CN115792840B - 一种星载相控阵天线方向图建模在轨修正方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种星载相控阵天线方向图建模在轨修正方法，主要针对星载相控阵天线高精度方向图模型进行在轨修正。此修正方法主要补偿的误差为地面测试时的常温环境与在轨工作的低温环境之间的温度差所引起的器件性能变化的误差。性能受温度影响较大的器件包括延时放大组件、高频电缆。本发明主要的内容包括器件温度数据采集与处理、高精度方向图模型修正两个主要内容。其中，数据采集部分主要介绍高精度方向图模型在轨修正所使用的数据如何获取及处理；高精度方向图模型修正部分主要介绍如何使用获取的温度变化数据来对模型进行修正。

Description

一种星载相控阵天线方向图建模在轨修正方法

技术领域

本发明属于卫星在轨应用技术领域，具体涉及一种星载相控阵天线方向图建模在轨修正方法。

背景技术

在相控阵雷达系统中，相控阵天线是其中重要的组成部分，相控阵天线的工作状态直接影响雷达系统的性能。现代相控阵雷达随着功能的不断增强，其所包含的波位数量都是非常巨大的，一般已经很难在地面暗室内将天线所使用的全部的方向图都进行测试。因此对于相控阵天线的方向图建模成为一种天线方向图估计的重要方法。一般情况下，在模型建立好后，只需要测试部分典型波位的方向图来验证高精度方向图模型的准确性即可。这样就可以通过高精度方向图模型准确估计出在雷达工作过程中，不同波位的方向图形状，从而更好发挥雷达系统的性能。

对于星载相控阵雷达而言，由于在轨温度很低（可达到-100℃以下）且受日照的影响温度变化比较大，因此卫星一般需要经过热控设备对中央电子设备和天线等设备进行温度控制，使得所有的设备都可以工作在一个适宜的温度当中。同时考虑到温度控制的太高所需要的能量也非常高，会受到卫星整体供电系统的限制，因此一般情况下，控制的温度都要低于地面常温情况，如-10℃或0℃等。这种情况就导致了卫星在轨工作温度低于在地面进行测试时的工作温度。相控阵天线作为雷达系统中收发电磁波的装置，其性能受温度的影响，为了更好的发挥雷达系统的性能，需要对相控阵天线在轨的方向图模型进行温度修正，从而可以提供更为准确的方向图供雷达应用系统使用。

以星载合成孔径雷达（SAR：Synthetic Aperture Radar）系统为例，在成像时，需要使用天线的方向图对成像区域进行幅度和相位的修正，以达到更好的成像效果。这时，准确的方向图形状对于成像尤为重要。

发明内容

本发明的主要目的在于提供一种星载相控阵天线方向图建模在轨修正方法，从而解决相控阵天线在轨工作时由于工作温度下降而导致的天线方向图形状发生变化所引起的雷达在轨性能下降的问题。通过对天线方向图模型的在轨修正，得到低温条件下天线高精度方向图模型，从而得到更为准确的方向图形状，保证雷达系统的工作性能。本发明的修正方法包含地面数据采集及处理和高精度模型修正两个部分内容，用以完成对于相控阵天线方向图模型的在轨修正，从而得到更为准确的方向图以保证雷达系统的在轨性能。

为达到上述目的，本发明采用的技术方案为：

一种星载相控阵天线方向图建模在轨修正方法，包括如下步骤：

步骤101：建立相控阵天线地面高精度方向图模型；

步骤102：采集及处理器件温度变化数据，包括延时组件的数据采集及处理和电缆组件的数据采集及处理；

步骤103：修正相控阵天线地面高精度方向图模型，得到准确的在轨方向图数据。

进一步地，所述步骤101中，建立相控阵天线地面高精度方向图模型的数据包括组成天线的器件特性数据和每个辐射单元对应的射频通道的幅度和相位特性数据；所述组成天线的器件特性数据包括TR组件全部移相态和衰减态的幅度和相位数据和延时组件的全部延时态的幅度和相位数据；所述相控阵天线每个辐射单元对应的射频通道的幅度和相位特性数据为从天线总口至各个辐射单元射频链路的幅度和相位数据。

进一步地，所述步骤101还包括：建立相控阵天线地面高精度方向图模型，具体地，根据天线的拓扑结构以及天线实际的物理尺寸、工作频率、扫描角度、加权系数，由天线波束控制器计算得到每个TR组件和延时组件所使用的波控码。同时，根据天线的波控码和TR组件的全部移相态的幅度和相位数据和衰减态的幅度和相位数据、延时组件全部延时态的幅度和相位数据以及各辐射单元对应的射频通道的幅度和相位数据等基础数据，计算得到天线的口径场分布。根据天线的口径场分布、单元间距、工作频率等参数计算得到天线的远场方向图。此过程为天线的地面高精度模型建立过程。

进一步地，所述步骤102中，所述延时组件的数据采集包括常温数据采集和低温数据采集，所述常温数据采集是在常温条件下，使用矢量网络分析仪测试延时组件全部延时态的幅度和相位数据，用常温全态数据对常温0态做归一化处理，从而得到常温情况下，延时组件的各延时态自身的幅度和相位数据；所述低温数据采集是在低温条件下，使用矢量网络分析仪测试得到低温条件下，延时组件全部延时态的幅度和相位数据，再用低温全态数据对低温0态做归一化处理，从而得到低温情况下，延时各态自身的幅度和相位数据；得到常温和低温的各延时态的幅度和相位数据后，对低温数据与常温数据取差值，得到由于在轨工作温度变化所引起的延时组件幅度差值矩阵和延时组件相位差值矩阵，用于后续的天线方向图在轨修正。

进一步地，所述步骤102中，所述电缆组件的数据采集包括：对阵面馈电网络中所使用的电缆组件测试常温条件下和低温条件下的幅度和相位数据；对低温和常温下的数据取差值，得到由于在轨工作温度变化所引起的电缆组件幅度差值矩阵和电缆组件相位差值矩阵，用于后续的天线方向图在轨修正。

进一步地，所述步骤103包括：

将所述延时组件幅度差值矩阵、延时组件相位差值矩阵、电缆组件幅度差值矩阵、电缆组件相位差值矩阵加入到所述步骤1中的相控阵天线地面高精度方向图模型中，从而得到在轨工作状态下的天线方向图。

进一步地，所述步骤103中，将电缆组件幅度差值矩阵和电缆组件相位差值矩阵根据天线的拓扑结构直接生成与辐射单元一一对应的辐射单元幅度差值矩阵和辐射单元相位差值矩阵，将辐射单元幅度差值矩阵和辐射单元相位差值矩阵加入到阵面的口径场分布实现对电缆组件温变特性的补偿；

根据天线初始设定的工作状态得到天线各个延时组件所使用的延时态，再根据延时组件的工作状态动态查表得到当前延时态所对应的幅度和相位的温度变化差值，将所述温度变化差值补偿到天线的口径场分布中，从而得到补偿后的在轨天线口径场分布，从而计算得到在轨方向图；其中，所述查表的表格内容为延时组件幅度差值矩阵和延时组件相位差值矩阵。

有益效果：

本发明所述的方法有效地解决了卫星由于在轨工作温度低于地面测试时的工作温度所引起的相控阵天线方向图性能变化所带来的雷达系统性能下降的问题，通过方向图模型的在轨修正工作，可以为卫星在轨工作时雷达性能正常发挥提供有力的保障。

附图说明

图1为本发明的一种星载相控阵天线方向图建模在轨修正方法流程框图；

图2为地面建模过程图；其中，（a）为地面建模流程图，（b）为相控阵天线图；

图3为延时组件温度变化引起的相位变化示意图；

图4为延时组件温度变化引起的幅度变化示意图；

图5为在轨修正前后的方向图对比图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。

如图1所示，本发明的星载相控阵天线方向图建模在轨修正方法包括如下步骤：

步骤101：建立相控阵天线地面高精度方向图模型：

具体的，如图2所示，其中，（a）为地面建模流程图，（b）为相控阵天线图，第一步为基态数据录取，在相控阵天线装配完成后，用于方向图建模的数据主要分为两大部分，第一部分数据为组成天线的重要器件的特性数据，如TR组件和延时组件，需要使用矢量网络分析仪对天线的TR组件和延时组件进行数据采集，采集内容包括对TR组件的全部移相态和衰减态的幅度和相位数据进行采集，对延时组件全部延时态的幅度和相位数据进行采集。数据采集完成后，就可以通过数据处理，得到TR组件和延时组件各种工作状态下的幅度和相位数据，此数据可以作为方向图建模数据的重要组成部分。

第二部分数据为相控阵天线每个辐射单元对应的射频通道的幅度和相位特性。需要使用平面近场测量系统对从天线总口至各辐射单元的幅度和相位的频率特性依次进行采集。一般情况下对各辐射单元数据进行采集时，TR组件和延时组件都可以设置为0态或某个已知的工作状态，这样就可以得到各辐射单元的幅度和相位的频率特性。此两部分数据均为建模所需要的基础数据。

第二步为计算天线的波控码，相控阵天线在完成校准后，就可以进行方向图测试验证工作。根据天线的拓扑结构以及天线实际的物理尺寸和工作参数（工作频率、扫描角度、加权系数等），由天线波束控制器计算得到每个TR组件和延时组件所使用的波控码，从而控制天线进行工作。

第三步为计算天线的口径场分布，根据天线工作时的波控码就可以用来查找出TR组件和延时组件工作状态所对应的幅度和相位值，TR组件和延时组件的幅度相位值再叠加各辐射单元对应射频链路的幅度和相位分布就可以算出天线的各个辐射单元的口径场的幅度和相位分布。

第四步为计算天线的远场方向图，根据天线的口径场分布、单元间距、工作频率等参数计算得到天线的远场方向图。

步骤102：采集及处理器件温度变化数据：

具体的，由于不同器件的温度变化数据对天线方向图的影响不同，分为延时组件的数据采集及处理和电缆组件的数据采集及处理。

延时组件的数据采集主要包括常温数据采集和低温数据采集，常温数据采集就是在常温条件下，使用矢量网络分析仪测试延时组件各延时态的幅度和相位数据，并用各延时态数据对延时0态做归一化处理，从而得到常温情况下，延时各态自身的幅度和相位数据。同样的，在低温条件下，使用矢量网络分析仪测试得到低温条件下，延时组件各延时态的幅度和相位数据，并用各延时态数据对延时0态做归一化处理，从而得到低温情况下，延时各态自身的幅度和相位数据。得到常温和低温的延时各态幅度和相位数据后，对低温与常温下的数据取差值，就可以得到由于在轨工作温度变化所引起的延时组件幅度差值矩阵和延时组件相位差值矩阵。此差值数据可以用于后续的方向图在轨修正。

温度变化下不同延时态相位分布示意图如图3所示，温度变化下不同延时态幅度分布示意图如图4所示。需要注意的是此示意图与具体的器件设计方案有关，并不是所有延时组件都是一样的。本发明给出的为某种在使用的延时组件测试得到的示意图。

电缆组件的数据采集同样需要测试常温条件下和低温条件下的幅度和相位数据。对低温和常温下的数据取差值，可以得到由于在轨温度变化所引起的电缆组件幅度差值矩阵和电缆组件相位差值矩阵。此差值数据可以用于后续的方向图在轨修正。

步骤103：在轨相控阵天线方向图模型修正：

具体的，相控阵天线方向图的在轨模型修正的目的就是为了补偿在轨低温环境下温度敏感器件性能变化对相控阵天线性能的影响，就是将前面得到的性能受温度影响较大延时组件和电缆组件的温度变化数据，加入到地面的方向图模型当中。将已经得到的延时组件幅度差值矩阵、延时组件相位差值矩阵、电缆组件幅度差值矩阵、电缆组件相位差值矩阵加入的高精度模型中，从而得到在轨工作状态下的天线方向图。

对于电缆组件的温度变化数据和延时组件的温度变化数据使用有所不同。对于电缆组件的数据，因其所带来的幅度和相位变化与天线的扫描和加权等工作状态没有关系。因此只需要直接将电缆组件幅度差值矩阵和电缆组件相位差值矩阵根据天线的拓扑结构直接生成与辐射单元一一对应的辐射单元幅度差值矩阵和辐射单元相位差值矩阵，将辐射单元幅度差值矩阵和辐射单元相位差值矩阵加入到阵面的口径场分布即可达到对电缆组件温变特性补偿的目的。对于延时组件而言，因为天线工作时，不同的扫描角度和不同的加权值都会直接影响天线延时组件的工作状态，因此，对于延时组件的温度特性的补偿是一种根据天线工作状态而采取的动态补偿过程。先根据天线初始设定的工作状态得到天线各个延时组件工作时的延时态（延时波控码），再根据延时组件的工作状态动态查表得到当前延时态所对应的温度变化差值，将此温度变化差值补偿到延时组件对应区域内的天线口径场分布中，得到补偿后的在轨口径场分布，从而计算得到在轨方向图。其中，所述查表的表格内容为延时组件幅度差值矩阵和延时组件相位差值矩阵。修正前后的方向图对比参见图5。图5中可以看出典型波位在轨和地面的波束指向和波束宽度都受温度影响，尤其主瓣形状偏差达到0.449dB。

本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (4)

1.一种星载相控阵天线方向图建模在轨修正方法，其特征在于，包括如下步骤：

步骤101：建立相控阵天线地面高精度方向图模型，包括：建立相控阵天线地面高精度方向图模型的数据包括组成天线的器件特性数据和所述相控阵天线每个辐射单元对应的射频通道的幅度和相位特性数据；所述组成天线的器件特性数据包括TR组件的全部移相态和衰减态的幅度和相位数据、延时组件的全部延时态的幅度和相位数据；所述相控阵天线每个辐射单元对应的射频通道的幅度和相位特性数据为从天线总口至各个辐射单元射频链路的幅度和相位数据；

根据天线的拓扑结构以及天线实际的物理尺寸、工作频率、扫描角度、加权系数，由天线波束控制器计算得到每个TR组件和延时组件所使用的波控码；根据天线的波控码和TR组件的全部移相态和衰减态的幅度和相位数据、延时组件全部延时态的幅度和相位数据以及各辐射单元对应的射频通道的幅度和相位数据，计算得到天线的口径场分布；根据天线的口径场分布、单元间距、工作频率计算得到天线的远场方向图，从而建立相控阵天线地面高精度方向图模型；

步骤102：采集及处理器件温度变化数据，包括延时组件的数据采集及处理和电缆组件的数据采集及处理，包括：

所述延时组件的数据采集包括常温数据采集和低温数据采集，所述常温数据采集是在常温条件下，使用矢量网络分析仪测试延时组件全部延时态的幅度和相位数据，用常温全态数据对常温0态做归一化处理，从而得到常温情况下，延时组件的各延时态自身的幅度和相位数据；所述低温数据采集是在低温条件下，使用矢量网络分析仪测试得到低温条件下，延时组件全部延时态的幅度和相位数据，再用低温全态数据对低温0态做归一化处理，从而得到低温情况下，各延时态自身的幅度和相位数据；得到常温和低温的各延时态的幅度和相位数据后，对低温数据与常温数据取差值，得到由于在轨工作温度变化所引起的延时组件幅度差值矩阵和延时组件相位差值矩阵，用于后续的天线方向图在轨修正；

步骤103：修正相控阵天线地面高精度方向图模型，得到准确的在轨方向图数据。

2.根据权利要求1所述的一种星载相控阵天线方向图建模在轨修正方法，其特征在于，所述步骤102中，所述电缆组件的数据采集包括：对阵面馈电网络中所使用的电缆组件测试常温条件下和低温条件下的幅度和相位数据；对低温和常温下的数据取差值，得到由于在轨工作温度变化所引起的电缆组件幅度差值矩阵和电缆组件相位差值矩阵，用于后续的天线方向图在轨修正。

3.根据权利要求2所述的一种星载相控阵天线方向图建模在轨修正方法，其特征在于，所述步骤103包括：

将所述延时组件幅度差值矩阵、延时组件相位差值矩阵、电缆组件幅度差值矩阵、电缆组件相位差值矩阵加入到所述步骤101中的相控阵天线地面高精度方向图模型中，从而得到在轨工作状态下的天线方向图。

4.根据权利要求3所述的一种星载相控阵天线方向图建模在轨修正方法，其特征在于，所述步骤103中，将电缆组件幅度差值矩阵和电缆组件相位差值矩阵根据天线的拓扑结构直接生成与辐射单元一一对应的辐射单元幅度差值矩阵和辐射单元相位差值矩阵，将辐射单元幅度差值矩阵和辐射单元相位差值矩阵加入到阵面的口径场分布实现对电缆组件温变特性的补偿；

根据天线的工作状态得到天线各个延时组件所使用的延时态，再根据延时组件的工作状态动态查表得到当前延时态所对应的幅度和相位的温度变化差值，将所述温度变化差值补偿到天线的口径场分布中，从而得到补偿后的在轨天线口径场分布，从而计算得到在轨方向图；其中，所述查表的表格内容为延时组件幅度差值矩阵和延时组件相位差值矩阵。

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