CN113406403A - 基于分组旋转矢量法的相控阵天线校准方法及装置 - Google Patents

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Abstract

本申请公开了一种基于分组旋转矢量法的相控阵天线校准方法。将具有N个辐射单元的相控阵天线分成n组，n≤N；分组的原则是通过每组单元数不一样，来保证组间诊断的合成场矢量尽量保持一致，组内各个分量比尽量接近。计算出每一组辐射单元的Ki与Xi；完成组间诊断。步骤S3：计算出每一组辐射单元内的每一个辐射单元的Kj与Xj；完成组内诊断。本申请的诊断误差小。

Description

基于分组旋转矢量法的相控阵天线校准方法及装置
技术领域
本申请涉及一种天线测量技术，特别是涉及一种相控阵天线的校准方法。
背景技术
相控阵天线（phased array antenna）是指通过控制阵列天线（array antenna）中辐射单元（radiation element）的馈电相位来改变辐射方向图（radiation pattern）形状的天线。相控阵天线在军用雷达、民用雷达等无线电系统中的应用日益广泛，因而相控阵天线的校准也成为了研究的热点。
一般的相控阵天线加工完成后，需要进行测量并对测量数据加以校准。校准的目的是尽量消除相关误差，如由于结构不对称造成的幅度、相位分布误差，移相器和位置误差等，使阵列天线的性能达到所要求的技术条件或最佳状态。
旋转矢量法（rotating-element electric field vector，REV）是一种经典的相控阵天线校准方法。在小规模阵列天线中，合成矢量大小对单个辐射单元换相比较敏感，则读数精度较高，从而校准精度较高。然而在大规模阵列天线中，合成矢量大小对单个辐射单元换相不敏感，则读数精度变差，从而校准精度也变差。
2007年6月《电波科学学报》有文章《分组旋转矢量法校正大规模相控阵天线》，以下称文献一，其中的第3节介绍了“分组旋转矢量法（combined rotating-elementelectric field vector）”，其记载“由于Hadamard矩阵的优越性，这里的分组矩阵都是以Hadamard矩阵为基础的”。其中的Hadamard矩阵称为阿达马矩阵或哈达玛矩阵。
发明内容
本申请所要解决的技术问题是提出一种基于分组旋转矢量法的相控阵校准方法，适用于大规模相控阵天线的诊断，可以解决在大规模阵列天线中合成矢量大小对单个天线单元换相不敏感、读数精度变差、校准精度也变差的问题。
为解决上述技术问题，本申请提出了一种基于分组旋转矢量法的相控阵天线校准方法，包括如下步骤。步骤S1：将具有N个辐射单元的相控阵天线分成n组，n≤N；分组的原则是通过每组单元数不一样，来保证组间诊断的合成场矢量尽量保持一致，组内各个分量比尽量接近。步骤S2：计算出每一组辐射单元的Ki与Xi；Ki指第i组辐射单元激励系数幅度与初始合成场矢量的幅度之比，Xi指第i组辐射单元激励系数相位与初始合成场矢量的相位之差，i的取值范围为1到n；知道Ki，即知道Ei与E0的关系，由于E0为初始合成矢量，其值在每次测试中不变，因此可以知道Ei之间的关系，即完成组间诊断。步骤S3：计算出每一组辐射单元内的每一个辐射单元的Kj与Xj；Kj指该组辐射单元内的第j个辐射单元激励系数幅度与初始合成场矢量的幅度之比，Xj指该组辐射单元内的第j个辐射单元激励系数相位与初始合成场矢量的相位之差，j的取值范围为1到该组辐射单元所包含的辐射单元数量；知道Kj，即知道Ej与E0的关系，由于E0为初始合成矢量，其值在每次测试中不变，因此可以知道Ej之间的关系，即完成组内诊断。
进一步地，所述分组旋转矢量法的分组矩阵或者是Hadamard矩阵，或者不是Hadamard矩阵。这表明本申请的分组旋转矢量法突破了文献一的限制。
进一步地，所述步骤S2中，相控阵天线的初始合成场矢量为
Figure 337571DEST_PATH_IMAGE002
，改变第i组辐射单元的相位为
Figure 392115DEST_PATH_IMAGE004
，由公式一
Figure 821959DEST_PATH_IMAGE006
计算这时合成场矢量
Figure 63584DEST_PATH_IMAGE008
。其中，
Figure 338708DEST_PATH_IMAGE010
指初始合成场矢量的幅度，
Figure 264070DEST_PATH_IMAGE012
指初始合成场矢量的相位，
Figure 599236DEST_PATH_IMAGE014
指第i组辐射单元的幅度，
Figure 328158DEST_PATH_IMAGE016
指第i组辐射单元的初始相位。
进一步地，所述步骤S2中，令Ki＝Ei/E0，
Figure 406972DEST_PATH_IMAGE018
，得到公式二和公式三。公式二为
Figure 436108DEST_PATH_IMAGE020
；公式三为
Figure 207755DEST_PATH_IMAGE022
；其中，T＝(r－1)/(r＋1)；r为改变相位时合成场矢量中的最大值Emax与最小值Emin的比值r＝Emax/Emin；利用公式二和公式三计算出对应每一组辐射单元对应的Ki与Xi。
进一步地，所述步骤S3中，重复步骤S2的具体计算过程，将各符号及公式中的下标由i换成j，计算出每一组辐射单元内的每一个辐射单元的Kj与Xj。这表明本申请中组内诊断算法与组间诊断算法是相同的。
本申请还提出了一种基于分组旋转矢量法的相控阵天线校准装置，包括分组单元、组间诊断单元、组内诊断单元。所述分组单元用来将具有N个辐射单元的相控阵天线分成n组，n≤N；分组的原则是通过每组单元数不一样，来保证组间诊断的合成场矢量尽量保持一致，组内各个分量比尽量接近。所述组间诊断单元用来计算出每一组辐射单元的Ki与Xi，Ki指第i组辐射单元的激励系数幅度与初始合成场矢量的幅度之比，Xi指第i组辐射单元激励系数相位与初始合成场矢量的相位之差，i的取值范围为1到n；知道Ki，即知道Ei与E0的关系，由于E0为初始合成矢量，其值在每次测试中不变，因此可以知道Ei之间的关系，即完成组间诊断。所述组内诊断单元用来计算出每一组辐射单元内的每一个辐射单元的Kj与Xj；Kj指该组辐射单元内的第j个辐射单元激励系数幅度与初始合成场矢量的幅度之比，Xj指该组辐射单元内的第j个辐射单元激励系数相位与初始合成场矢量的相位之差，j的取值范围为1到该组辐射单元所包含的辐射单元数量；知道Kj，即知道Ej与E0的关系，由于E0为初始合成矢量，其值在每次测试中不变，因此可以知道Ej之间的关系，即完成组内诊断。
本申请取得的技术效果是：由于本申请的分组旋转矢量法采用“通过每组单元数不一样，来保证组间诊断的合成场矢量尽量保持一致，组内各个分量比尽量接近”的分组原则，因此每组辐射单元分别移相时，合成场矢量幅度变化大，诊断误差小。
附图说明
图1是合成场矢量随单元相位变化的示意图。
图2是本申请提出的基于分组旋转矢量法的相控阵天线校准方法的流程示意图。
图3是组间诊断的合成场矢量幅度随中心单元相位变化曲线的示意图。
图4是组间诊断的合成场矢量幅度随边缘单元相位变化曲线的示意图。
图5是组间诊断的原始幅度示意图。
图6是组间诊断的诊断幅度示意图。
图7是组间诊断的原始相位示意图。
图8是组间诊断的校准相位示意图。
图9是组内单元诊断的原始幅度示意图。
图10是组内单元诊断的诊断幅度示意图。
图11是组内单元诊断的原始相位示意图。
图12是组内单元诊断的校准相位示意图。
图13是利用诊断的幅度相位预估出的校准方向图和理论方向图的比较示意图。
图14是本申请提出的基于分组旋转矢量法的相控阵天线校准装置的结构示意图。
图中附图标记说明：分组单元1、组间诊断单元2、组内诊断单元3。
具体实施方式
图1表示合成场矢量随单元相位变化。图1中，上面虚线
Figure 158393DEST_PATH_IMAGE023
为合成场矢量，下面虚线
Figure DEST_PATH_IMAGE024
为初始合成场矢量，带箭头实线表示每一个场分量，其中
Figure DEST_PATH_IMAGE026
为第一个场矢量，
Figure DEST_PATH_IMAGE028
为第i个场矢量，
Figure 572057DEST_PATH_IMAGE004
为第i个场矢量的移相量。
请参阅图2，本申请提出的基于分组旋转矢量法的相控阵天线校准方法包括如下步骤。
步骤S1：将具有N个辐射单元的相控阵天线分成n组，n≤N。分组的原则是通过每组单元数不一样，来保证组间诊断的合成场矢量尽量保持一致，组内各个分量比尽量接近。本申请的“分组旋转矢量法”的含义是：在文献一的“分组旋转矢量法”的基础上取消采用Hadamard矩阵的限制，同时采用步骤S1记载的分组原则，就是本申请的“分组旋转矢量法”。
步骤S2：计算出每一组辐射单元的Ki与Xi。Ki指第i组辐射单元激励系数幅度与初始合成场矢量的幅度之比，Xi指第i组辐射单元激励系数相位与初始合成场矢量的相位之差，i的取值范围为1到n。因此每一组辐射单元的相对幅度相位关系就已知了，即完成了组间的诊断。
相控阵天线的初始合成场矢量为
Figure 924541DEST_PATH_IMAGE002
，改变第i组辐射单元的相位为
Figure 398248DEST_PATH_IMAGE030
，可得这时合成场矢量为
Figure 836182DEST_PATH_IMAGE008
，计算如公式一所示。初始合成场矢量指换相前的各个单元叠加矢量和，合成场矢量指换相后的各个单元叠加矢量和。
公式一为
Figure 256799DEST_PATH_IMAGE006
。其中，
Figure 775374DEST_PATH_IMAGE010
指初始合成场矢量的幅度，
Figure 888824DEST_PATH_IMAGE012
指初始合成场矢量的相位，
Figure 814055DEST_PATH_IMAGE014
指第i组辐射单元的幅度，
Figure 38363DEST_PATH_IMAGE032
为第i组辐射单元的初始相位。
定义第i组辐射单元的相对幅度Ki＝Ei/E0，第i组辐射单元的相对相位
Figure DEST_PATH_IMAGE033
，则第i组辐射单元的合成功率Q可以表示为
Figure DEST_PATH_IMAGE035
。其中，
Figure DEST_PATH_IMAGE037
，Y与Ki、Xi有关。
Figure DEST_PATH_IMAGE039
为第i组辐射单元的初始相位，
Figure 162176DEST_PATH_IMAGE030
为第i组辐射单元的移相量。
Figure DEST_PATH_IMAGE041
。可以看出，合成功率Q随着第i组辐射单元的相对相位Xi的变化以余弦形势变化，第i组辐射单元的相对相位Xi变化为- QUOTE
Figure DEST_PATH_IMAGE043
Figure DEST_PATH_IMAGE043A
时Q取得最大值。合成功率Q的最大值Qmax与最小值Qmin之比为
Figure DEST_PATH_IMAGE045
。令T＝(r－1)/(r＋1)。r为改变相位时合成场矢量中的最大值Emax与最小值Emin的比值r＝Emax/Emin，可以得到当
Figure DEST_PATH_IMAGE047
时公式二和公式三成立。公式二为
Figure DEST_PATH_IMAGE048
。公式三为
Figure DEST_PATH_IMAGE049
。知道Ki，即知道Ei与E0的关系，由于E0为初始合成矢量，其值在每次测试中不变，因此可以知道Ei之间的关系，即完成了组间幅度诊断。其中，T＝(r－1)/(r＋1)。r为改变相位时合成场矢量中的最大值Emax与最小值Emin的比值r＝Emax/Emin。利用公式二和公式三计算出对应每个i（也就是n组辐射单元的每一组）对应的Ki与Xi。
步骤S3：重复步骤S2的具体计算过程，将各符号及公式中的下标由i换成j，计算出每一组辐射单元内的每一个辐射单元的Kj与Xj。Kj指该组辐射单元内的第j个辐射单元激励系数幅度与初始合成场矢量的幅度之比，Xj指该组辐射单元内的第j个辐射单元激励系数相位与初始合成场矢量的相位之差，Ej指该组辐射单元内的第j个辐射单元的幅度，φj为该组辐射单元内的第j个辐射单元的初始相位，j的取值范围为1到该组辐射单元所包含的辐射单元数量，即可完成组内单元的诊断，因此完成了所有单元的诊断。组内诊断和组间诊断的计算方法是一样的，先分组进行组间诊断，然后在各个组内分别进行组内诊断，算法完全一样。知道Kj，即知道Ej与E0的关系，由于E0为初始合成矢量，其值在每次测试中不变，因此可以知道Ej之间的关系，即完成了组内幅度诊断。
以相控阵天线具有16个辐射单元为例，幅度分布为-25dB泰勒（Taylor）分布，采用本申请的分组旋转矢量法。将1到6辐射单元记为第1组，7到10辐射单元记为第2组，11到16辐射单元记为第3组。此时引入±0.1dB随机读数误差，首先看一下组间的诊断情况，如图3至图8所示。请参阅图3，这是合成场矢量幅度随边缘单元相位变化曲线。请参阅图4，这是合成场矢量幅度随中心单元相位变化曲线。从图3和图4可以看出，合成场矢量幅度随单元相位变化比较敏感。请参阅图5，这是原始幅度。请参阅图6，这是诊断幅度。请参阅图7，这是原始相位。请参阅图8，这是校准相位。从图5至图8可以看出，此时组间诊断精度很高。组内单元诊断仍然采用上述方法，如图9至图13所示。请参阅图9，这是原始幅度。请参阅图10，这是诊断幅度。请参阅图11，这是原始相位。请参阅图12，这是校准相位。从图9到图12可以看出，引入±0.1dB随机读数误差情况下，幅度校准精度很高，相位有±8°的误差。图13是利用本申请诊断的幅度相位预估出的校准方向图（虚线）和理论方向图（实线）的比较，可以看出本申请的误差较小。
请参阅图14，本申请提出的基于分组旋转矢量法的相控阵天线校准装置包括分组单元1、组间诊断单元2、组内诊断单元3。图14所示装置与图2所示方法相对应。
所述分组单元1用来将具有N个辐射单元的相控阵天线分成n组，n≤N。分组的原则是通过每组单元数不一样，来保证组间诊断的合成场矢量尽量保持一致，组内各个分量比尽量接近。
所述组间诊断单元2用来计算出每一组辐射单元的Ki与Xi，Ki指第i组辐射单元的激励系数幅度与初始合成场矢量的幅度之比，Xi指第i组辐射单元激励系数相位与初始合成场矢量的相位之差，i的取值范围为1到n。因此每一组辐射单元的相对幅度相位关系就已知了，即完成了组间的诊断。
所述组内诊断单元3用来计算出每一组辐射单元内的每一个辐射单元的Kj与Xj。Kj指该组辐射单元内的第j个辐射单元激励系数幅度与初始合成场矢量的幅度之比，Xj指该组辐射单元内的第j个辐射单元激励系数相位与初始合成场矢量的相位之差，j的取值范围为1到该组辐射单元所包含的辐射单元数量，即完成组内单元的诊断。
综上所述，在较大规模的相控阵天线中，合成矢量场幅度如果随辐射单元相位变化不明显，则读取曲线（合成矢量场幅度随相位变化曲线）最大值、最小值及其对应角度（最大值、最小值对应角度）都不准确，造成诊断精度较差。此时，采用本申请的分组旋转矢量法，分组的原则是通过每组单元数不一样，来保证组间诊断的合成场矢量尽量保持一致，组内各个分量比尽量接近。这样组内诊断时，能够保证合成矢量场幅度随辐射单元相位变化比较敏感。
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 (6)

1.一种基于分组旋转矢量法的相控阵天线校准方法，其特征是，包括如下步骤；
步骤S1：将具有N个辐射单元的相控阵天线分成n组，n≤N；分组的原则是通过每组单元数不一样，来保证组间诊断的合成场矢量尽量保持一致，组内各个分量比尽量接近；
步骤S2：计算出每一组辐射单元的Ki与Xi；Ki指第i组辐射单元激励系数幅度与初始合成场矢量的幅度之比，Xi指第i组辐射单元激励系数相位与初始合成场矢量的相位之差，i的取值范围为1到n；知道Ki，即知道Ei与E0的关系，由于E0为初始合成矢量，其值在每次测试中不变，因此可以知道Ei之间的关系，即完成组间诊断；
步骤S3：计算出每一组辐射单元内的每一个辐射单元的Kj与Xj；Kj指该组辐射单元内的第j个辐射单元激励系数幅度与初始合成场矢量的幅度之比，Xj指该组辐射单元内的第j个辐射单元激励系数相位与初始合成场矢量的相位之差，j的取值范围为1到该组辐射单元所包含的辐射单元数量；知道Kj，即知道Ej与E0的关系，由于E0为初始合成矢量，其值在每次测试中不变，因此可以知道Ej之间的关系，即完成组内诊断。
2.根据权利要求1所述的基于分组旋转矢量法的相控阵天线校准方法，其特征是，所述分组旋转矢量法的分组矩阵或者是Hadamard矩阵，或者不是Hadamard矩阵。
3.根据权利要求1所述的基于分组旋转矢量法的相控阵天线校准方法，其特征是，所述步骤S2中，相控阵天线的初始合成场矢量为
Figure 870510DEST_PATH_IMAGE002
，改变第i组辐射单元的相位为
Figure 787651DEST_PATH_IMAGE004
，由公式一计算这时合成场矢量
Figure 567388DEST_PATH_IMAGE006
；
公式一为
Figure 743023DEST_PATH_IMAGE008
；其中，
Figure 557395DEST_PATH_IMAGE010
指初始合成场矢量的幅度，
Figure 379858DEST_PATH_IMAGE012
指初始合成场矢量的相位，
Figure 646891DEST_PATH_IMAGE014
指第i组辐射单元的幅度，
Figure 376950DEST_PATH_IMAGE016
指第i组辐射单元的初始相位。
4.根据权利要求3所述的基于分组旋转矢量法的相控阵天线校准方法，其特征是，所述步骤S2中，令Ki＝Ei/E0，
Figure 45829DEST_PATH_IMAGE018
，得到公式二和公式三；
公式二为
Figure 39192DEST_PATH_IMAGE020
；公式三为
Figure 324680DEST_PATH_IMAGE022
；其中，T＝(r－1)/(r＋1)；r为改变相位时合成场矢量中的最大值Emax与最小值Emin的比值r＝Emax/Emin；利用公式二和公式三计算出对应每一组辐射单元对应的Ki与Xi。
5.根据权利要求3或4所述的基于分组旋转矢量法的相控阵天线校准方法，其特征是，所述步骤S3中，重复步骤S2的具体计算过程，将各符号及公式中的下标由i换成j，计算出每一组辐射单元内的每一个辐射单元的Kj与Xj。
6.一种基于分组旋转矢量法的相控阵天线校准装置，其特征是，包括分组单元、组间诊断单元、组内诊断单元；
所述分组单元用来将具有N个辐射单元的相控阵天线分成n组，n≤N；分组的原则是通过每组单元数不一样，来保证组间诊断的合成场矢量尽量保持一致，组内各个分量比尽量接近；
所述组间诊断单元用来计算出每一组辐射单元的Ki与Xi，Ki指第i组辐射单元的激励系数幅度与初始合成场矢量的幅度之比，Xi指第i组辐射单元激励系数相位与初始合成场矢量的相位之差，i的取值范围为1到n；知道Ki，即知道Ei与E0的关系，由于E0为初始合成矢量，其值在每次测试中不变，因此可以知道Ei之间的关系，即完成组间诊断；
所述组内诊断单元用来计算出每一组辐射单元内的每一个辐射单元的Kj与Xj；Kj指该组辐射单元内的第j个辐射单元激励系数幅度与初始合成场矢量的幅度之比，Xj指该组辐射单元内的第j个辐射单元激励系数相位与初始合成场矢量的相位之差，j的取值范围为1到该组辐射单元所包含的辐射单元数量；知道Kj，即知道Ej与E0的关系，由于E0为初始合成矢量，其值在每次测试中不变，因此可以知道Ej之间的关系，即完成组内诊断。
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