CN113777414A - 基于相位和-差法的相控阵天线测试机械调平装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于相位和‑差法的相控阵天线测试机械调平装置及方法，属于测试技术领域。本发明装置包括相控阵天线和多维转台，相控阵天线安装在多维转台的极化轴转盘上，且相控阵天线的指向剖面角0°平行于多维转台的方位运动面。本发明方法可针对不同的相控阵天线进行机械调平且具有更高的机械调平测试精度。

Description

基于相位和-差法的相控阵天线测试机械调平装置及方法

技术领域

本发明属于领域，具体涉及一种基于相位和-差法的相控阵天线测试机械调平装置及方法。

背景技术

对于相控阵天线远场测试，在测试之前进行机械调平是非常重要的一个步骤，只有机械调平后才能保证指向精度误差测试的准确性。相控阵天线作为接收天线时可进行和通道、水平差通道和垂直差通道三路信号同时接收，相控阵天线和差通道的工作原理如图1所示。相位和-差法是对和通道信号和差通道信号进行联合处理的一种方法。参照图1，远场窄带信号入射到两个天线的角度为θ，两个天线之间的间距为D，则目标到达两个天线时的波程差可以从图中几何关系中得到为：

P＝D sinθ

又由目标入射的速度c及角频率

可得到达天线的时延为：

所以目标到达两天线之间的相位差可得为：

设两个天线接收的信号分别为x₁和x₂，则有关系：

由上式可得两天线的差波束与和波束分别为：

计算得到差和比：

通过对相位和-差法测角的原理分析结果可以看出，目标与天线的角度关系可以使用差和比的虚部进行表示，根据此对应关系可以画出一条角度随差和比虚部变化的曲线，这就是鉴角曲线，如图2所示。鉴角曲线可通过前期的测量获得，在进行角度测量时通过测量得到的差和比虚部进行查表即可得到角度信息。

现有技术的缺点可以是成本高，效率底，耗时间等问题。

机械校准方式依赖与相控阵天线与转台极化盘对接时使用的夹具精度，通过在转台极化盘上设计安装定位孔，在天线夹具上设计定位销，利用激光跟踪仪等设备调整定位孔在极化盘上的位置，使天线安装在极化盘上时剖面角0°平行于转台方位运动面，此方法操作难度大、精度低且因被测天线的差异性测试系统误差难以消除。

发明内容

针对现有技术中存在的上述技术问题，本发明提出了一种基于相位和-差法的相控阵天线测试机械调平装置及方法，设计合理，克服了现有技术的不足，具有良好的效果。

为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

基于相位和-差法的相控阵天线测试机械调平装置，包括相控阵天线和多维转台，相控阵天线安装在多维转台的极化轴转盘上，且相控阵天线的指向剖面角0°平行于多维转台的方位运动面。

优选地，相控阵天线的波束指向由一组角度组合(θ,φ)确定，其中，θ为偏离法线X轴方向的指向角，取值范围-90°-90°，称为离轴角；φ为YOZ平面上逆时针偏离X轴的指向角，称为剖面角，取值范围0°-360°；

若剖面角0°与转台方位运动面平行，则相控阵天线波束指向应与辅助天线的波束指向重合；否则，相控阵天线波束指向会与辅助天线的波束指向存在夹角，而此夹角能够通过相位和差法得到。

优选地，相位和差法为：

假设远场窄带信号入射到两个天线阵元的角度为θ，两个天线之间的间距为D，根据几何关系，得到目标到达两个天线阵元时的波程差P，如公式(1)所示：

P＝D sinθ (1)；

根据目标入射的速度c及角频率

得到天线阵元的时延τ，如公式(2)所示：

则目标到达两天线阵元之间的相位差Δφ，如公式(3)所示：

设两个天线阵元接收的信号分别为x₁和x₂，则有关系：

根据公式(4)，得到两天线阵元的差波束Δ(θ)与和波束Σ(θ)分别如公式(5)和(6)所示：

根据公式(5)和(6)，计算得到差和比G(θ)，如公式(7)所示：

通过对相位和-差法测角的原理分析结果看出，目标与天线阵元的角度关系能够使用差和比的虚部进行表示；

根据此对应关系画出一条角度随差和比虚部变化的曲线，即鉴角曲线；

在进行角度测量时通过测量得到的差和比虚部进行查表即得到角度信息。

此外，本发明还提到一种基于相位和-差法的相控阵天线测试机械调平方法，该方法采用如上所述的基于相位和-差法的相控阵天线测试机械调平装置，具体包括如下步骤：

步骤1：调整转台，将转台方位调整至一定角度，使H＝-30，V＝0,P＝0；

步骤2：调整相控阵天线，控制相控阵天线波束指向辅助测试天线的法向，使指向调整为φ＝0,θ＝30；

步骤3：进行三通道数据采集；

步骤4：若此时存在夹角，相控阵天线波束不能指向原点位置而是偏离原点的Y'点位置；

在远场条件下且α很小时，表示如公式(8)所示：

其中，θ已知，σ通过相位和-差法获取；

α为转台在H＝30，V＝0,P＝0状态下待测的剖面角0°与转台方位运动面夹角；σ为波束指向在垂直面内的投影与法线的夹角；

步骤5：调整转台，使H＝30，V＝0,P＝0；

步骤6：调整相控阵天线，指向调整为

θ＝-30；

步骤7：进行三通道数据采集；

步骤8：若此时存在夹角，相控阵天线波束不能指向原点位置而是偏离原点的XXY’点位置；

同理在远场条件下且β很小时，表示如公式(9)所示：

其中，θ已知，β为转台在H＝-30，V＝0，P＝0状态下待测的剖面角0°与转台方位运动面夹角；δ为波束指向在垂直面内的投影与法线的夹角；

步骤9：根据公式(1)、(2)，计算转台调整角度ΔP，如公式(3)所示：

本发明所带来的有益技术效果：

本发明提供一种基于相位和-差法的相控阵天线测试机械调平装置及方法，可针对不同的相控阵天线进行机械调平且具有更高的机械调平测试精度。

附图说明

图1为和差天线的工作原理图。

图2为鉴角曲线图。

图3为相控阵天线示意图。

图4为相控阵天线机械调平流程图。

图5为机械调平示意图。

具体实施方式

下面结合附图以及具体实施方式对本发明作进一步详细说明：

本发明提供一种基于相位和-差法的相控阵天线机械调平装置及方法。

相控阵天线的示意如图3所示；

相控阵天线的波束指向可由一组角度组合(θ,φ)确定，其中θ为偏离法线X轴方向的指向角(取值范围-90°-90°)，称为离轴角，φ为YOZ平面上逆时针偏离X轴的指向角，称为剖面角(取值范围0°-360°)。

将转台方位调整至一定角度，再控制相控阵天线波束指向辅助测试天线的法向。若剖面角0°与转台方位运动面平行，则相控阵天线波束指向应与辅助天线的波束指向重合；否则，相控阵天线波束指向会与辅助天线的波束指向存在夹角，而此夹角可通过上述相位和差法得到。转台极化调平测试流程如图4所示。

相控阵天线机械调平测试过程中相控阵天线指向示意如图5所示。

从图中可以看出当转台方位轴运动至H＝-30，相控阵天线指向调整为φ＝0,θ＝30时，若此时存在夹角，相控阵天线波束不能指向原点位置而是偏离原点的Y'点位置。其中角度α就是我们要求的。

在远场条件下且α很小时可认为σ’＝σ，于是可得

其中θ已知，σ可通过测得的数据计算后查表获得。

同样的，出当转台方位轴运动至H＝30，相控阵天线指向调整为φ＝0,θ＝-30时，运用上述的方法可计算得到β，那么需要调整角度为：

本发明的关键点有如下：

本发明通过和差通道信号计算得到差和比并据此得到鉴角曲线；

本发明的保护点有如下：

图4所示的测量剖面角0°与转台方位运动面夹角的思路和方法；

图5所示的计算剖面角0°与转台方位运动面夹角的方法；

当然，上述说明并非是对本发明的限制，本发明也并不仅限于上述举例，本技术领域的技术人员在本发明的实质范围内所做出的变化、改型、添加或替换，也应属于本发明的保护范围。

Claims (4)

1.基于相位和-差法的相控阵天线测试机械调平装置，其特征在于：包括相控阵天线和多维转台，相控阵天线安装在多维转台的极化轴转盘上，且相控阵天线的指向剖面角0°平行于多维转台的方位运动面。

2.根据权利要求1所述的基于相位和-差法的相控阵天线测试机械调平装置，其特征在于：相控阵天线的波束指向由一组角度组合(θ,φ)确定，其中，θ为偏离法线X轴方向的指向角，取值范围-90°-90°，称为离轴角；φ为YOZ平面上逆时针偏离X轴的指向角，称为剖面角，取值范围0°-360°；

若剖面角0°与转台方位运动面平行，则相控阵天线波束指向应与辅助天线的波束指向重合；否则，相控阵天线波束指向会与辅助天线的波束指向存在夹角，而此夹角能够通过相位和差法得到。

3.根据权利要求1所述的基于相位和-差法的相控阵天线测试机械调平装置，其特征在于：相位和差法为：

假设远场窄带信号入射到两个天线阵元的角度为θ，两个天线之间的间距为D，根据几何关系，得到目标到达两个天线阵元时的波程差P，如公式(1)所示：

P＝D sinθ (1)；

根据目标入射的速度c及角频率

得到天线阵元的时延τ，如公式(2)所示：

则目标到达两天线阵元之间的相位差Δφ，如公式(3)所示：

设两个天线阵元接收的信号分别为x₁和x₂，则有关系：

根据公式(4)，得到两天线阵元的差波束Δ(θ)与和波束Σ(θ)分别如公式(5)和(6)所示：

根据公式(5)和(6)，计算得到差和比G(θ)，如公式(7)所示：

通过对相位和-差法测角的原理分析结果看出，目标与天线阵元的角度关系能够使用差和比的虚部进行表示；

根据此对应关系画出一条角度随差和比虚部变化的曲线，即鉴角曲线；

在进行角度测量时通过测量得到的差和比虚部进行查表即得到角度信息。

4.基于相位和-差法的相控阵天线测试机械调平方法，其特征在于：采用如权利要求3所述的基于相位和-差法的相控阵天线测试机械调平装置，具体包括如下步骤：

步骤1：调整转台，将转台方位调整至一定角度，使H＝-30，V＝0,P＝0；

步骤2：调整相控阵天线，控制相控阵天线波束指向辅助测试天线的法向，使指向调整为φ＝0,θ＝30；

步骤3：进行三通道数据采集；

步骤4：若此时存在夹角，相控阵天线波束不能指向原点位置而是偏离原点的Y'点位置；

在远场条件下且α很小时，表示如公式(8)所示：

其中，θ已知，σ通过相位和-差法获取；

α为转台在H＝30，V＝0,P＝0状态下待测的剖面角0°与转台方位运动面夹角；σ为波束指向在垂直面内的投影与法线的夹角；

步骤5：调整转台，使H＝30，V＝0,P＝0；

步骤6：调整相控阵天线，指向调整为

θ＝-30；

步骤7：进行三通道数据采集；

步骤8：若此时存在夹角，相控阵天线波束不能指向原点位置而是偏离原点的XXY’点位置；

同理在远场条件下且β很小时，表示如公式(9)所示：

其中，θ已知，β为转台在H＝-30，V＝0，P＝0状态下待测的剖面角0°与转台方位运动面夹角；δ为波束指向在垂直面内的投影与法线的夹角；

步骤9：根据公式(8)、(9)，计算转台调整角度ΔP，如公式(10)所示：

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