CN115733563A - 一种大规模可扩展相控阵天线的在线相位校准方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种大规模可扩展相控阵天线的在线相位校准方法，包括以下步骤：S1、进行“外校准”获得全阵列天线初始等相位面；S2、进行“内标定”获得区域内参考天线的标定相位面；S3、各区域间进行“域间标定”获得区域间参考相位面；S4、重新在线进行“内标定”和“域间标定”，并在线校准，获得全阵列天线等相位面。本发明在完成一次“外校准”后仅靠在线内校准和在线区域间校准即可实现在线自动校准功能，保证了校准功能的长期稳定性。本发明解决了现有校准技术运用到大规模、可扩展相控阵中存在的校准难度大、校准效率低、校准可靠性低、可维护性差、人工工作量大等问题，同时实现了在线实时校准，提高了系统的鲁棒性。

Description

一种大规模可扩展相控阵天线的在线相位校准方法

技术领域

本发明是一种针对大规模相控阵天线的校准方法，属于通道相位校准技术领域，尤其是一种大规模可扩展相控阵天线的在线相位校准方法。

背景技术

相控阵天线通过配置阵面中各天线馈电信号的幅度和相位来控制波束指向、形状，具有以下优势：①电控切换波束技术，具有多目标、多维度的高效率扫描探测能力；②多波束管理技术，具有系统功能扩展能力；③波束赋形技术，具有波束强指向性、波束高覆盖力，同时具有强抗干扰能力。凭借其强大的适应性和灵活性，相控阵天线技术已经广泛运用于在军事、通信、探测等领域，并随着技术的不断发展，相控阵天线技术正朝着大规模、可扩展、自适应、集成化的方向发展。

相位校准技术是相控阵天线的一项关键技术，要求上电后相控阵所有天线的相位能够精准对齐，以保证天线阵面处于等相位面。在实际工程中，制造工艺、射频收发链路、不同应用环境以及信号处理等方面的差异会导致各天线上电后初始相位随机分布，相位校准是相控阵天线工程应用的必然环节。并且，设备老化、检修维护、重启等过程需要对相控阵天线进行重新校准。同时，大规模的相控阵天线、以及可扩展以便于拼接的相控阵天线，由于通道数目庞大、可扩展区域之间的阵元位置较为分散等，存在校准困难、校准效率低、校准准确率低等问题。

目前小规模的相控阵天线校准通常采用外校准方式，即在测试人员确定所有阵元位置并保证所有阵元配置完全一致的前提下，在近场依次测量并补偿每个阵元的初始相位。该校准方式能够消除由于制造工艺、链路差异等因素产生的固定相差，但未考虑应用环境、通道间耦合以及信号处理等因素可能导致的随机相差。并且，该校准方式效率低、可靠性低、可维护性差、人工工作量大。

综合上述，现有的相控阵校准方法虽然能够消除阵元间的一部分固定相差，但是在大规模、可扩展相控阵系统中无法有效实施，并且存在校准效率低、校准可靠性低、可维护性差等问题。同时，现有方式通常无法实现在线实时校准，难以提高系统的鲁棒性。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种在完成一次“外校准”后仅靠在线内校准和在线区域间校准即可实现在线自动校准功能，保证了校准功能的长期稳定性的大规模可扩展相控阵天线的在线相位校准方法。

本发明的目的是通过以下技术方案来实现的：一种大规模可扩展相控阵天线的在线相位校准方法，借助相控阵各个区域内的参考天线实现相位标定，参考天线包括参考发射天线和参考接收天线，参考发射天线有效辐射区域包括该区域的全部天线和相邻区域的部分天线，该参考接收天线有效接收信号区域包括该区域的全部天线和相邻区域的部分天线；在线相位校准包括以下步骤：

S1、进行“外校准”获得全阵列天线初始等相位面；

S2、进行“内标定”获得区域内参考天线的标定相位面；

S3、各区域间进行“域间标定”获得区域间参考相位面；

S4、重新在线进行“内标定”和“域间标定”，并在线校准，获得全阵列天线等相位面。

进一步地，所述步骤S1具体实现方法为：

S11、将测试天线放置在相控阵的远场阵面位置；

S12、在z轴方向对准相控阵的第一个阵元，测试天线发射固定激励信号，激励信号相位为θ₀，第一个阵元接收信号，其他阵元关闭；测得第一个阵元接收信号的相位为θ，则第一个阵元的“外校准”相位为：θ_init＝θ-θ₀；将θ_init补偿到第一个阵元的接收相位；

S13、切换阵元，重复S12的操作，对所有阵元进行校准，使大规模相控阵阵面处于初始等相位面。

进一步地，所述步骤S2具体实现方法为：

S21、记第一个区域为A，其相邻区域为B；打开区域A内的天线阵列和参考发射天线T_A，以及区域B内和A相邻的一列或者一行天线阵元；

S22、参考发射天线T_A发射相位为

的测试信号；

S23、区域A内的天线阵列、区域B内的天线阵元接收信号，获取各阵元接收信号的相位，区域A内第m个天线接收信号的相位为

相邻区域B内第n个天线接收信号的相位为

S24、计算各阵元接收信号与测试信号的相位差，得到参考发射天线T_A对应的标定相位面，其中区域A内第m个天线的标定相位为

区域B内第n个天线的标定相位为

S25、打开区域B内的天线阵列、参考发射天线T_B，以及区域A内与区域B相邻的一列或者一行天线阵元；

S26、参考发射天线T_B发射相位为

的测试信号；

S27、区域B内的天线阵列、区域A内的天线阵元接收信号，获取各阵元接收信号的相位，区域B内第n个天线接收信号的相位为

相邻区域A内第m个天线接收信号的相位为

S28、计算各阵元接收信号与测试信号的相位差，得到参考发射天线T_B对应的标定相位面，其中区域B内第n个天线的标定相位为

相邻区域A内第m个天线的标定相位为

S29、切换区域，按照步骤S21-S28，获得其余各个区域内参考发射天线的标定相位面。

进一步地，所述步骤S3包括以下步骤：

S31、取出参考发射天线T_A打开时，区域A内的标定相位面

作为区域A的参考相位面；并取出区域A与区域B相邻天线接收信号的标定相位面

取出参考发射天线T_B打开时，区域B内的标定相位面

作为区域B的参考相位面；并取出区域A与区域B相邻天线接收信号的标定相位面

S32、区域A与区域B之间的参考相位面

为：

S33、切换区域，按照步骤S31-S32，获得所有区域的参考相位面，以及所有相邻区域之间的参考相位面。

进一步地，所述步骤S4包括以下步骤：

S41、重新在线执行步骤S2和步骤S3，获得区域A内天线接收信号的参考相位面

区域B内天线接收信号的参考相位面

区域A与区域B之间的参考相位面

以及其余所有区域的参考相位面，以及所有相邻区域之间的参考相位面；

S42、将区域A内两次天线接收信号的参考相位面作差，获得区域A的校准相位面：

将区域B内两次天线接收信号的参考相位面作差，获得区域B的校准相位面：

区域A与区域B之间两次获得的参考相位面作差，获得区域A与区域B之间的校准相位面：

S43、计算校准相位面的期望E和方差σ，调整校准相位面β_A、β_B、β_A∩B矩阵中的元素范围为g＝[E-3σ，E+3σ]，若元素在g范围内，则保留元素，若元素超出g范围，则去掉元素，由此得到调整后的校准相位面β′_A、β′_B、β′_A∩B；

S44、计算调整后校准相位面β′_A、β′_B、β′_A∩B矩阵内所有元素的均值θ_A、θ_B、θ_A∩B，将θ_A作为区域A的校准相位，θ_B作为区域B的校准相位，θ_A∩B作为区域A与区域B之间的校准相位；

S45、切换区域，按照步骤S42-S44的操作，获得其余各个区域内的校准相位，以及各个相邻区域的校准相位；

S46、将各个区域内的校准相位补偿到对应区域内每个阵元，重新在线获得区域等相位面；

S47、以区域A的相位面为基准，根据相邻区域校准相位关系补偿第一行和第一列其他区域内每个阵元的相位；然后以每一行第一个区域的相位面为基准，根据相邻区域校准相位关系补偿该行其他区域内每个阵元的相位，使大规模可扩展相控阵阵面重新处于等相位面；

相邻区域校准相位关系具体为：若A₁,A₂,A₃,…,A_n,…为可扩展相控阵区域，且两两相邻，以第一个区域A₁的相位面为基准，则第n个区域A_n中每个阵元补偿的相位为：

本发明的有益效果为：本发明在完成一次“外校准”后仅靠在线内校准和在线区域间校准即可实现在线自动校准功能，保证了校准功能的长期稳定性。本发明解决了现有校准技术运用到大规模、可扩展相控阵中存在的校准难度大、校准效率低、校准可靠性低、可维护性差、人工工作量大等问题，同时实现了在线实时校准，提高了系统的鲁棒性。

附图说明

图1为本发明涉及的大规模可扩展相控阵区域间校准相位关系示意图；

图2为本发明的在线相位校准方法的流程图；

图3为本发明的“外校准”流程图；

图4为“外校准”装置示意图；

图5为本发明的“内标定”流程图；

图6为本发明“内标定”示意图；

图7为本发明“域间标定”流程图；

图8为本发明相邻域“域间标定”示意图；

图9为本发明重新在线校准流程图。

具体实施方式

考虑一个大规模可扩展阵列由6个4×4的区域阵列拼接而成，区域阵列编号为A、B、C、D、E、F，其中，A、B、C水平方向依次排列，D、E、F分别在竖直方向上与A、B、C相邻，如图1所示。每个区域阵列内设计了参考发射天线、参考接收天线，且该参考发射天线能有效辐射区域包括该区域的全部天线和相邻区域的部分天线，该参考接收天线有效接收信号区域包括该区域的全部天线和相邻区域的部分天线。例如，T_A能有效辐射区域阵列A、区域阵列B中与区域阵列A相邻的区域、区域阵列D中与区域阵列A相邻的区域。

如图2所示，本发明的一种大规模可扩展相控阵天线的在线相位校准方法，借助相控阵各个区域内的参考天线实现相位标定，参考天线包括参考发射天线和参考接收天线，参考发射天线有效辐射区域包括该区域的全部天线和相邻区域的部分天线，该参考接收天线有效接收信号区域包括该区域的全部天线和相邻区域的部分天线；在线相位校准包括以下步骤：

S1、进行“外校准”获得全阵列天线初始等相位面；如图3所示，具体实现方法为：

S11、用一个专门的测试天线进行“外校准”过程，测试天线发射信号，并能获取发射信号的相位，将测试天线放置在相控阵的远场阵面位置，如图4所示；

S12、在z轴方向(与相控阵平面垂直的方向)对准相控阵的第一个阵元，测试天线发射固定激励信号，激励信号相位为θ₀，第一个阵元接收信号，其他阵元关闭；测得第一个阵元接收信号的相位为θ，则第一个阵元的“外校准”相位为：θ_init＝θ-θ₀；将θ_init补偿到第一个阵元的接收相位；

S13、切换阵元，重复S12的操作，对所有阵元进行校准，使大规模相控阵阵面处于初始等相位面，即补偿后的相位为：

S2、进行“内标定”获得区域内参考天线的标定相位面，“内标定”指标定阵元到参考天线的相移；如图5所示，具体实现方法为：

S21、记第一个区域为A，其相邻区域为B；打开区域A内的天线阵列和参考发射天线T_A，以及区域B内和A相邻的一列或者一行天线阵元；若相邻区域与区域A在水平方向上相邻，例如图1中区域的B，则打开区域B中与A相邻的一列天线阵元；若相邻区域与区域A在竖直方向上相邻，例如图1中的区域D，则打开区域D中与A相邻的一行天线阵元；

S22、参考发射天线T_A发射相位为

的测试信号；

S23、区域A内的天线阵列、区域B内的天线阵元接收信号，获取各阵元接收信号的相位，区域A内第m个天线接收信号的相位为

相邻区域B内第n个天线接收信号的相位为

拼接组成区域A内的天线阵列和区域B内部分天线接收信号矩阵：

表示区域A内第1行第1列处天线在发射相位为

时接收到的相位，

中前四列即为

第五列为

如图6所示；

S24、计算各阵元接收信号与测试信号的相位差，得到参考发射天线T_A对应的标定相位面，其中区域A内第m个天线的标定相位为

区域B内第n个天线的标定相位为

拼接组成总的标定相位面

S25、打开区域B内的天线阵列、参考发射天线T_B，以及区域A内与区域B相邻的一列或者一行天线阵元；

S26、参考发射天线T_B发射相位为

的测试信号；

S27、区域B内的天线阵列、区域A内的天线阵元接收信号，获取各阵元接收信号的相位，区域B内第n个天线接收信号的相位为

相邻区域A内第m个天线接收信号的相位为

拼接组成区域B内的天线阵列和相邻区域A内部分天线接收信号矩阵：

S28、计算各阵元接收信号与测试信号的相位差，得到参考发射天线T_B对应的标定相位面，其中区域B内第n个天线的标定相位为

相邻区域A内第m个天线的标定相位为

拼接组成总的标定相位面

S29、切换区域，按照步骤S21-S28，获得其余各个区域内参考发射天线的标定相位面。

S3、各区域间进行“域间标定”获得区域间参考相位面；如图7所示，包括以下步骤：

S31、取出参考发射天线T_A打开时，区域A内的标定相位面

作为区域A的参考相位面；并取出区域A与区域B相邻天线接收信号的标定相位面

取出参考发射天线T_B打开时，区域B内的标定相位面

作为区域B的参考相位面；并取出区域A与区域B相邻天线接收信号的标定相位面

为

内第1行第1列的元素；

S32、，如图8所示，区域A与区域B之间的参考相位面

为：

其中，

S33、切换区域，按照步骤S31-S32，获得所有区域的参考相位面，以及所有相邻区域BC、AD、DE、EF之间的参考相位面。

S4、重新在线进行“内标定”和“域间标定”，并在线校准，获得全阵列天线等相位面；如图9所示，包括以下步骤：

S41、重新在线执行步骤S2和步骤S3，获得区域A内天线接收信号的参考相位面

区域B内天线接收信号的参考相位面

区域A与区域B之间的参考相位面

以及其余所有区域的参考相位面，以及所有相邻区域之间的参考相位面；

S42、将区域A内两次天线接收信号的参考相位面作差，获得区域A的校准相位面：

将区域B内两次天线接收信号的参考相位面作差，获得区域B的校准相位面：

区域A与区域B之间两次获得的参考相位面作差，获得区域A与区域B之间的校准相位面：

S43、计算校准相位面的期望E和方差σ，调整校准相位面β_A、β_B、β_A∩B矩阵中的元素范围为g＝[E-3σ，E+3σ]，若元素在g范围内，则保留元素，若元素超出g范围，则去掉元素，由此得到调整后的校准相位面β′_A、β′_B、β′_A∩B；

S44、计算调整后校准相位面β′_A、β′_B、β′_A∩B矩阵内所有元素的均值θ_A、θ_B、θ_A∩B，将θ_A作为区域A的校准相位，θ_B作为区域B的校准相位，θ_A∩B作为区域A与区域B之间的校准相位；

S45、切换区域，按照步骤S42-S44的操作，获得其余各个区域C、D、E、F内的校准相位，以及各个相邻区域BC、AD、DE、EF的校准相位，如图1所示，分别记为θ_C、θ_D、θ_E、θ_F、θ_B∩C、θ_D∩E、θ_E∩F、θ_A∩D；

S46、将各个区域内的校准相位补偿到对应区域内每个阵元，重新在线获得区域等相位面；如区域A内每个阵元的相位都补偿θ_A，区域B内每个阵元的相位都补偿θ_B，诸如此类，使各个区域内处于区域等相位面；

S47、以区域A的相位面为基准，根据相邻区域校准相位关系补偿第一行和第一列其他区域内每个阵元的相位；然后以每一行第一个区域的相位面为基准，根据相邻区域校准相位关系补偿该行其他区域内每个阵元的相位，使大规模可扩展相控阵阵面重新处于等相位面；

相邻区域校准相位关系具体为：若A₁,A₂,A₃,…,A_n,…为可扩展相控阵区域，且两两相邻，以第一个区域A₁的相位面为基准，则第n个区域A_n中每个阵元补偿的相位为：

具体的，补偿区域B内每个阵元的相位为θ_A∩B，补偿区域C内每个阵元的相位为θ_A∩B+θ_B∩C，补偿区域D内每个阵元的相位为θ_A∩D。补偿区域E时以区域D的相位面为基准，补偿区域E内每个阵元的相位为θ_A∩D+θ_D∩E，补偿区域F内每个阵元的相位为θ_A∩D+θ_D∩E+θ_E∩F；由此实现了大规模可扩展相控阵重新在线获得全阵列等相位面。

本领域的普通技术人员将会意识到，这里所述的实施例是为了帮助读者理解本发明的原理，应被理解为本发明的保护范围并不局限于这样的特别陈述和实施例。本领域的普通技术人员可以根据本发明公开的这些技术启示做出各种不脱离本发明实质的其它各种具体变形和组合，这些变形和组合仍然在本发明的保护范围内。

Claims (5)

1.一种大规模可扩展相控阵天线的在线相位校准方法，其特征在于，借助相控阵各个区域内的参考天线实现相位标定，参考天线包括参考发射天线和参考接收天线，参考发射天线有效辐射区域包括该区域的全部天线和相邻区域的部分天线，该参考接收天线有效接收信号区域包括该区域的全部天线和相邻区域的部分天线；在线相位校准包括以下步骤：

S1、进行“外校准”获得全阵列天线初始等相位面；

S2、进行“内标定”获得区域内参考天线的标定相位面；

S3、各区域间进行“域间标定”获得区域间参考相位面；

S4、重新在线进行“内标定”和“域间标定”，并在线校准，获得全阵列天线等相位面。

2.根据权利要求1所述的大规模可扩展相控阵天线的在线相位校准方法，其特征在于，所述步骤S1具体实现方法为：

S11、将测试天线放置在相控阵的远场阵面位置；

S12、在z轴方向对准相控阵的第一个阵元，测试天线发射固定激励信号，激励信号相位为θ₀，第一个阵元接收信号，其他阵元关闭；测得第一个阵元接收信号的相位为θ，则第一个阵元的“外校准”相位为：θ_init＝θ-θ₀；将θ_init补偿到第一个阵元的接收相位；

S13、切换阵元，重复S12的操作，对所有阵元进行校准，使大规模相控阵阵面处于初始等相位面。

3.根据权利要求1所述的大规模可扩展相控阵天线的在线相位校准方法，其特征在于，所述步骤S2具体实现方法为：

S21、记第一个区域为A，其相邻区域为B；打开区域A内的天线阵列和参考发射天线T_A，以及区域B内和A相邻的一列或者一行天线阵元；

S22、参考发射天线T_A发射相位为

的测试信号；

S23、区域A内的天线阵列、区域B内的天线阵元接收信号，获取各阵元接收信号的相位，区域A内第m个天线接收信号的相位为

相邻区域B内第n个天线接收信号的相位为

S24、计算各阵元接收信号与测试信号的相位差，得到参考发射天线T_A对应的标定相位面，其中区域A内第m个天线的标定相位为

区域B内第n个天线的标定相位为

S25、打开区域B内的天线阵列、参考发射天线T_B，以及区域A内与区域B相邻的一列或者一行天线阵元；

S26、参考发射天线T_B发射相位为

的测试信号；

S27、区域B内的天线阵列、区域A内的天线阵元接收信号，获取各阵元接收信号的相位，区域B内第n个天线接收信号的相位为

相邻区域A内第m个天线接收信号的相位为

S28、计算各阵元接收信号与测试信号的相位差，得到参考发射天线T_B对应的标定相位面，其中区域B内第n个天线的标定相位为

相邻区域A内第m个天线的标定相位为

S29、切换区域，按照步骤S21-S28，获得其余各个区域内参考发射天线的标定相位面。

4.根据权利要求3所述的大规模可扩展相控阵天线的在线相位校准方法，其特征在于，所述步骤S3包括以下步骤：

S31、取出参考发射天线T_A打开时，区域A内的标定相位面

作为区域A的参考相位面；并取出区域A与区域B相邻天线接收信号的标定相位面

取出参考发射天线T_B打开时，区域B内的标定相位面

作为区域B的参考相位面；并取出区域A与区域B相邻天线接收信号的标定相位面

S32、区域A与区域B之间的参考相位面

为：

S33、切换区域，按照步骤S31-S32，获得所有区域的参考相位面，以及所有相邻区域之间的参考相位面。

5.根据权利要求1所述的大规模可扩展相控阵天线的在线相位校准方法，其特征在于，所述步骤S4包括以下步骤：

S41、重新在线执行步骤S2和步骤S3，获得区域A内天线接收信号的参考相位面

区域B内天线接收信号的参考相位面

区域A与区域B之间的参考相位面

以及其余所有区域的参考相位面，以及所有相邻区域之间的参考相位面；

S42、将区域A内两次天线接收信号的参考相位面作差，获得区域A的校准相位面：

将区域B内两次天线接收信号的参考相位面作差，获得区域B的校准相位面：

区域A与区域B之间两次获得的参考相位面作差，获得区域A与区域B之间的校准相位面：

S43、计算校准相位面的期望E和方差σ，调整校准相位面β_A、β_B、β_A∩B矩阵中的元素范围为g＝[E-3σ，E+3σ]，若元素在g范围内，则保留元素，若元素超出g范围，则去掉元素，由此得到调整后的校准相位面β′_A、β′_B、β′_A∩B；

S44、计算调整后校准相位面β′_A、β′_B、β′_A∩B矩阵内所有元素的均值θ_A、θ_B、θ_A∩B，将θ_A作为区域A的校准相位，θ_B作为区域B的校准相位，θ_A∩B作为区域A与区域B之间的校准相位；

S45、切换区域，按照步骤S42-S44的操作，获得其余各个区域内的校准相位，以及各个相邻区域的校准相位；

S46、将各个区域内的校准相位补偿到对应区域内每个阵元，重新在线获得区域等相位面；

S47、以区域A的相位面为基准，根据相邻区域校准相位关系补偿第一行和第一列其他区域内每个阵元的相位；然后以每一行第一个区域的相位面为基准，根据相邻区域校准相位关系补偿该行其他区域内每个阵元的相位，使大规模可扩展相控阵阵面重新处于等相位面；

相邻区域校准相位关系具体为：若A₁,A₂,A₃,…,A_n,…为可扩展相控阵区域，且两两相邻，以第一个区域A₁的相位面为基准，则第n个区域A_n中每个阵元补偿的相位为：

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