CN111077378A - 波导缝隙发射相控阵天线实时监测网络和自校准方法 - Google Patents

Abstract

一种波导缝隙发射相控阵天线实时监测网络和自校准方法；实时监测网络包括耦合脊波导、耦合缝隙、波导匹配负载、波导变换段、波导检波器。耦合脊波导通过耦合缝隙从波导缝隙线阵单元中耦合出电磁信号，不同波导缝隙线阵单元的耦合信号功率叠加后经波导检波器输出检波电压。在相控阵天线正常工作状态下，通过记录不同波束指向角下的检波电压曲线，经过矩阵运算后获取T通道实际输出的功率和相位值，通过与地面校准获取的校准码相减得到实际的校准码，从而实现天线的实时监测和自校准。本发明的发射相控阵天线实时监测网络通过采用流程简单的自校准方法，在不影响天线正常工作的同时，可实现各类载荷下波导缝隙发射相控阵天线的实时监测和自校准。

Description

波导缝隙发射相控阵天线实时监测网络和自校准方法

技术领域

本发明属于相控阵天线技术领域，具体为一种波导缝隙发射相控阵天线的 实时监测和自校准方法。

背景技术

波导缝隙发射相控阵天线由多根波导缝隙线阵单元、T组件、电源和波控器 等构成，具有低损耗、高效率、高功率容量、抗辐照、易散热等优点，能够在 极低的剖面内实现一维笔形或扇形波束相控扫描。通过采用不同波导缝隙线阵 单元，波导缝隙相控阵天线易实现单线极化(圆极化)或双线极化(圆极化) 工作，因此在C及以上波段广泛应用于各种雷达和通信系统。

波导缝隙发射相控阵天线出厂前可以采用近场、中场或远场暗室进行地面 校准，获取的地面校准码存储在波控器中供天线工作时使用。然而在实际使用 过程中，受元器件老化和环境温度剧烈变化等因素的影响，T组件在工作一段时 间后会发生相位偏移的现象，导致天线实际需求的校准码与地面校准码不同， 从而出现主瓣加宽、副瓣抬升、增益下降等性能恶化。甚至在天线长期工作后， 还会出现T组件损坏的情况。

为对波导缝隙发射相控阵天线进行监测和自校准，一种常见的方法是在波 导缝隙相控阵天线口面四周设置数个校准天线，通过校准天线接收相控阵天线 发射的相干校准信号实现监测和自校准。然而，该方法需要配置较高成本的相 干校准电路和较高的天线剖面以供架设校准天线，且在校准流程下天线无法正 常工作。另一种常见的手段是在波导缝隙相控阵天线口面设置耦合波导，通过 依次打开每一个T组件耦合每一根波导缝隙线阵单元电磁信号的幅度和相位信 息，从而实现监测和自校准，该方法同样无法在天线正常工作时进行监测和自 校准，且相干电路的采用会增加系统的复杂度和成本。

发明内容

本发明解决的技术问题是：克服现有技术的不足，提供一种硬件结构简单、 剖面低、成本低的波导缝隙发射相控阵天线实时监测网络和自校准方法。该实 时监测网络能够在不影响天线正常工作的条件下，实现天线的实时监测和自校 准。

本发明的技术解决方案为：一种波导缝隙发射相控阵天线的实时监测网络， 包括耦合脊波导、耦合缝隙、波导匹配负载、波导变换段、波导检波器；耦合 脊波导一端设置波导变换段，波导变换段连接波导检波器，耦合脊波导另一端 安装波导匹配负载；耦合缝隙沿耦合脊波导纵向分布；波导缝隙发射相控阵天 线的波导缝隙线阵单元沿耦合脊波导纵向分布，相邻两根耦合脊波导分别设置 在波导缝隙线阵单元的首端和末端，并通过耦合缝隙与波导缝隙线阵单元连接； 波导检波器与波控器连接；耦合脊波导通过耦合缝隙从波导缝隙线阵单元中耦 合出电磁信号，不同波导缝隙线阵单元的耦合信号功率叠加后经波导检波器输 出检波电压；在相控阵天线正常工作状态下，通过记录不同波束指向角下的检波电压曲线，经过矩阵运算并代入地面校准码后获取相控阵天线实际需求的校 准码，实现天线的实时监测和自校准。

所述耦合脊波导为单脊波导，脊波导波长等于相邻两个波导缝隙线阵单元 间距的两倍；耦合脊波导的数量等于相控阵天线中T组件的数量，位于波导缝 隙线阵单元首端的耦合脊波导与波导缝隙线阵单元的首端端部的距离为波导缝 隙线阵单元波导波长的二分之一，位于波导缝隙线阵单元末端的耦合脊波导与 波导缝隙线阵单元的末端端部的距离为波导缝隙线阵单元波导波长的二分之一。

所述耦合缝隙为Z字形缝隙，耦合缝隙的数量等于相控阵天线T组件中T 通道的数量，相邻耦合缝隙的间距等于耦合脊波导的波导波长，第一个耦合缝 隙几何中心距离波导匹配负载一倍波导波长。

通过调整耦合缝隙的尺寸，改变波导缝隙线阵单元进入耦合脊波导的功率。

波导变换段为单脊—矩波导变换。

基于所述实时监测网络的自校准方法，包括步骤如下：

步骤一、在相控阵天线正常工作状态下，波控器向T组件发送指向角为θ_m的波控指令，T组件接收到指令后控制N个T通道中的移相器输出相应的相位； N个T通道输出功率经波导缝隙线阵单元和耦合缝隙(2)后进入耦合脊波导(1) 内，对应的耦合电场幅度和相位分别为a_nm、

n＝1,2,3,…,N；m＝1,2,3,…,2N； N为正整数；

步骤二、记录2N个不同波束指向角θ_m下的波导检波器(5)输出检波电压 曲线U_m，则有

步骤三、联立方程

和

构成方程组，求解方程组获取耦合电场幅度a_nm和相位

其中，实际需求的校准码为

地面校准获取的校 准码为Φ₁、Φ₂、…、Φ_n、…、Φ_N，d为相邻波导缝隙单元的间距，k为自由空 间中的波数；

步骤四、通过与地面校准时获取的校准码相减，得到实际需求的校准码

步骤五、记录每一个T组件对应的实时监测网络输出检波电压曲线，重复 步骤一～四，完成对整个波导缝隙发射相控阵天线的自校准。

本发明与现有技术相比的优点在于：

1、本发明采用硬件结构简单、剖面低、成本低的耦合脊波导、耦合缝隙、 波导匹配负载、波导变换段、波导检波器构成实时监测网络，仅通过功率检波 实现波导缝隙发射相控阵天线的实时监测和自校准，避免了采用复杂的相干电 路接收。

2、本发明通过记录波导缝隙发射相控阵天线在正常工作状态下，不同时刻、 不同波束指向角时T组件输出进入实时监测网络的检波电压信号，经过矩阵运 算并代入地面校准码后，不仅能够计算出T组件实际输出的相位值，还能够监 测T组件输出功率。

附图说明

图1为波导缝隙发射相控阵天线实时监测网络结构示意图。

图2为波导缝隙发射相控阵天线及实时监测网络示意图。

图3为波导缝隙发射相控阵天线自校准流程图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明。

如图1所示，本发明公开了一种波导缝隙发射相控阵天线实时监测网络和 自校准方法，实时监测网络由耦合脊波导1、耦合缝隙2、波导匹配负载3、波 导变换段4、波导检波器5组成。

耦合脊波导1一端设置波导变换段4，波导变换段4连接波导检波器5，耦 合脊波导1另一端安装波导匹配负载3；耦合缝隙2沿耦合脊波导1纵向分布； 波导缝隙发射相控阵天线的波导缝隙线阵单元沿耦合脊波导1纵向分布，相邻 两根耦合脊波导1分别设置在波导缝隙线阵单元的首端和末端，并通过耦合缝 隙2与波导缝隙线阵单元连接；波导检波器5与波控器连接。

耦合脊波导1为单脊波导，波导波长等于相邻两个波导缝隙线阵单元的间 距的两倍，数量等于相控阵天线中T组件的数量。耦合脊波导1一端接波导匹 配负载3，另一端连接波导变换段4，位于波导缝隙线阵单元首端的耦合脊波导 1与波导缝隙线阵单元的首端端部的距离为波导缝隙线阵单元波导波长的二分 之一，位于波导缝隙线阵单元末端的耦合脊波导1与波导缝隙线阵单元的末端 端部的距离为波导缝隙线阵单元波导波长的二分之一。耦合缝隙2采用Z字形 缝隙，缝隙的数量等于连接波导缝隙线阵单元单个T组件中T通道的数量，相 邻耦合缝隙的间距等于耦合脊波导的波导波长，第一个耦合缝隙几何中心距离波导匹配负载3一倍波导波长。通过调整耦合缝隙2的尺寸能够调整波导缝隙 线阵单元进入耦合脊波导1的功率。波导变换段3为单脊—矩波导变换，一端 通过标准矩形法兰盘连接波导检波器5。

如图2所示，波导缝隙发射相控阵天线由多根波导缝隙线阵单元、T组件、 电源、波控器构成，实时监测网络位于波导缝隙线阵单元的背面。波导缝隙线 阵单元、耦合缝隙2、耦合脊波导1自上而下依次排列。

如图3所示，基于上述实时监测网络的发射相控阵天线自校准方法，包括 步骤如下：

1、在波导缝隙发射相控阵天线正常工作状态下，波控器向T组件发送指向 角为θ_m的波控指令，T组件接收到指令后控制N个T通道中的移相器输出相应 的相位。此时，N个T通道输出功率经波导缝隙线阵单元和耦合缝隙后进入耦 合脊波导内，对应的耦合电场幅度和相位分别为a_nm、

n＝1,2,3,…,N； m＝1,2,3,…,2N；N为正整数；

2、记录2N个不同波束指向角θ_m下的波导检波器输出检波电压曲线U_m， 则有

3、由于在不同扫描角θ_m时，同一个T通道输出功率进入耦合脊波导产生 的电场幅度不变，即a_nm(m＝1～2N)不随m发生变化。假设实际需求的校准码 为

地面校准获取的校准码(Φ₁、Φ₂、…、Φ_n、…Φ_N)， 则有

其中d为相邻波导缝隙单元的间 距，k为自由空间中的波数。联立第2步获取的2N个方程，求解方程组获取耦 合电场幅度a_nm和相位

4、通过与地面校准时获取的校准码相减，从而得到实际需求的校准码

5、记录每一个T组件对应的实时监测网络输出检波电压曲线，重复步骤 1～4，从而完成对整个波导缝隙发射相控阵天线的自校准。

如图2所示，在本实施例中，Ka频段波导缝隙线阵由16根脊波导驻波缝隙 线阵单元构成，每根线阵单元的一端封闭，另一端与T通道连接。相邻的两根 波导缝隙线阵单元间距为6mm。如图2所示，8个T通道构成一个T组件，共 计有2个T组件和2个完全相同的实时监测网络。其中，耦合脊波导的波导波 长为12mm，相邻耦合缝隙间距为12mm，左侧第一个耦合缝隙距离波导匹配负 载6mm。通过仿真可知波导缝隙线阵单元经Z字形耦合缝隙进入耦合脊波导的 端口耦合度为-28dB±1dB，相邻波导缝隙线阵单元经Z字形耦合缝隙进入耦合脊波导的端口隔离度大于55dB。其中一个8路T组件输出功率分别为29.32dBm、 29dBm、29.65dBm、29.7dBm、29.37dBm、29.45dBm、29.18dBm、29.15dBm， 假设在地面校准后长期工作导致第6个T通道损坏，输出功率为-60dBm，其余 7个T通道长期工作后相位偏差分别为4.86°、6.75°、354.28°、8.85°、352.72°、 349.25°、3.83°，地面校准码为22.5°、84.375°、135°、33.75°、196.875°、236.25°、 320.625°、90°，16个指向角分别为2°、4°、6°、8°、10°、12°、14°、16°、18°、 20°、22°、24°、26°、28°、30°、32°，采用电磁仿真得到工作频率下的16个检 波电压相对值分别为1、0.813、0.454、0.079、0.168、0.222、0.121、0.035、0.133、0.130、0.048、0.066、0.121、0.102、0.025，经矩阵运算后得到T组件输出功率 进入耦合脊波导的归一化电场幅度为0.92、0.85、0.99、1、0.93、0、0.89、0.88， 电场相位为27.4°、91.1°、129.3°、42.6°、189.6°、35.9°、309.875°、93.83°。

上述实施例只是本发明应用的一种列举，本领域技术人员可以根据不同的 设计要求和设计参数在不偏离本发明技术方案的情况下进行各种改进和更换， 同样落入本发明的保护范围。本发明未详细说明部分属于本领域公知技术。

Claims (6)

1.一种波导缝隙发射相控阵天线的实时监测网络，其特征在于，包括耦合脊波导(1)、耦合缝隙(2)、波导匹配负载(3)、波导变换段(4)、波导检波器(5)；耦合脊波导(1)一端设置波导变换段(4)，波导变换段(4)连接波导检波器(5)，耦合脊波导(1)另一端安装波导匹配负载(3)；耦合缝隙(2)沿耦合脊波导(1)纵向分布；波导缝隙发射相控阵天线的波导缝隙线阵单元沿耦合脊波导(1)纵向分布，相邻两根耦合脊波导(1)分别设置在波导缝隙线阵单元的首端和末端，并通过耦合缝隙(2)与波导缝隙线阵单元连接；波导检波器(5)与波控器连接；耦合脊波导(1)通过耦合缝隙(2)从波导缝隙线阵单元中耦合出电磁信号，不同波导缝隙线阵单元的耦合信号功率叠加后经波导检波器(5)输出检波电压；在相控阵天线正常工作状态下，通过记录不同波束指向角下的检波电压曲线，经过矩阵运算并代入地面校准码后获取相控阵天线实际需求的校准码，实现天线的实时监测和自校准。

2.根据权利要求1所述的一种波导缝隙发射相控阵天线的实时监测网络，其特征在于，所述耦合脊波导(1)为单脊波导，脊波导波长等于相邻两个波导缝隙线阵单元间距的两倍；耦合脊波导(1)的数量等于相控阵天线中T组件的数量，位于波导缝隙线阵单元首端的耦合脊波导(1)与波导缝隙线阵单元的首端端部的距离为波导缝隙线阵单元波导波长的二分之一，位于波导缝隙线阵单元末端的耦合脊波导(1)与波导缝隙线阵单元的末端端部的距离为波导缝隙线阵单元波导波长的二分之一。

3.根据权利要求1或2所述的一种波导缝隙发射相控阵天线的实时监测网络，其特征在于，所述耦合缝隙(2)为Z字形缝隙，耦合缝隙(2)的数量等于相控阵天线T组件中T通道的数量，相邻耦合缝隙(2)的间距等于耦合脊波导(1)的波导波长，第一个耦合缝隙(2)几何中心距离波导匹配负载(3)一倍波导波长。

4.根据权利要求3所述的一种波导缝隙发射相控阵天线的实时监测网络，其特征在于，通过调整耦合缝隙(2)的尺寸，改变波导缝隙线阵单元进入耦合脊波导(1)的功率。

5.根据权利要求4所述的一种波导缝隙发射相控阵天线的实时监测网络，其特征在于，波导变换段(4)为单脊—矩波导变换。

6.基于如权利要求1～5任一项所述实时监测网络的自校准方法，其特征在于，包括步骤如下：

步骤一、在相控阵天线正常工作状态下，波控器向T组件发送指向角为θ_m的波控指令，T组件接收到指令后控制N个T通道中的移相器输出相应的相位；N个T通道输出功率经波导缝隙线阵单元和耦合缝隙(2)后进入耦合脊波导(1)内，对应的耦合电场幅度和相位分别为a_nm、

n＝1,2,3,…,N；m＝1,2,3,…,2N；N为正整数；

步骤二、记录2N个不同波束指向角θ_m下的波导检波器(5)输出检波电压曲线U_m，则有

步骤三、联立方程

和

构成方程组，求解方程组获取耦合电场幅度a_nm和相位

其中，实际需求的校准码为

地面校准获取的校准码为Φ₁、Φ₂、…、Φ_n、…、Φ_N，d为相邻波导缝隙单元的间距，k为自由空间中的波数；

步骤四、通过与地面校准时获取的校准码相减，得到实际需求的校准码

步骤五、记录每一个T组件对应的实时监测网络输出检波电压曲线，重复步骤一～四，完成对整个波导缝隙发射相控阵天线的自校准。

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