CN113381187A - 球面相控阵天线坐标远近场比较修正方法 - Google Patents

Abstract

本发明提出的一种球面相控阵天线坐标远近场比较修正方法，耗费硬件资源小且简单易行的。本发明通过下述技术方案予以实现：以球面阵天线球心的垂直柱面划分三个等间隔水平切面，按每个切面布置远近场标校天线，在每个水平面上，在每个水平面上近场标校天线以切面上球心为原点等间隔,布置围绕球面阵天线形成六个近场标校覆盖区域测量场点的近场标校天线，以及三个远场标校覆盖区域远场标校天线；通过远场测试和近场测试，给出远、近场比较法修正阵元坐标；利用阵元和近场标校天线坐标修正算法和远、近场通道相位比较算法及判定策略，对阵元和近场标校天线坐标测试结果进行修正及验证对比，通过远、近场阵元通道标校比较，完成球面阵天线坐标修正。

Description

球面相控阵天线坐标远近场比较修正方法

技术领域

本发明涉及一种球面相控阵天线阵元及近场标校天线坐标的远、近场比较修正的方 法。

背景技术

随着相控阵雷达技术的发展，不同形式、不同波段以及各种规模的相控阵天线不断 开发并得到应用，相应地与之相适应的各种校正和测量方法也处在不断发展中。相控阵天线 是由许多阵元通道构成的天线阵列，主要依靠对各个阵元的相位控制来实现天线波束指向的 转动。目前最广泛应用的相控阵天线测试方法主要有三种：远场法、近场法和紧缩场法。每 种测试方法都有各自的优缺点，如远场测量适用于低增益、低频天线的测量；近场测量适用 于高增益、高频、口径全息测量等。近场扫描技术是通过探头对靠近天线表面的场分布进行 抽样，从取得的幅度和相位数据，通过近远场变换再计算天线的远场方向图。中场校正技术 应用的范围在辐射近场内，但测试距离大。远场测量技术在远场距离以外完成。天线沿着y 轴方向的尺寸较小，容易满足远场条件，而x方向的尺寸较大，不满足远场条件。因此远场 测量技术往往不能满足远场测试条件。在这种情况下测试结果与远场情况下的测试结果有较 大差异。由于通道故障和单元失效情况时有发生，因而需要定期校正和维护。同时对校正系 统提出更高的要求，一方面要求校正系统具备快速故障检测和校正功能，另一面要求校正系 统能够对天线性能进行评估。这些新的要求是近场测量系统难以完成的。

在机载、舰载应用中,安装天线的附近往往存在有对电磁波有较强散射性的部件，如 机翼、桅杆等,构成了影响天线工作特性的近场散射环境。远距离传播来的电磁信号除了直 接达到天线阵部分外,还会通过这些近场环境中的散射体二次辐射后再次进入到天线阵列被 接收机接收,产生近场散射效应。近场散射信号具有两个特点:第一,与直达天线阵列信号是相 关甚至完全相干的；第二,由于散射体与天线阵列相距仅有数十米甚至数米,近场散射信号到达 天线阵是以球面波方式传播的,而直达天线阵列部分信号是远场平面波。为实现对相控阵天 线的校准，降低幅相误差和阵元失效对天线性能的影响，通常采用具有精度高、抗干扰能力 强，计算分析能力强等特点的近场测试天线。利用近场扫描法完成逐一通道校准的基础上， 使用旋转矢量法进行二次校准。在应用旋转矢量法时，为使被测信号的变化明显，将大规模 相控阵天线分为中间、边缘区域，进行分区校准。通过二次校准可判定阵元是否失效，以提 高相控阵天线的幅相一致性，通过分区校准减小阵元间互耦的影响，缩短校准时间。由于实 际系统中存在的各种误差因素等,准远场测试结果(Comba Finite Field)与球面近场测试结 果(Comba SG128)有较大差距，大扫描角度相控阵天线平面近场测试波束指向往往偏差大。 一般情况下，相控阵天线近场测量系统，根据天线扫描面形状的不同，分为平面扫描、柱面 扫描和球面扫描。测量出相控阵天线的阵元通道的初始相位是实现波束指向控制的先决条件。 天线测量可分为：直接测量法和间接测量法，更细的分类法。直接测量法比较直观，测试方 法简单，数据处理工作量较少。间接测量一般较复杂，测试数据量和处理数据量大。其通过 近场阵元通道相位标校的方式得到阵元通道初始相位。而阵元通道初始相位的测量精度又与 相控阵天线阵元坐标和近场标校天线坐标的精度密切相关。因此，球面相控阵天线的波束形 成性能优劣与其阵元和标校天线的坐标的精度有密切的关联，球面相控阵天阵元或标校天线 坐标精度不够会影响相控阵天线波束形成，严重时甚至无法形成波束。根据工程经验，对阵 元和近场标校天线的坐标精度要求一般在工作频段波长的1/100以内，在S频段，对阵元或 近场标校天线的坐标的精度要求一般在毫米量级。球面相控阵天线坐标一般都采用光学仪器 测量的方式得到。

随天线阵面规模的扩大，在实际外场很难精确测得相控阵天线阵元与近场标校天线 相位中心的位置坐标，且缺乏有效手段来验证测量的坐标精度的有效性。并且，在相控阵天 线球面近场测量中,有限扫描面和相控阵天线波束扫描将会引起较大的截断误差，球面阵天 线近场测量中被测天线阵元架设位置不同时会引起测量结果的变化，近场感应电压相位差引 起的耦合误差，以及近场天线差斜率变化引起的定向灵敏度的变化是球面近场测量中主要误 差来源。相控阵天线近场测量修正技术既是近场测量技术研究的基础工作，又是提高近场测 量精度急需解决的问题，只有解决好这一问题，才能把天线近场测量引入计量领域。因此， 如何验证与修正相控阵天线阵元及近场标校天线坐标测量精度，是球面相控阵天线波束形成 的一项关键技术。近场测量技术因其能够避免直接测量远场而得到广泛应用,该技术采用近 远场变换获得远场。天线的加权系数既包含了远场信息也包含了近场信息，因此,不仅能够 利用近场测量信息获得远场辐射特性,同样能够利用远场辐射特性反推得到近场处电场,这样 就能检验由近远场变换算法得到的远场是否准确，球面近远场变换算法将待测天线在空间建 立的场展开成球面波函数之和,推算得到了近远场变换公式,随后进一步推算得到远近场变换 的公式,最后将算法计算结果与FEKO测量结果进行比较证实两种算法的有效性。

发明内容

本发明的目的是根据球面相控阵天线远、近场通道相位标校的特点，提供一种在球 面相控阵天线的工程应用中，测量速度快、建造成本低，对阵元和近场标校天线坐标精度 验证及坐标修正的方法。该方法简单可靠、耗费硬件资源小,能够解决球面相控阵天线波束 形成中由于坐标测绘精度误差而造成的波束形成质量变差的问题。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：一种球面相控阵天线坐标远近场比较 修正方法，其特征在于包括如下步骤：以球面阵天线球心的垂直柱面划分三个等间隔水平切 面，按每个切面布置远、近场标校天线，在每个水平面上，以切面上球心为原点等间隔均匀 布置六个近场标校天线，形成a、b、c、d、e、f六个近场标校覆盖区域，相邻两个近场标校天线到球面阵天线中心原点的夹角为60度；围绕球面阵天线布置远场标校天线形成远场标校覆盖区域；给出远场标校天线策略以及近场标校天线与远场标校天线最小距离选取算法， 修正远近场标校天线及球面相控天线阵元坐标；利用波控软件，根据绘制完成球面相控阵天 线阵元坐标计算出远近场标校天线标校值，然后根据波控软件计算出的远近场标校天线标校 值，利用阵元和近场标校天线坐标修正算法和远、近场通道相位比较算法及判定策略，在计 算机上用软件程序对阵元和近场标校天线坐标测试结果进行修正及验证对比，通过远、近场 阵元通道标校比较，完成球面相控阵天线坐标修正。

本发明相比于现有技术的有益效果是：

简单可靠。本发明针对信号源误差包含的误差项对采样信号进行修正.以球面阵天线球心的 垂直柱面划分三个等间隔水平切面，按每个切面布置远、近场标校天线，在每个水平面上近 场标校天线，以切面上球心为原点等间隔均匀布置六个近场标校，相邻两个近场标校天线到 球面阵天线中心原点的夹角为60度，在球面相控阵天线完成初步阵元坐标测绘后，按本专 利给出的远、近场比较法修正阵元坐标。实现方法比较简单，方便于对球面相控阵天线对阵 元和近场标校天线坐标精度的验证及对阵元和近场标校天线坐标的修正，提高了可靠性，解 决了球面相控阵天线波束形成的一个关键问题。实测结果证明修正后得到的频域方向图和时 远场波形与参考结果都比较吻合。

资源占用较少，降低了成本。本发明利用远场标校天线坐标精度对阵元标校影响较 小的特性，给出远、近场比较法修正阵元坐标；波控软件跟踪选取远场标校天线策略以及远 场标校天线最小距离算法，修正近场标校天线及球面相控天线阵元坐标；修正近场标校天线 及球面相控天线阵元坐标；不需要复杂设备，仅涉及在波控软件跟踪流程的一些变化，实现 方法比较简单，操作简便快捷，便于自动化设计。

本发明利用阵元和近场标校天线坐标修正算法和远、近场通道相位比较算法及判定 策略，对阵元和近场标校天线坐标精度进行验证及修正，通过远、近场阵元通道校正相位比 较完成坐标修正。仅利用原有球面相控阵天线设备，不增加附加硬件，通过远、近场阵元通 道校正相位比较完成坐标修正，不需要额外增加设备量和使用额外的硬件，节省了硬件资源 和硬件成本。解决了球面相控阵天线波束形成中由于坐标测绘精度误差而造成的波束形成质 量变差的问题。

本发明保持原有系统的设备状态，巧妙利用远、近场阵元相位标校的特点，仅涉及波控软件流程的更改，没有附加的机械部件与操作，便于设备的自动化设计、运行与管理。试验证明该方法能为球面相控阵天线标校提供较高精度的真值,并具有使用方便，受天气制 约较小等优点。

附图说明

下面结合附图和实施实例对本发明进一步说明。

图1是球面相控阵天线近场标校天线位置水平示意图；

图2是球面相控阵天线远、近场标校天线位置俯视方向的示意图；

图3是计算球面相控阵天线阵元与远场标校天线远场条件距离的示意图。

图4是球面相控阵天线阵元或近场标校天线测量坐标方位偏差的示意图；

图5是球面相控阵天线阵元或近场标校天线测量坐标俯仰偏差的示意图；

图6是本发明通过远、近场标校对球面相控阵天线阵元或近场标校天线坐标修正的效果的示 意图，其中，图6(a)图为坐标修正前远、近场通道标校比对结果。图6(b)为坐标修正 后远、近场通道标校比对结果。

具体实施方式

参阅图1、图2。根据本发明，以球面阵天线球心的垂直柱面划分三个等间隔水平切面，按每个切面布置远、近场标校天线，在每个水平面上，以切面上球心为原点等间隔均匀布置六个近场标校天线，形成a、b、c、d、e、f六个近场标校覆盖区域，相邻两个近场标 校天线到球面阵天线中心原点的夹角为60度；围绕球面阵天线布置远场标校天线形成远场 标校覆盖区域；给出远场标校天线策略以及近场标校天线与远场标校天线最小距离选取算法， 修正近场标校天线及球面相控天线阵元坐标；利用波控软件，根据绘制完成球面相控阵天线 阵元坐标计算出远场标校天线标校值，然后根据波控软件计算出的远场标校天线标校值，利 用阵元和近场标校天线坐标修正算法和远、近场通道相位比较算法及判定策略，在计算机上 用软件程序对阵元和近场标校天线坐标测试结果进行修正及验证对比，通过远、近场阵元通 道标校比较，完成球面相控阵天线坐标修正。

近场标校天线与球面阵天线上阵元的最小距离为：

L_近场min＞2×D²/λ，其中：D为单个阵元天线的等效口径，λ为工作频点的波长。

在每个水平面上，以切面上球心为原点等间隔均匀布置三个近场标校天线，相邻两 个远场标校天线到球面阵天线中心原点的夹角为120度，围绕球面阵天线形成A、B、C三个等间隔切面的远场标校天线覆盖区域。

参阅图3。设球面阵天线工作最高频点为3GHz，工作频点的波长λ＝(3×10¹¹/3×10⁹)＝100mm，远场标校天线的远场条件为：满足由于测量误差而导致的阵元天线到远场标校天线之间距离的误差值γ＜λ×1/100＝1mm。

如图示，设对远场标校天线测量的最大切线方位的误差为δ为±300mm，则根据上述远场条件：误差值γ＝β2-β1＜λ×1/100＝1mm，计算球面上阵元天线到标校天线实际距离β1满足远场条件：β1_min＝(δ²-γ²)/2γ≈δ²/2γ＝4.5×10⁴mm。

参阅图4、图5。根据球面阵天线阵元或近场标校天线测量坐标的方位修正角Ψ和俯 仰修正角Φ，计算球面阵天线阵元或近场标校天线的坐标修正的旋转矢量A：

根据修正前的球面阵天线阵元或近场标校天线测量场点坐标值(X₁，Y₁，Z₁)以及坐标修正 旋转矢量A，采用如下的坐标修正算法：(X2，Y2，Z2)＝(X1，Y1，Z1)×A，得到修正 后的球面阵阵元或近场标校天线的坐标值(X₂，Y₂，Z₂)。

参阅图6。其中(a)图为坐标修正前远、近场通道标校比对结果。(b)为坐标修正 后远、近场通道标校比对结果。

远、近场阵元通道标校比较算法为：(远场阵元通道标校值-远场空间相位)-(近场阵元 通道标校值-近场空间相位)。其中，远场空间相位＝(L_远场/λ)_取余数×360，近场空间相位＝ (L_近场/λ)_取余数×360，L_远场为远场标校天线到阵元的距离，L_近场为近场标校天线到阵元的 距离，λ为标校频点的波长。

球面阵天线阵元或近场标校天线测量坐标的修正方位角Ψ和修正俯仰角Φ采用迭代 递进方法得到，递进判决策略为以上述远、近场阵元通道标校比较减小为优化方向。

通过(a)图(b)图比对可明显看出经过阵元及近场标校天线修正后，远、近场通道标校比值波动明显变小。

以上所述，仅是本发明的较佳实施例而已，并非对本发明作任何形式上的限制，本领域技术人员利用上述揭示的技术内容做出些许简单修改、等同变化或修饰，均落在本发明 的保护范围内。

Claims (10)

1.一种球面相控阵天线坐标远近场比较修正方法，其特征在于包括如下步骤：以球面阵天线球心的垂直柱面划分三个等间隔水平切面，按每个切面布置远、近场标校天线，在每个水平面上，以切面上球心为原点等间隔均匀布置六个近场标校天线，形成a、b、c、d、e、f六个近场标校覆盖区域，相邻两个近场标校天线到球面阵天线中心原点的夹角为60度；围绕球面阵天线布置远场标校天线形成远场标校覆盖区域；给出远场标校天线策略以及近场标校天线与远场标校天线最小距离选取算法，修正远近场标校天线及球面相控天线阵元坐标；利用波控软件，根据绘制完成球面相控阵天线阵元坐标计算出远近场标校天线标校值，然后根据波控软件计算出的远近场标校天线标校值，利用阵元和近场标校天线坐标修正算法和远、近场通道相位比较算法及判定策略，在计算机上用软件程序对阵元和近场标校天线坐标测试结果进行修正及验证对比，通过远、近场阵元通道标校比较，完成球面相控阵天线坐标修正。

2.如权利要求1所述的球面相控阵天线坐标远近场比较修正方法，其特征在于：近场标校天线与球面阵天线上阵元的最小距离L_近场min＞2×D²/λ，其中：D为单个阵天线的等效口径，λ为工作频点的波长。

3.如权利要求1所述的球面相控阵天线坐标远近场比较修正方法，其特征在于：以切面上球心为原点围绕球面阵天线形成A、B、C三个等间隔切面的远场标校天线覆盖区域，并且相邻两个远场标校天线到球面阵天线中心原点的夹角为120度。

4.如权利要求1所述的球面相控阵天线坐标远近场比较修正方法，其特征在于：设球面阵天线工作最高频点为3GHz，工作频点的波长λ＝(3×1011/3×109)＝100mm，远场标校天线的远场条件为：满足由于测量误差而导致的阵元天线到远场标校天线之间距离的误差值γ＜λ×1/100＝1mm。

5.如权利要求1所述的球面相控阵天线坐标远近场比较修正方法，其特征在于：设对远场标校天线测量的最大切线方位的误差为δ为±300mm，则根据远场条件，误差值γ＝β2-β1＜λ×1/100＝1mm，计算球面上阵元天线到标校天线实际距离β1满足远场条件：β1_min＝(δ²-γ²)/2γ≈δ²/2γ＝4.5×10⁴mm。

6.如权利要求1所述的球面相控阵天线坐标远近场比较修正方法，其特征在于：根据球面阵天线阵元或近场标校天线测量坐标的方位修正角Ψ和俯仰修正角Φ，计算球面阵天线阵元或近场标校天线的坐标修正的旋转矢量A：

7.如权利要求1所述的球面相控阵天线坐标远近场比较修正方法，其特征在于：根据修正前的球面阵天线阵元或近场标校天线测量场点坐标值(X₁，Y₁，Z₁)以及坐标修正旋转矢量A，采用如下的坐标修正算法：(X2，Y2，Z2)＝(X1，Y1，Z1)×A，得到修正后的球面阵阵元或近场标校天线的坐标值(X₂，Y₂，Z₂)。

8.如权利要求1所述的球面相控阵天线坐标远近场比较修正方法，其特征在于：远、近场阵元通道标校比较算法为：(远场阵元通道标校值-远场空间相位)-(近场阵元通道标校值-近场空间相位)。

9.如权利要求8所述的球面相控阵天线坐标远近场比较修正方法，其特征在于：远场空间相位＝(L远场/λ)取余数×360，近场空间相位＝(L近场/λ)取余数×360，L远场为远场标校天线到阵元的距离，L近场为近场标校天线到阵元的距离，λ为标校频点的波长。

10.如权利要求1所述的球面相控阵天线坐标远近场比较修正方法，其特征在于：球面阵天线阵元或近场标校天线测量坐标的修正方位角Ψ和修正俯仰角Φ采用迭代递进方法得到，递进判决策略为以远、近场阵元通道标校比较值减小为优化方向。

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