CN114566808B - 一种基于紧缩场的毫米波相控阵天线幅相校准系统及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种基于紧缩场的毫米波相控阵天线幅相校准系统及方法，包括多单元的待测相控阵天线，反射面、转台系统，直漏挡板、馈源天线，矢量网络分析仪、直流稳压电源、控制计算机以及测量暗室；校准系统通过紧缩场形成静区，待测相控阵天线位于静区内，该发明通过预先将相控阵天线以n个单元划分为一个子阵，并对相控阵天线每个子阵进行幅相调控，从而得到相控阵天线不同子阵的远场接收幅相信息，并根据得到的子阵幅相信息对每个子阵进行补偿，然后重复上述步骤对补偿后的相控阵天线进行二次校准，确定最终的校准数据。本发明能够在有效提高校准精度的同时，保证校准测试效率。
Description
技术领域
本发明涉及毫米波测量和天线的技术领域，具体涉及一种基于紧缩场的毫米波相控阵天线幅相校准系统及方法。
背景技术
目前，随着5G、雷达以及卫星技术的发展，阵列天线和相控阵天线被大家广泛关注和研究。相控阵天线可以通过控制每个辐射单元的馈电相位来改变方向图形状，从而不需要物理转动即可实现天线阵列不同波束指向，因此可以实现探测，搜索、识别、跟踪和制导等目的。然而天线设计完成后由于各种工艺误差，环境，射频链路差异以及幅相调控网络的不确定误差的影响，相控阵天线的各阵列单元的初始复激励是有差异性的，需要将每个单元的初始幅相校准到同一水平才能实现最佳的性能。因此相控阵校准技术成为相控阵测试的热点问题，随着对相控阵天线性能要求的不断提高，相控阵校准技术也在不断发展。尤其针对大型相控阵，单元数过多，需要高精度校准的同时兼顾高效率。
主要的校准方法有近场扫描测量法、中场校准方法、旋转矢量法(REV)、线性矩阵求逆法、互耦校准法、正交编码校准法、换相法等。目前工业上较常用的校准方法是近场扫描测量法，但是此校准方法需要对整列单元进行大量的开关操作，同时需要准确的位置信息和封装天线结构，此种测试每次只测单个阵列单元，测试结果未考虑阵列单元间的耦合，其余校准方法也都无法在测试精度和效率上做到最佳。
发明内容
本发明的技术解决问题：克服现有技术的不足，提供一种基于紧缩场的毫米波相控阵天线幅相校准系统及方法，该校准系统能显著提高毫米波相控阵天线的校准效率和校准精度。
本发明的构思如下：由于毫米波在空间中传输损耗大，各单元之间存在互耦作用，并且对大型毫米波相控阵来说，校准需要耗费大量时间，一般的校准方法难以保证校准效率和校准精度。本发明针对上述技术限制，提出了一种基于紧缩场的毫米波相控阵天线幅相校准系统及方法，通过紧缩场来提供远场环境，从而减小空间损耗，提高测试动态范围，远场条件下能够考虑各单元之间的耦合影响，提高了校准精度；通过预先将相控阵将若干单元划分为一个子阵，同时改变子阵内每个单元的馈电幅相，并对所有子阵进行遍历，从而得到相控阵天线不同子阵的远场幅相信息，并根据得到的子阵幅相信息对每个子阵进行补偿，然后重复上述步骤进行二次校准，第二次得到相控阵天线不同子阵的远场幅相信息，从而确定最终的各子阵间幅相误差，相对于传统的一次校准方法，二次校准可以进一步减小单元间互耦影响，提高了测试精度的同时，保证了校准效率。
根据上述的发明的构思，本发明采用如下技术方案：一种基于紧缩场的毫米波相控阵天线幅相校准系统，所述系统位于微波暗室(9)内，以屏蔽其他外界信号的干扰，所述系统包括：多单元的待测相控阵天线(1)、抛物反射面(2)、转台系统(3)，直漏挡板(4)、馈源天线(5)、矢量网络分析仪(6)、直流稳压电源(7)和控制计算机(8)；具有N个单元的待测相控阵天线(1)，调控相控阵天线中每个单元的幅相，使每个单元具备M种幅度状态及L种相位状态，或对每个单元独立进行电源通断；抛物反射面(2)、转台系统(3)、直漏挡板(4)、馈源天线(5)和矢量网络分析仪(6)共同组成一个紧缩场系统，馈源天线位于抛物反射面的焦点位置，保证高精度远场测试环境；所述直漏挡板架设在馈源天线上方一定距离，相对馈源天线口径向外延伸一定距离；所述转台系统进行方位、俯仰旋转以及平移，或对具有不同方向波束相控阵进行校准，转台系统中心位于距离抛物反射面焦距位置，矢量网络分析仪收发端口连接馈源天线和转台系统上的待测相控阵天线，紧缩场系统为相控阵校准提供远场测试环境，即静区，并具有更小的路损(与远场相比)，提高了测量动态范围；
测量时，由矢量网络分析仪提供射频信号，直流稳压电源为相控阵天线供电，相控阵天线作为发射端；相控阵天线以电源通断法或者旋转矢量法进行校准；
当待测相控阵天线和馈源天线间距满足远场距离条件时，相控阵天线幅相校准系统的数学模型为AX＝B，A，B均为能够通过预设、测量得知的矩阵，而X为相控阵校准所要求的传输矩阵和幅相误差。当相控阵天线以电源通断法进行校准时，根据以n个单元为一个子阵同时进行电源通断，其中N为n的整数倍，矢量网络分析仪采集到系统链路的S参数，根据系统链路的S参数反演出每组的幅相误差，由控制计算机对数据进行实时存储和处理，并以系统链路的S参数中幅度最小值为基准，对相控阵天线每个单元或子阵进行自动补偿，然后对补偿后的相控阵天线进行二次校准，相对于传统的一次校准方法，二次校准进一步减小单元间互耦的影响；二次校准以m个单元为一个子阵同时进行电源通断，其中N为m的整数倍，n和m的值可以相同，也可不同；矢量网络分析仪再次采集系统链路的S参数，根据系统链路的S参数反演出不同单元的幅相误差，并由控制计算机存储和处理，两次校准均以测得的S参数最小值为基准进行补偿，最终校准数据为两次校准数据之和；
当相控阵天线以旋转矢量法校准时，以n个单元为一个子阵同时进行旋转矢量，旋转矢量按照一定的步进对待校准子阵进行相位的0°～360°旋转，并在远场测量旋转过程中的测量探头的幅度变化，遍历每个子阵，最终通过曲线拟合后处理方式解算处每个子阵之间的幅相误差，并以每个子阵中的幅度最小值为基准，对相控阵天线每个单元或子阵进行自动补偿，然后对补偿后的相控阵天线进行二次校准，二次校准以m个单元为一个子阵同时进行第一次校准步骤，其中N为m的整数倍，n和m的值可以相同，也可不同，两次校准均以测得的S参数最小值为基准进行补偿，最终校准数据为两次校准数据之和。
所述抛物反射面为单旋转抛物面，测量可覆盖整个微波频段。
所述转台系统中心位于距离抛物反射面1～3倍焦距位置。
所述馈源天线采用正交线极化馈电或椭圆极化或圆极化馈电方式，正交线极化馈电包括单极化、双极化。
所述直漏挡板位于馈源天线(5)上方5～10个波长位置，直漏挡板上下表面均铺上尖锥吸波材料，降低馈源直漏信号对校准精度的影响。
当待测相控阵天线和馈源天线间距满足远场距离条件时，建立的相控阵天线幅相校准系统的数学模型AX＝B中：
A表示DUT馈电系数矩阵,表示每个单元的馈电系数；；
X表示DUT到馈源天线的传输矩阵和幅相误差,/>为每个单元馈电系数，Si为每个单元传输系数，/>
B表示馈源天线的接收数据，b(i)表示第i个单元对应的馈源天线接收数据，/>
在远场条件下，直接近似得到：
Si为每个单元传输系数，
通过电源通断的方法实现并且避开调幅调相网络的量化误差，单元间耦合误差因素，实现具有N个通道的阵列幅相校准。
所述二次校准采用子阵电源通断方式，或采用旋转矢量法校准，或一次子阵电源通断法，或一次子阵旋转矢量法。
二次校准方法可用于强耦合性相控阵天线校准，也可用于弱耦合性相控阵天线校准，尤其适应具有强耦合性相控阵天线的校准，毫米波相控阵天线极化方式可以为任意形式线极化，圆极化或椭圆极化。
本发明的一种基于紧缩场的毫米波相控阵天线幅相校准方法，包括以下步骤：
(1)将紧缩场系统配置完成，连接待测相控阵天线、矢量网络分析仪、直流稳压电源以及计算机；
(2)由计算机设置相控阵天线为发射模式，将相控阵天线以n个单元为一个子阵同时进行电源通断或者旋转矢量改变相控阵天线相位状态；
(3)控制相控阵天线根据预设的矩阵A切换不同子阵工作状态；
(4)在馈源天线处获得接收系统链路的S参数；
(5)根据接收数据第一次得到不同子阵间的幅相分布；
(6)根据步骤(4)的子阵幅相分布，对以测得的S参数最小值为基准对待测相控阵天线进行补偿；
(7)重复步骤(2)～(5)；
(8)第二次得到待测相控阵天线不同子阵间的幅相分布，同样以测得的S参数最小值为基准进行补偿，最终计算两次校准数据之和即为最终校准结果。
本发明与现有技术相比的优点在于：
(1)本发明在紧缩场内实现毫米波相控阵天线的校准，保证测试动态范围的同时，考虑了单元之间的耦合影响，提高了校准精度；
(2)毫米波相控阵天线以n个单元划分为一个子阵，对每个子阵进行校准，在保证远场接收信号值远高于噪声(30dB以上)的同时，提高了25％～50％的测试效率；
(3)采用了二次校准方法，相对传统校准方式方向图波束指向精度提高0.3dB，旁瓣电平降低0.2dB，第一零深降低25dB，提高了校准精度。
附图说明
图1为一种基于紧缩场的毫米波相控阵天线校准系统布局图；
图2为一种基于紧缩场的毫米波相控阵天线校准系统原理示意图；
图3是校准补偿后相控阵天线方向图；
图中附图标记含义：1为相控阵天线，2为抛物反射面，3为转台系统，4为直漏挡板，5为馈源天线，6为矢量网络分析，7为直流稳压电源，8为控制计算机，9为微波暗室，F为焦距，P为反射面中心点，A2是反射面抬升高度，H为反射面尺寸。
具体实施方式
下面结合附图以及具体实施例进一步说明本发明。
如图1所示，本发明的一种基于紧缩场的毫米波相控阵天线幅相校准系统，具有N单元的待测相控阵天线1，测量时来调控天线每个单元的幅相，使每个单元具备M种幅度状态及L种相位状态，并可以对每个单元独立进行电源通断；抛物反射面2、转台系统3、直漏挡板4、馈源天线5和矢量网络分析仪6共同组成一个紧缩场系统，为相控阵校准提供远场测试环境的同时具有足够小的路损，提高测量动态范围，直漏挡板4位于馈源天线5上方5～10个波长位置，降低馈源天线5直漏影响，该测试系统位于微波暗室9内，以屏蔽其他外界信号的干扰。
测量时，将待测相控阵天线1放置于紧缩场静区内，由矢量网络分析仪6给相控阵天线1提供射频信号，由直流稳压电源7为相控阵天线供电，相控阵天线1作为发射端，馈源天线5作为接收端，以n个单元为一组同时进行电源通断，其中N为n的整数倍，矢量网络分析仪可以采集到系统链路的S参数，根据系统链路的S参数反演出不同单元或的幅相误差，由控制计算机8对数据进行实时存储和处理，并对相控阵每个单元或进行自动补偿，对补偿后的相控阵天线再以m个单元为一组同时进行电源通断，其中N同样为m的整数倍，n和m的值可以相同，也可不同，矢量网络分析仪再次采集系统链路的S参数，根据系统链路的S参数反演出不同单元的幅相误差，并由控制计算机存储和处理，最终校准数据为两次校准数据之和。
相控阵通断校准测量系统的原理图如图2所示，对于单元或电源通断校准方式，通道数为N的阵列天线作为发射或接收系统，以馈源作为接收或发射系统，当二者间距满足远场距离条件时，建立该系统的系统数学模型为：
AX＝B (1)
其中：
A表示DUT馈电系数矩阵,表示每个单元的馈电系数；；
X表示DUT到馈源天线的传输矩阵和幅相误差,/>为每个单元馈电系数，Si为每个单元传输系数，/>
B表示馈源天线的接收数据，b(i)表示第i个单元对应的馈源天线接收数据，/>
在远场条件下，可以直接近似得到：
Si为每个单元传输系数，
通过通断的方法可以实现并且可以避开调幅调相网络的量化误差单元间耦合误差因素，可实现具有N个通道的阵列幅相校准。
优选实施例：
下面选择一个256单元的圆极化相控阵天线作为优选实施例，天线工作频率为26.5GHz到29.5GHz，单元间距d＝4.5mm，每个阵列单元可由一个4位程控衰减器和一个6位程控移相器控制，可用电脑程序自动控制每一路的衰减器和移相器的设置，以及电源使能控制。校准系统在一个焦距为0.5m的紧缩场内进行，静区大小为0.3m，馈源位于焦点处，待测相控阵天线位于静区。使用30V/5A的直流稳压电源对相控阵天线进行供电，由矢量网络分析仪给天线提供射频信号并从馈源处采集接收到的S参数，校准采用点频校准，选择记录27.5GHz处的S参数。
测量时，通过控制计算机程序对相控阵天线每4个单元为一子阵按照矩阵 进行电源通断，得到第一次校准数据X＝[a1S1…a64S64]T，由一次校准数据对相控阵天线进行补偿，然后再对相控阵天线每4个单元为一子阵按照矩阵/> 进行电源通断，得到第二次校准数据X＝[a′1S′1…a′64S′64]T，两次校准值之和即为对初始化的相控阵天线的补偿值。
测量补偿后的相控阵天线方向图如图3所示，方向图已作归一化处理，方向图测试范围为±25°，波束指向表示方向图最大值对应的角度，旁瓣电平表示第一个旁瓣相对方向图最大值降低的电平值，第一零深表示主瓣与第一副瓣之间的凹点。
本发明的一种基于紧缩场的毫米波相控阵天线幅相校准系统及方法，相对传统校准方式方向图波束指向精度提高0.3dB，旁瓣电平降低0.2dB，第一零深降低25dB。
本发明可以用来进行5G毫米波基站校准，雷达阵列天线校准，也可以进行卫星相控阵天线校准，相对传统校准方式可以提高25％～50％的校准效率。
Claims (8)
1.一种基于紧缩场的毫米波相控阵天线幅相校准系统，所述系统位于微波暗室(9)内，以屏蔽其他外界信号的干扰，其特征在于，包括：多单元的待测相控阵天线(1)、抛物反射面(2)、转台系统(3)，直漏挡板(4)、馈源天线(5)、矢量网络分析仪(6)、直流稳压电源(7)和控制计算机(8)；具有N个单元的待测相控阵天线(1)，调控相控阵天线中每个单元的幅相，使每个单元具备M种幅度状态及L种相位状态，或对每个单元独立进行电源通断；抛物反射面(2)、转台系统(3)、直漏挡板(4)、馈源天线(5)和矢量网络分析仪(6)共同组成一个紧缩场系统，馈源天线位于抛物反射面的焦点位置；所述直漏挡板架设在馈源天线上方一定距离，相对馈源天线口径向外延伸一定距离；所述转台系统进行方位、俯仰旋转以及平移，或对具有不同方向波束相控阵进行校准，转台系统中心位于距离抛物反射面焦距位置，矢量网络分析仪收发端口连接馈源天线和转台系统上的待测相控阵天线，紧缩场系统为相控阵校准提供远场测试环境，即静区；
测量时，由矢量网络分析仪提供射频信号，直流稳压电源为相控阵天线供电，相控阵天线作为发射端；相控阵天线以电源通断法或者旋转矢量法进行校准；
当待测相控阵天线和馈源天线间距满足远场距离条件时，相控阵天线幅相校准系统的数学模型为AX＝B，A，B均为能够通过预设、测量得知的矩阵，X为相控阵校准所要求的传输矩阵和幅相误差；当相控阵天线以电源通断法进行校准时，根据以n个单元为一个子阵同时进行电源通断，其中N为n的整数倍，矢量网络分析仪采集到系统链路的S参数，根据系统链路的S参数反演出每组的幅相误差，由控制计算机对数据进行实时存储和处理，并以系统链路的S参数中幅度最小值为基准，对相控阵天线每个单元或子阵进行自动补偿，然后对补偿后的相控阵天线进行二次校准；二次校准以m个单元为一个子阵同时进行电源通断，其中N为m的整数倍，n和m的值可以相同，也可不同；矢量网络分析仪再次采集系统链路的S参数，根据系统链路的S参数反演出不同单元的幅相误差，并由控制计算机存储和处理，两次校准均以测得的S参数最小值为基准进行补偿，最终校准数据为两次校准数据之和；
当相控阵天线以旋转矢量法校准时，以n个单元为一个子阵同时进行旋转矢量，旋转矢量按照一定的步进对待校准子阵进行相位的0°～360°旋转，并在远场测量旋转过程中测量探头的幅度变化，遍历每个子阵，最终通过曲线拟合后处理方式解算处每个子阵之间的幅相误差，并以每个子阵中的幅度最小值为基准，对相控阵天线每个单元或子阵进行自动补偿，然后对补偿后的相控阵天线进行二次校准，二次校准以m个单元为一个子阵同时进行第一次校准步骤，其中N为m的整数倍，n和m的值可以相同，也可不同，两次校准均以测得的S参数最小值为基准进行补偿，最终校准数据为两次校准数据之和。
2.根据权利要求1所述的一种基于紧缩场的毫米波相控阵天线幅相校准系统，其特征在于：所述抛物反射面为单旋转抛物面，测量可覆盖整个微波频段。
3.根据权利要求1所述的一种基于紧缩场的毫米波相控阵天线幅相校准系统，其特征在于：所述转台系统中心位于距离抛物反射面1～3倍焦距位置。
4.根据权利要求1所述的一种基于紧缩场的毫米波相控阵天线幅相校准系统，其特征在于：所述馈源天线采用正交线极化馈电或椭圆极化或圆极化馈电方式，正交线极化馈电包括单极化、双极化。
5.根据权利要求1所述的一种基于紧缩场的毫米波相控阵天线幅相校准系统，其特征在于：所述直漏挡板位于馈源天线(5)上方5～10个波长位置，直漏挡板上下表面均铺上尖锥吸波材料，降低馈源直漏信号对校准精度的影响。
6.根据权利要求1所述的一种基于紧缩场的毫米波相控阵天线幅相校准系统，其特征在于：当待测相控阵天线和馈源天线间距满足远场距离条件时，建立的相控阵天线幅相校准系统的数学模型AX＝B中：
A表示DUT馈电系数矩阵,表示每个单元的馈电系数；
X表示DUT到馈源天线的传输矩阵和幅相误差,/>为每个单元馈电系数，Si为每个单元传输系数，/>
B表示馈源天线的接收数据，b(i)表示第i个单元对应的馈源天线接收数据，/>
在远场条件下，直接近似得到：
Si为每个单元传输系数，
通过电源通断的方法实现并且避开调幅调相网络的量化误差，单元间耦合误差因素，实现具有N个通道的阵列幅相校准。
7.根据权利要求1所述的一种基于紧缩场的毫米波相控阵天线幅相校准系统，其特征在于：所述二次校准采用子阵电源通断方式，或采用旋转矢量法校准，或一次子阵电源通断法一次子阵旋转矢量法。
8.一种基于紧缩场的毫米波相控阵天线幅相校准方法，使用权利要求1所述的一种基于紧缩场的毫米波相控阵天线幅相校准系统，其特征在于，包括以下步骤：
(1)将紧缩场系统配置完成，连接待测相控阵天线、矢量网络分析仪、直流稳压电源以及计算机；
(2)由计算机设置相控阵天线为发射模式，将相控阵天线以n个单元为一个子阵同时进行电源通断或者旋转矢量改变相控阵天线相位状态；
(3)控制相控阵天线根据预设的矩阵A切换不同子阵工作状态；
(4)在馈源天线处获得接收系统链路的S参数；
(5)根据接收数据第一次得到不同子阵间的幅相分布；
(6)根据步骤(5)的子阵幅相分布，以测得的S参数最小值为基准对待测相控阵天线进行补偿；
(7)重复步骤(2)～(5)；
(8)第二次得到待测相控阵天线不同子阵间的幅相分布，同样以测得的S参数最小值为基准进行补偿，最终计算两次校准数据之和即为最终校准结果。
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