CN113014294B - 一种两维相控阵微波前端校准网络及方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种两维相控阵微波前端校准网络及方法，属于两维相控阵微波前端系统设计领域。其中校准网络采用N个N通道的线阵实现，每个线阵的第一个通道连接一个耦合器。在校准过程中，首先对TR组件、天线阵列和校准通道单独标定；然后根据TR组件、天线阵列得到线阵内配平的初始控制码；结合近场测试对线阵内初始控制码进行验证和修正；之后对线阵间实时校准，得到各线阵间的幅相差；最后将近场测试的控制码减去校准通道的初始码和实时校准的幅相差之和得到最终的控制码。本发明通过一维采用固定的初始标定数据，另一维实时内校准，减少校准网络复杂度，提高校准效率，可扩展阵面规模。

Description

一种两维相控阵微波前端校准网络及方法

技术领域

本发明属于两维相控阵微波前端系统设计领域，具体为一种简洁有效、低成本的校准网络及方法，主要应用在两维相控阵雷达系统，实现两维相控阵微波前端系统的实时在线监测，速度快、可靠性高、性能稳定、精度高。适用于目前常见的一维合成、一维数字波束形成的两维相控阵微波系统，具有很好的通用性。

背景技术

随着现代微波集成技术的发展，相控阵技术由于其多独立波束能力、控制的灵活迅捷实现多功能、高可靠性及可共形应用等优点，越来越广泛用于雷达、对抗和通信系统中。电路形式上，瓦片式收发组件相比传统砖块式组件相比，集成度更高、体积和重量大幅降低，更有利于系统低成本化。

针对目前一维合成、一维数字波束形成的两维相控阵微波系统，其功能灵活性和集成度介于传统直接合成的相控阵系统和全数字波束形成相控阵系统。相控阵波束的精确指向需要严格准确的控制各单元天线的幅度和相位，因此对系统的增益和相位的定期校准必不可少。目前，常规的校准方式有两种：

一，采用外部校准方式，需要天线阵列通过外部的一个或多个监测天线以获得监测信号或发送监测信号，收集改变的幅度和相位信息，获得信道幅度相位不一致的数据。该方式考虑天线阵元间的幅度和相位误差等因素的影响，更接近真实的幅相信息。但执行过程必须选择满足特定测试条件的场地，并且使用中因为环境或安装原因，难以准确、方便地实施。

二，采用内部校准方式，在链路末级添加耦合器，监控耦合器耦合或者馈入的信号，通过测量到的口径面上的幅度和相位信息，然后经傅里叶变换将近场数据转换成远场数据。可实现在线监测，速度快、可靠性高、性能稳定、精度高。与外校准相比，可用较小的工作量获得更多的数据信息，可用作诊断工具来检测天线故障，可以全天候工作，受环境影响小。图1为常规两维相控阵系统校准网络的实现形式，每个通道采用开关增加隔离度。但是有源电路的引入大大增加了电路复杂度、加工难度和成本。

发明内容

要解决的技术问题

为了解决现有技术的外部校准受限测试场地和内部校准带来电路复杂和布局困难的不足之处，本发明提出一种两维相控阵微波前端校准网络及方法。采用了一种更布局简单的内校准网络实现，既简化了瓦片式天线设计和加工，也满足系统小型化、低成本的要求。

技术方案

一种两维相控阵微波前端校准网络，其特征在于包括一个功放网络、1个校准通道、N个N通道的线阵、N个耦合器；所述的线阵包括N个天线辐射单元、N个TR组件、一个变频通道和一个数模/模数变换，每个天线辐射单元连接一个TR组件、N个TR组件连接一个变频通道，变频通道连接数模/模数变换；每个线阵的第一个通道连接一个耦合器；所述的耦合器通过开关分别连接功分网络和吸收负载；所述的校准通道连接功分网络。

优选地，所述的TR组件为瓦片式TR组件。

优选地，所述的耦合器为带状线耦合器。

优选地，所述的开关为吸收式单刀双掷开关。

一种两维相控阵微波前端校准方法，其特征在于步骤如下：

步骤1：对TR组件N组线阵内部N通道单独标定，形成N组TR组件的初始幅相差数据

对天线阵列的N组线阵内部N通道单独标定，形成N组天线阵列的初始幅相差数据

对天线阵列的校准通道进行标定，得到校准网络初始的N路幅相差数据

步骤2：将TR组件初始标定数据

和天线阵列的初始标定数据

对应通道依次相加得到N组线阵内配平的初始控制码

步骤3：近场测试，对N组线阵内部N通道的初始控制码进行验证和修正，保证完全配平，修正后的控制码

步骤4：线阵间的实时校准，以第一通道为参考，通过控制校准通道开关，依次得到各线阵间的幅相差数据

步骤5：将近场测试得到的控制码

每个线阵减去阵列天线校准通道初始的N路幅相差数据

和线阵间的实时校准得到的线阵间的幅相差数据

之和，得到一个完整的N*N阵列初始幅相配平控制码

以此作为生成方向图的初始幅相控制码。

优选地，步骤1采用矢量网络分析仪进行幅相差标定。

优选地，所述的N为8。

有益效果

本发明提出的一种两维相控阵微波前端校准网络及方法，采用初始标定固定幅相差，结合内校准网络的实时校准，实现两维有源相控阵微波前端的校准。通过瓦片式TR组件和天线阵列的单独标定，结合近场系统工作修正，消除系统装配和驻波引入的固定误差，提高初始标定固定幅相差的准确度。通过耦合器、吸收式单刀双掷开关、吸收负载和功分网络的内校准网络设计，提高校准不同子阵间的相互耦合影响，保证校准准确有效。通过一维采用固定的初始标定数据，另一维实时内校准，减少校准网络复杂度，提高校准效率，可扩展阵面规模。对一维合成、一维数字波束形成的两维相控阵微波系统具有明显的有益效果：

首先，本发明的电路简洁，适合高集成度的两维相控阵前端系统。不需要每个天线阵元增加耦合器和开关网络，只需要在一个方向维增加一路耦合器和开关网络即可，大大较少了器件数量和网络复杂度。

其次，本发明大大降低了校准工作复杂度，合成维的通道之间只需要查询预先的补偿表，不需重复校准。数字波束形成方向维的通道之间可实时校准，工作量极大降低，适合超大阵面的校准，工作效率大幅提高。

第三，本发明适合阵面的扩展。每个合成维的通道只需要一路校准网络，其余通道无需增加特殊网络电路和外围控制，适合阵面的直接扩展。

第四，本发明的电路简单，开关数量较少(N-1)*N，耦合器和功分网络大大简化。降低了天线设计难度，也大大降低了加工和元器件成本，利于批量化生产。

附图说明

图1常规两维相控阵系统内校准网络的实现方案

图2N元线阵简图

图3常规两维相控阵系统工作框图

图4一维合成、一维数字波束形成的两维相控阵微波系统工作框图

图5本发明的一种两维相控阵微波前端校准网络原理框图

具体实施方式

现结合实施例、附图对本发明作进一步描述：

相控阵天线波束扫描是通过控制每个辐射单元的移相器相位，形成扫描等相位面来实现的，通过控制移相器状态改变各天线阵元的激励相位实现相位扫描。以N元线阵为例，d为天线单元间的间距，

为通道间的相位差，2πdsinθ/λ为波程差导致相邻天线阵元辐射场的相位差。各阵元在θ方向远场区某点辐射场的场强合成矢量和为：

改变

值，就可改变波束指向角θ，从而形成波束扫描。系统工作时对收发信号的幅度和相位进行加权处理，用于空间合成。由于进入阵列的信号电平较低，在进行处理之前，必须先对信号进行放大、变换等处理。而阵列信号处理的物理基础是信号进入各个阵列单元后，各单元的输出信号间是严格相关的，因此要求经放大和变换后进入各通道的信号严格一致；否则，如果各个通道输出的信号幅相和接收信号幅相不一致则会引起方向图变形，严重的甚至会使方向图完全失效。因此，通过校准工作保证各个通道信号幅相一致是保证系统正常工作的重点。

图3可以看出，整个两维相控阵系统信号传输路径为：辐射天线单元传输路径

TR组件中信号传输路径

和数模/模数变换器中信号传输路径

因此，系统校准就是以一个通道为参考，其余通道与之相比的幅度相位差，即

本发明中，一维合成、一维数字波束形成的两维相控阵微波系统主要针对随着工作频率的提高，直接两维数字波束形成两维相控阵系统硬件上无法实现，采用一维合成、另一维数字波束形成的方案可以降低对瓦片式TR组件的体积要求。图4为一维合成、一维数字波束形成的两维相控阵微波系统工作框图。

鉴于以上原因，本发明根据系统工作特点，一个N*N单元数的两维阵可看做N个N通道的线阵组成：每个线阵内部变频通道和数模/模数变换公用，即

相同，只需考虑线阵内每个TR通道加天线辐射单元路径的幅度相位差异

目前，多通道线阵的校准可以通过多种方法进行：一，TR组件和天线阵列的一致性设计保证，可以单元完全互换。二，TR组件和天线阵列的单独标定，通过实验仪器即可方便得到通道间

的幅度相位差值，直接可以得到一个完整线阵内幅相与频率的对照表，通过补偿该表格即可准确产生最终方向图。三，线阵的近场标定，利用探头在天线口径面上做扫描运动，通过测量到的口径面上的幅度和相位信息，然后通过傅里叶变换将近场数据转换成远场数据。

N通道的线阵内部标定完成后，需要对N个线阵之间进行实时标定。特别是系统发射链路工作时，信号处理器到各线阵数模/模数变换的基带信号相位可能上电不固定。因此，N个线阵之间需要增加校准网络，可以实时校准。与原来N*N组开关校准网络相比，该实现只需要N组开关加功分器校准网络，大大降低了复杂度和成本。

图5给出了本发明一种有效的低成本两维相控阵微波前端校准实现方法原理框图。这里以8*8通道Ku波段一维合成、一维数字波束形成的两维相控阵微波系统校准网络设计为例，说明本发明的具体实施。

该Ku波段一维合成、一维数字波束形成的两维相控阵微波系统主要由8路8通道线阵和微波校准网络组成。系统工作频率范围为：14.5GHz～16.5GHz，相对带宽12.9﹪；天线波束扫描范围：方位角Φ：0～360°；俯仰角θ：0～60°，单元间距为9.5mm*9.5mm。

8通道线阵受单元间距9.5mm*9.5mm限制，采用圆极化辐射贴片阵列天线和瓦片式TR组件，通过多层微波介质板层压构成，元器件选择国产中电55所和13所多功能多通道集成芯片，多通道模数/数模转换芯片采用ADI公司的9361收发器，变频通道选用中电13所变频器NC1733C-1328芯片+中电55所补偿放大器WND0305H芯片。

本实施例中，为保证线阵内8通道收发幅度相位一致性和工程实现可装配性，TR组件选择采用2个可完全可互换的8*4路瓦片式TR组件，通过布线控制和器件选型可完全保证线阵内8路信号的幅相一致性，最终实测通道间相位差可达10°以内，幅度差0.5dB以内。阵列天线为完全一致的重复单元，可完全保证幅相一致性。

设计中，天线阵列在数字波束形成维具有校准通道选通功能，采用1×8线阵方案，包括耦合器、开关和合路器，并与天线辐射单元一体化设计。校准网络开关选通能独立控制每一路的校准，耦合器为带状线耦合器，耦合度约30dB；开关选用了TriQuint公司吸收式单刀双掷开关TGS4310-SM，保证开关打开或关闭前后链路匹配状态相同，也避免了系统校准期间相邻阵元间的互扰，保证系统稳定性和校准稳定度。最终，8路校准信号合路成一路校准信号至校准变频通道，整个天线阵列校准网络耦合度约60dB，保证正常校准进行。

本实施例中，系统的校准步骤如下：

1、系统组成中瓦片式TR组件、天线阵列单独试验测试。通过矢量网络分析仪，对TR组件8组线阵内部8通道单独标定，形成8组TR组件的初始幅相差数据

对天线阵列的8组线阵内部8通道单独标定，形成8组天线阵列的初始幅相差数据

对天线阵列的校准网络进行标定，得到校准网络初始的8路幅相差数据

2、根据TR组件和天线阵列的初始标定数据

计算得到8组线阵内配平的初始控制码

即

3、近场测试，对8组线阵内部8通道的初始控制码进行验证和修正，保证完全配平，修正后的控制码

4、线阵间的实时校准，以第一通道为参考，通过控制校准网络开关，依次得到各线阵间的幅相差数据

5、结合近场测试得到的控制码

阵列天线校准网络初始的8路幅相差数据

以及线阵间的实时校准得到的线阵间的幅相差数据

得到一个完整的8*8阵列初始幅相配平控制码

即

以此作为生成方向图的初始幅相控制码。

以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明公开的技术范围内，可轻易想到各种等效的修改或替换，这些修改或替换都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (6)

1.一种两维相控阵微波前端校准方法，其采用的校准网络包括一个功放网络、1个校准通道、N个N通道的线阵、N个耦合器；所述的线阵包括N个天线辐射单元、N个TR组件、一个变频通道和一个数模/模数变换，每个天线辐射单元连接一个TR组件、N个TR组件连接一个变频通道，变频通道连接数模/模数变换；每个线阵的第一个通道连接一个耦合器；所述的耦合器通过开关分别连接功分网络和吸收负载；所述的校准通道连接功分网络；特征在于步骤如下：

步骤1：对TR组件N组线阵内部N通道单独标定，形成N组TR组件的初始幅相差数据

对天线阵列的N组线阵内部N通道单独标定，形成N组天线阵列的初始幅相差数据

对天线阵列的校准通道进行标定，得到校准网络初始的N路幅相差数据

步骤2：将TR组件的初始幅相差数据

和天线阵列的初始幅相差数据

对应通道依次相加得到N组线阵内配平的初始控制码

步骤3：近场测试，对N组线阵内部N通道的初始控制码进行验证和修正，保证完全配平，修正后的控制码

步骤4：线阵间的实时校准，以第一通道为参考，通过控制校准通道开关，依次得到各线阵间的幅相差数据

步骤5：将近场测试得到的控制码

每个线阵减去阵列天线校准通道初始的N路幅相差数据

和线阵间的实时校准得到的线阵间的幅相差数据

之和，得到一个完整的N*N阵列初始幅相配平控制码

以此作为生成方向图的初始幅相控制码。

2.根据权利要求1所述的两维相控阵微波前端校准方法，其特征在于步骤1采用矢量网络分析仪进行幅相差标定。

3.根据权利要求1所述的两维相控阵微波前端校准方法，其特征在于所述的N为8。

4.根据权利要求1所述的两维相控阵微波前端校准方法，其特征在于所述的TR组件为瓦片式TR组件。

5.根据权利要求1所述的两维相控阵微波前端校准方法，其特征在于所述的耦合器为带状线耦合器。

6.根据权利要求1所述的两维相控阵微波前端校准方法，其特征在于所述的开关为吸收式单刀双掷开关。

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