CN111766455A - 基于口径电流法的相控阵天线方向图预测方法及系统 - Google Patents

Abstract

本申请公开了一种基于口径电流法的相控阵天线方向图预测方法。步骤S10：通过测量得到相控阵天线端口的有源散射参数矩阵；所述相控阵天线端口的有源散射参数矩阵是指相控阵天线所有天线单元同时进行激励、在波束扫描状态下得到的散射参数矩阵，此时考虑了阵中单元间的耦合影响。步骤S20：计算得到相控阵天线工作状态下的真实口径电流分布；所述相控阵天线工作状态下的真实口径电流分布是指相控阵天线所有天线单元同时进行激励、在波束扫描状态下的真实口径电流分布，此时考虑了阵中单元间的耦合影响。步骤S30：预估相控阵天线的全阵方向图。本申请可以提高相控阵天线的方向图的预估精度和效率。

Description

基于口径电流法的相控阵天线方向图预测方法及系统

技术领域

本申请涉及一种微波测量（microwave measurement）技术，具体涉及一种基于口径电流法的相控阵天线（phased array antenna）的方向图（antenna pattern，也称辐射方向图radiation pattern或远场方向图far-field pattern）预测方法。

背景技术

目前，关于相控阵天线的校准算法研究比较多。

俄罗斯科学家在1980年代中后期提出了相控阵天线换相测量法（phase-shiftmeasurement method），并将该方法应用于相控阵天线的测量和诊断中。1999年，荷兰学者G.A.Hampson使用换相测量法结合FFT（fast Fourier transform，快速傅里叶变换）实现有源相控阵天线的快速校准。2010年，西安电子科技大学的尚军平教授的博士学位论文《相控阵天线快速测量与校准技术研究》从理论上详细地研究了换相测量方法，并把它应用在相控阵天线的快速校准中。据悉，以色列科学家也曾用类似方法对相控阵天线特性进行测量和诊断，但未见任何文献资料报道。

20世纪80年代，各国学者开始了相控阵天线校准技术的研究。1982年日本学者Kojima N和Shiramatsu K首先提出了旋转电矢量法（rotating-element electric-fieldvector method，REV method）测量单元的幅相激励并应用于相控阵天线的校准上。日本学者Nobuyasu等人在2001年提出了考虑移相器（phase shifter）相位误差的旋转电矢量法，该方法的基本思想是接收探头放置于被测天线阵面的前方，被测天线单元逐次换相，而其他天线单元相位不变；通过接收探头接收到信号能量的最大值和最小值的比值和信号能量最大值时所在的移相器状态，便可以确定被测天线单元的幅相特性和检测出故障。

美国学者Aumann M和Fenn J等人在1989年提出了利用相控阵单元间互耦（mutualcoupling）来快速校准相控阵天线的方法，中国学者高铁等人把互耦校准方法应用到大型的有源相控阵天线中。美国学者Silverstein D在1996年提出了用开关矩阵（switchmatrix）编码方法来测量和校准通讯卫星上相控阵天线的方法。

然而，关于相控阵天线的方向图预估目前主要还是根据方向图乘积定理（patternmultiplication theorem），理论计算出阵因子（array factor），实测阵中方向图作为单元因子，但是预估效果较差。

发明内容

本申请所要解决的技术问题是提出一种基于口径电流法的相控阵天线方向图预测方法，通过建立有源散射参数矩阵求解得到阵列天线（array antenna）的各个天线单元（antenna element）的真实口径电流分布（aperture current distribution），再通过场叠加预估相控阵天线的远场方向图。

为解决上述技术问题，本申请提供了一种基于口径电流法的相控阵天线方向图预测方法，包括如下步骤。步骤S10：通过测量得到相控阵天线端口的有源散射参数矩阵；假设相控阵天线具有N个天线单元即N个通道，测量方法是控制信号源产生N个通道所需的不同幅度和相位的激励信号A₁，A₂，……A_N，所有天线单元同时分别接入所述激励信号，此时就考虑了天线单元之间的耦合影响，一次测量直接得到所有天线单元的完整的散射参数矩阵SNAP，如公式一所示，称为有源散射参数矩阵。公式一中的每个元素S_ij表示相控阵天线的散射参数，i、j的取值范围均为1到N。步骤S20：计算得到相控阵天线工作状态下的真实口径电流分布I₁，I₂，……I_N，如公式二所示。公式二中的有源散射参数矩阵SNAP是在步骤S10中考虑了天线单元之间的耦合影响下获得的。步骤S30：通过阵列天线的叠加原理预估相控阵天线的全阵方向图。

（公式一）。

（公式二）。

本申请用于相控阵天线的方向图预估。相控阵天线是一种特殊形式的阵列天线，由多个天线单元组成，通过改变每一天线单元通道传输信号的相位与幅度，改变相控阵列天线口径照射函数，可以实现天线波束的快速扫描。因此，预估相控阵天线在真实工作状态下波束扫描时的方向图特性，对相控阵天线阵面的性能快速评估至关重要。这种预测必须模拟相控阵天线的波束扫描的工作状态，在给定幅度与相位的条件下将相控阵天线的所有天线单元同时进行激励，获取有源散射参数，计算真实口径电流分布，据此预估相控阵天线的方向图，可以有效提高精度，加快相控阵天线研发生产效率。

进一步地，假设相控阵天线具有M个波位状态，所述步骤S10中采用测量方式得到相控阵天线端口的有源散射参数矩阵包括如下步骤。步骤S110：进行硬件测量通道校准，校准的参考面是相控阵天线的输入端口面。步骤S112：设置相控阵天线工作在某一波位状态，此时对应相控阵天线的一个波束扫描角度；控制信号源产生N个通道所需的不同幅度和相位的激励信号。步骤S114：通过多通道接收机采集N个通道的反射电平和入射电平，每个通道的散射参数等于反射电平比入射电平，一次测量得到相控阵天线的有源散射参数矩阵；此时，所有天线单元同时工作，每个天线单元向空中辐射的信号会被其它天线单元接收后，混入端口反射电平中合成一个信号，一同被接收机采集，因此得到的有源散射参数矩阵考虑了天线单元之间的耦合影响。步骤S116：重复步骤S112至步骤S114，在步骤S112中切换相控阵天线的波位状态；直至完成M个波位状态的遍历，测量每一波位状态对应的有源散射参数矩阵。这里给出了步骤S10的一种具体实现方式。

进一步地，所述步骤S30进一步包括如下步骤；步骤S310：测量得到相控阵天线单元的阵中单元方向图。步骤S312：在某一波位状态下，根据阵列天线的叠加原理预估相控阵天线的全阵方向图。步骤S314：切换波位状态，重复步骤S312，直至完成M个波位状态的遍历，对应M个波束扫描指向的方向图预估。这是步骤S30的详细说明。

优选地，所述阵列天线的叠加原理是指方向图乘积定理。这是一种优选示例。

本申请还提供了一种基于口径电流法的相控阵天线方向图预测系统，对应于前述方法；包括有源散射参数获取单元、口径电流计算单元、方向图预估单元。所述有源散射参数获取单元用来通过测量得到相控阵天线端口的有源散射参数矩阵；假设相控阵天线具有N个天线单元即N个通道，所述有源散射参数获取单元控制信号源产生N个通道所需的不同幅度和相位的激励信号A₁，A₂，……A_N，所有天线单元同时分别接入所述激励信号，此时就考虑了天线单元之间的耦合影响，一次测量直接得到所有天线单元的完整的散射参数矩阵SNAP，如公式一所示，称为有源散射参数矩阵。公式一中的每个元素S_ij表示相控阵天线的散射参数，i、j的取值范围均为1到N；所述口径电流计算单元用来通过计算得到相控阵天线工作状态下的真实口径电流分布I₁，I₂，……I_N；如公式二所示。公式二中的有源散射参数矩阵SNAP是由所述有源散射参数获取单元在考虑了天线单元之间的耦合影响下获得的。所述方向图预估单元用来通过阵列天线的叠加原理预估相控阵天线的全阵方向图。本申请模拟相控阵天线的波束扫描的工作状态，在给定幅度与相位的条件下将相控阵天线的所有天线单元同时进行激励，获取有源散射参数，计算真实口径电流分布，据此预估相控阵天线的方向图，可以有效提高精度，加快相控阵天线研发生产效率。

进一步地，所述有源散射参数获取单元进一步包括多通道信号源、波束形成器、多通道接收机。所述多通道信号源用来提供相控阵天线的N个通道的原始激励信号。所述波束形成器用来对原始激励信号进行幅度和相位调整，为相控阵天线的N个通道提供波束扫描时所需的不同幅度和相位的激励信号A₁，A₂，……A_N；所述波束形成器还用来设置波位状态。所述多通道接收机用来同时接收和采集相控阵天线的N个通道的反射电平和入射电平，以计算各个天线单元端口的散射参数。这是有源散射参数获取单元的一种具体实现方式。

优选地，所述波束形成器进一步包括衰减器、移相器、开关、匹配负载。这是波束形成器的详细说明。

传统方向图乘积定理把相控阵天线端口的输入作为阵列天线的实际口径场，这是不准确的，而本申请的方法可以得到阵列的实际口径场，因此本申请可以提高相控阵天线的方向图的预估精度。

附图说明

图1是一个具有N个天线单元的相控阵天线的输入与口径电流的示意图。

图2是本申请提出的基于口径电流法的相控阵天线方向图预测方法的流程图。

图3是图2中步骤S10的一种实现方式的具体流程图。

图4是图2中步骤S30的一种实现方式的具体流程图。

图5是本申请提出的基于口径电流法的相控阵天线方向图预测系统的结构示意图。

图6是图5中的有源散射参数获取单元的一种实现方式的具体结构示意图。

图中附图标记说明：10为有源散射参数获取单元；110为多通道信号源；120为波束形成器；130为多通道接收机；20为口径电流计算单元；30为方向图预估单元。

具体实施方式

请参阅图1，假设相控阵天线共有N个天线单元，输入分别是A₁，A₂，……A_N，每个天线单元的口径电流（aperture current，也称孔径电流）分别是I₁，I₂，……I_N。A₁，A₂，……A_N的物理含义是指每个天线单元的激励系数。

请参阅图2，本申请提出的基于口径电流法的相控阵天线方向图预测方法包括如下步骤。

步骤S10：通过测量得到相控阵天线端口的有源散射参数矩阵；所述相控阵天线端口的有源散射参数矩阵是指相控阵天线所有天线单元同时进行激励、在波束扫描状态下得到的散射参数矩阵，此时考虑了阵中单元间的耦合影响。

假设相控阵天线具有N个天线单元即N个通道，测量方法是控制信号源产生N个通道所需的不同幅度和相位的激励信号A₁，A₂，……A_N，相控阵天线的各个天线单元同时分别有激励信号A₁，A₂，……A_N输入，此时就考虑了天线单元之间的耦合影响，一次测量直接得到相控阵天线的所有天线单元端口的完整的有源散射参数矩阵SNAP，如公式一所示。有源散射参数矩阵SNAP是阵列天线的散射矩阵（scattering matrix），其中的每个元素S_ij表示阵列天线的散射参数（scattering parameter，也称S参数S-parameter），i、j的取值范围均为1到N。具有N个天线单元的阵列天线具有N²个散射参数。

步骤S20：计算得到相控阵天线工作状态下的真实口径电流分布I₁，I₂，……I_N，如公式二所示。其中的有源散射参数矩阵SNAP是在步骤S10中考虑了天线单元之间的耦合影响下获得的。

步骤S30：通过阵列天线的叠加原理（superposition principle）预估相控阵天线的全阵方向图。例如，所述阵列天线的叠加原理是指方向图乘积定理。

请参阅图3，假设相控阵天线具有M个波位状态，所述步骤S10中采用测量方式得到相控阵天线端口的有源散射参数矩阵进一步包括如下步骤。

步骤S110：进行硬件测量通道校准，校准的参考面是待测的相控阵天线的输入端口面。校准是测量有源散射参数获取单元的通道误差，通过补偿校准算法，对测量数据进行修正，去除硬件系统本身造成的误差。校准的参考面用来定义校准的通道范围，如图6所示，有源散射参数获取单元10的通道范围从多通道信号源110到待测相控阵天线的输入端口，终止于多通道接收机130连接待测相控阵天线的线缆输出端口。相控阵天线的输入端口面是指待测相控阵天线的激励信号输入端口，如图6中虚线位置。

步骤S112：设置相控阵天线工作在某一波位状态，此时对应相控阵天线的一个波束扫描角度。例如，通过图6中的波束形成器120进行波位状态的设置，控制多通道信号源110产生N个通道所需的不同幅度和相位的激励信号。

步骤S114：通过多通道接收机采集N个通道的反射电平和入射电平，每个通道的散射参数等于反射电平比入射电平，一次测量得到相控阵天线的有源散射参数矩阵。此时，所有天线单元同时工作，每个天线单元向空中辐射的信号会被其它天线单元接收后，混入端口反射电平中合成一个信号，一同被接收机采集，因此得到的有源散射参数矩阵考虑了天线单元之间的耦合影响，测量得到相控阵天线的有源散射参数矩阵。

一般的散射参数矩阵测量时只有一个天线单元接入激励，其它单元接入匹配负载（即为不工作状态），依次轮换测试各组端口的散射参数矩阵，进行叠加得到全阵的散射参数矩阵。与一般的散射参数矩阵测量原理不同，本申请进行有源散射参数矩阵测量时所有天线单元均同时接入激励，一次测试得倒全阵所有单元的散射参数矩阵。区别这两种散射参数矩阵的关键是，“所有阵中单元是否同时接入激励”，这种状态是相控阵天线工作时的真实状态，阵中单元之间产生的耦合影响是不同的，得到的散射参数矩阵也是不同的，以此测量得到的结果预估阵列的方向图，可以提高预测精度。

仿真得到散射矩阵时考虑耦合是本领域技术人员的常规技术手段，但是在工程实现中，由于硬件资源的限制，一般矢量网络分析仪为两端口，或是四端口，无法实现所有端口都接入激励信号，从而无法实现多端口有源散射参数的测量。本申请适用于相控阵天线的阵面的测试调试，可以模拟相控阵天线真实工作状态，所有阵中单元同时进行激励，实现有源散射参数矩阵的获取，在这种状态下进行方向图预估，不仅可以提高精度，还可以显著地提高测量效率。

步骤S116：重复步骤S112至步骤S114，在步骤S112中切换相控阵天线的波位状态；直至完成M个波位状态的遍历，测量每一组波位状态对应的有源散射参数矩阵。

请参阅图4，假设相控阵天线具有M个波位状态，所述步骤S30进一步包括如下步骤。

步骤S310：测量得到相控阵天线单元的阵中单元方向图。

步骤S312：在某一波位状态下，根据阵列天线的叠加原理预估阵列天线的全阵方向图。

步骤S314：切换波位状态，重复步骤S312，直至完成M个波位状态的遍历，对应M个波束扫描指向的方向图预估。

与图2相对应地，请参阅图5，本申请提出的基于口径电流法的相控阵天线方向图预测系统包括有源散射参数获取单元10、口径电流计算单元20和方向图预估单元30。

所述有源散射参数获取单元10用来通过测量得到相控阵天线端口的有源散射参数矩阵。假设相控阵天线具有N个天线单元即N个通道，所述有源散射参数获取单元10控制信号源产生N个通道所需的不同幅度和相位的激励信号A₁，A₂，……A_N，所有天线单元同时分别接入所述激励信号，此时就考虑了天线单元之间的耦合影响，一次测量直接得到所有天线单元的完整的有源散射参数矩阵SNAP，如公式一所示。其中的每个元素S_ij表示相控阵天线的散射参数，i、j的取值范围均为1到N。

所述口径电流计算单元20用来通过计算得到相控阵天线工作状态下的真实口径电流分布I₁，I₂，……I_N，如公式二所示。其中的有源散射参数矩阵SNAP是由所述有源散射参数获取单元10在考虑了天线单元之间的耦合影响下获得的。

所述方向图预估单元30用来通过阵列天线的叠加原理预估相控阵天线的全阵方向图。

请参阅图6，所述有源散射参数获取单元10进一步包括多通道信号源110、波束形成器120和多通道接收机130。

所述多通道信号源110用来提供相控阵天线的N个通道的原始激励信号。

所述波束形成器120用来对原始激励信号进行幅度和相位调整，为相控阵天线的N个通道提供波束扫描时所需的不同幅度和相位的激励信号A₁，A₂，……A_N。所述波束形成器120还用来设置波位状态。例如，所述波束形成器进一步包括衰减器、移相器、开关、匹配负载等。

所述多通道接收机130用来同时接收和采集相控阵天线的N个通道的反射电平和入射电平，以计算各个天线单元端口的散射参数。

以上仅为本申请的优选实施例，并不用于限定本申请。对于本领域的技术人员来说，本申请可以有各种更改和变化。凡在本申请的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本申请的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种基于口径电流法的相控阵天线方向图预测方法，其特征是，包括如下步骤；

步骤S10：通过测量得到相控阵天线端口的有源散射参数矩阵；假设相控阵天线具有N个天线单元即N个通道，测量方法是控制信号源产生N个通道所需的不同幅度和相位的激励信号A₁，A₂，……A_N，所有天线单元同时分别接入所述激励信号，此时就考虑了天线单元之间的耦合影响，一次测量直接得到所有天线单元的完整的散射参数矩阵SNAP，称为有源散射参数矩阵；

；

其中的每个元素S_ij表示相控阵天线的散射参数，i、j的取值范围均为1到N；

步骤S20：计算得到相控阵天线工作状态下的真实口径电流分布I₁，I₂，……I_N；

；

其中的有源散射参数矩阵SNAP是在步骤S10中考虑了天线单元之间的耦合影响下获得的；

步骤S30：通过阵列天线的叠加原理预估相控阵天线的全阵方向图。

2.根据权利要求1所述的基于口径电流法的相控阵天线方向图预测方法，其特征是，假设相控阵天线具有M个波位状态，所述步骤S10中测量得到相控阵天线端口的有源散射参数矩阵进一步包括如下步骤：

步骤S110：进行硬件测量通道校准，校准的参考面是相控阵天线的输入端口面；

步骤S112：设置相控阵天线工作在某一波位状态，此时对应相控阵天线的一个波束扫描角度；控制信号源产生N个通道所需的不同幅度和相位的激励信号；

步骤S114：通过多通道接收机采集N个通道的反射电平和入射电平，每个通道的散射参数等于反射电平比入射电平，一次测量得到相控阵天线的有源散射参数矩阵；此时，所有天线单元同时工作，每个天线单元向空中辐射的信号会被其它天线单元接收后，混入端口反射电平中合成一个信号，一同被接收机采集，因此得到的有源散射参数矩阵考虑了天线单元之间的耦合影响；

步骤S116：重复步骤S112至步骤S114，在步骤S112中切换相控阵天线的波位状态；直至完成M个波位状态的遍历，测量每一波位状态对应的有源散射参数矩阵。

3.根据权利要求1所述的基于口径电流法的相控阵天线方向图预测方法，其特征是，假设相控阵天线具有M个波位状态，所述步骤S30进一步包括如下步骤；

步骤S310：测量得到相控阵天线单元的阵中单元方向图；

步骤S312：在某一波位状态下，根据阵列天线的叠加原理预估相控阵天线的全阵方向图；

步骤S314：切换波位状态，重复步骤S312，直至完成M个波位状态的遍历，对应M个波束扫描指向的方向图预估。

4.根据权利要求1所述的基于口径电流法的相控阵天线方向图预测方法，其特征是，所述阵列天线的叠加原理是指方向图乘积定理。

5.一种基于口径电流法的相控阵天线方向图预测系统，用于实现权利要求1至4中任一项所述的方法；其特征是，包括有源散射参数获取单元、口径电流计算单元、方向图预估单元；

所述有源散射参数获取单元用来通过测量得到相控阵天线端口的有源散射参数矩阵；假设相控阵天线具有N个天线单元即N个通道，所述有源散射参数获取单元控制信号源产生N个通道所需的不同幅度和相位的激励信号A₁，A₂，……A_N，所有天线单元同时分别接入所述激励信号，此时就考虑了天线单元之间的耦合影响，一次测量直接得到所有天线单元的完整的散射参数矩阵SNAP，称为有源散射参数矩阵；

；

其中的每个元素S_ij表示相控阵天线的散射参数，i、j的取值范围均为1到N；

所述口径电流计算单元用来通过计算得到相控阵天线工作状态下的真实口径电流分布I₁，I₂，……I_N；

；

其中的有源散射参数矩阵SNAP是由所述有源散射参数获取单元在考虑了天线单元之间的耦合影响下获得的；

所述方向图预估单元用来通过阵列天线的叠加原理预估相控阵天线的全阵方向图。

6.根据权利要求5所述的基于口径电流法的相控阵天线方向图预测系统，其特征是，所述有源散射参数获取单元进一步包括多通道信号源、波束形成器、多通道接收机；

所述多通道信号源用来提供相控阵天线的N个通道的原始激励信号；

所述波束形成器用来对原始激励信号进行幅度和相位调整，为相控阵天线的N个通道提供波束扫描时所需的不同幅度和相位的激励信号A₁，A₂，……A_N；所述波束形成器还用来设置波位状态；

所述多通道接收机用来同时接收和采集相控阵天线的N个通道的反射电平和入射电平，以计算各个天线单元端口的散射参数。

7.根据权利要求6所述的基于口径电流法的相控阵天线方向图预测系统，其特征是，所述波束形成器进一步包括衰减器、移相器、开关、匹配负载。

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