CN111490834A - 一种基于差波束标校的相控阵天线校准方法 - Google Patents

Abstract

一种基于差波束标校的相控阵天线校准方法，利用相控阵差波束零深特性实现被测相控阵天线与辅助天线的高精度对准，利用接收信号的实测幅度值和实测相位值，以及接收信号的理论相位值，得到相控阵天线各通道的二次幅度补偿值和二次相位补偿值，对相控阵天线的各通道进行高精度的幅度和相位校准。本发明利用差波束零深特性对相控阵天线进行高精度校准的中场测试方法，该方法可实现辅助天线与被测天线高精度对准，且不存在拟合误差，可得到高精度的校准结果。此外，该方法不需要满足远场条件可在暗室全天时进行，不需全站仪等辅助测试设备，具有很强的可操作性和较高的工程价值。

Description

一种基于差波束标校的相控阵天线校准方法

技术领域

本发明涉及航天领域，尤其涉及一种利用差波束零深特性对相控阵天线进行高精度校准的中场测试方法，可应用于相控阵天线单元幅相校准领域。

背景技术

在相控阵雷达天线阵面、T/R组件的机械加工、组装等环节中，受工艺水平、加工能力的制约以及T/R组件单元互耦等因素的影响，天线组装完成后各通道的功率、频谱、幅相会存在一定的不一致性。天线阵面单元的幅相分布与设计值出现偏差，导致相控阵雷达天线零点深度、主副瓣比等指标下降，为达到设计要求必须进行天线各通道的幅相校准工作。

相控阵天线的校准一直是相控阵天线研究的热门问题。主流的相控阵天线校准方法包括：远场测量技术、中场测量、近场测量技术以及采用各种优化方法实现的快速测量与校准技术等。在暗室测试方法中，整个测试系统需要扫描架、辅助天线、转台、波控机、信号发生器和矢量网络分析仪等若干设备协同工作，因此辅助天线与被测天线的对准问题一直是相控阵天线高精度校准的瓶颈。毫米波相控阵天线由于波长较短，校准的效果受其影响尤其明显。

文献《相控阵天线快速校准方法》(“北京航空航天大学学报”，No.12，2016)提出了四相幅度校准法(FPC)，多次改变不同天线单元的相位值，通过测量和通道信号能量的变化，计算出天线单元的相位。该方法可实现快速校准，但是需要第1个天线单元及已知的相位分布为0，即受限于该天线单元与辅助天线对齐程度。文献《相控阵天线中场校正技术及其工程应用研究》(“南京理工大学硕士论文”，2005)提出多点测量的中场校正方法。该方法具有一定的可行性，但需要多次移动辅助天线，且辅助天线移动准确度要求较高。文献《一种相控阵天线网络相差中场校准新方法》(“雷达科学与技术”，No.1，2017)拟合得到阵面相位曲面，估计出阵面相位误差。该方法较为简便，但在模型构建和拟合过程中不可避免地存在误差，且需全站仪辅助测试，对测量精度要求较高。

专利《一种相控阵雷达发射通道远场校准方法及系统》(专利申请号：CN201410631380.9，专利公开号：CN104360328A)在远场辅助天线和被测天线旁边分别架设一个与被测天线极化方向互相垂直的天线，得到对被测天线相位进行校准的基准相位，进而利用被测天线的相位与基准相位得到相位补偿值。该方法较为直观，但需要三个辅助天线且测量距离需满足远场条件。专利《一种相控阵天线多波束自动校准装置及其自动校准方法》(专利申请号：CN201510051961.X，专利公开号：CN104597433A)为实现自动校准，建立法向波束数据库3时，需要在近场条件下，对相控阵天线各工作模式下的法向波束进行逐一校准，校准精度受到辅助天线与被测天线对齐精度的限制。专利《一种相控阵体制接收通道的幅相校准方法》(专利申请号：CN201010252906.4，专利公开号：CN101938305A)提供了一种相控阵体制接收通道的幅相校准方法，该方法较好地控制了接收通道的幅度和相位误差，但需要波束形成网络自带校准源，使用范围受限。

发明内容

本发明提供一种基于差波束标校的相控阵天线校准方法，利用差波束零深特性对相控阵天线进行高精度校准的中场测试方法，该方法可实现辅助天线与被测天线高精度对准，且不存在拟合误差，可得到高精度的校准结果。此外，该方法不需要满足远场条件可在暗室全天时进行，不需全站仪等辅助测试设备，具有很强的可操作性和较高的工程价值。

为了达到上述目的，本发明提供一种基于差波束标校的相控阵天线校准方法，包含以下步骤：

利用相控阵差波束零深特性实现被测相控阵天线与辅助天线的高精度对准；

利用接收信号的实测幅度值和实测相位值，以及接收信号的理论相位值，得到相控阵天线各通道的幅度补偿值和相位补偿值，对相控阵天线的各通道进行高精度的幅度和相位校准。

在暗室中进行相控阵天线校准，将所述的被测相控阵天线固定在精密转台上，所述的辅助天线与被测相控阵天线相对设置，将所述的辅助天线设置在可移动装置上，通过波控机控制被测相控阵天线中T/R组件的各通道的收发状态。

在对被测相控阵天线进行高精度对准和高精度校准之前，利用已知的被测相控阵天线中T/R组件的各通道基态相位数据对相控阵天线的各通道进行初步的幅度和相位校准；

利用已知的T/R组件各通道基态相位数据

依次对第i(i＝1…N)通道进行初步的幅度和相位校准；

以第1个通道为参考通道，各通道的一次幅度补偿值为

各通道的一次相位补偿值为

实现被测相控阵天线与辅助天线的高精度对准的方法包含：

利用波控机设置被测相控阵天线中T/R组件的全部通道为接收状态，通过控制精密转台旋转，测试被测相控阵天线的差方向图，利用可移动装置调节辅助天线的位置，直至被测相控阵天线的差方向图的中心零点位置为0°，则实现了辅助天线与被测相控阵天线中心阵元对齐。

对相控阵天线的各通道进行高精度的幅度和相位校准的方法包含：

利用波控机依次对被测相控阵天线各通道开启接收功能，将某通道设置为接收状态时，将其它通道均设置为待机状态，记录当前接收信号的实测幅度值和实测相位值

若被测相控阵天线阵元间距为a，则以第

个阵元为参考阵元，计算得到各阵元的接收信号的理论相位值为：

将相控阵天线各通道接收信号的实测相位值与理论相位值比较，计算得到相控阵天线各通道的二次相位补偿值：

利用相控阵天线各通道接收信号的实测幅度值，计算得到相控阵天线各通道的二次幅度补偿值为：

本发明具有以下优点：

1、利用差波束零深特性实现被测天线与辅助天线的高精度对准，进而可获得高精度的幅相校准结果。

2、差波束标校过程中不存在拟合误差，幅相校准结果精度较高。

3、不需全站仪等辅助测试设备，具有较强的可操作性。

4、在暗室中进行，相较于一般远场测试方法，受地物回波的影响较小，不需要满足远场条件，且可以全天时全天候使用。

5、复杂度较低，处理过程计算量较小，易于实现。

6、无需波束形成网络自带校准源，使用范围更广。

附图说明

图1是本发明提供的一种相控阵天线校准方法的流程图。

图2是本发明的一个实施例中相控阵天线校准方法的流程图。

图3是辅助天线与被测相控阵天线位置示意图。

图4是被测相控阵天线在初步校准及差波束标校后的差方向图。

图5是被测相控阵天线在高精度校准后的差方向图。

具体实施方式

以下根据图1～图5，具体说明本发明的较佳实施例。

如图1所示，本发明提供一种相控阵天线校准方法，包含以下步骤：

步骤S1、利用相控阵差波束零深特性实现被测相控阵天线与辅助天线的高精度对准，打破相控阵天线校准精度受限的瓶颈；

步骤S2、利用接收信号的实测幅度值和实测相位值，以及接收信号的理论相位值，得到相控阵天线各通道的幅度补偿值和相位补偿值，对相控阵天线的各通道进行高精度的幅度和相位校准，可消除由相控阵天线的组装、T/R组件单元互耦以及馈相网络误差等因素的影响。

进一步，如图2所示，在本发明的一个实施例中，所述的一种相控阵天线校准方法，具体包含以下步骤：

步骤A、在暗室中搭建相控阵天线测试系统；

以一维相控阵天线的幅度和相位校准过程为例，如图3所示，将被测N元一维相控阵天线垂直固定在精密转台上，将辅助天线置于中场范围内的二维扫描架上，与被测相控阵天线相对，波控机与被测相控阵天线相连，实现对被测相控阵天线的T/R组件各通道收发状态的控制，相控阵天线各通道接收到的信号流经集成在相控阵天线上的和差网络并通过电缆送入矢量网络分析仪；

步骤B、对相控阵天线的各通道进行初步的幅度和相位校准；

利用已知的T/R组件各通道基态幅度和相位数据

依次对第i(i＝1…N)通道进行初步的幅度和相位校准；

步骤C、进行差波束标校；

利用波控机设置T/R组件的全部通道为接收状态，控制转台旋转，测试被测相控阵天线的差方向图，若差方向图中心零点位置为β，使用激光测距仪测量辅助天线与被测相控阵天线中心的距离为d，利用二维扫描架将辅助天线平行于被测天线的方向向左移动Δx＝d·tanβ，再次通过测试设备控制转台旋转，测试被测天线的差方向图，如此循环，直至差方向图中心零点位置为0°时，辅助天线与被测相控阵天线中心阵元对齐；

步骤D、利用接收信号的实测幅度值和实测相位值，以及接收信号的理论相位值，得到相控阵天线各通道的二次幅度补偿值和二次相位补偿值，对相控阵天线的各通道进行高精度的幅度和相位校准；

利用波控机依次对相控阵天线各通道开启接收功能，将被测通道设置为接收状态时，将其它通道均设置为待机状态，记录当前接收信号的实测幅度值和实测相位值

利用差波束标校后，辅助天线与被测相控阵天线中心阵元对齐，若被测相控阵天线阵元间距为a，则以第

个阵元为参考阵元，计算得到各阵元的接收信号的理论相位值为：

将相控阵天线各通道接收信号的实测相位值与理论相位值比较，计算得到相控阵天线各通道的二次相位补偿值：

利用相控阵天线各通道接收信号的实测幅度值，计算得到相控阵天线各通道的二次幅度补偿值为：

其中，min是取所有通道接收信号的实测幅度值的最小值。

在本发明的一个实施例中，所述的一种相控阵天线校准方法，具体包含以下步骤：

1、在暗室中搭建测试系统；

以阵元数N＝50，阵元间距为a＝1.5mm，波长λ＝3mm的一维相控阵天线的幅度和相位校准过程为例，将被测一维相控阵天线垂直固定在精密转台上，将辅助天线置于距离为d＝15m的二维扫描架上，与被测天线相对。辅助天线与被测相控阵天线的位置示意图如图3所示，波控机与被测相控阵天线相连，实现对被测相控阵天线各通道收发状态的控制，各通道接收到的信号流经和差网络并通过电缆送入矢量网络分析仪；

2、对T/R组件的幅度和相位数据进行初步校准；

受工艺水平和加工能力的制约，T/R组件各通道的幅度相位特性存在差异，利用已知的T/R组件各通道基态相位数据

依次对第i(i＝1…N)通道进行初步幅相校准；

以第1个通道为参考通道，各通道的一次幅度补偿值为

各通道的一次相位补偿值为

3、进行差波束标校；

利用波控机设置被测相控阵天线的全部通道为接收状态，通过测试设备控制转台旋转，测试被测天线的差方向图，若首次测试被测相控阵天线的差方向图中心零点位置为0°，则无需移动辅助天线位置，若首次测试被测相控阵天线的差方向图中心零点位置未位于0°，以30°为例，使用激光测距仪测量辅助天线与被测天线中心的距离d＝15m，利用二维扫描架将辅助天线向左移动

再次通过测试设备控制转台旋转，测试被测相控阵天线的差方向图。如此循环，直至被测相控阵天线的差方向图的中心零点位置为0°时，辅助天线与被测相控阵天线中心阵元对齐，此时被测相控阵天线差波束方向图如图4所示；

4、测试接收信号的幅度和相位；

将第1个被测通道设置为接收状态时，将其它通道均设置为待机状态，记录当前接收信号的幅度值和相位值

依此方法，利用波控机依次设置被测相控阵天线各通道为接收状态，将其它通道均设置为待机状态，并分别记录当前接收信号的幅度值和相位值

5、计算接收信号的理论相位值；

被测相控阵天线阵元间距为a＝1.5mm，则以第25个阵元为参考阵元，各通道的接收信号的理论相位值为：

6、计算被测相控阵天线各通道的二次幅度补偿值和二次相位补偿值；

利用各通道的实测接收信号相位值与理论相位值，计算得到天线各通道的二次相位补偿值：

利用T/R组件各通道接收信号的实测幅度值，计算天线各通道的二次幅度补偿值为：

经高精度校准后的被测相控阵天线的差波束方向图如图5所示。

本发明具有以下优点：

1、利用差波束零深特性实现被测天线与辅助天线的高精度对准，进而可获得高精度的幅相校准结果。

2、差波束标校过程中不存在拟合误差，幅相校准结果精度较高。

3、不需全站仪等辅助测试设备，具有较强的可操作性。

4、在暗室中进行，相较于一般远场测试方法，受地物回波的影响较小，不需要满足远场条件，且可以全天时全天候使用。

5、复杂度较低，处理过程计算量较小，易于实现。

6、无需波束形成网络自带校准源，使用范围更广。

尽管本发明的内容已经通过上述优选实施例作了详细介绍，但应当认识到上述的描述不应被认为是对本发明的限制。在本领域技术人员阅读了上述内容后，对于本发明的多种修改和替代都将是显而易见的。因此，本发明的保护范围应由所附的权利要求来限定。

Claims (5)

1.一种基于差波束标校的相控阵天线校准方法，其特征在于，包含以下步骤：

利用相控阵差波束零深特性实现被测相控阵天线与辅助天线的高精度对准；

利用接收信号的实测幅度值和实测相位值，以及接收信号的理论相位值，得到相控阵天线各通道的幅度补偿值和相位补偿值，对相控阵天线的各通道进行高精度的幅度和相位校准。

2.如权利要求1所述的基于差波束标校的相控阵天线校准方法，其特征在于，在暗室中进行相控阵天线校准，将所述的被测相控阵天线固定在精密转台上，所述的辅助天线与被测相控阵天线相对设置，将所述的辅助天线设置在可移动装置上，通过波控机控制被测相控阵天线中T/R组件的各通道的收发状态。

3.如权利要求2所述的基于差波束标校的相控阵天线校准方法，其特征在于，在对被测相控阵天线进行高精度对准和高精度校准之前，利用已知的被测相控阵天线中T/R组件的各通道基态相位数据对相控阵天线的各通道进行初步的幅度和相位校准；

利用已知的T/R组件各通道基态幅度和相位数据

依次对第i(i＝1…N)通道进行初步的幅度和相位校准；

以第1个通道为参考通道，各通道的一次幅度补偿值为

各通道的一次相位补偿值为

4.如权利要求3所述的基于差波束标校的相控阵天线校准方法，其特征在于，实现被测相控阵天线与辅助天线的高精度对准的方法包含：

利用波控机设置被测相控阵天线中T/R组件的全部通道为接收状态，通过控制精密转台旋转，测试被测相控阵天线的差方向图，利用可移动装置调节辅助天线的位置，直至被测相控阵天线的差方向图的中心零点位置为0°，则实现了辅助天线与被测相控阵天线中心阵元对齐。

5.如权利要求4所述的基于差波束标校的相控阵天线校准方法，其特征在于，对相控阵天线的各通道进行高精度的幅度和相位校准的方法包含：

利用波控机依次对被测相控阵天线各通道开启接收功能，将某通道设置为接收状态时，将其它通道均设置为待机状态，记录当前接收信号的实测幅度值和实测相位值

若被测相控阵天线阵元间距为a，则以第

个阵元为参考阵元，计算得到各阵元的接收信号的理论相位值为：

将相控阵天线各通道接收信号的实测相位值与理论相位值比较，计算得到相控阵天线各通道的二次相位补偿值：

利用相控阵天线各通道接收信号的实测幅度值，计算得到相控阵天线各通道的二次幅度补偿值为：

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