厂商及仪表厂商提出了各自方案。
针对大规模阵列天线测量技术中的近场平面波生成器测量方案，由于其本身是由大规模天线组成的天线阵列，作为测量系统，其各通道之间的一致性需要由一定的手段来进行保证，从而获得理想的性能。由于平面波生成器测量系统本身的应用是在近场距离上对被测设备进行测试，因此其应用的环境空间相对有限，因此在近场距离对平面波生成器阵列的通道一致性进行快速校准是有重要意义的。当然，该技术亦适用于其他形式的阵列天线的通道一致性校准。
对于阵列天线的校准前人做过很多的研究，亦提出了很多方法，例如近场探头扫描、远场校准等，均具有自身的缺陷，并不适用于当前对于阵列天线的有限空间、快速和大量的校准方式，如近场探头扫描是一种非常耗时的校准方式，其利用探头在近场距离不同位置采集长点幅相数据，反演出被测阵列各通道的幅相分布，扫描时间随着阵列数据的增多和采样精度的增加而变得很长，并且对于近场扫描系统的搭设精度要求很高，不利于对于大量阵列的快速校准工作。远场校准技术要求场地空间很大，对于大规模阵列来说，这个距离可能是公里级，且易受环境影响。
本发明所提出的系统基于矢量叠加原理，通过控制某一通道的相位旋转，利用矢量网络分析仪通过校准探头天线或探头阵列采集近场的幅相，如此遍历被测阵列的所有通道。通过分析所采集幅相的变化规律，从而反演出被测阵列所有通道的幅度相位。该系统可以大大节省测量时间，并且方便自动化测量。整个系统所需要搭设的仅仅为测量探头及其安装工装，探头位置的调整可利用配套的探头位置校正算法进行校正，系统搭设简单。
由于平面波模拟器系统的应用环境既定，在不需要额外增加系统设备的基础上，通过架设校准探头即可在近场距离快速、自动化完成对整个被测阵面通道一致性的校准工作。该方法对于阵列天线的通道一致性校准，特别是对于潜在大量测试需求的平面波模拟器阵列天线的通道一致性校准，具有极大的市场价值。
发明内容
本发明要解决技术问题为：克服了现有阵列天线校准方法的耗时、对有限空间的不适用、校准系统搭建的复杂等不足，提供一种阵列天线在近场距离、自动化、快速校准的技术，具有设备成本和难度低，搭设系统简单，节省时间等特点，且对于不同的频段仅仅更换探头即可。
本发明解决上述技术问题采用的技术方案为：一种平面波模拟器的阵列天线通道校准系统，该校准系统包括：一个包含多个子单元的待测平面波模拟器的天线阵列，一个控制待测天线阵列各个子单元的幅相调控网络，一个位置固定且与平面波模拟器相对位置信息已知的校准探头天线或探头阵列，一台矢量网络分析仪；所述幅相调控网络用于控制被校准的阵列天线的通道幅相；校准探头单元天线为宽带单极化天线，在正对平面波模拟器的天线阵列阵面的角度范围内方向图幅度变化小于3dB和相位变化小于20度，校准探头天线或探头阵列距离平面波模拟器的天线阵列的距离在1倍天线阵面尺寸到2倍天线阵面尺寸之间且该距离是明确已知的，校准探头天线或探头阵列辐射轴向与平面波模拟器天线阵面中心轴向平行，校准探头天线或探头阵列中心位于平面波模拟器的天线阵列阵面轴线上；在校准过程中对幅相调控网络的每个单元路相位进行步进控制，步进量与平面波模拟器的天线阵列阵面子单元数量的比值在0.9～1.2之间，依次测量矢量网络分析仪的传输系数(S21)值，首先对各个子单元的幅度相位进行校准，然后利用各个子单元距离校准探头天线或探头阵列的位置距离不同，用格林函数进行幅度相位差的理论计算，将测量与计算的不同值在幅相调控网络中进行恢复。
其中，所述校准探头天线或探头阵列由1个或多个宽带单极化天线组成，校准探头天线或探头阵列的单元间距设计与待测平面波模拟器的天线阵列的单元间距相关，校准探头天线或探头阵列的单元间互耦小于-25dB，校准探头天线或探头阵列的单元数量设计与待测阵列天线的子阵单元组合方式有关，其馈电网络采用开关切换的方式，可将总的输出口切换至探头天线阵列的各个单元天线输出端，且当输出口切换至某一单元天线时，探头天线阵列的其他单元天线端接匹配负载；校准探头天线或探头阵列被安装于特定的工装上，该工装与室内测试场转台配合安装，用于校正校准探头天线或探头阵列在校准平面上所处的位置，校准探头天线或探头阵列可沿着X、Y方向滑轨进行位置调整。
其中，所述校准探头天线或探头阵列的选取，视校准精度需求而定；校准探头天线或探头阵列的校准采用过约束的方法求解传输矩阵，可获得更高的精度。
其中，所述待测平面波模拟器的天线阵列的子单元为周期性排列或非周期性排列，甚至是多个单元作为一个通道的排列方式。
其中，校准探头天线或探头阵列辐射轴向与待测平面波模拟器的天线阵列阵面中心轴向平行，校准探头天线或探头阵列中心位于待测平面波模拟器的天线阵列阵面中心轴线上。
其中，校准探头天线或探头阵列的位置需通过专门的测量手段进行校正，待探头位置校正后方可进行校准操作。
其中，校准探头天线或探头阵列与待测平面波模拟器的天线阵列的距离，应处在单个通道所连接天线的远场区域，这个距离对于待测平面波模拟器的天线阵列来说，属于近场区域。
其中，所述的单个通道所连接天线，可指一个单元天线，也可指一个天线子阵，具体视被校准天线阵列的馈电网络而定。
其中，基于校准探头天线或探头阵列与待测平面波模拟器的天线阵列的距离，校准探头天线或探头阵列处于待测平面波模拟器的天线阵列的近场区域。
其中，可以采用相对复杂的阵面调控方式和探头阵列获取更加精确的初始阵面幅度和相位信息，通过对平面波模拟器的天线阵列的每个子单元进行相位从0°～360°的遍历，在校准探头天线或探头阵列中的不同探头单元进行接收，通过对传输系数(S21)矩阵进行过约束求解获取更加精确的平面波模拟器阵面幅度和相位信息；校准系统包括的校准算法和软件实现自动化采集数据和校准，且将校准后的数据自动写入调幅调相网络或者导出数据。
本发明的原理在于：本发明是一种平面波模拟器阵列天线通道幅相一致性校准技术。该阵列天线校准技术基于矢量叠加原理，改变其中一个通道的相位值使其以一定的间隔遍历 0～360度，通过一个幅度和相位方向图稳定对称的探头天线，测量得到叠加总场的幅相变化规律，从而可以解析出该通道的场矢量在合成场矢量中的占比，从而反演出各通道幅相分布。
本发明与现有技术相比的优点在于：
(1)本发明系统设备简单，仅由一个幅度、相位方向图稳定对称的探头天线、一个用于控制通道幅度相位的幅相调控网络和测量仪表构成；
(2)本发明可通过更换校准探头单元天线，从而灵活适用于不同频段的阵列天线校准；
(3)本发明所述校准系统，其中对校准系统的搭设精度要求不苛刻，校准探头天线或探头阵列位置的调整有专门的测量方法和算法进行校正；
(4)本发明基于矢量叠加原理，算法明确简单，所述校准过程均可由软件实现总控制采集数据进行校准操作，可大大节省校准耗时，可应用于大量校准工作的快速校准以及实时校准。
(5)本发明所述校准校准探头天线或探头阵列置于单个通道天线的远场区域、被校准天线阵列的近场区域，相较于远场距离(D为阵列天线口面边长，λ为最低工作频率波长)，大大缩减了校准所需空间，结合上述系统描述，完全可以实现在阵列天线的本来应用场景中不改变硬件配置，对阵列天线通道一致性完成校准。
(6)本发明不只适用于平面波模拟器的阵列天线通道校准技术，更广泛适用于其他形式的阵列天线的通道校准。
附图说明
图1为本发明平面波模拟器阵列天线通道校准系统的结构示意图，其中，1为校准探头天线或探头阵列，2为幅相调控网络，3为矢量网络分析仪，4为校准控制单元，5为平面波模拟器的天线阵列，6为平面波模拟器的单元天线，7为平面波模拟器的馈电通道，8为开关矩阵；
图2为本发明平面波模拟器阵列天线通道校准系统的校准探头天线或探头阵列及其工装的结构，其中1为校准探头天线或探头阵列，9分别为工装的X、Y方向滑轨(带有刻度)；
图3为待测平面波模拟器阵列天线的子阵布局方式，5为平面波模拟器的天线阵列，6 为平面波模拟器阵列的单元天线，A,B,C分别为三种4单元子阵布局方式；
图4为校准探头天线或探头阵列与待测平面波模拟器阵列的纵向位置关系图，1表示校准探头天线或探头阵列，5表示平面波模拟器的天线阵列，d表示二者纵向间距；
图5为校准探头天线或探头阵列与待测平面波模拟器的天线阵列的轴视图位置关系，5 表示平面波模拟器的天线阵列，1表示校准探头天线或探头阵列，Ω表示校准探头天线或探头阵列校准时应处于的区域；
图6为本发明所基于的矢量叠加原理示意图。
具体实施方式
下面结合附图以及具体实施方式进一步说明本发明。
如图1所示，本发明平面波模拟器阵列天线通道校准系统的构成的示意图。平面波模拟器阵列天线通道校准系统包括：校准探头天线或探头阵列1，幅相调控网络2，矢量网络分析仪3和校准控制单元4。本发明能够利用校准探头天线或探头阵列1在平面波模拟器阵列 5的近场确定位置处对阵列的各个通道的幅相一致性进行校准。
本发明所述校准探头天线或探头阵列所用天线为宽带单极化天线。探头天线单元设计性能应满足：在工作频段内的回波损耗小于-10dB，探头天线正对平面波模拟器天线阵面的角度范围内方向图幅度变化小于3dB和相位变化小于20度，探头阵列的单元间耦合小于-25dB。探头阵列的馈电网络用开关矩阵实现，可根据需要将总输出口切换至探头阵列各个单元的输出端口，此时其他单元端接匹配符在，且各通道间需要有较高的隔离度。幅相调控网络相位步进量与平面波模拟器天线阵面子单元数量的比值在0.9～1.2之间，这主要是考虑到单元数量越多，调控的步进量越大。本数量的选取基于对平面波模拟器的仿真积累，仿真发现单元数量大的阵列对单元容差相对较小，对校准精度要求可以适当放宽，根据仿真结果，将相位步进量与平面波模拟器天线阵面子单元数量的比值确定在0.9～1.2之间。
下面将通过优选实施例的介绍该平面波模拟器的阵列天线通道校准的具体实施方式。现以一个400天线单元的阵列天线进行通道校准模拟，该阵列天线每四个单元为一组，由功分器连接成为一个通道。
(1)校准探头天线或探头阵列的选择与装配
本发明的一个特点在于，可针对不同的频段有相应的不同设计的探头(阵列)可替换。在5G移动通信中，频率划分为比较多的频段，比如我国在6GHz以下频段划分了3.4～3.6GHz，4.8～5.0GHz，以及毫米波工作频段，本发明均有相应地校准探头天线或探头阵列通过替换安装，即可适用于不同频段的校准工作；
进一步的，将设计的校准探头天线或探头阵列安装在特定的工装结构上，以便再校准之前对探头位置进行校正；
(2)校准探头天线或探头阵列位置确定
校准探头的位置精度直接影响了校准结果的准确性，甚至是正确性。校准探头的位置信息包括纵向与待校准阵列的距离以及在校准平面上所处位置。
首先，对于纵向距离，根据前述要求，校准探头天线应置于平面波模拟器阵列单通道天线子阵的远场区域，而同时处于平面波模拟器阵列的近场区域。对于待测阵列单通道子阵不同的排布方式，所需要的远场距离不一样，应选取所有通道子阵所需远场距离最远的距离作为校准探头面所在位置。如图3所示A,B,C分别为三种排布的单通道子阵，每个子阵包括4 个单元天线，如图4所示，校准时探头天线或探头阵列与待校准阵列间距为d，那么图3所示这三种形式的子阵对应所需远场距离分别为dA，dB，dC，由远场距离计算公式d＝2D2/λ可求得各自所需的远场距离，易知dA＜dB＝dC，因此取dB或dC作为校准探头面所在位置。
其次，对于横向位置而言，如图5所示探头位置偏离待测阵列中心轴线位置X和Y方向分别为Δx和Δy。在校准操作之前，记录探头初始位置的传输系数(S21)值，随后在原始位置基础上沿着X轴移动探头位置dx，记录此时传输系数(S21)值，然后沿Y轴方向移动探头位置dy，记录此时传输系数(S21)值；如此多次移动探头位置记录相应位置的传输系数(S21)值，便可通过过约束求解出优化的探头位置区域，校准时应将探头置于改区域Ω内。
(3)通道幅相校准
通道校准的第一步是对幅相调控网络配置初始幅相，考虑到测量仪器的灵敏度以及环境误差影响，初始幅相的配置应该适当选择。如图6所示为待测阵列各通道在校准探头单元天线位置的矢量叠加。首先，初始幅相的配置不应使得不同单元幅度差异过大，也即为相较于过小，如否则这些幅度较小的单元在拨动相位过程中，总场的变化量很小，导致误差增大；其次各通道初始相位的配置不应太过一致，通道之间存在一定的相差，使得合成场的幅度适当，能够清晰呈现出每个通道相位拨动时的总场变化量。
进一步，在初始幅相配置完成后，记录初始传输系数(S21)值(E0，)。即在此基础上按照顺序对每一路通道的相位值在0-360°之间取1度为间隔进行相位扫描并记录每一个相位刻度时候所得到的传输系数(S21)值，此处只利用幅度部分，对于该实施例则有100 组数据；
进一步，对于每一组数据，利用曲线拟合的方式，得到更精细的每一个通道的幅度曲线，摘取每一组曲线的最大值Qmax和最小值Qmin以及最大值所对应的相位值
进一步，根据叠加原理，总的合成场表达式可写为
由每组数据所提取的信息，可以得到：
由此，可解出两个未知量Ei，而对于实际应用中，误差的存在无法取得精确解，可利用校准阵列中的不同探头单元进行接收，通过对获取S21参数矩阵进行过约束求解获取更加精确的平面波模拟器阵面幅度和相位信息；
(4)多值取舍和算法设计
以上原理中由方程组(2)利用过约束的方法求解出优化的每个通道的幅度相位值，因为求解方法中对于不同初始幅相分布存在解的二义性的问题，因此需要配合一些先验条件 (如合成场与单个通道幅相的大小关系等)来解决解的二义性问题；再次结合通道相位旋转过程中，合成场的相位变化范围来判断二义性解的取舍问题。这些内容均已体现在算法的设计中，可通过初始幅相的分布和校准过程中相位的检测，自行判断取舍最终解。
上面结合附图对本发明的初步实施例进行了描述，主要阐述了一种平面波模拟器阵列天线通道校准系统的设计思路和设计原理，凡依据本实施例基本原理，对校准探头天线(阵列) 的选型、布局设计、安装等进行的修改、改进或其他在本实施例的精神和原则之内所做的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种平面波模拟器的阵列天线通道校准系统，其特征在于：该校准系统包括：一个包含多个子单元的待测平面波模拟器的天线阵列，一个控制待测天线阵列各个子单元的幅相调控网络(2)，一个位置固定且与平面波模拟器相对位置信息已知的校准探头天线或探头阵列(1)，一台矢量网络分析仪(3)；所述幅相调控网络(2)用于控制被校准的阵列天线的通道幅相；校准探头单元天线为宽带单极化天线，在正对平面波模拟器的天线阵列阵面的角度范围内方向图幅度变化小于3dB和相位变化小于20度，校准探头天线或探头阵列(1)距离平面波模拟器的天线阵列的距离在1倍天线阵面尺寸到2倍天线阵面尺寸之间且该距离是明确已知的，校准探头天线或探头阵列(1)辐射轴向与平面波模拟器天线阵面中心轴向平行，校准探头天线或探头阵列(1)中心位于平面波模拟器的天线阵列阵面轴线上；在校准过程中对幅相调控网络(2)的每个单元路相位进行步进控制，步进量与平面波模拟器的天线阵列阵面子单元数量的比值在0.9～1.2之间，依次测量矢量网络分析仪(3)的传输系数(S21)值，首先对各个子单元的幅度相位进行校准，然后利用各个子单元距离校准探头天线或探头阵列(1)的位置距离不同，用格林函数进行幅度相位差的理论计算，将测量与计算的不同值在幅相调控网络(2)中进行恢复。
2.根据权利要求1所述的平面波模拟器的阵列天线的通道校准系统，其特征在于：所述校准探头天线或探头阵列(1)由1个或多个宽带单极化天线组成，校准探头天线或探头阵列(1)的单元间距设计与待测平面波模拟器的天线阵列的单元间距相关，校准探头天线或探头阵列(1)的单元间互耦小于-25dB，校准探头天线或探头阵列(1)的单元数量设计与待测阵列天线的子阵单元组合方式有关，其馈电网络采用开关切换的方式，可将总的输出口切换至探头天线阵列的各个单元天线输出端，且当输出口切换至某一单元天线时，探头天线阵列的其他单元天线端接匹配负载；校准探头天线或探头阵列(1)被安装于特定的工装上，该工装与室内测试场转台配合安装，用于校正校准探头天线或探头阵列(1)在校准平面上所处的位置，校准探头天线或探头阵列(1)可沿着X、Y方向滑轨进行位置调整。
3.根据权利要求1或2所述的平面波模拟器的阵列天线的通道校准系统，其特征在于：所述校准探头天线或探头阵列(1)的选取，视校准精度需求而定；校准探头天线或探头阵列(1)的校准采用过约束的方法求解传输矩阵，可获得更高的精度。
4.根据权利要求1所述的平面波模拟器的阵列天线的通道校准系统，其特征在于：所述待测平面波模拟器的天线阵列的子单元为周期性排列或非周期性排列，甚至是多个单元作为一个通道的排列方式。
5.根据权利要求1所述的平面波模拟器的阵列天线的通道校准系统，其特征在于：校准探头天线或探头阵列(1)辐射轴向与待测平面波模拟器的天线阵列(5)阵面中心轴向平行，校准探头天线或探头阵列(1)中心位于待测平面波模拟器的天线阵列(5)阵面中心轴线上。
6.根据权利要求1或5所述的平面波模拟器的阵列天线的通道校准系统，其特征在于：校准探头天线或探头阵列(1)的位置需通过专门的测量手段进行校正，待探头位置校正后方可进行校准操作。
7.根据权利要求1所述的平面波模拟器的阵列天线的通道校准系统，其特征在于：校准探头天线或探头阵列(1)与待测平面波模拟器的天线阵列(5)的距离，应处在单个通道所连接天线的远场区域，这个距离对于待测平面波模拟器的天线阵列(5)来说，属于近场区域。
8.根据权利要求7所述的平面波模拟器的阵列天线的通道校准系统，其特征在于：所述的单个通道所连接天线，可指一个单元天线，也可指一个天线子阵，具体视被校准天线阵列的馈电网络而定。
9.根据权利要求1或7所述的平面波模拟器的阵列天线的通道校准系统，其特征在于：基于校准探头天线或探头阵列(1)与待测平面波模拟器的天线阵列(5)的距离，校准探头天线或探头阵列(1)处于待测平面波模拟器的天线阵列(5)的近场区域。
10.根据权利要求1所述的平面波模拟器的阵列天线的通道校准系统，其特征在于：可以采用相对复杂的阵面调控方式和探头阵列获取更加精确的初始阵面幅度和相位信息，通过对平面波模拟器的天线阵列(5)的每个子单元进行相位从0°～360°的遍历，在校准探头天线或探头阵列(1)中的不同探头单元进行接收，通过对传输系数(S21)矩阵进行过约束求解获取更加精确的平面波模拟器阵面幅度和相位信息；校准系统包括的校准算法和软件实现自动化采集数据和校准，且将校准后的数据自动写入调幅调相网络(2)或者导出数据。
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