CN111431636A - 一种大型相控阵天线的在线校准方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种大型相控阵天线的在线校准方法，属于相控阵天线技术领域。该方法包括以下步骤：在阵面上架设校准天线；将待测子阵的收发组件切换为工作状态，并将其它子阵对应的通道切换为负载态；通过接收机采集相位信息；根据相位信息求解校准天线的实际位置；利用接收机采集到的相位信息将校准天线与子阵间路径差引起的相位差排除，得到各子阵对应通道的固有相位差值。该方法既避免了远场校准的不便捷性，也不用像耦合校准那样对子阵方向图的对称性有严格要求，仅需要子阵通道的切换便可以达到高效、便捷以及便于工程化应用的校准效果，有助于实现相控阵的高效辐射及精准波束指向的能力。

Description

一种大型相控阵天线的在线校准方法

技术领域

该发明涉及相控阵天线技术领域，具体涉及一种大型相控阵天线的在线校准方法。

背景技术

相控阵天线由于种种原因无法将各通道的幅值与相位做到完全一致，特别是相位的高度一致更是难满足，而这又直接关乎其波束的合成效率以及波束指向的精度。因此，需要对相控阵天线进行校准以弥补通道间的不一致性达到高效辐射及波束精准指向的目的。

目前，主流的校准方法存在如下局限：

1、内场校准：其设备量巨大，不经济，而且无法对阵面变形以及子阵安装精度进行校准。

2、近场校准法：对于大型相控阵天线来说，对暗室空间、扫描仪器的同步性要求很高，扫描时间长、效率低的同时并不适用于对相控阵进行实时监测校准。对于需要定期标校的情况，近场校准的实用性及经济性会大打折扣。

3、耦合校准法：仅适用于收发共口面的相控阵天线，同时该方法对子阵方向图的对称性上要求极其苛刻，几乎很难满足要求。

4、远场校准法：要满足大型相控阵天线的阵列远场条件需要很远的距离，这对于很多应用环境是十分不便的。

因此，针对上述问题，有必要提出一种针对大型相控阵天线的新型校准方法，以满足高效、便捷、经济且便于工程化应用的需求。

发明内容

有鉴于此，本发明提出了一种大型相控阵天线的在线校准方法，该方法能够准确高效地实现相控阵天线各通道的相位一致性，从而满足相控阵天线对高效辐射及波束精准指向的要求。

为了实现上述目的，本发明采用的技术方案为：

一种大型相控阵天线的在线校准方法，包括如下步骤：

步骤1，在阵面上架设校准天线，校准天线位于阵面有效距离之外；

步骤2，将相控阵天线的待测有源子阵中的收发组件切换为接收态或发射态，并将阵面上其它有源子阵对应的通道切换为负载态；

步骤3，依据待测有源子阵的收发状态，通过校准接收机内部的2选2开关将校准接收机的发射端和接收端接通到校准天线和待测有源子阵；

步骤4，校准接收机通过发射端发射待测频段信号，同时读取接收端接收到的信号相位；

步骤5，切换下一个待测有源子阵，重复步骤2～4，直到测得所有有源子阵的相位值；

步骤6，在步骤5所得相位值的基础上，排除由校准天线与待测有源子阵间的路径而引起的相位差值，得到各有源子阵的固有相位差，完成校准。

进一步的，所述步骤6的具体方式为：

步骤601，建立坐标系，将相控阵天线各有源子阵以及校准天线的位置用坐标进行表示；

步骤602，以实测得到的校准天线的位置坐标为中心选定一个邻域，在该邻域内选择一个坐标作为校准天线的假设位置；

步骤603，求解各有源子阵与假设位置的路径长度，并依据各路径长度分别计算该路径所引起的相位差值；

步骤604，对于每一有源子阵，用步骤5测得的该有源子阵的相位值减去步骤603算得的该有源子阵所对应的相位差值，得到各有源子阵的固有相位差值；

步骤605，对步骤604所得的各有源子阵的固有相位差值求取算术平均值，若该算术平均值小于0.5，则判定此时的假设位置为校准天线的真实位置，步骤604所得的各有源子阵的固有相位差值即为各有源子阵的真实的固有相位差值，完成校准；若算术平均值大于0.5，则在邻域内选择另外一点作为假设位置，重复步骤603～605。

本发明采用上述技术方案所取得的有益效果在于：

1、本方法简单易行，既避免了远场校准的不便捷性，也不用像耦合校准那样对子阵方向图的对称性有严格要求。

2、本方法不需要准备大范围的校准场地，校准天线与相控阵天线的距离较近，可以兼顾同源及低损耗特性，这对于相位信息的稳定采集十分重要的，能够极大提高校准方法的工程实现性。

3、本方法具有极高的效率，尤其适用于大型相控阵系统，可以实现对相控阵天线通道的故障检测及相位弥补。

附图说明

图1是本发明实施例的方法流程图。

图2是本发明实施例中校准前后的相控阵天线方向图对比示意图。

具体实施方式

为了便于本领域技术人员的理解，下面结合附图和具体的实施例对本发明做进一步的说明。

一种大型相控阵天线的在线校准方法，包括如下步骤：

步骤1，在阵面上架设校准天线，校准天线位于阵面有效距离之外；

步骤2，将相控阵天线的待测有源子阵中的收发组件切换为接收态或发射态，并将阵面上其它有源子阵对应的通道切换为负载态；

步骤3，依据待测有源子阵的收发状态，通过校准接收机内部的2选2开关将校准接收机的发射端和接收端接通到校准天线和待测有源子阵；

步骤4，校准接收机通过发射端发射待测频段信号，同时读取接收端接收到的信号相位；

步骤5，切换下一个待测有源子阵，重复步骤2～4，直到测得所有有源子阵的相位值；

步骤6，在步骤5所得相位值的基础上，排除由校准天线与待测有源子阵间的路径而引起的相位差值，得到各有源子阵的固有相位差，完成校准。

进一步的，所述步骤6的具体方式为：

步骤601，建立坐标系，将相控阵天线各有源子阵以及校准天线的位置用坐标进行表示；

步骤602，以实测得到的校准天线的位置坐标为中心选定一个邻域，在该邻域内选择一个坐标作为校准天线的假设位置；

步骤603，求解各有源子阵与假设位置的路径长度，并依据各路径长度分别计算该路径所引起的相位差值；

步骤604，对于每一有源子阵，用步骤5测得的该有源子阵的相位值减去步骤603算得的该有源子阵所对应的相位差值，得到各有源子阵的固有相位差值；

步骤605，对步骤604所得的各有源子阵的固有相位差值求取算术平均值，若该算术平均值小于0.5，则判定此时的假设位置为校准天线的真实位置，步骤604所得的各有源子阵的固有相位差值即为各有源子阵的真实的固有相位差值，完成校准；若算术平均值大于0.5，则在邻域内选择另外一点作为假设位置，重复步骤603～605。

以下为另一个实施例：

如图1所示，一种大型相控阵天线的在线校准方法，具体步骤如下：

(1)在阵面上架设校准天线，校准天线应位于阵面有效距离之外；

相控阵的工作频段最高频率为f_h(单位MHz)，子阵口面面积为A(单位m²)，则校准天线距离阵面有效距离为

c为自由空间中的波长(单位m/s)。

(2)将相控阵中待测有源子阵中收发组件切换为工作状态(接收态或发射态)，并将阵面上其它有源子阵对应的通道切换为负载态；

(3)依据待测子阵的收发状态，校准接收机通过内部的2选2开关将其输出端和输入端接通到校准天线和待测阵列。若待测阵列为接收态，则校准接收机发射端口接通到校准天线，接收端口接通到待测阵列；若待测阵列为发射态，则校准接收机发射端口接通到待测阵列，接收端口接通到接收机；

(4)校准接收机通过发射端口发射待测频段信号，同时读取接收端接收到的信号相位P_i。

(5)切换下一个待测有源子阵，重复步骤(2)～(4)，直到测得所有子阵的相位信息。

(6)建立相关坐标系，将相控阵各子阵以及校准天线的位置用坐标进行表示。为了便于表示，对于平面相控阵，通常将阵面所在平面定义为XOY面，此时子阵的位置可以表示成(X_i，Y_i，0)，即Z_i＝0，校准天线的粗略位置可以表示成(X₀，Y₀，Z₀)。

(7)以校准天线粗略位置为中心做一邻域，在邻域内选择一个新的坐标(X₀+Δx，Y₀+Δy，Z₀+Δz)作为校准天线的可能的真实位置，求解各子阵与校准天线可能真实位置的路径长度：

(8)利用测得的相位值减去相应的由路径所引起的相位差值，得到每一子阵的可能的固有相位差值，并对这些可能的固有相位差值求和取均值：

其中，n为子阵个数，P_i为测试对应子阵时接收机收到的相位值，λ为工作波长。

(9)若步骤8的结果小于某一门限δ(该门限通常选择在0.2～0.5之间，依据阵列规模适当选取调整)，则判定此时赋予校准天线的位置为其真实位置，若不满足要求则返回步骤7，重新为校准天线赋予位置，直到满足门限要求为止。

(10)根据校准天线的真实位置，将由校准天线与子阵的路径所引起的相位差排除，即可得到各子阵的固有相位差P_Δi：

至此，完成校准。

以下为一个更具体的例子：

对一个40×40布局的10.95GHz～14.5GHz频段的相控阵进行校准，该相控阵中每个子阵的尺寸为60mm×60mm。根据天线工作频段及子阵尺寸得到有效距离约为1090mm，所以校准天线只需设置在离阵面距离大于1090mm处即可。

事先赋予各个通道初始相位值P_Δi，该值在±20°内随机分布，作为通道的固有相位差。校准天线架设位置为(0,0,1500)，单位是mm。但是，由于现实中存在架设精度以及其它因素的干扰，因此该位置可能不准确，而几毫米的误差就可能导致校准失败。因此，需要估计校准天线的真实位置。假设校准天线的真实位置是(5,6,1495)。本方法采用试探法估计校准天线的真实位置。具体来说，以(0,0,1500)为中心、10mm为半径做一邻域，从中心开始沿X、Y、Z三个方向步进1mm取点，以这些点作为可能的真实位置一一进行测试。

接收机收到的各个子阵的相位信息为：

每次测试可推出各子阵的固有相位差为，对其求平均后与门限值进行比较，从而验证每次测试中校准天线的位置是否正确。

最终，通过若干次测试即可得到校准天线的真实位置，进而得出各子阵的固有相位差值，完成校准。

图2是校准前后的方向图对比。从图中可见，本方法具有良好的校准效果。

以上所述仅是本发明的一些具体实施例。应当指出，在不脱离本发明原理和构思的前提下，对上述技术方案所做的修改、变化等，均应落入本发明的保护范围之内。

Claims (2)

1.一种大型相控阵天线的在线校准方法，其特征在于，包括如下步骤：

步骤1，在阵面上架设校准天线，校准天线位于阵面有效距离之外；

步骤2，将相控阵天线的待测有源子阵中的收发组件切换为接收态或发射态，并将阵面上其它有源子阵对应的通道切换为负载态；

步骤3，依据待测有源子阵的收发状态，通过校准接收机内部的2选2开关将校准接收机的发射端和接收端接通到校准天线和待测有源子阵；

步骤4，校准接收机通过发射端发射待测频段信号，同时读取接收端接收到的信号相位；

步骤5，切换下一个待测有源子阵，重复步骤2～4，直到测得所有有源子阵的相位值；

步骤6，在步骤5所得相位值的基础上，排除由校准天线与待测有源子阵间的路径而引起的相位差值，得到各有源子阵的固有相位差，完成校准。

2.如权利要求1所述的大型相控阵天线的在线校准方法，其特征在于，所述步骤6的具体方式为：

步骤601，建立坐标系，将相控阵天线各有源子阵以及校准天线的位置用坐标进行表示；

步骤602，以实测得到的校准天线的位置坐标为中心选定一个邻域，在该邻域内选择一个坐标作为校准天线的假设位置；

步骤603，求解各有源子阵与假设位置的路径长度，并依据各路径长度分别计算该路径所引起的相位差值；

步骤604，对于每一有源子阵，用步骤5测得的该有源子阵的相位值减去步骤603算得的该有源子阵所对应的相位差值，得到各有源子阵的固有相位差值；

步骤605，对步骤604所得的各有源子阵的固有相位差值求取算术平均值，若该算术平均值小于0.5，则判定此时的假设位置为校准天线的真实位置，步骤604所得的各有源子阵的固有相位差值即为各有源子阵的真实的固有相位差值，完成校准；若算术平均值大于0.5，则在邻域内选择另外一点作为假设位置，重复步骤603～605。

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