CN115941074A - 一种波导阵列相控阵天线有源通道内校准方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种波导阵列相控阵天线有源通道内校准方法，属于天线技术领域。在相控阵天线系统中设计内校准功分器，在天线远场测试条件下，在发射校准时将从每个发射通道耦合的射频信号传输给校准接收机，得到发射内源数据；在接收校准时将校准发射机的射频信号等功分后传输给每个有源收发组件的接收通道，得到接收内源数据；通过对采集到的有源收发通道的内外源数据进行计算，得到发射和接收K值，标定在雷达系统中，在雷达工作过程中利用内校准功分网络通过实控机校准模式实现对有源通道的实时校准。该方法通过波导阵列天线中的校准功分器实现对有源通道的实时校准，保证了天线系统工作时的辐射性能。
Description
技术领域
本发明属于天线技术领域，涉及一种波导相控阵天线有源通道内校准方法，主要应用于有源收发组件相控阵波导阵列天线系统，也可适用于对有源通道校准有要求的其它相控阵天线系统中。
背景技术
有源相控阵天线系统是采用分布式有源收发组件实现相控扫描的天线系统，发射时组件饱合输出，提高发射效率，通过控制组件中移相器的相位实现发射波束扫描和发射宽波束；接收时可以实现射频合成，也可以通过数字波束形成实现同时多波束。相对于无源相控阵天线系统，有源相控阵天线系统的优点是重复性、可靠性、一致性好，即使有少量的有源收发组件损坏，也不会影响天线系统性能指标，而且能很方便地实现在线维修；波束实现灵活，可以满足多种任务和多目标工作要求。有源相控阵天线系统由于其具有的强大性能优势，必将会取代无源相控阵天线系统作为雷达天线系统大量使用。
有源相控阵天线系统中的有源器件在工作过程中，随着时间加长会出现老化现象，使得有源通道中的幅度相位发生变化，同时环境温度的变化也会对有源通道产生影响。校准的目的是实时掌握有源通道中的幅相变化，在必要时采集有源通道中的幅度相位数据，作为计算相控扫描天线幅相加权值的基准。
有源相控阵列天线系统在工作前首先要对每个通道初相进行标定，当通道相位变化已经影响天线辐射特性时，就需要对有源通道相位进行校准，目前校准有两种方法：一是外校准，就是通过外加校准天线的方式，利用与每个通道辐射单元之间信号空间传输实现有源通道收发校准，这种方法的优点是设计简单，设备量少，成本低；缺点是受环境影响明显，动态范围大，校准效果差。二是内校准，就是通过在信号传输主路上耦合出微小信号实现对有源通道收发校准，这种方法的优点是受环境影响小，动态范围小，校准效果好；缺点是网络复杂，设备量多，成本高。
发明内容
要解决的技术问题
为了避免现有技术的不足之处，本发明提供一种波导相控阵天线有源通道内校准方法，该实现方法在增加硬件设备量较少及成本增加并不多的条件下，通过波导阵列天线中的校准功分器实现对有源通道的实时校准，保证了天线系统工作时的辐射性能，此种有源通道内校准的实现方法可以在工程实践中被大量推广应用。
技术方案
一种波导阵列相控阵天线有源通道内校准方法，其特征在于：在相控阵天线系统中设计内校准功分器，校准功分器设计在T/R组件和波导线阵之间，一端连接校准发射接收机，另一端连接波导负载，通过耦合实现与主传输通道之间的信号传输；
在天线远场测试条件下，在发射校准时将从每个发射通道耦合的射频信号传输给校准接收机，得到发射内源数据；在接收校准时将校准发射机的射频信号等功分后传输给每个有源收发组件的接收通道，得到接收内源数据；
通过对采集到的有源收发通道的内外源数据进行计算，得到发射和接收K值，标定在雷达系统中，在雷达工作过程中利用内校准功分网络通过实控机校准模式实现对有源通道的实时校准。
本发明进一步的技术方案：所述的内校准功分器采用行波传输波导功分器，通过垂直馈电完成射频信号的分配合成，嵌入阵列天线馈电端，实现与天线系统共形。
本发明进一步的技术方案：通过对采集到的有源收发通道的内外源数据进行计算，得到发射和接收K值，具体如下：
发射K值：
接收K值：
其中，TN和RN为通过内校准功分器和天线远场测试系统完成对每个有源通道发射、接收的内源数据，TW和RW为通过内校准功分器和天线远场测试系统完成对每个有源通道发射、接收的外源数据。
本发明进一步的技术方案：在天线远场测试系统中增加两个光纤延迟线，分别放置在测试远场两端，实现不同信号时分，完成内外源数据同时采集。
本发明进一步的技术方案：在雷达工作过程中利用内校准功分网络通过实控机校准模式实现对有源通道的实时校准，具体如下：
当需要对有源通道进行校准时，实控机控制雷达系统进入校准模式，通过内校准系统采集每个有源通道当前状态下的发射和接收内源数据TN'和RN’，将此内源数据和K值相乘得到当前状态下的发射和接收外源数据TW'和RW'，如下式所示：
发射外源：TW'＝TK×TN'；接收外源：RW'＝RK×RN'。
有益效果
本发明提供的一种波导阵列相控阵天线有源通道内校准方法，在设备量和成本增加不多的情况下，实现了对有源通道的内校准，解决了由于温漂引起有源组件特性变化造成天线辐射性能变差的问题。有益效果如下：
1、内校准功分器采用垂直耦合馈电形式，设计在有源收发组件和波导线阵之间，解决了校准信号传输路径上微波器件太多导致的信号动态范围大的问题，实现了接收机与信号幅度最佳匹配，提高了内校准数据的可靠性。
2、在天线远场测试系统中利用光纤延迟线对射频信号的延时特性，解决了内外源数据采集必须通过调整测试系统先后分别进行的问题，实现了在一个测试系统中同时完成内外源数据采集，保证了测试数据是有源通道状态的真实反映，提高了发射和接收K值的准确性。
附图说明
附图仅用于示出具体实施例的目的，而并不认为是对本发明的限制，在整个附图中，相同的参考符号表示相同的部件。
图1表示本发明实施例天线系统组成连接示意图；
图2表示本发明实施例内校准信号传输示意图；
图3表示本发明实施例外校准信号传输示意图；
图4表示本发明实施例发射内外源数据采集测试连接框图；
图5表示本发明实施例接收内外源数据采集测试连接框图；
图6表示本发明实施例接收波束时分示意图；
图7表示本发明实施例开始工作时实测方向图；
图8表示本发明实施例工作一段时间后实测方向图；
图9表示本发明实施例完成校准后实测方向图。
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，以下结合附图和实施例，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用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面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。
对于波导阵列有源相控阵天线系统，每根辐射波导线阵后面连接一个有源收发组件，实现波束相控扫描。在发射时组件饱合输出，通过组件中发射通道中的移相器实现不同波束宽度的发射波束；在接收时采用DBF数字波束形成技术实现接收波束合成，同时多波束工作。天线系统有源通道内校准方法需要通过天线设计和测试实现，具体实现方法为：1.在相控阵天线系统中设计内校准功分器，通过耦合实现与主传输通道之间的信号传输。在发射校准时将从每个发射通道耦合的射频信号传输给校准接收机，得到发射内源数据；在接收校准时将校准发射机的射频信号等功分后传输给每个有源收发组件的接收通道，得到接收内源数据。2.在天线远场条件下完成有源收发通道的内外源幅相数据采集，此幅相数据能够反映正常工作时天线系统有源通道的实时状态，是进行内校准的标准数据。3.通过对采集到的有源收发通道的内外源数据进行计算，得到发射和接收K值，标定在雷达系统中，在雷达工作过程中利用内校准功分网络通过实控机校准模式实现对有源通道的实时校准。
本发明中的内校准功分器采用行波传输波导功分器，通过垂直馈电完成射频信号的分配合成，可以嵌入波导阵面中，实现与天线系统共形。校准功分器采用垂直孔耦合形式，设计在波导线阵馈电端，128个耦合孔尺寸相同，实现等幅馈电；校准功分器设计在阵列天线馈电端，缩短了内校准信号传输路径，减小了内校准信号的动态范围，提高数据可靠性。
本发明中的内外源数据采集是在天线远场测试条件下完成的，选择天线测试控制软件内外源数据采集模式，通过内校准功分器和天线远场测试系统完成对每个有源通道发射接收内源数据TN和RN及外源数据TW和RW采集。在天线远场测试系统中增加两个光纤延迟设备，利用此设备的延时特性，将天线发射和接收到的不同信号在时间上分隔开来，既能同时采集到有源通道相同状态下的内外源数据，又能使干扰信号不会对校准信号产生影响，保证采集到的内外源数据真实可靠。
本发明中的发射和接收K值通过将采集到的发射和接收内外源数据相比得到，如下式所示：
发射K值：
接收K值：
当需要对有源通道进行校准时，实控机控制雷达系统进入校准模式，通过内校准系统采集每个有源通道当前状态下的发射和接收内源数据TN'和RN’，将此内源数据和K值相乘得到当前状态下的发射和接收外源数据TW'和RW'，如下式所示：
发射外源：TW'＝TK×TN'；接收外源：RW'＝RK×RN'。
计算得到的发射和接收外源数据TW'和RW'反映了当前时刻发射和接收有源通道的实时状态，用此外源数据计算幅相加权值，保证有源相控阵天线系统辐射性能恢复到最佳状态，提高了雷达系统整体性能。
图1表示本发明的天线系统组成连接示意图，天线系统包含T/R组件、波导同轴转换、校准功分器、波导辐射线阵、负载。校准功分器设计在T/R组件和波导线阵之间，一端连接校准发射接收机，另一端连接波导负载。
如图2所示为本发明实施例内校准信号传输示意图，内校准通道包含T/R组件、波导同轴转换、校准功分器。
如图3所示为本发明实施例外校准信号传输示意图，外校准通道包含T/R组件、波导同轴转换、校准功分器、波导辐射线阵。
如图4所示为本发明实施例发射内外源数据采集测试连接框图，T/R组件辐射信号，通过校准功分器后被天线阵面向空间辐射，接收喇叭1接收到的信号经过光纤延迟线2延时后被发射喇叭辐射，接收喇叭2接收到的信号经低噪放、光纤延迟线1、一分二功分器传输给校准接收机，此信号为发射外源数据；通过校准功分器耦合也耦合的微弱信号经过一分二功分器传输给校准接收机，此信号为发射内源数据。
如图5所示为本发明实施例接收内外源数据采集测试连接框图，校准发射机输出的信号，经过一分二功分器后一路经校准功分器耦合孔被T/R组件接收通道接收，此信号为接收内源数据；另一路经光纤延迟线1延时后被发射喇叭1向空间辐射，接收喇叭接收信号经光纤延迟线2延时后被发射喇叭2辐射，被天线阵面接收后经过校准功分器传输给T/R组件接收通道，此信号为接收外源数据。
如图6所示为本发明实施例接收波束时分示意图，发射信号辐射后接收机在不同时刻接收到四个回波信号，接收波束1为发射/接收内源数据，接收波束2为经过光纤延迟线1延时后的信号，接收波束3是经过光纤延迟线1和远场测试路径延时后被反射回来的信号，接收波束4是经过光纤延迟线1、远场测试路径和光纤延迟线2延时后的信号，此信号为发射/接收外源数据。
本发明的实施例为工作在X波段的有源相频扫阵列天线系统，方位面单元数为128，每个单元后面连接有源收发组件，通过DBF实现接收波束合成，俯仰面单元数为120。如图7所示为本发明实施例经过幅相加权后开始工作时实测和差方向图，如图8所示为本发明实施例工作一段时间后实测方向图，如图9所示为本发明实施例完成内校准后实测方向图。
从本发明实施例实测结果可以看出，通过本发明波导相控阵天线有源通道内校准网络，在天线测试时完成对有源通道内外源数据采集，得到发射和接收K值，标定在天线系统中。当天线系统正常工作过程中辐射特性变差时，利用本发明内校准方法重新对天线系统有源通道完成幅相校准，可以使天线系统性能恢复到最佳工作状态。
以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明公开的技术范围内，可轻易想到各种等效的修改或替换，这些修改或替换都应涵盖在本发明的保护范围之内。
Claims (5)
1.一种波导阵列相控阵天线有源通道内校准方法，其特征在于：在相控阵天线系统中设计内校准功分器，校准功分器设计在T/R组件和波导线阵之间，一端连接校准发射接收机，另一端连接波导负载，通过耦合实现与主传输通道之间的信号传输；
在天线远场测试条件下，在发射校准时将从每个发射通道耦合的射频信号传输给校准接收机，得到发射内源数据；在接收校准时将校准发射机的射频信号等功分后传输给每个有源收发组件的接收通道，得到接收内源数据；
通过对采集到的有源收发通道的内外源数据进行计算，得到发射和接收K值，标定在雷达系统中，在雷达工作过程中利用内校准功分网络通过实控机校准模式实现对有源通道的实时校准。
2.根据权利要求1所述的根据权利要求1所述的波导阵列相控阵天线有源通道内校准方法，其特征在于：所述的内校准功分器采用行波传输波导功分器，通过垂直馈电完成射频信号的分配合成，嵌入阵列天线馈电端，实现与天线系统共形。
3.根据权利要求1所述的根据权利要求1所述的波导阵列相控阵天线有源通道内校准方法，其特征在于：通过对采集到的有源收发通道的内外源数据进行计算，得到发射和接收K值，具体如下：
发射K值：
接收K值：
其中，TN和RN为通过内校准功分器和天线远场测试系统完成对每个有源通道发射接收的内源数据，TW和RW为通过内校准功分器和天线远场测试系统完成对每个有源通道发射接收的外源数据。
4.根据权利要求3所述的根据权利要求1所述的波导阵列相控阵天线有源通道内校准方法，其特征在于：在天线远场测试系统中增加两个光纤延迟线，分别放置在测试远场两端，实现不同信号时分，完成内外源数据同时采集。
5.根据权利要求1所述的根据权利要求1所述的波导阵列相控阵天线有源通道内校准方法，其特征在于：在雷达工作过程中利用内校准功分网络通过实控机校准模式实现对有源通道的实时校准，具体如下：
当需要对有源通道进行校准时，实控机控制雷达系统进入校准模式，通过内校准系统采集每个有源通道当前状态下的发射和接收内源数据TN'和RN’，将此内源数据和K值相乘得到当前状态下的发射和接收外源数据TW'和RW'，如下式所示：
发射外源：TW'＝TK×TN'；接收外源：RW'＝RK×RN'。
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