CN109921865B - 一种全空域相控阵天线的标校杆近似模拟校准系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种全空域相控阵天线的标校杆近似模拟校准系统及方法，所述系统包括天线校准组件、被测相控阵天线、计算机设备、数字信号处理平台和光学仪器；所述数字信号处理平台分别与天线校准组件、被测相控阵天线和计算机设备连接；所述计算机设备还与光学仪器连接；所述计算机设备，用于生成信号控制指令和通道控制指令发送给数字信号处理平台，并控制光学仪器获取天线校准组件和被测相控阵天线的空间位置信息，接收测量结果传输给数字信号处理平台。本发明基于标校杆近似模拟电曲面，能够实现对全空域相控阵天线通道一致性、天线指向性能的高效标校。

Description

一种全空域相控阵天线的标校杆近似模拟校准系统及方法

技术领域

本发明涉及天线校准，特别是涉及一种全空域相控阵天线的标校杆近似模拟校准系统及方法。

背景技术

目前，在移动通信基站、探测站、卫星通信等无线电设备中，相控阵天线应用越来越广泛。相控阵天线的波束形成、波束控制、搜索捕获的精度取决于天线阵元的初始相位精度和移相精度，采用数字波束形成的相控阵天线具有极高的移相精度，所以天线面阵元初始相位精度标校就成为该天线工作性能的决定性因素。影响天线面阵元相位的因素主要有两个方面：一是阵面结构及阵元安装误差引入的阵元空间位置误差；二是天线阵元及TR组件性能不一致引起的各阵元发射接收信号的相位变化；这两种误差都会引起通道的不一致性。

因此，相控阵天线经过标校，才能有效指向、跟踪目标，建立无线电链路；就目前而言一维相控阵天线、二维平面相控阵天线都有成熟的标校方法，但对于三维全空域相控阵天线，如用类似一维和二维的校准方法，会存在工作量大、可行性差、误差大的问题。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种全空域相控阵天线的标校杆近似模拟校准系统及方法，基于标校杆近似模拟电曲面，能够实现对全空域相控阵天线通道一致性、天线指向性能的高效标校，有利于保证天线的工作性能。

本发明的目的是通过以下技术方案来实现的：一种全空域相控阵天线的标校杆近似模拟校准系统，包括天线校准组件、被测相控阵天线、计算机设备、数字信号处理平台和光学仪器；所述数字信号处理平台分别与天线校准组件、被测相控阵天线和计算机设备连接；所述计算机设备还与光学仪器连接；

所述计算机设备，用于生成信号控制指令和通道控制指令发送给数字信号处理平台，并控制光学仪器获取天线校准组件和被测相控阵天线的空间位置信息，接收测量结果传输给数字信号处理平台；

所述数字信号处理平台，用于根据计算机设备的信号控制指令，对被测相控阵天线的各个天线阵元的幅度、相位进行控制，对校准过程中的发射信号幅度、相位进行控制；同时根据计算机设备的通道控制指令，对被测相控阵天线的信号收发通道进行控制；并接收来自天线校准组件和被测相控阵天线的信息，完成天线校准组件和被测相控阵天线的幅相测量，结合天线校准组件的空间位置信息、被测相控阵天线的空间位置信息和幅相测量结果，对被测相控阵天线进行标校。

其中，所述天线校准组件包括m个位于不同高度的标校杆，每一个标校杆上均安装有一个校准天线，使得校准天线分布于理想电曲面上并覆盖被测相控阵天线的所有天线阵元；每一个校准天线均通过传输线与数字信号处理平台连接，各个校准天线的幅度特性为A_cal，相位特性为θ_cal；所述校准天线分布于理想电曲面上并覆盖被测相控阵天线的所有天线阵元；所述被测相控阵天线包括m个天线阵元，每一个天线阵元均通过传输线与数字信号处理平台连接；所述数字信号处理平台到各个天线阵元和各个校准天线的传输线严格等长。

所述数字信号处理平台包括：信号控制模块，用于接收计算机设备的信号控制指令，对被测相控阵天线的各个天线阵元的幅度、相位进行控制，对校准过程中的发射信号幅度、相位进行控制；收发通道控制模块，用于接收计算机设备的通道控制指令，对被测相控阵天线的信号收发通道进行控制；幅相测量模块，用于接收来自天线校准组件和被测相控阵天线的信息，完成天线校准组件和被测相控阵天线的幅相测量；标校模块，用于结合天线校准组件的空间位置信息、被测相控阵天线的空间位置信息和幅相测量结果，对被测相控阵天线进行标校。

所述计算机设备的第一个端口A连接至光学仪器数据控制端口，控制光学仪器测量天线校准组件和被测相控阵天线的空间位置信息，并从光学仪器接收测量结果；计算设备的第二个端口B连接至数字信号处理平台的信号控制模块，向数字信号处理平台传输信号控制指令；计算机设备的第三个端口C连接至数字信号处理平台的收发通道控制模块，向数字信号处理平台传输通道控制指令；计算机设备的第四个端口D连接至数字信号处理平台的标校模块，用于将来自光学仪器的信息传输给数字信号处理平台。

一种全空域相控阵天线的标校杆近似模拟校准系统进行天线校准的方法，包括以下步骤：

S1.计算机设备控制光学仪器测量第p个校准天线的空间坐标P_Calp(x_Calp,y_Calp,z_Calp)和第q个天线阵元的空间坐标P_Antq(x_Antq,y_Antq,z_Antq)，其中p＝1,2,3……m，q＝1,2,3……m，光学仪器将测量结果传输给计算机设备；

S2.计算机设备将接收到的测量结果传输给数字信号处理平台，数字信号处理平台根据P_Calp、P_Antq和校准频率计算出由相对位置造成的第p个校准天线和第q个天线阵元之间的幅度差A_{q_p}、相位差θ_{q_p}；

S3.在不同移相值下，对天线阵元发射通道的相位误差进行校准；

S4.在不同移相值下，对天线阵元接收通道的相位误差进行校准。

所述步骤S3包括以下子步骤：

S301.在计算机设备的信号控制指令和通道控制指令下，数字信号处理平台控制被测相控阵天线打开所有天线阵元的发射通道，将每个天线阵元幅度设置为A_{con_tq}，相位设置为θ_{con_tq}；

S302.在计算机设备的信号控制指令下，数字信号处理平台控制被测相控阵天线发送信号，并设置发射信号的幅度为A_tq相位为θ_tq；天线校准组件接收信号并传输给数字信号处理平台，数字信号处理平台测量天线校准组件接收到的来自被测相控阵天线第q个天线阵元的信号幅度A_rq和信号相位θ_rq；

S303.数字信号处理平台按照如下关系：

计算出发射链路校准需要补偿的差量：

其中，

表示经过第q个天线阵元和第p个校准天线的链路总的幅相传输系数；

S304.在计算机设备的信号控制指令下，数字信号处理平台控制被测相控阵天线上所有天线阵元发射通道的相位θ_{con_tq}从-π变化至π，重复步骤S301～S303，对天线阵元发射通道在不同的移相值下的相位误差进行标校，得到各个天线阵元的发射通道校准参数对各个天线阵元进行补偿校准。

所述步骤S4包括以下子步骤：

S401.在计算机设备的信号控制指令和通道控制指令下，数字信号处理平台控制被测相控阵天线打开所有天线阵元的接收通道，将每个天线阵元幅度设置为A_{con_tq}，相位设置为θ_{con_tq}；

S402.在计算机设备的信号控制指令下，数字信号处理平台控制天线校准组件发射信号，并设置发射信号的幅度为A_tq相位为θ_tq；被测相控阵天线的接收通道接收信号传输给数字信号处理平台，数字信号处理平台测量被测相控阵天线第q个天线阵元接收到的信号幅度A_rq和信号相位θ_rq；

S403.数字信号处理平台按照如下关系：

计算出接收链路校准需要补偿的差量：

其中，

表示经过第q个天线阵元和第p个校准天线的链路总的幅相传输系数；

S404.在计算机设备的信号控制指令下，数字信号处理平台控制被测相控阵天线所有天线阵元接收通道的相位θ_{con_rq}从-π变化至π，重复步骤S401～S403，对天线阵元的接收通道在不同的移相值下的相位误差进行标校，得到各个天线阵元的接收通道校准参数对各个天线阵元进行补偿校准。

优选地，被测相控阵天线的各个天线阵元可以分时工作，也可以同时工作；天线校准组件中的各个校准天线可以分时工作，也可以同时工作。

本发明的有益效果是：本发明基于标校杆近似模拟电曲面，能够实现对全空域相控阵天线通道一致性、天线指向性能的高效标校，利于保证该种天线的工作性能，也可实现天线的批量测试。

附图说明

图1为本发明的系统原理示意图；

图2为本发明的方法流程图；

图3为收发通道的校准示意图。

具体实施方式

下面结合附图进一步详细描述本发明的技术方案，但本发明的保护范围不局限于以下所述。

如图1所示，一种全空域相控阵天线的标校杆近似模拟校准系统，包括天线校准组件、被测相控阵天线、计算机设备、数字信号处理平台和光学仪器；所述数字信号处理平台分别与天线校准组件、被测相控阵天线和计算机设备连接；所述计算机设备还与光学仪器连接；

所述计算机设备，用于生成信号控制指令和通道控制指令发送给数字信号处理平台，并控制光学仪器获取天线校准组件和被测相控阵天线的空间位置信息，接收测量结果传输给数字信号处理平台；

所述数字信号处理平台，用于根据计算机设备的信号控制指令，对被测相控阵天线的各个天线阵元的幅度、相位进行控制，对校准过程中的发射信号幅度、相位进行控制；同时根据计算机设备的通道控制指令，对被测相控阵天线的信号收发通道进行控制；并接收来自天线校准组件和被测相控阵天线的信息，完成天线校准组件和被测相控阵天线的幅相测量，结合天线校准组件的空间位置信息、被测相控阵天线的空间位置信息和幅相测量结果，对被测相控阵天线进行标校。

其中，所述天线校准组件包括m个位于不同高度的标校杆，每一个标校杆上均安装有一个校准天线，每一个校准天线均通过传输线与数字信号处理平台连接，各个校准天线的幅度特性为A_cal，相位特性为θ_cal；所述校准天线分布于理想电曲面上并覆盖被测相控阵天线的所有天线阵元；所述被测相控阵天线包括m个天线阵元，每一个天线阵元均通过传输线与数字信号处理平台连接；所述数字信号处理平台到各个天线阵元和各个校准天线的传输线严格等长。

所述数字信号处理平台包括：信号控制模块，用于接收计算机设备的信号控制指令，对被测相控阵天线的各个天线阵元的幅度、相位进行控制，对校准过程中的发射信号幅度、相位进行控制；收发通道控制模块，用于接收计算机设备的通道控制指令，对被测相控阵天线的信号收发通道进行控制；幅相测量模块，用于接收来自天线校准组件和被测相控阵天线的信息，完成天线校准组件和被测相控阵天线的幅相测量；标校模块，用于结合天线校准组件的空间位置信息、被测相控阵天线的空间位置信息和幅相测量结果，对被测相控阵天线进行标校。

所述计算机设备的第一个端口A连接至光学仪器数据控制端口，控制光学仪器测量天线校准组件和被测相控阵天线的空间位置信息，并从光学仪器接收测量结果；计算设备的第二个端口B连接至数字信号处理平台的信号控制模块，向数字信号处理平台传输信号控制指令；计算机设备的第三个端口C连接至数字信号处理平台的收发通道控制模块，向数字信号处理平台传输通道控制指令；计算机设备的第四个端口D连接至数字信号处理平台的标校模块，用于将来自光学仪器的信息传输给数字信号处理平台。

如图2所示，一种全空域相控阵天线的标校杆近似模拟校准系统进行天线校准的方法，包括以下步骤：

S1.计算机设备控制光学仪器测量第p个校准天线的空间坐标P_Calp(x_Calp,y_Calp,z_Calp)和第q个天线阵元的空间坐标P_Antq(x_Antq,y_Antq,z_Antq)，其中p＝1,2,3……m，q＝1,2,3……m，光学仪器将测量结果传输给计算机设备；

S2.计算机设备将接收到的测量结果传输给数字信号处理平台，数字信号处理平台根据P_Calp、P_Antq和校准频率计算出由相对位置造成的第p个校准天线和第q个天线阵元之间的幅度差A_{q_p}、相位差θ_{q_p}；

S3.在不同移相值下，对天线阵元发射通道的相位误差进行校准；

S4.在不同移相值下，对天线阵元接收通道的相位误差进行校准。

进行收发通道的校准的示意图如图3所示；所述步骤S3包括以下子步骤：

S301.在计算机设备的信号控制指令和通道控制指令下，数字信号处理平台控制被测相控阵天线打开所有天线阵元的发射通道，将每个天线阵元幅度设置为A_{con_tq}，相位设置为θ_{con_tq}；

S302.在计算机设备的信号控制指令下，数字信号处理平台控制被测相控阵天线发送信号，并设置发射信号的幅度为A_tq相位为θ_tq；天线校准组件接收信号并传输给数字信号处理平台，数字信号处理平台测量天线校准组件接收到的来自被测相控阵天线第q个天线阵元的信号幅度A_rq和信号相位θ_rq；

S303.数字信号处理平台按照如下关系：

计算出发射链路校准需要补偿的差量：

其中，

表示经过第q个天线阵元和第p个校准天线的链路总的幅相传输系数；

S304.在计算机设备的信号控制指令下，数字信号处理平台控制被测相控阵天线上所有天线阵元发射通道的相位θ_{con_tq}从-π变化至π，重复步骤S301～S303，对天线阵元发射通道在不同的移相值下的相位误差进行标校，得到各个天线阵元的发射通道校准参数对各个天线阵元进行补偿校准。

所述步骤S4包括以下子步骤：

S401.在计算机设备的信号控制指令和通道控制指令下，数字信号处理平台控制被测相控阵天线打开所有天线阵元的接收通道，将每个天线阵元幅度设置为A_{con_tq}，相位设置为θ_{con_tq}；

S402.在计算机设备的信号控制指令下，数字信号处理平台控制天线校准组件发射信号，并设置发射信号的幅度为A_tq相位为θ_tq；被测相控阵天线的接收通道接收信号传输给数字信号处理平台，数字信号处理平台测量被测相控阵天线第q个天线阵元接收到的信号幅度A_rq和信号相位θ_rq；

S403.数字信号处理平台按照如下关系：

计算出接收链路校准需要补偿的差量：

其中，

表示经过第q个天线阵元和第p个校准天线的链路总的幅相传输系数；

S404.在计算机设备的信号控制指令下，数字信号处理平台控制被测相控阵天线所有天线阵元接收通道的相位θ_{con_rq}从-π变化至π，重复步骤S401～S403，对天线阵元的接收通道在不同的移相值下的相位误差进行标校，得到各个天线阵元的接收通道校准参数对各个天线阵元进行补偿校准。

在本申请的实施例中，被测相控阵天线的各个天线阵元可以分时工作，也可以同时工作；天线校准组件中的各个校准天线可以分时工作，也可以同时工作。

综上，本发明基于标校杆近似模拟电曲面，能够实现对全空域相控阵天线通道一致性、天线指向性能、天线跟踪性能等的高效标校，利于保证该种天线的工作性能，也可实现天线的批量测试。

最后应当说明的是，以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，对于本领域的技术人员来说，其依然可以对前述各实施例所记载的方法进行修改，例如所述方法名称的变化，天线形式的变化等。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种全空域相控阵天线的标校杆近似模拟校准系统，其特征在于：包括天线校准组件、被测相控阵天线、计算机设备、数字信号处理平台和光学仪器；所述数字信号处理平台分别与天线校准组件、被测相控阵天线和计算机设备连接；所述计算机设备还与光学仪器连接；

所述计算机设备，用于生成信号控制指令和通道控制指令发送给数字信号处理平台，并控制光学仪器获取天线校准组件和被测相控阵天线的空间位置信息，接收测量结果传输给数字信号处理平台；

所述数字信号处理平台，用于根据计算机设备的信号控制指令，对被测相控阵天线的各个天线阵元的幅度、相位进行控制，对校准过程中的发射信号幅度、相位进行控制；同时根据计算机设备的通道控制指令，对被测相控阵天线的信号收发通道进行控制；并接收来自天线校准组件和被测相控阵天线的信息，完成天线校准组件和被测相控阵天线的幅相测量，结合天线校准组件的空间位置信息、被测相控阵天线的空间位置信息和幅相测量结果，对被测相控阵天线进行标校；

在进行对发射通道的校准时，计算机设备控制光学仪器测量第p个校准天线的空间坐标P_Calp(x_Calp,y_Calp,z_Calp)和第q个天线阵元的空间坐标P_Antq(x_Antq,y_Antq,z_Antq)，其中p＝1,2,3……m，q＝1,2,3……m，光学仪器将测量结果传输给计算机设备；

计算机设备将接收到的测量结果传输给数字信号处理平台，数字信号处理平台根据P_Calp、P_Antq和校准频率计算出由相对位置造成的第p个校准天线和第q个天线阵元之间的幅度差A_{q_p}、相位差θ_{q_p}；

在计算机设备的信号控制指令和通道控制指令下，数字信号处理平台控制被测相控阵天线打开所有天线阵元的发射通道，将每个天线阵元幅度设置为A_{con_tq}，相位设置为θ_{con_tq}；

在计算机设备的信号控制指令下，数字信号处理平台控制被测相控阵天线发送信号，并设置发射信号的幅度为A_tq相位为θ_tq；天线校准组件接收信号并传输给数字信号处理平台，数字信号处理平台测量天线校准组件接收到的来自被测相控阵天线第q个天线阵元的信号幅度A_rq和信号相位θ_rq；

数字信号处理平台按照如下关系：

计算出发射链路校准需要补偿的差量：

其中，

表示经过第q个天线阵元和第p个校准天线的链路总的幅相传输系数；

在计算机设备的信号控制指令下，数字信号处理平台控制被测相控阵天线上所有天线阵元发射通道的相位θ_{con_tq}从-π变化至π，对天线阵元发射通道在不同的移相值下的相位误差进行标校，得到各个天线阵元的发射通道校准参数对各个天线阵元进行补偿校准。

2.根据权利要求1所述的一种全空域相控阵天线的标校杆近似模拟校准系统，其特征在于：所述天线校准组件包括m个位于不同高度的标校杆，每一个标校杆上均安装有一个校准天线，每一个校准天线均通过传输线与数字信号处理平台连接，各个校准天线的幅度特性为A_cal，相位特性为θ_cal；所述校准天线分布于理想电曲面上并覆盖被测相控阵天线的所有天线阵元；所述被测相控阵天线包括m个天线阵元，每一个天线阵元均通过传输线与数字信号处理平台连接；所述数字信号处理平台到各个天线阵元和各个校准天线的传输线严格等长。

3.根据权利要求1所述的一种全空域相控阵天线的标校杆近似模拟校准系统，其特征在于：所述数字信号处理平台包括：信号控制模块，用于接收计算机设备的信号控制指令，对被测相控阵天线的各个天线阵元的幅度、相位进行控制，对校准过程中的发射信号幅度、相位进行控制；收发通道控制模块，用于接收计算机设备的通道控制指令，对被测相控阵天线的信号收发通道进行控制；幅相测量模块，用于接收来自天线校准组件和被测相控阵天线的信息，完成天线校准组件和被测相控阵天线的幅相测量；标校模块，用于结合天线校准组件的空间位置信息、被测相控阵天线的空间位置信息和幅相测量结果，对被测相控阵天线进行标校。

4.根据权利要求1所述的一种全空域相控阵天线的标校杆近似模拟校准系统，其特征在于：所述计算机设备的第一个端口A连接至光学仪器数据控制端口，控制光学仪器测量天线校准组件和被测相控阵天线的空间位置信息，并从光学仪器接收测量结果；计算设备的第二个端口B连接至数字信号处理平台的信号控制模块，向数字信号处理平台传输信号控制指令；计算机设备的第三个端口C连接至数字信号处理平台的收发通道控制模块，向数字信号处理平台传输通道控制指令；计算机设备的第四个端口D连接至数字信号处理平台的标校模块，用于将来自光学仪器的信息传输给数字信号处理平台。

5.根据权利要求1～4中任意一项所述的一种全空域相控阵天线的标校杆近似模拟校准系统进行天线校准的方法，其特征在于：包括以下步骤：

S1.计算机设备控制光学仪器测量第p个校准天线的空间坐标P_Calp(x_Calp,y_Calp,z_Calp)和第q个天线阵元的空间坐标P_Antq(x_Antq,y_Antq,z_Antq)，其中p＝1,2,3……m，q＝1,2,3……m，光学仪器将测量结果传输给计算机设备；

S2.计算机设备将接收到的测量结果传输给数字信号处理平台，数字信号处理平台根据P_Calp、P_Antq和校准频率计算出由相对位置造成的第p个校准天线和第q个天线阵元之间的幅度差A_{q_p}、相位差θ_{q_p}；

S3.在不同移相值下，对天线阵元发射通道的相位误差进行校准；

S4.在不同移相值下，对天线阵元接收通道的相位误差进行校准。

6.根据权利要求5所述的一种全空域相控阵天线的标校杆近似模拟校准系统进行天线校准的方法，其特征在于：所述步骤S3包括以下子步骤：

S301.在计算机设备的信号控制指令和通道控制指令下，数字信号处理平台控制被测相控阵天线打开所有天线阵元的发射通道，将每个天线阵元幅度设置为A_{con_tq}，相位设置为θ_{con_tq}；

S302.在计算机设备的信号控制指令下，数字信号处理平台控制被测相控阵天线发送信号，并设置发射信号的幅度为A_tq相位为θ_tq；天线校准组件接收信号并传输给数字信号处理平台，数字信号处理平台测量天线校准组件接收到的来自被测相控阵天线第q个天线阵元的信号幅度A_rq和信号相位θ_rq；

S303.数字信号处理平台按照如下关系：

计算出发射链路校准需要补偿的差量：

其中，

表示经过第q个天线阵元和第p个校准天线的链路总的幅相传输系数；

S304.在计算机设备的信号控制指令下，数字信号处理平台控制被测相控阵天线上所有天线阵元发射通道的相位θ_{con_tq}从-π变化至π，重复步骤S301～S303，对天线阵元发射通道在不同的移相值下的相位误差进行标校，得到各个天线阵元的发射通道校准参数对各个天线阵元进行补偿校准。

7.根据权利要求5所述的一种全空域相控阵天线的标校杆近似模拟校准系统进行天线校准的方法，其特征在于：所述步骤S4包括以下子步骤：

S401.在计算机设备的信号控制指令和通道控制指令下，数字信号处理平台控制被测相控阵天线打开所有天线阵元的接收通道，将每个天线阵元幅度设置为A_{con_tq}，相位设置为θ_{con_tq}；

S402.在计算机设备的信号控制指令下，数字信号处理平台控制天线校准组件发射信号，并设置发射信号的幅度为A_tq相位为θ_tq；被测相控阵天线的接收通道接收信号传输给数字信号处理平台，数字信号处理平台测量被测相控阵天线第q个天线阵元接收到的信号幅度A_rq和信号相位θ_rq；

S403.数字信号处理平台按照如下关系：

计算出接收链路校准需要补偿的差量：

其中，

表示经过第q个天线阵元和第p个校准天线的链路总的幅相传输系数；

S404.在计算机设备的信号控制指令下，数字信号处理平台控制被测相控阵天线所有天线阵元接收通道的相位θ_{con_rq}从-π变化至π，重复步骤S401～S403，对天线阵元的接收通道在不同的移相值下的相位误差进行标校，得到各个天线阵元的接收通道校准参数对各个天线阵元进行补偿校准。

Images