CN111987462A - 一种相控阵天线相位校准测量系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种相控阵天线相位校准测量系统及方法，该系统包括待测相控阵天线，测量暗箱，测量探头。通过在远场增加测量探头的观测角度，测量待测相控阵天线不同配相状态下探头的接收信号，通过本发明提出的算法计算出相控阵天线各个阵列单元初始的幅度和相位信息。该发明可以有效的减小相控阵天线初始幅度相位校准所需要的测量时间和相移状态切换次数，提高了相控阵天线校准系统的测试效率，进而获得相控阵天线各个阵列单元的初始幅度和相位信息。该发明特别适用于相控阵天线的快速校准，可应用于相控阵天线的研发测试和产线测试。

Description

一种相控阵天线相位校准测量系统及方法

技术领域

本发明涉及毫米波测量的技术领域，具体涉及毫米波相控阵天线的测量和校准系统。

技术背景

随着5G移动通信的发展，阵列天线和相控阵天线引起了学术界和工业界的广泛关注与研究。在实际工程中，相控阵天线校准技术对于相控阵的实际性能是否符合设计目标有重要影响。随着使用时间增加，相控阵天线上配备的阵列元件会出现不必要的相位、幅度误差。因此，需要通过补偿上述误差来保持设计的优良阵列性能，并提升相控阵测量的效率。

对于相控阵天线的测量校准系统，较为通用的方法均使用单个测量探头，即校准时在单个位置进行幅度和相位测量。在待测天线阵列处多次置入不同的幅度和相位状态，获得测量探头的复数输出信号，最后求解方程组获得初始激励信号。线性方程的系数矩阵决定了方法的准确性，复杂性和硬件要求，具有较小条件数的系数矩阵能降低误差对测量过程的影响。

发明内容

为了解决上述技术问题，本发明提出一种相控阵天线相位校准及测量系统及方法，具有在远场的多个不同观测角度的测量探头，通过多个探头的接收可以大大减少待测天线阵列置入幅度相位状态的数量，从而提升相控阵天线相位校准测量系统的测试效率。

本发明的技术方案为：一种相控阵天线的相位校准测量系统，包括：

待测相控阵天线；相控阵一共有N个天线单元，每个相控阵单元连接一个数字移相器进行移相配置实现，在每次测量之前同时改变N个天线单元的相移,使测量系统处于M种不同配相状态下；

还包括探头天线，矢量网络分析仪或频谱仪或综测仪或矢量接收机，直流电源，控制计算机；其中，将探头天线置于球面上多个不同的角度位置，来接收这些不同观测角度的信号；相控阵天线和探头天线的最小距离为满足相控阵单个单元的远场距离，最大距离到无穷远处；

测量时，相控阵天线工作于发射或接收状态，当相控阵天线处于发射状态时，如果发射信号是由自带芯片提供，将提供一路参考信号；如果发射信号由外接仪表提供，仪表自身提供参考信号，参考信号用于获取链路S参数相位；矢量网络分析仪或频谱仪或综测仪或矢量接收机记录相控阵天线与探头之间的S参数，由直流电源向相控阵天线供电，控制计算机自动运行测量过程并记录数据。

进一步的，采用的探头为双极化探头，双极化探头有垂直和水平、正负45°两种极化方向，进行相控阵校准时，一方面要把探头置于阵列前预定的距离和范围内；且在探头的两极化之间添加探头幅度控制单元，控制双极化探头的两种极化，使得探头天线能够合成产生任意线极化，测量时将探头天线与相控阵天线极化对正。

进一步的，测试暗箱进行测试时，相控阵和天线置于毫米波测试暗箱中；根据几何光学原理，暗箱尺寸需要避免待测天线阵列的一次反射直接进入探头天线，测量所使用的暗箱采用吸波材料，降低暗箱环境的反射特性。

进一步的，接收探头方向性相控阵测量时，若相控阵的波束未能和探头天线的波束方向对准，会导致其相位测量不准确，为避免对相位测量产生影响，所测量的相控阵波束应与探头波束对齐，探头增益在8dBi到25dBi之间。

进一步的，测量探头需要分布在多个满足远场条件的不同角度位置，探头的布局能够使用移动轨道或用紧缩场多馈源实现。

根据本发明的另一方面，还提出一种相控阵天线的相位校准测量方法，包括如下步骤：

步骤1、选择移相器的配相状态和测量探头数目，建立系数矩阵，获得一个预定条件数的系数矩阵，使测量对误差的敏感程度降低；

步骤2、将移相器、矢量网络分析仪、待测天线阵列与测量探头置于满足要求的相应位置上，每个相控阵天线单元连接一个数字移相器进行移相配置实现；

步骤3、将相控阵天线调至发射状态，在每次测量之前同时改变所有天线单元的相移；

步骤4、在测量探头获得信号数据，同时使用矢量网络分析仪获取散射S参数；

步骤5、根据已知数据求解方程组获得校准测量结果。

进一步的，根据信号关系：

A*X＝B (1)

其中矩阵A∈C^N*N,向量B∈C^N*1，X∈C^N×1，C为实数矩阵，其中，A，B均为能够通过预设、测量得知的矩阵，而X为相控阵校准所要求的校准矩阵；

由(1)式得，校准矩阵X通过求解以下线性方程获得：

X＝A^-1*B (2)

求解方程(2)所获得的X矩阵的准确性受到矩阵A的条件数的影响，矩阵A是根据天线阵列配相状态的选择和测量次数决定的，其条件数反映了校准矩阵X对于测量中产生的误差敏感程度。根据以上性质，所述改进的A矩阵构造方法为：通过增加测量探头的观测角度来减少待测天线的相位切换次数，总的移相器设置状态数为P，P≤N，允许测量探头分布于Q个不同的观测角度，Q≥2，即天线阵列总的相位移动状态数为M，其中M＝P×Q，构成的矩阵

表示选择的P种移相配置状态并在Q个不同的观察角度设置测量探头，体现了发射信号的相位改变情况，因此，公式(2)写为：

其中矩阵

向量

表示增加的观测角度给信号带来了额外的相位延迟；公式(3)中各矩阵的具体表示为：

矩阵

是第M次测量时第N个天线单元的移相值，其中M＝P×Q，P≤N，Q≥2，表示选择了P种移相器配置方法并在Q个不同的观察角度设置测量探头，通过增加测量探头的观测角度来减少待测天线的相位切换次数，矩阵元素为：

其中式(4)中的角度α_N表示选取的相移情况，能够从常规校准方法所使用的N阶哈达玛矩阵中选出P行表示不同的相移状态，d为阵列天线单元的间距，角度θ_n(n∈[1,Q])相当于在所选取的移相情况基础上增加一个由于观察点方向不同而增加的一个相位延迟，λ表示发射信号的波长，j为复数虚部符号；

向量

表示在第M次测量中，使用矢量网络分析仪在探头处测量得到的复信号，表示为：

B_P,Q表示移相器切换次数为P时，第Q个探头测量得到的复信号，一共测得M个结果；

当A矩阵可逆时，求解出的向量X＝{a_Ns_Q,N},其中向量a_N表示相控阵天线第N个单元的初始复激励，校准的目的就是得到各天线端口的初始复激励；向量s_Q,N是N个阵列天线单元与探头天线之间的复耦合向量。

有益效果：

本发明相对于现有单一探头的校准测量技术而言，可以减少移相器切换状态的次数，节省测量时间，提高测量效率。

附图说明

图1为相控阵天线的相位校准测量系统框图；

图2为阵列单元与远场探头关系的示意图；

图3为测量探头的不同观测角度对应矩阵

的条件数。

图中附图标记含义为：1为1×8相控阵天线，2为探头天线，3为测量探头分布球面，4为矢量网络分析仪，5为直流电源，6为控制计算机。X为待测相控阵天线1与探头天线2之间的空间链路，A为连接相控阵各天线单元的移相器(N个)，B为测量端的接收探头，θ为测量探头的转动角度，d为阵列天线单元的间距，D为待测相控阵天线与探头天线之间的空间距离。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整的描述，显然，所描述的实施例仅为本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例，基于本发明中的实施例，本领域的普通技术人员在不付出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明的保护范围。

如图1所示，本发明的相控阵天线的相位校准测量系统包括：待测相控阵天线1；探头天线2；探头固定装置3；矢量网络分析仪或频谱仪或综测仪或矢量接收机4；直流电源(为相控阵网络供电)5；控制计算机6。

其中，将探头天线2置于球面上多个不同的角度位置，来接收这些不同观测角度的信号。相控阵天线1和探头天线2的最小距离为满足相控阵单个单元的远场距离，最大距离到无穷远处。

测量时，当相控阵天线1处于发射状态时，如果发射信号是由自带芯片提供，将提供一路参考信号，如果发射信号由外接仪表提供，仪表自身提供参考信号，参考信号用于获取链路S参数相位。矢量网络分析仪或频谱仪或综测仪或矢量接收机4记录相控阵天线与探头之间的S参数，由直流电源5向相控阵天线供电，控制计算机6自动运行测量过程并记录数据。

系统整体测量过程中，相控阵天线1、探头天线2、矢量网络分析仪或频谱仪或综测仪或矢量接收机4位于测量暗室内或暗室外，直流电源和控制计算机位于暗室外，可实现相控阵天线的快速校准。

本发明构思如下：针对传统相控阵校准测量方法操作复杂、效率低的问题，提出种相控阵天线相位校准测量系统及方法。该方法增加测量探头的观测角度，减少待测天线的相位切换次数，只需要在特定角度下测量探头接收信号就可以获得相控阵天线各个阵列单元的初始幅度和相位信息，做到对相控阵天线的校准。

相控阵校准测量系统的原理图如图2所示。相控阵一共有N个天线单元，每个相控阵单元连接一个数字移相器进行移相配置实现，在每次测量之前同时改变N个天线单元的相移，使测量系统处于M种不同配相状态下。

图2所示的信号关系为：

A*X＝B (1)

其中矩阵A∈C^N*N,向量B∈C^N*1，X∈C^N×1，C为实数矩阵，其中，A，B均为能够通过预设、测量得知的矩阵，而X为相控阵校准所要求的校准矩阵；

由(1)式得，校准矩阵X通过求解以下线性方程获得：

X＝A^-1*B (2)

求解方程(2)所获得的X矩阵的准确性受到矩阵A的条件数的影响，矩阵A是根据天线阵列配相状态的选择和测量次数决定的，其条件数反映了校准矩阵X对于测量中产生的误差敏感程度。根据以上性质，所述改进的A矩阵构造方法为：通过增加测量探头的观测角度来减少待测天线的相位切换次数，总的移相器设置状态数为P，P≤N，允许测量探头分布于Q个不同的观测角度，Q≥2，即天线阵列总的相位移动状态数为M，其中M＝P×Q，构成的矩阵

表示选择的P种移相配置状态并在Q个不同的观察角度设置测量探头，体现了发射信号的相位改变情况，因此，公式(2)写为：

其中矩阵

向量

表示增加的观测角度给信号带来了额外的相位延迟；公式(3)中各矩阵的具体表示为：

矩阵

是第M次测量时第N个天线单元的移相值，其中M＝P×Q，P≤N，Q≥2，表示选择了P种移相器配置方法并在Q个不同的观察角度设置测量探头，通过增加测量探头的观测角度来减少待测天线的相位切换次数，矩阵元素为：

其中式(4)中的角度α_N表示选取的相移情况，能够从常规校准方法所使用的N阶哈达玛矩阵中选出P行表示不同的相移状态，d为阵列天线单元的间距，角度θ_n(n∈[1,Q])相当于在所选取的移相情况基础上增加一个由于观察点方向不同而增加的一个相位延迟，λ表示发射信号的波长，j为复数虚部符号；

向量

表示在第M次测量中，使用矢量网络分析仪在探头处测量得到的复信号，表示为：

B_P,Q表示移相器切换次数为P时，第Q个探头测量得到的复信号，一共测得M个结果；

当A矩阵可逆时，求解出的向量X＝{a_Ns_Q,N},其中向量a_N表示相控阵天线第N个单元的初始复激励，校准的目的就是得到各天线端口的初始复激励；向量s_Q,N是N个阵列天线单元与探头天线之间的复耦合向量。

为了确保相控阵校准的准确性，本发明希望在提高测量效率的同时获得一个条件数小的A矩阵。该方法的表现主要受制于相移矩阵A的条件数，对于一个病态的A矩阵(即矩阵条件数极大)，一个极小的变化也会导致相控阵系统输出端产生很大的输出变化，从而将会导致无法获得稳定的X矩阵。因此，该方法为了确保有一个较优的条件数，选取哈达玛矩阵的一部分作为相移设置状态，然后改变接收探头的观测角度，在所能组成的所有系数矩阵的条件数中，选择其中条件数最小的系数矩阵。

在实际情况中，除了量化误差之外，相控阵的移相器在进行相移配置会给相控阵的幅度和相位引入误差，另外相控阵的误差还会受到相控阵天线中的有源器件(如放大器)的噪声和非理想性影响。

优选实施例：

下面为一A矩阵优选实施例。该实施例为8单元均匀线性天线阵列，4个探头在满足远场条件的一个球面上间隔均为θ°的4个位置上同时进行测量，单元间距为0.108m，频率值为3.5GHz。选取的移相器配置次数为2次，表示为：

其余的三个探头相当于在所选取A₀基础上增加一个由于观察点方向不同导致的相位延迟e^{j·2π/λ·d·sinθ}，组合后可以获得一个8×8的

矩阵。仿真测量探头的不同观测角度值对应的矩阵条件数为图3所示。参考图3可以得出结论：要选择合理范围内较大的角度值θ，可以确保矩阵A的条件数较小，校准矩阵X的测量结果更加准确可靠。例如，对于N＝8的均匀线性天线阵列，条件数小于5对应的θ应大于3.7°。

尽管上面对本发明说明性的具体实施方式进行了描述，以便于本技术领域的技术人员理解本发明，且应该清楚，本发明不限于具体实施方式的范围，对本技术领域的普通技术人员来讲，只要各种变化在所附的权利要求限定和确定的本发明的精神和范围内，这些变化是显而易见的，一切利用本发明构思的发明创造均在保护之列。

Claims (7)

1.一种相控阵天线的相位校准测量系统，其特征在于，包括：

待测相控阵天线；相控阵一共有N个天线单元，每个相控阵单元连接一个数字移相器进行移相配置实现，在每次测量之前同时改变N个天线单元的相移，使测量系统处于M种不同配相状态下；

还包括探头天线，矢量网络分析仪或频谱仪或综测仪或矢量接收机，直流电源，控制计算机；其中，将多个探头天线置于球面上不同的角度位置，来接收这些不同观测角度的信号；相控阵天线和探头天线的最小距离为满足相控阵单个单元的远场距离，最大距离到无穷远处；

测量时，相控阵天线工作于发射或接收状态，当相控阵天线处于发射状态时，如果发射信号是由自带芯片提供，将提供一路参考信号；如果发射信号由外接仪表提供，仪表自身提供参考信号，参考信号用于获取链路S参数相位；矢量网络分析仪或频谱仪或综测仪或矢量接收机记录相控阵天线与探头之间的S参数，由直流电源向相控阵天线供电，控制计算机自动运行测量过程并记录数据。

2.根据权利1所述的一种相控阵天线的相位校准测量系统，其特征在于，采用的探头为双极化探头，双极化探头有垂直和水平、正负45°两种极化方向，进行相控阵校准时，一方面要把探头置于阵列前预定的距离和范围内；且在探头的两极化之间添加探头幅度控制单元，控制双极化探头的两种极化，使得探头天线能够合成产生任意线极化，测量时将探头天线与相控阵天线极化对正。

3.根据权利1所述的一种相控阵天线的相位校准测量系统，其特征在于，测试暗箱进行测试时，相控阵和天线置于毫米波测试暗箱中；根据几何光学原理，暗箱尺寸需要避免待测天线阵列的一次反射直接进入探头天线，测量所使用的暗箱采用吸波材料，降低暗箱环境的反射特性。

4.根据权利1所述的一种相控阵天线的相位校准测量系统，其特征在于：接收探头方向性相控阵测量时，若相控阵的波束未能和探头天线的波束方向对准，会导致其相位测量不准确，为避免对相位测量产生影响，所测量的相控阵波束应与探头波束对齐，探头增益在8dBi到25dBi之间。

5.根据权利1所述的一种相控阵天线的相位校准测量系统，其特征在于：测量探头需要分布在多个满足远场条件的不同角度位置，探头的布局能够使用移动轨道或用紧缩场多馈源实现。

6.一种相控阵天线的相位校准测量方法，其特征在于，包括如下步骤：

步骤1、选择移相器的配相状态和测量探头数目，建立系数矩阵，获得一个预定条件数的系数矩阵，使测量对误差的敏感程度降低；

步骤2、将移相器、矢量网络分析仪、待测天线阵列与测量探头置于满足要求的相应位置上，每个相控阵天线单元连接一个数字移相器进行移相配置实现；

步骤3、将相控阵天线调至发射状态，在每次测量之前同时改变所有天线单元的相移；

步骤4、在测量探头获得信号数据，同时使用矢量网络分析仪获取散射S参数；

步骤5、根据已知数据求解方程组获得校准测量结果。

7.根据权利要求6所述的一种相控阵天线的相位校准测量方法，其特征在于，

根据信号关系：

A*X＝B (1)

其中矩阵A∈C^N*N,向量B∈C^N*1，X∈C^N×1，C为实数矩阵，其中，A，B均为能够通过预设、测量得知的矩阵，而X为相控阵校准所要求的校准矩阵；

由(1)式得，校准矩阵X通过求解以下线性方程获得：

X＝A^-1*B (2)

求解方程(2)所获得的X矩阵的准确性受到矩阵A的条件数的影响，矩阵A是根据天线阵列配相状态的选择和测量次数决定的，其条件数反映了校准矩阵X对于测量中产生的误差敏感程度。根据以上性质，所述改进的A矩阵构造方法为：通过增加测量探头的观测角度来减少待测天线的相位切换次数，总的移相器设置状态数为P，P≤N，允许测量探头分布于Q个不同的观测角度，Q≥2，即天线阵列总的相位移动状态数为M，其中M＝P×Q，构成的矩阵

表示选择的P种移相配置状态并在Q个不同的观察角度设置测量探头，体现了发射信号的相位改变情况，因此，公式(2)写为：

其中矩阵

向量

表示增加的观测角度给信号带来了额外的相位延迟；公式(3)中各矩阵的具体表示为：

矩阵

是第M次测量时第N个天线单元的移相值，其中M＝P×Q，P≤N，Q≥2，表示选择了P种移相器配置方法并在Q个不同的观察角度设置测量探头，通过增加测量探头的观测角度来减少待测天线的相位切换次数，矩阵元素为：

其中式(4)中的角度α_N表示选取的相移情况，能够从常规校准方法所使用的N阶哈达玛矩阵中选出P行表示不同的相移状态，d为阵列天线单元的间距，角度θ_n(n∈[1,Q])相当于在所选取的移相情况基础上增加一个由于观察点方向不同而增加的一个相位延迟，λ表示发射信号的波长，j为复数虚部符号；

向量

表示在第M次测量中，使用矢量网络分析仪在探头处测量得到的复信号，表示为：

B_P,Q表示移相器切换次数为P时，第Q个探头测量得到的复信号，一共测得M个结果；

当A矩阵可逆时，求解出的向量X＝{a_Ns_Q,N},其中向量a_N表示相控阵天线第N个单元的初始复激励，校准的目的就是得到各天线端口的初始复激励；向量s_Q,N是N个阵列天线单元与探头天线之间的复耦合向量。

Images