CN112290982A - 相控阵天线串馈校准耦合网络校准方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开的相控阵天线串馈校准耦合网络校准方法，旨在提供一种能够提高校准精度的校准方法。本发明通过下述技术方案实现：利用N个对应连接天线阵元的耦合器构成的串行馈电网络和对应耦合器的连接的TR组件相连波束形成网络组成双向传输串行馈电网络，以首尾端耦合器和波束形成网络引出一致的校准通道，将切换开关和波束形成网络的B端校准通道一起连接校准分机，然后采用切换的方式，采集并检测A、B、D端口各个通道的信号的幅度、相位，对每条支路分别进行通道幅度、相位校准。通过信号的在校准耦合通道的双向传输两次测试结果进行校准，并对校准结果综合，减小了耦合校准通道随温度的幅度相位波动，使得校准结果更加准确。

Description

相控阵天线串馈校准耦合网络校准方法
技术领域
本发明涉及微波通信系统、雷达系统中有源相控阵的串联校准耦合馈电网络，涉及一种相控阵天线串馈耦合网络温度稳定方法。
背景技术
相控阵天线除因阵面机械、热变形引起天线性能下降外，其关键部件——T/R组件也会由于环境变化、器件老化等原因造成各天线阵元激励电流幅度、相位的变化。这些变化将引起天线副瓣、波束指向精度等指标下降。所以各天线馈电支路的幅度、相位的校准和补偿是有源相控阵雷达能否长期有效地工作的关键。为了实现天线的小型化，集成化，校准耦合网络通常采用串行馈电的方式实现，但是当工作环境温度发生变化时，耦合网络的相位、幅度会随着温度发生变化，这些变化将导致校准结果出现相应的误差。
目前所有公开的串馈校准耦合网络都是基于单向测试结构的方式，当温度变化时，其幅度相位特性会发生变化，将导致校准结果出现较大误差。关于校准主要集中在校准算法研究上，耦合网络稳定性并未有太多的涉及。现有技术用互耦测量校准相控阵天线的方法(Charles Shipley.Don Woods.利用互耦合校准相控阵天线.IEEE IntenationalConference on Phased Array Systems&Technology,May 21～25,2000,P529-532)来解决耦合网络稳定性问题。用互耦测量校准相控阵天线的方法是基于各个阵元之间的互耦完成，因为各个阵元传输线路基本是等长，包含的元器件也基本一致的，故受温度影响较小，但要求通道能独立传输数据，故体积重量会比较大，难以应用于毫米波等高度集成化的天线中。另外一种方法是用波导累加器校准相控阵天线的方法，该方法通过阵元探针耦合每个阵元信号，耦合到波导内，累加后由一个累加端口输出，其基本等效为串馈网络，但仍然会由于温度的影响，导致传输线路的幅度和相位发生变化。还有一种方法是基于近场耦合校准相控阵天线的方法(相控阵天线近场幅相校准.中国电子科学研究院学报,2007年12月第6期)，基于近场耦合校准相控阵天线的方法采用空间近场耦合的方式形成耦合回路，具有形式简单，易于实现的特点，传输网络是基于空气介质，受温度的影响较小，但是耦合系数不能任意设定，动态变化大，易于受外界干扰，对校准算法要求较高。此外，为了实现各个通道耦合系数动态分布尽量小，现有技术还公开了一种基于开关矩阵的校准相控阵天线的方法(葛建军等.基于阵列行波馈源的有源相控阵天线校正技术.现代雷达,2001年6月第3期)，该方法每个通道都采用一致的耦合端口，然后采用开关切换的方式，实现对各个通道的信号的采集，实现通道校准。这种耦合网络因为对称性、一致性好，故随温度波动其相对幅相稳定性好。但是实现结构复杂，体积、重量增加明显。不适合高度集成化的天线。
发明内容
本发明的目的是针对相控阵天线设计中传统校准方法的缺陷和现有技术存在不足之处，提供一种能够提高校准精度和稳定度的相控阵天线串馈校准耦合网络校准方法。
本发明的上述目的可以通过以下技术方案予以实现：一种相控阵天线串馈校准耦合网络校准方法，具有如下技术特征：将相控阵天线的单向串馈网络改为双向馈电网络，利用N个对应连接天线阵元的耦合器C1、C2、…、CN构成的串行馈电网络和对应耦合器的C1、C2、…、CN连接的TR1、TR1、…、TR1组件相连波束形成网络组成双向传输串行馈电网络，以首尾端耦合器和波束形成网络引出一致的耦合端口A、B、D为校准通道，然后在首尾端耦合器校准通道之间并联切换开关，将切换开关和波束形成网络的B端校准通道一起连接校准分机，然后采用切换的方式，采集A、B、D端口各个通道的信号，检测各通道信号的幅度、相位，对电长度一致的每条支路分别进行通道校准，得到的各个支路幅度和相位的通道测试值，通过耦合参数综合后，通过信号的双向传输两次测试结果，计算出不同温度下串馈网络幅度相位的稳定传输参数。
本发明相比于现有技术具有如下有益效果：
本发明将相控阵天线的单向串馈网络改为双向馈电网络，利用N个对应连接天线阵元的耦合器C1、C2、…、CN构成的串行馈电网络和对应耦合器的C1、C2、…、CN连接的TR1、TR1、…、TR1相连波束形成网络组成双向传输串行馈电网络，将原来的单向串馈网络改为双向馈电网络，在校准耦合通道的双向传输两次测试结果进行校准，然后校准结果综合，通过耦合参数综合后，实现传输参数温度稳定的目的，减小了耦合校准通道随温度的幅度相位波动，使得校准结果更加准确。从而提高相控阵天线校准的准确性，增强相控阵天线校准的工程适应性。
本发明采用以首尾端耦合器和波束形成网络引出一致的耦合端口A、B、D为校准通道，然后在首尾端耦合器校准通道之间并联切换开关，将切换开关和波束形成网络的B端校准通道一起连接校准分机，可以在使用串馈网络进行校准时，具有自动平衡温度变化时对耦合网络传输参数的影响，具有温度稳定的特点，从而提高校准精度和稳定度。与并馈矩阵开关校正方法相比串馈矩阵开关校正法的校正网络比并馈校正网络简单了许多而且通过良好的设计还可以省去矩阵开关与耦合器之间的射频电缆为减小随机误差的影响,达到系统所要求的检测精度,负载态的要求。
本发明采用切换的方式，采集A、B、D端口各个通道的信号，对电长度一致的每条支路分别进行通道校准，得到的各个支路幅度和相位的通道测试值，通过耦合参数综合后，通过信号的双向传输两次测试结果，计算出不同温度下串馈网络幅度相位的稳定传输参数。利用串行馈电网络双向传输设计，通过信号的双向传输两次测试结果，通过一定的计算方法，实现不同温度下串馈网络幅度相位的稳定。即可得到被测第i支路的幅度和相位特性，对于每条支路来说，信号在校准耦合网络中经历的电长度是一致的，因此温度变化时得到的各个支路的相对幅度和相位不会发生大的变化，具有温度稳定的特点。
附图说明
图1是本发明的相控阵天线串馈耦合网络校准原理示意图。
具体具体实施方式
参阅图1。根据本发明，将相控阵天线的单向串馈网络改为双向馈电网络，利用N个对应连接天线阵元的耦合器C1、C2、…、CN构成的串行馈电网络和对应耦合器的C1、C2、…、CN连接的TR1、TR1、…、TR1相连波束形成网络组成双向传输串行馈电网络，以首尾端耦合器和波束形成网络引出一致的耦合端口A、B、D为校准通道，然后在首尾端耦合器校准通道之间并联切换开关，将切换开关和波束形成网络的B端校准通道一起连接校准分机，然后采用切换的方式，采集A、B、D端口各个通道的信号的幅度、相位，对每条支路分别进行通道幅度、相位校准。
校准分机采用快速傅里叶变换FFT算法或者矢量平均算法得到第i支路A端口到B端口的传输系数
Figure BDA0002707671970000031
第i支路D端口到B端口的传输系数
Figure BDA0002707671970000032
在校准第i路通道时，校准分机将D端口处于匹配状态，先以A、B端口做一次校准得到一组通道测试值和第i条支路A端口到B端口的传输系数
Figure BDA0002707671970000033
Figure BDA0002707671970000034
将A端口处于匹配状态，再以D、B端口做一次校准得到一组通道测试值和第i条支路D端口到B端口的传输系数
Figure BDA0002707671970000035
(1)×(2)式得到：
Figure BDA0002707671970000036
Figure BDA0002707671970000037
Figure BDA0002707671970000038
由(4)和(5)即可得到被测第i支路的幅度和相位特性，其中，
Figure BDA0002707671970000039
为A端口到第i条支路耦合网络端口的传输系数，
Figure BDA00027076719700000310
为第i条支路耦合网络端口到B端口的传输系数。为相控阵天线校准需要测试的校准系数，
Figure BDA00027076719700000311
为D端口到第i条支路耦合网络端口的传输系数,e为自然对数函数的底数，j表示虚数单位，θ表示复数的相位，i、M、N为常数。
相控阵通道校准只考虑通道的相对幅度和相位，所以各个通道的幅度相位可以用
Figure BDA0002707671970000041
和
Figure BDA0002707671970000042
表示
Figure BDA0002707671970000043
Figure BDA0002707671970000044
由于耦合通道包含的两个传输系数
Figure BDA0002707671970000045
对于每条支路来说，信号在校准耦合网络中经历的电长度是一致的，因此温度变化时得到的各个支路的相对幅度和相位不会发生大的变化，具有温度稳定的特点。
通过实验室测试各个通道的幅度相位值，将各个支路通道幅度相位调整到预先设定状态。
A端口和D端口与波束形成网络B端口送来的信号，分别通过切换开关和通过校准分机形成校准分机进行参考传输系数SAB、SBD的测试校准回路，校准分机采用快速傅里叶变换FFT算法或者矢量平均算法得到第i支路A端口到B端口的传输系数
Figure BDA0002707671970000046
第i支路D端口到B端口的传输系数
Figure BDA0002707671970000047
(6)、(7)
Figure BDA0002707671970000048
计算得到各个支路的相对幅度
Figure BDA0002707671970000049
和相对相位参考值
Figure BDA00027076719700000410
校准时，A端口和D端口与B端口分机送来的信号分别通过切换开关，形成校准分机进行A端口到B端口的工作传输系数SAB′的测试的校准回路、D端口到B端口的工作传输系数SDB′的测试的校准回路。校准分机采用FFT算法或者矢量平均算法得到各个支路的参考值
Figure BDA00027076719700000416
按照公式(6)、(7)，得到各个支路的馈电相对幅度值(单位为dB)
Figure BDA00027076719700000411
Figure BDA00027076719700000412
得到各个支路的馈电相对相位值
Figure BDA00027076719700000413
(8)-(6)式得到各个支路的幅度误差
Figure BDA00027076719700000414
，(9)-(7)式得到相位误差
Figure BDA00027076719700000415
本说明书中公开的所有特征，除了互相排斥的特征和/或步骤以外，均可以以任何方式组合。以上优选实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管通过上述优选实施例已经对本发明进行了详细的描述，但本领域技术人员应当理解，可以在形式上和细节上对其作出各种各样的改变，而不偏离本发明权利要求书所限定的范围。

Claims (10)

1.一种相控阵天线串馈校准耦合网络校准方法，具有如下技术特征：将相控阵天线的单向串馈校准耦合网络改为双向馈电校准耦合网络，利用N个对应连接天线阵元的耦合器C1、C2、…、CN构成的串行馈电校准耦合网络和对应耦合器的C1、C2、…、CN连接的TR1、TR1、…、TR1组件相连波束形成网络组成双向传输串行馈电校准耦合网络，以首尾端耦合器和波束形成网络引出一致的耦合端口A、B、D为校准通道，然后在首尾端耦合器校准通道之间并联切换开关，将切换开关和波束形成网络的B端校准通道一起连接校准分机，然后采用切换的方式，采集A、B、D端口各个通道的信号，检测各通道信号的幅度、相位，对每条支路分别进行通道幅度、相位校准。
2.如权利要求1所述的相控阵天线串馈校准耦合网络校准方法，其特征在于：校准分机采用快速傅里叶变换FFT算法或者矢量平均算法得到第i支路A端口到B端口的传输系数
Figure FDA0002707671960000011
第i支路D端口到B端口的传输系数
Figure FDA0002707671960000012
3.如权利要求2所述的相控阵天线串馈校准耦合网络校准方法，其特征在于：在校准第i路通道时，校准分机将D端口处于匹配状态，先以A、B端口做一次校准得到一组通道测试值和第i条支路A端口到B端口的传输系数
Figure FDA0002707671960000013
信号在校准耦合通道的双向传输两次测试结果进行校准，计算出不同温度下串馈电校准耦合网络幅度相位的稳定传输参数，减小耦合校准通道随温度的幅度相位波动。
4.如权利要求3所述的相控阵天线串馈校准耦合网络校准方法，其特征在于：校准分机将A端口处于匹配状态，再以D、B端口做一次校准得到一组通道测试值和第i条支路D端口到B端口的传输系数
Figure FDA0002707671960000014
(1)×(2)得到：
Figure FDA0002707671960000015
Figure FDA0002707671960000016
Figure FDA0002707671960000017
由(4)和(5)即可得到被测第i支路的幅度和相位特性，其中，
Figure FDA0002707671960000018
为A端口到第i条支路耦合网络端口的传输系数，
Figure FDA0002707671960000019
为第i条支路耦合网络端口到B端口的传输系数，
Figure FDA00027076719600000110
为D端口到第i条支路耦合网络端口的传输系数，e为自然对数函数的底数，j表示虚数单位，θ表示复数的相位，i、M、N为常数。
5.如权利要求4所述的相控阵天线串馈校准耦合网络校准方法，其特征在于：相控阵通道校准只考虑通道的相对幅度和相位时，各个通道的幅度和相位用
Figure FDA00027076719600000111
和
Figure FDA00027076719600000112
表示，
Figure FDA00027076719600000113
Figure FDA0002707671960000021
并且耦合通道包含的两个传输系数
Figure FDA0002707671960000022
对于每条支路来说，信号在校准耦合网络中经历的电长度是一致的。
6.如权利要求1所述的相控阵天线串馈校准耦合网络校准方法，其特征在于：通过实验室测试各个通道的幅度相位值，将各个支路通道幅度相位调整到预先设定状态。
7.如权利要求1所述的相控阵天线串馈校准耦合网络校准方法，其特征在于：A端口和D端口与波束形成网络B端口送来的信号，分别通过切换开关和通过校准分机形成校准分机进行参考传输系数SAB、SRD的测试校准回路。
8.如权利要求5所述的相控阵天线串馈校准耦合网络校准方法，其特征在于：校准分机按照公式(6)、(7)
Figure FDA0002707671960000023
计算得到各个支路的相对幅度参考值
Figure FDA0002707671960000024
和相对相位参考值
Figure FDA0002707671960000025
9.如权利要求1所述的相控阵天线串馈校准耦合网络校准方法，其特征在于：校准时，A端口和D端口与B端口分机送来的信号分别通过切换开关，形成校准分机进行A端口到B端口的工作传输系数SAB′的测试的校准回路、D端口到B端口的工作传输系数SDB′的测试的校准回路。
10.如权利要求8所述的相控阵天线串馈校准耦合网络校准方法，其特征在于：校准分机采用FFT算法或者矢量平均算法得到各个支路的参考值
Figure FDA0002707671960000026
按照公式(6)、(7)，得到各个支路的馈电相对幅度值(单位为dB)
Figure FDA0002707671960000027
得到各个支路的馈电相对相位值
Figure FDA0002707671960000028
(8)-(6)式得到各个支路的幅度误差
Figure FDA0002707671960000029
，(9)-(7)式得到相位误差
Figure FDA00027076719600000210
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