CN114362846B - 一种相控阵天线的发射通道相位校准方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种相控阵天线的发射通道相位校准方法，属于通信和雷达技术领域。基于相位校准系统实现，所述的相位校准系统包括N个天线(N为大于等于2的自然数)、N个发射通道、幅相控制器、信号幅度检测器以及计算机。不需要矢量网络分析仪等矢量测量设备，利用相控阵系统本身的移相器、衰减器以及外接接收机或鉴幅器等作为信号幅度检测器即可实现多次幅度测量，通过计算机控制，实现高效率自动化校准。
Description
技术领域
本发明涉及通信和雷达技术领域，特别涉及一种相控阵天线的发射通道相位校准方法。
背景技术
在通信和雷达领域中，相控阵天线是一种较先进的天线形式，该天线可实现快速电子波束跟踪，而不需要传统的机械跟踪系统，具有跟踪速度快等优点。相控阵天线具有众多的天线单元及其馈电部分、接收信道和发射信道等部分，为得到理想的合成效果，需要准确知道天线到信道的每路通道上的相位校准值，因此需要进行相位校准工作。高效、便捷的相位校准系统成为相控阵天线研制的重要工作之一。
常规的相控阵天线相位系统中，需要测量每个通道相位特性，因此需要利用矢量网络分析仪进行矢量测量，对仪器要求较高。
相控阵校准时也经常采用基于多路幅度测量的方法，各路移相器工作在不同移相状态下，通过位置固定探头测量总合场的结果，求解各通道相位/幅度特性，如双阵元法(measurement oftwo elements)、旋转矢量法(The rotating element electric fieldvectormethod)及其改进方法等，但是工作量较大、效率较低。
发明内容
本发明的目的在于避免上述背景技术中的不足之处而提供一种高效率的基于和信号幅度测量的相控阵天线发射通道校准方法，该方法不需要矢量网络分析仪等矢量测量设备，利用相控阵系统本身的移相器、衰减器以及外接接收机或鉴幅器等作为信号幅度检测器即可实现多次幅度测量，通过计算机控制，实现高效率自动化校准。
为了实现上述目的，本发明采用的技术方案为：
一种相控阵天线的发射通道相位校准方法，基于相位校准系统实现，所述的相位校准系统包括N路发射通道、幅相控制器、信号幅度检测器以及计算机，幅相控制器包括分路器、N路移相器和N路衰减器，其中N为大于等于2的自然数，与发射通道数相对应；具体包括以下过程：
(1)计算机发出初始状态控制指令，使幅相控制器处于初始状态，即幅相控制器中每路移相器的相位值都为0°，每路衰减器的衰减值都为0dB；
(2)选一路发射通道作为参考通道，从除参考通道外的其他通道中选择一路作为当前通道；
(3)通过计算机发出校准控制指令，分别设置当前通道与参考通道中幅相控制器的状态；设置完成后外接发射设备把射频信号送入分路器，分路器将射频信号分成N路，然后分别依次经N路衰减器和N路移相器后送入N个天线，N个天线将射频信号转换成电磁信号发射到自由空间，远端的信号幅度检测器检测到自由空间的电磁信号后，将信号幅度检测结果送入计算机；
(4)从除参考通道外的其他通道中选择另外一路作为当前通道，返回步骤(3)，直至所有通道检测完成；
(5)计算机根据信号幅度检测结果分别计算每路通道与参考通道的相位差，根据相位差分别设置幅相控制器中的N路移相器。
其中，步骤(3)中分别设置当前通道与参考通道中幅相控制器的状态，具体包括以下过程：
将当前通道和参考通道中衰减器的衰减量设置为0dB，移相器的移相量为0°，将除当前通道和参考通道之外的其他通道中衰减器的衰减量设置为最大衰减量，此时读取信号幅度检测器的测量值A1；
改变当前通道中移相器的移相量为180°，此时读取信号幅度检测器的测量值A2；
改变当前通道中移相器的移相量为90°，此时读取信号幅度检测器的测量值A3；
改变当前通道中移相器的移相量为270°，此时读取信号幅度检测器的测量值A4。
其中，步骤(5)中根据信号幅度检测结果分别计算每路通道与参考通道的相位差Φ，具体计算方式为：
Φ＝arctan((A4-A3)/(A1-A2))。
本发明相比背景技术具有如下有益效果：
1、本发明设置了幅相控制器、信号幅度检测器，可检测不同幅度和相位状态下，总信号的幅度值，经计算可得到各路发射通道的相位校准值，不需要进行矢量测量。
2、本发明利用利用相控阵系统本身的移相器、衰减器以及外接接收机或鉴幅器等作为信号幅度检测器即可实现幅度测量，通过计算机控制，实现高效率自动化校准。
附图说明
图1是本发明实施例中系统的组成框图。
图2是本发明实施例图1中幅相控制器的组成框图。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施方式对本发明做进一步的说明。
参照图1和2，一种相控阵天线的发射通道相位校准方法，基于相位校准系统实现，所述的相位校准系统包括N个天线(N为2以上的自然数)、N路发射通道、幅相控制器、信号幅度检测器以及计算机，幅相控制器包括分路器、N路移相器和N路衰减器。实施例N为4，4个天线呈等间距直线阵列分布，外接发射设备把射频信号送入分路器分成4路，经衰减和移相处理后再送入各发射通道，每个发射通道根据系统要求可具有变频、放大等处理功能，4路经发射通道处理后的射频信号经天线转换成电磁信号后发射到自由空间，远端的信号幅度检测器检测到自由空间的电磁信号，并将信号幅度检测结果送入计算机；所述幅相控制器包括分路器、4个移相器以及4个衰减器，移相器的功能是对输入的信号进行移相处理，采用6位移相器，最小步进5.6°，衰减器的功能是对输入的信号进行衰减处理，采用5位衰减器，最小步进1dB，最大衰减量31dB。
所述计算机，发出初始状态控制指令，使幅相控制器处于初始状态，即此时幅相控制器中每个移相器的相位值都是0°，每个衰减器的衰减值都是0dB。来自4路发射通道的射频信号经4个天线转换成电磁信号后同时向自由空间发射，远端的信号幅度检测器检测到自由空间的电磁信号，并将信号幅度检测结果送入计算机。计算机发出校准控制指令，4个移相器和4个衰减器在指令控制下变换状态，远端的信号幅度检测器测得经4个移相器和4个衰减器控制后的信号幅度，并把信号幅度检测结果送入计算机。经多次上述的测量过程后，得到多组幅相控制器不同状态与信号幅度检测结果的对应数据，经计算机数据处理，可得到各路发射通道的相位校准值。
实施例对于4个天线及发射通道的相控阵天线校准系统，测量过程分为3步。第1步校准第1路与第2路之间的相位差，分为以下4次幅度测量：
1)把第3路衰减器和第4路衰减器的衰减量设置为最大衰减量，第1路衰减器和第2路衰减器的衰减量设置为0dB，第1路移相器移相量为0°，第2路移相器移相量为0°，此时读取信号幅度检测器的测量值A1；
2)其它状态不变，仅改变第2路移相器移相量为180°，此时读取信号幅度检测器的测量值A2；
3)其它状态不变，仅改变第2路移相器移相量为90°，此时读取信号幅度检测器的测量值A3；
4)其它状态不变，仅改变第2路移相器移相量为270°，此时读取信号幅度检测器的测量值A4。
此时，以第1路为参考，第2路与第1路之间的相位差Φ2用下面的公式计算：
Φ2＝arctan((A4-A3)/(A1-A2))
第2步校准第1路与第3路之间的相位差，把第2路衰减器和第4路衰减器的衰减量设置为最大衰减量，改变第3路移相器的移相量，也进行如上的4次幅度测量，分别得到4个测量值B1、B2、B3、B4，此时，以第1路为参考，第3路与第1路之间的相位差Φ3用下面的公式计算：
Φ3＝arctan((B4-B3)/(B1-B2))
第3步校准第1路与第4路之间的相位差，把第2路衰减器和第3路衰减器的衰减量设置为最大衰减量，改变第4路移相器的移相量，也进行如上的4次幅度测量，分别得到4个测量值C1、C2、C3、C4，此时，以第1路为参考，第4路与第1路之间的相位差Φ4用下面的公式计算：
Φ4＝arctan((C4-C3)/(C1-C2))
最后，4个天线及发射通道的校准结果就是(0，Φ2，Φ3，Φ4)，其中0、Φ2、Φ3、Φ4分别为第1路、第2路、第3路、第4路的校准值，把幅相控制器中的4个移相器分别设置为0、Φ2、Φ3、Φ4，则完成相控阵天线发射通道的相位校准工作。
Claims (1)
1.一种相控阵天线的发射通道相位校准方法，基于相位校准系统实现，所述的相位校准系统包括N路发射通道、幅相控制器、信号幅度检测器以及计算机，幅相控制器包括分路器、N路移相器和N路衰减器，其中N为大于等于2的自然数；其特征在于，具体包括以下过程：
(1)计算机发出初始状态控制指令，使幅相控制器处于初始状态，即幅相控制器中每路移相器的相位值都为0°，每路衰减器的衰减值都为0dB；
(2)选一路发射通道作为参考通道，从除参考通道外的其他通道中选择一路作为当前通道；
(3)通过计算机发出校准控制指令，分别设置当前通道与参考通道中幅相控制器的状态；设置完成后外接发射设备把射频信号送入分路器，分路器将射频信号分成N路，然后分别依次经N路衰减器和N路移相器后送入N个天线，N个天线将射频信号转换成电磁信号发射到自由空间，远端的信号幅度检测器检测到自由空间的电磁信号后，将信号幅度检测结果送入计算机；
(4)从除参考通道外的其他通道中选择另外一路作为当前通道，返回步骤(3)，直至所有通道检测完成；
(5)计算机根据信号幅度检测结果分别计算每路通道与参考通道的相位差，根据相位差分别设置幅相控制器中的N路移相器；
其中，步骤(3)中分别设置当前通道与参考通道中幅相控制器的状态，具体包括以下过程：
将当前通道和参考通道中衰减器的衰减量设置为0dB，移相器的移相量为0°，将除当前通道和参考通道之外的其他通道中衰减器的衰减量设置为最大衰减量，此时读取信号幅度检测器的测量值A1；
改变当前通道中移相器的移相量为180°，此时读取信号幅度检测器的测量值A2；
改变当前通道中移相器的移相量为90°，此时读取信号幅度检测器的测量值A3；
改变当前通道中移相器的移相量为270°，此时读取信号幅度检测器的测量值A4；
其中，步骤(5)中根据信号幅度检测结果分别计算每路通道与参考通道的相位差Φ，计算方式为：
Φ＝arctan((A4-A3)/(A1-A2))。
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