CN111693952A - 一种相控阵幅相校准系统 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种相控阵幅相校准系统，涉及雷达技术领域，该系统包括安装在滑台上且正对待校准相控阵中一个待校准通道的测试天线，控制器控制滑台的移动以及各个待校准通道的依次开启，矢量网络分析仪连接测试天线发送信号、连接待校准相控阵获取每个待校准通道的接收信号，并将各个待校准通道的相位和幅度分别根据最小值配平，该系统可以对待校准相控阵的相位和幅度进行配平校准，从而可以消除天线阵面各阵元天线的相位和幅度差距，提高整体阵面的合成效率，具有较高的校准精度和校准速度。

Description

一种相控阵幅相校准系统
技术领域
本发明涉及雷达技术领域，尤其是一种相控阵幅相校准系统。
背景技术
有源相控阵雷达采用分布式馈电网络，由阵元天线及之后的收发组件(T/R组件)等组合组成一个大的天线阵面，收发组件集成移相器、衰减器、放大器等部件并在内部形成发射通道和接收通道，负责控制对应的阵元天线输出的相位及功率，每个阵元天线及其连接的收发组件形成天线阵面中的一个通道，整个天线阵面中共包括多个通道。
在组合形成天线阵面后，各阵元天线经过空间合成后，整体天线阵面的功率提高，从而增大了整体系统的作用距离。而在实际应用过程中，辐射器的不一致性、辐射器安装造成的不一致性、收发前端通道不一致性、功率合成器通道不一致性、合成器等组件安装造成的不一致性等情况造成的误差，都会使得整个天线阵面的相位和幅度分布不是一个平面，相位幅度差示意图请参考图1，整个相控阵雷达的波束指向会受到一定的影响。
发明内容
本发明人针对上述问题及技术需求，提出了一种相控阵幅相校准系统，本发明的技术方案如下：
一种相控阵幅相校准系统，该相控阵幅相校准系统包括待校准相控阵、控制器、矢量网络分析仪、滑台以及X波段的测试天线；
待校准相控阵包括N个待校准通道，每个待校准通道包括阵元天线及其连接的收发组件，收发组件中至少包括移相器、衰减器和收发开关；各个待校准通道中的阵元天线在同一平面上依次排列且均朝向同一方向；测试天线安装在滑台上且测试天线与滑台组成的平面与各个阵元天线构成的平面平行，测试天线与待校准相控阵中的阵元天线的朝向相对，测试天线在滑台上的滑动方向与各个阵元天线的排列方向相同；矢量网络分析仪连接测试天线以及待校准相控阵，控制器连接矢量网络分析仪、滑台以及待校准相控阵中各个待校准通道中的收发组件；
控制器控制第i个待校准通道中的收发组件内的收发开关打开、移相器的移相控制为0、衰减器的幅度衰减为0，同时控制其余N-1个待校准通道中的收发组件内的收发开关关闭，i为参数且i的起始值为1；
控制器控制滑台带动测试天线移动至正对第i个待校准通道，矢量网络分析仪输出测试信号至测试天线并获取待校准相控阵的接收信号为第i个待校准通道对应的第i个接收信号，控制器接收矢量网络分析仪获取得到的第i个接收信号的相位和幅度；
若i<N，则令i＝i+1并再次执行控制第i个待校准通道中的收发组件内的收发开关打开、移相器的移相控制为0、衰减器的幅度衰减为0的步骤；
若i＝N，则控制器确定N个接收信号中的相位最小值和幅度最小值，并根据任意第j个接收信号的相位与相位最小值的差值确定对应的第j个待校准通道的相位调整值、根据第j个接收信号的幅度与幅度最小值的差值确定第j个待校准通道的幅度调整值，j为参数且1≤j≤N。
其进一步的技术方案为，确定第j个待校准通道的相位调整值包括：
确定相位调整值为
Figure BDA0002594329750000021
其中，
Figure BDA0002594329750000022
为第j个接收信号的相位
Figure BDA0002594329750000023
与相位最小值
Figure BDA0002594329750000024
的差值，
Figure BDA0002594329750000025
为第j个待校准通道中的收发组件内的移相器的最小移相值，
Figure BDA0002594329750000026
表示
Figure BDA0002594329750000027
除以
Figure BDA0002594329750000028
的余数。
其进一步的技术方案为，确定第j个待校准通道的幅度调整值包括：
确定幅度调整值为CtrlAmpj＝(ΔAmpj-(ΔAmpj％AmpjBit))/AmpjBit，其中，ΔAmpj＝Ampj-Ampmin，ΔAmpj为第j个接收信号的幅度Ampj与幅度最小值Ampmin的差值，AmpjBit为第j个待校准通道中的收发组件内的衰减器的最小衰减值，ΔAmpj％AmpjBit表示ΔAmpj除以AmpjBit的余数。
其进一步的技术方案为，当i＝N时，控制器检测是否获取到N个接收信号；
若未获取到N个接收信号，则确定待校准相控阵中存在异常的待校准通道，则流程结束；
若获取到N个接收信号，则确定待校准相控阵中各个待校准通道均正常工作，则执行确定N个接收信号中的相位最小值和幅度最小值的步骤。
其进一步的技术方案为，控制器在确定各个待校准通道的相位调整值和幅度调整值后完成对待校准相控阵的第k次校准，k为参数且k的起始值为1；
基于完成第k次校准的待校准相控阵，控制器依次获取各个待校准通道对应的接收信号的相位和幅度，并检测各个接收信号的相位差异性以及幅度差异性是否在阈值范围内；
若各个接收信号的相位差异性和/或幅度差异性超出阈值范围，则控制器对待校准相控阵进行第k+1次校准。
本发明的有益技术效果是：
本申请公开了一种相控阵幅相校准系统，该系统可以对待校准相控阵的相位和幅度进行配平校准，从而可以消除天线阵面各阵元天线的相位和幅度差距，提高整体阵面的合成效率，该系统利用滑台对准以消除空间相位差有利于提高校准的精度，可以实现高精度和高速度的校准。
附图说明
图1是相控阵系统中因各类误差而造成的天线阵面的相位幅度差示意图。
图2是本申请的相控阵幅相校准系统的结构图。
图3是本申请的相控阵幅相校准系统的校准流程图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的具体实施方式做进一步说明。
本申请公开了一种相控阵幅相校准系统，请参考图2，该相控阵幅相校准系统包括待校准相控阵、控制器、矢量网络分析仪、滑台以及X波段的测试天线。其中控制器可以由计算机实现，控制器中装载有测试软件，该系统可以实现对相控阵的幅度和相位的校准，主要包括硬件平台和软件控制两部分：
待校准相控阵包括N个待校准通道，每个待校准通道包括阵元天线及其连接的收发组件，收发组件中至少包括移相器、衰减器和收发开关；各个待校准通道中的阵元天线在同一平面上依次排列且均朝向同一方向。
测试天线安装在滑台上且测试天线与滑台组成的平面与各个阵元天线构成的平面平行，测试天线与待校准相控阵中的阵元天线的朝向相对。测试天线与待校准相控阵之间需满足有源天线阵列的远场距离。本申请中的滑台为二维工控滑台，测试天线在滑台上的滑动方向与各个阵元天线的排列方向相同。如图2中以阵元天线表示其所在的待校准通道并以通道1～通道N依次表示。
矢量网络分析仪连接测试天线以及待校准相控阵，控制器连接矢量网络分析仪、滑台以及待校准相控阵中各个待校准通道中的收发组件。
在搭建形成上述硬件架构后，可以通过测试软件利用上述硬件平台实现幅相校准，在正式进行幅相校准之前，首先对待校准相控阵加电确认，确保其能够正常接收到信号，在确认其可以正常接收信号后，即可以开始进行幅相校准，请参考图3所示的流程图：
(1)控制器控制第i个待校准通道中的收发组件内的收发开关打开、移相器的移相控制为0、衰减器的幅度衰减为0，同时控制其余N-1个待校准通道中的收发组件内的收发开关关闭，i为参数且i的起始值为1。
(2)控制器控制滑台带动测试天线移动至正对第i个待校准通道，消除空间带来的相位差。
(3)矢量网络分析仪输出测试信号至测试天线并获取待校准相控阵的接收信号，此时获取到的接收信号即为待校准相控阵通过第i个待校准通道接收的信号，也即第i个待校准通道对应的第i个接收信号。
(4)矢量网络分析仪分析第i个接收信号得到其相位和幅度并发送给控制器，则控制器接收矢量网络分析仪获取得到的第i个接收信号的相位
Figure BDA0002594329750000043
和幅度Ampi。
若i<N，则令i＝i+1并再次循环执行步骤(1)～(4)，也即只打开第i+1个待校准通道，并将测试天线移动至下个位置处正对第i+1个待校准通道从而获取对应的第i+1个接收信号。在本申请中，各个待校准通道按序依次排列，因此第1～N个待校准通道通常按照空间排列顺序选取，也即第i+1个待校准通道是第i个待校准通道的按照排列顺序的下一个待校准通道，实际也可以不按照空间排列顺序，而是按照预先设定的顺序，本申请对此不做限定。，如图2中，实线表示测试天线位于第一个位置处针对第一个待校准通道(通道1)，其余虚线表示测试天线在循环过程中所处的其他位置。
若i＝N，则表示已经对所有待校准通道都已经完成一次信号发送和接收，此时本申请首先确认是否有无法接收信号的通道，也即控制器首先检测是否获取到N个接收信号，若未获取到N个接收信号，则表示存在至少一个待校准通道没有成功接收到信号，此时确定待校准相控阵中存在异常的待校准通道，则流程直接结束。
若获取到N个接收信号，则表示所有待校准通道都成功接收到信号、没有无法接收信号的通道，此时确定待校准相控阵中各个待校准通道均正常工作，则对于某个频点的所有通道的N个接收信号中的相位最小值
Figure BDA0002594329750000041
然后调节各个待校准通道的相位向该相位最小值
Figure BDA0002594329750000042
对齐，也即根据任意第j个接收信号的相位
Figure BDA0002594329750000051
与相位最小值
Figure BDA0002594329750000052
的差值确定对应的第j个待校准通道的相位调整值
Figure BDA0002594329750000053
第j个接收信号的相位
Figure BDA0002594329750000054
与相位最小值
Figure BDA0002594329750000055
的差值
Figure BDA0002594329750000056
则第j个待校准通道的相位调整值为
Figure BDA0002594329750000057
Figure BDA0002594329750000058
为第j个待校准通道中的收发组件内的移相器的最小移相值，
Figure BDA0002594329750000059
表示
Figure BDA00025943297500000510
除以
Figure BDA00025943297500000511
的余数。同样的，找出N个接收信号中的幅度最小值Ampmin，然后调节各个待校准通道的幅度向该幅度最小值Ampmin对齐，也即根据任意第j个接收信号的幅度Ampj与幅度最小值Ampmin的差值确定对应的第j个待校准通道的幅度调整值CtrlAmpj，第j个接收信号的幅度Ampj与幅度最小值Ampmin的差值ΔAmpj＝Ampj-Ampmin，则第j个待校准通道的幅度调整值为CtrlAmpj＝(ΔAmpj-(ΔAmpj％AmpjBit))/AmpjBit，AmpjBit为第j个待校准通道中的收发组件内的衰减器的最小衰减值，ΔAmpj％AmpjBit表示ΔAmpj除以AmpjBit的余数。其中，j为参数且1≤j≤N。
由此，控制器可以确定各个待校准通道的相位调整值和幅度调整值，完成对待校准相控阵的第一次校准。但实际应用时，一次校准可能并不能使相位和幅度的一致性达到设计要求，此时基于完成第k次校准的待校准相控阵，k为参数且k的起始值为1，控制器依次获取各个待校准通道对应的接收信号的相位和幅度，并检测各个接收信号的相位差异性以及幅度差异性是否在阈值范围内，若各个接收信号的相位差异性和/或幅度差异性超出阈值范围，则控制器对待校准相控阵进行第k+1次校准，重复检测并迭代，直至差异性在阈值范围内，每一次迭代校准的具体过程都与上述第一次校准类似，本申请不再赘述。接收信号的相位差异性/幅度差异性可以通过某频点下所有通道的相位/幅度的方差、平均差等进行横梁，阈值范围是预设值。
本申请利用该相控阵幅相校准系统对某有源相控阵天线进行校准，某频点下各个待校准通道的相位差均小于5°、幅度差均小于1dB，经校准后该有源相控阵天线波束指向完全受控，指向精度较校准前更高，达到0.2°以内。而且不仅校准精度高，校准速度也很快，一次校准只需约10分钟。
s以上所述的仅是本申请的优选实施方式，本发明不限于以上实施例。可以理解，本领域技术人员在不脱离本发明的精神和构思的前提下直接导出或联想到的其他改进和变化，均应认为包含在本发明的保护范围之内。

Claims (5)

1.一种相控阵幅相校准系统，其特征在于，所述相控阵幅相校准系统包括待校准相控阵、控制器、矢量网络分析仪、滑台以及X波段的测试天线；
所述待校准相控阵包括N个待校准通道，每个待校准通道包括阵元天线及其连接的收发组件，所述收发组件中至少包括移相器、衰减器和收发开关；各个待校准通道中的阵元天线在同一平面上依次排列且均朝向同一方向；所述测试天线安装在所述滑台上且所述测试天线与所述滑台组成的平面与各个阵元天线构成的平面平行，所述测试天线与所述待校准相控阵中的阵元天线的朝向相对，所述测试天线在所述滑台上的滑动方向与各个阵元天线的排列方向相同；所述矢量网络分析仪连接所述测试天线以及所述待校准相控阵，所述控制器连接所述矢量网络分析仪、所述滑台以及所述待校准相控阵中各个待校准通道中的收发组件；
所述控制器控制第i个待校准通道中的收发组件内的收发开关打开、移相器的移相控制为0、衰减器的幅度衰减为0，同时控制其余N-1个待校准通道中的收发组件内的收发开关关闭，i为参数且i的起始值为1；
所述控制器控制所述滑台带动所述测试天线移动至正对所述第i个待校准通道，所述矢量网络分析仪输出测试信号至所述测试天线并获取所述待校准相控阵的接收信号为所述第i个待校准通道对应的第i个接收信号，所述控制器接收所述矢量网络分析仪获取得到的所述第i个接收信号的相位和幅度；
若i<N，则令i＝i+1并再次执行所述控制第i个待校准通道中的收发组件内的收发开关打开、移相器的移相控制为0、衰减器的幅度衰减为0的步骤；
若i＝N，则所述控制器确定N个接收信号中的相位最小值和幅度最小值，并根据任意第j个接收信号的相位与所述相位最小值的差值确定对应的第j个待校准通道的相位调整值、根据所述第j个接收信号的幅度与所述幅度最小值的差值确定所述第j个待校准通道的幅度调整值，j为参数且1≤j≤N。
2.根据权利要求1所述的相控阵幅相校准系统，其特征在于，确定第j个待校准通道的相位调整值包括：
确定所述相位调整值为
Figure FDA0002594329740000011
其中，
Figure FDA0002594329740000012
Figure FDA0002594329740000013
为第j个接收信号的相位
Figure FDA0002594329740000014
与相位最小值
Figure FDA0002594329740000015
的差值，
Figure FDA0002594329740000016
为第j个待校准通道中的收发组件内的移相器的最小移相值，
Figure FDA0002594329740000021
表示
Figure FDA0002594329740000022
除以
Figure FDA0002594329740000023
的余数。
3.根据权利要求1所述的相控阵幅相校准系统，其特征在于，确定第j个待校准通道的幅度调整值包括：
确定所述幅度调整值为CtrlAmpj＝(ΔAmpj-(ΔAmpj％AmpjBit))/AmpjBit，其中，ΔAmpj＝Ampj-Ampmin，ΔAmpj为第j个接收信号的幅度Ampj与幅度最小值Ampmin的差值，AmpjBit为第j个待校准通道中的收发组件内的衰减器的最小衰减值，ΔAmpj％AmpjBit表示ΔAmpj除以AmpjBit的余数。
4.根据权利要求1-3任一所述的相控阵幅相校准系统，其特征在于，
当i＝N时，所述控制器检测是否获取到N个接收信号；
若未获取到N个接收信号，则确定所述待校准相控阵中存在异常的待校准通道，则流程结束；
若获取到N个接收信号，则确定所述待校准相控阵中各个待校准通道均正常工作，则执行所述确定N个接收信号中的相位最小值和幅度最小值的步骤。
5.根据权利要求1-3任一所述的相控阵幅相校准系统，其特征在于，
所述控制器在确定各个待校准通道的相位调整值和幅度调整值后完成对所述待校准相控阵的第k次校准，k为参数且k的起始值为1；
基于完成第k次校准的所述待校准相控阵，所述控制器依次获取各个待校准通道对应的接收信号的相位和幅度，并检测各个接收信号的相位差异性以及幅度差异性是否在阈值范围内；
若各个接收信号的相位差异性和/或幅度差异性超出阈值范围，则所述控制器对所述待校准相控阵进行第k+1次校准。
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