CN116298553A - 基于外插的近场天线阵列单元幅度相位校准系统及方法 - Google Patents

基于外插的近场天线阵列单元幅度相位校准系统及方法 Download PDF

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CN116298553A CN202310375985.5A CN202310375985A CN116298553A CN 116298553 A CN116298553 A CN 116298553A CN 202310375985 A CN202310375985 A CN 202310375985A CN 116298553 A CN116298553 A CN 116298553A
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    • Y02D30/70—Reducing energy consumption in communication networks in wireless communication networks

Abstract

本发明涉及基于外插的近场天线阵列单元幅度相位校准系统及方法，探头天线在待测阵列天线近场范围和阵列单元远场范围内，逐一对阵列单元进行校准测量，测量过程中，使用扫描架辅助探头天线进行扫描，用矢量网络分析仪记录探头天线接收到的各个阵列单元的辐射信号，将记录的复数信号拆分成幅度和相位，根据测量过程中阵列单元和探头天线的相对位置关系，使用自由空间传输函数对其进行补偿后，使用最小二乘法对幅度和相位信号做二次曲线拟合，然后进行外插处理，对外插后的曲线加以比较并计算出各个单元的初始激励完成校准。本发明降低了校准测量对扫描架尺寸的需求，为雷达散射截面(RCS)的测量降低成本，提升测试效率。

Description

基于外插的近场天线阵列单元幅度相位校准系统及方法
技术领域
本发明涉及微波测量领域，具体涉及一种基于外插的近场天线阵列单元幅度相位校准系统及方法。
背景技术
雷达散射截面(RCS)测量是雷达隐身技术中最关键的概念，它表征了目标在雷达波照射下所产生回波强度的一种物理量。RCS是指雷达入射方向上单位立体角内返回散射功率与目标截状的功率密度之比。在RCS测量中，理论上要求使用均匀平面波照射目标进行测量。目前有远场法，紧缩场法和平面波生成器(PWG)三种方法来实现平面波条件。其中，远场法受限于其测试距离大和保密性差，而紧缩场需要对口面进行精密的设计以减小边缘绕射，PWG由于其易于波束扫描且普遍适用于各个频段的特点而备受青睐。
保证PWG生成的平面波质量的关键在于得到天线阵列各个单元的初始激励，即相控阵校准。通常，相控阵校准在远场条件下进行，通过探头天线逐一对阵列单元正对测量，探头天线的扫描区域至少为阵列天线口径。近年来，近场条件下的相控阵校准技术逐渐发展。由于测试距离的限制，探头天线的扫描区域需要大于阵列天线口径，以保证能内插出探头天线和阵列单元正对时的测试信号。现有技术往往要求探头天线的扫描区域大于或等于阵列天线口径，然而随着测试目标尺寸的增大，平面波区域被要求随之增大，对应于PWG尺寸的增大，如飞机尺寸往往大于20米。对于大型的阵列天线，若探头天线的扫描区域与阵列天线口径相当，测量成本会大幅提高，测试效率将大幅下降。
总之，现有技术在近场相控阵校准方面尚不成熟，对于有限的探头天线的扫描区域与大型的阵列天线之间的矛盾还没有得到充分的解决。
发明内容
本发明技术解决问题：克服现有技术的不足，提供一种基于外插的近场天线阵列单元幅度相位校准系统及方法，探头天线仅需在待测阵列天线近场范围内，其扫描区域仅需0.4～0.6倍的待测阵列天线口径，即可完成校准，降低了校准测量对扫描架尺寸的需求，解决了有限的探头天线的扫描区域与大型的阵列天线之间的矛盾，为雷达散射截面(RCS)测量降低了实验成本，提升了测试效率。
本发明技术解决方案：
第一方面，本发明一种基于外插的近场天线阵列单元幅度相位校准系统，包括待测的阵列天线、探头天线、扫描架、幅相调控网络和矢量网络分析仪；
探头天线放置于待测阵列天线近场范围内，待测阵列天线单元的远场范围内的扫描架上；待测阵列天线和扫描架的距离为R，R应小于
Figure BDA0004170390910000021
为待测阵列天线的远场范围，其中D为待测阵列天线口径，λ为待测阵列天线工作频率下对应的波长；
幅相调控网络的输出分别接至待测天线的每个阵列单元上，用以赋予各个阵列单元激励的幅度和相位；使用单个探头天线对待测天线阵列中各个阵列单元进行扫描，在对某个阵列单元测量时仅该阵列单元处于开启状态，其余阵列单元都处于关闭状态，即控制幅相调控网络将待测试中的某个阵列单元设为开启状态，将其余阵列单元均设置为关闭状态；探头天线的扫描区域为L，L在0.4D～0.6D范围内，即测量时探头天线扫描区域不需要覆盖整个待测阵列天线口径；采用空口测量的方式，控制探头天线在扫描架上以固定间距运动，使用矢量网络分析仪记录探头天线收到的测试信号；
将矢量网络分析仪接收到的复数信号拆分成幅度和相位，根据自由空间传输函数和二次曲线的差别对幅度和相位进行补偿，该二次曲线由自由空间传输函数在Ω的范围使用最小二乘法拟合得到，Ω是探头天线和待测阵列天线单元相对位置形成的区间；再根据探头天线和待测天线的阵列单元的相对位置使用最小二乘法用二次曲线拟合幅度和相位曲线，得到各单元对应幅度相位曲线的拟合二次曲线的系数，再根据系数将二次曲线外插至Ω范围；对比待测天线的各个阵列单元外插后的幅度和相位曲线，计算待测天线中各个阵列单元的初始激励，即初始幅度和初始相位，从而完成基于外插的近场天线阵列单元幅度相位校准。
进一步，所述根据自由空间传输函数和二次曲线的差别对幅度和相位进行补偿的方法如下：
在Ω的范围内，对自由空间传输函数使用最小二乘法进行二次曲线拟合，将自由空间传输函数和二次曲线之间的差别从测得的幅度和相位信号中减去；所述自由空间传输函数公式为：
Figure BDA0004170390910000022
其中，r为探头天线和待测阵列天线单元之间的距离，k为自由空间波数。
进一步，所述使用最小二乘法用二次曲线拟合幅度和相位曲线如下：
对测得的幅度和相位信号使用二次曲线拟合，二次曲线的方程可表示为：f(x)＝ax2+bx+c，其中x代表探头天线与待测阵列天线中各个单元之间的相对位置；基于测得的幅度和相位信号使用最小二乘法求解拟合的二次曲线的系数a,b,c，建立矩阵方程：AX＝B，矩阵
Figure BDA0004170390910000031
基于相对位置关系建立，X＝[a b c]T为待求解的二次曲线的系数组成的向量，向量B＝[y1 y2 … ym]T为测到的幅度和相位信号，其中，m表示探头天线在对某个待测阵列天线单元进行扫描时测量的次数；通过最小二乘法求解二次曲线系数组成的向量：X＝(ATA)-1ATB。
进一步，所述固定间距运动中的固定间距为(0.5～1)倍λ，测得足够的信号以保证校准精度。
进一步，所述Ω的范围为0.9～1.1倍
Figure BDA0004170390910000032
进一步，所述对比待测天线的各个阵列单元外插后的幅度和相位曲线，计算待测阵列天线中各个单元的初始激励的方法如下：选取中心单元的幅度和相位曲线作为参考，各个单元初始激励幅度为各个单元对应的幅度二次曲线在扫描区域内对参考幅度曲线做差再取平均值；各个单元初始激励相位由各个单元对应的相位二次曲线和参考相位曲线的顶点做差得到。
进一步，所述控制幅相调控网络将待测试中的某个阵列单元设为开启状态即0dB,0°，将其余阵列单元均设为关闭状态即105dB,0°。
第二方面，本发明提供一种基于外插的近场天线阵列单元幅度相位校准方法，包括以下步骤：
(1)将探头天线放置于待测阵列天线近场范围内，待测阵列天线单元的远场范围内的扫描架上；待测阵列天线和扫描架的距离为R，R应小于
Figure BDA0004170390910000033
为待测阵列天线的远场范围，其中D为待测阵列天线口径，λ为待测阵列天线工作频率下对应的波长；
(2)幅相调控网络的输出分别接至待测天线的每个阵列单元上，用于提供每个阵列单元的激励幅度和相位，用计算机控制幅相调控网络将待测试阵列天线中的某个阵列单元设为开启状态即0dB,0°，将其余阵列单元都设为关闭状态即105dB,0°；
(3)采用空口测量的方式，使用探头天线逐一测量待测阵列单元，控制探头天线在扫描架上以固定间距运动，该固定间距为0.5～1倍λ，使用矢量网络分析仪记录探头天线收到的测试信号，λ为待测阵列天线工作频率下对应的波长；探头天线扫描区域为L，L在0.4D～0.6D范围内，即测量时探头天线扫描区域不需要覆盖整个待测阵列天线口径；
(4)将测试的复数信号拆分成幅度和相位，根据自由空间传输函数和二次曲线在Ω上的差别对幅度和相位进行补偿，Ω是探头天线和待测阵列天线单元相对位置形成的区间；
(5)根据探头天线扫描区域和待测阵列天线单元的相对位置使用最小二乘法用二次曲线拟合测得信号的幅度相位曲线；根据最小二乘法计算出的曲线方程将幅度和相位曲线外插至Ω范围，Ω为0.9～1.1倍的
Figure BDA0004170390910000041
(6)对比待测天线的各个阵列单元外插后的幅度和相位曲线，计算待测天线中各个阵列单元的初始激励，即初始幅度和初始相位，从而完成基于外插的近场天线阵列单元幅度相位校准。
本发明与现有技术相比的优点在于：
(1)本发明降低了校准测量对扫描架尺寸的需求，解决了有限的探头天线的扫描区域与大型的阵列天线之间的矛盾，为雷达散射截面(RCS)测量降低了实验成本，提升了测试效率。
(2)本发明区别于现有技术，在近场测量的信号模型下，提出了一种全新的校准方案，具有很好的鲁棒性，对于测试环境中的多次反射和随机噪声有抗干扰能力强的优点。
(3)本发明在待测阵列天线近场范围内进行校准测量，降低了RCS测量对微波暗室尺寸的需求，扩大了具有保密性的室内RCS测量的应用场景。
附图说明
图1为基于外插的空口近场天线阵列单元幅度相位校准测试系统示意图；
图中附图标记含义，1为扫描架；2为探头天线；3为矢量网络分析仪；4为待测阵列天线；5为阵列单元；6为幅相调控网络；7为计算机；8为吸波材料；9为微波暗室；
图2为以Vivaldi天线为例在待测阵列天线近场范围内，待测阵列天线单元远场范围内仿真了扫描区域为-1m～1m的辐射场分布，并对辐射场幅度分布使用最小二乘法对其进行二次曲线拟合。图中实线为仿真中的辐射场幅度分布，虚线为拟合的幅度二次曲线；
图3为以Vivaldi天线为例在待测阵列天线近场范围内，待测阵列天线单元远场范围内仿真了扫描区域为-1m～1m的辐射场分布，并对辐射场相位分布使用最小二乘法对其进行二次曲线拟合。图中实线为仿真中的辐射场相位分布，虚线为拟合的相位二次曲线。
具体实施方式
下面结合附图以及具体实施方式进一步说明本发明。
如图1所示，本发明的校准测量系统包括：
整个校准测量过程在微波暗室9中完成，微波暗室表面铺有吸波材料8用于吸收环境中的干扰信号以减少对校准测量的影响，如多次反射的电磁波，环境中的噪声等。待测阵列天线4由多个阵列单元5组成，由计算机7控制幅相调控网络6以赋予各个阵列单元激励的幅度和相位。当幅相调控网络对待测阵列单元设置0dB,0°时，该单元处于开启状态；设置为105dB，0°时，该单元处于关闭状态。扫描架1与待测阵列天线对齐，将探头天线2放置在扫描架1上，将扫描架1置于待测阵列天线2近场范围而在待测阵列天线单元的远场范围。矢量网络分析仪3与探头天线连接用于记录探头天线收集到的测试信号，另一方面与幅相调控网络连接用于生成激励信号并传输给幅相调控网络。
本发明的校准理论依据如下：
当探头天线位于待测阵列天线近场范围而在阵列单元远场范围测量阵列天线单元时，其信号模型可近似地用一个线性系统来表示。数学模型如下：
sn＝hncnangn
其中，sn为探头天线测量阵列单元n时接收到的信号，hn代表阵列单元n的初始激励，cn代表阵列单元n在探头天线位置处的场分布，an代表阵列单元n和探头天线之间的自由空间传输函数，gn代表探头天线在阵列单元n处的场分布。
随着探头天线的扫描过程，上述各参量都将变成矢量，并与探头天线和待测阵列单元的相对位置互相映射。如图2，图3所示，实线表示仿真曲线，虚线为拟合的二次曲线，阵列单元远场方向图在其半功率波束宽度(HPBW)内近似于二次曲线。探头天线远场方向图也近似于二次曲线，通常探头天线方向图已知，可以进行探头补偿。自由空间传输函数可由探头天线和待测阵列单元之间的相对位置关系计算并补偿为二次曲线。当探头天线扫描区域有限时，测得的数据也有限，探头天线无法对一部分阵列单元正对测量，因此使用外插的方法将正对时的数据外插出来，再由外插后的数据计算初始激励。
下面再给出动态工作过程即校准方法。具体如下：
(1)将探头天线放置于在待测阵列天线近场范围内，待测阵列天线单元的远场范围内的扫描架上；待测阵列天线和扫描架的距离为R，R应小于
Figure BDA0004170390910000051
为待测阵列天线的远场范围，其中D为待测阵列天线口径，λ为待测阵列天线工作频率下对应的波长；
(2)幅相调控网络的输出分别连接到待测阵列天线各个阵列单元上，用以赋予各个阵列单元激励的幅度和相位；用计算机控制幅相调控网络将待测阵列单元设为开启状态即0dB,0°，将其余单元都设为关闭状态，即105dB,0°；
(3)采用空口测量的方式，使用探头天线逐一测量待测阵列单元；控制探头天线在扫描架上以固定间距运动，该固定间距为0.5～1倍λ，使用矢量网络分析仪记录探头天线收到的测试信号，λ为待测阵列天线工作频率下对应的波长；探头天线扫描区域为L，L在0.4D～0.6D范围内，即测量时探头天线扫描区域不需要覆盖整个待测阵列天线口径；
(4)将测得的复数信号拆分成幅度和相位，根据自由空间传输函数和二次曲线在Ω的范围上的差别对幅度和相位进行补偿，Ω是探头天线和待测阵列天线单元相对位置形成的区间；Ω的范围为0.9～1.1倍的
Figure BDA0004170390910000061
具体补偿的方法为：在Ω的范围内，对自由空间传输函数使用最小二乘法进行二次曲线拟合，将自由空间传输函数和二次曲线之间的差别从测得的幅度和相位信号中减去，所述自由空间传输函数公式为：/>
Figure BDA0004170390910000062
其中r为探头天线和待测阵列天线单元之间的距离，k为自由空间波数；
(5)根据探头天线和待测天线的阵列单元的相对位置使用最小二乘法用二次曲线拟合幅度和相位曲线，得到各单元对应幅度相位曲线的拟合二次曲线的系数，再根据系数将二次曲线外插至Ω的范围；对测得的幅度和相位信号使用二次曲线拟合，二次曲线的方程可表示为：f(x)＝ax2+bx+c，其中x代表探头天线与待测阵列天线中各个单元之间的相对位置；基于测得的幅度和相位信号使用最小二乘法求解拟合的二次曲线的系数a,b,c，建立矩阵方程：AX＝B，矩阵
Figure BDA0004170390910000063
基于探头天线和待测阵列单元的相对位置关系建立，X＝[a b c]T为待求解的二次曲线的系数组成的向量，向量B＝[y1 y2 … ym]T为测到的幅度和相位信号，其中m表示探头天线在对某个待测阵列天线单元进行扫描时测量的次数；通过最小二乘法求解二次曲线系数组成的向量：X＝(ATA)-1ATB。根据最小二乘法计算出的二次曲线方程将幅度和相位曲线外插至Ω范围；
(6)对比待测天线的各个阵列单元外插后的幅度和相位曲线，计算待测阵列天线中各个单元的初始激励。选取中心单元的幅度和相位曲线作为参考，各个单元初始激励幅度为各个单元对应的幅度二次曲线在扫描区域内对参考幅度曲线做差再取平均值；各个单元初始激励相位由各个单元对应的相位二次曲线和参考相位曲线的顶点做差得到。由此得到各单元的初始幅度和初始相位，从而完成基于外插的近场天线阵列单元幅度相位校准。

Claims (8)

1.一种基于外插的近场天线阵列单元幅度相位校准系统，其特征在于：包括待测的阵列天线、探头天线、扫描架、幅相调控网络和矢量网络分析仪；
探头天线放置于待测阵列天线近场范围内，待测阵列天线单元的远场范围内的扫描架上；待测阵列天线和扫描架的距离为R，R应小于
Figure FDA0004170390900000011
为待测阵列天线的远场范围，其中D为待测阵列天线口径，λ为待测阵列天线工作频率下对应的波长；
幅相调控网络的输出分别接至待测天线的每个阵列单元上，用以赋予各个阵列单元激励的幅度和相位；使用单个探头天线对待测天线阵列中各个阵列单元进行扫描，在对某个阵列单元测量时仅该阵列单元处于开启状态，其余阵列单元都处于关闭状态，即控制幅相调控网络将待测的阵列单元设为开启状态，将其余阵列单元均设置为关闭状态；探头天线的扫描区域为L，L在0.4D～0.6D范围内，即测量时探头天线扫描区域不需要覆盖整个待测阵列天线口径；采用空口测量的方式，控制探头天线在扫描架上以固定间距运动，使用矢量网络分析仪记录探头天线收到的测试信号；
将矢量网络分析仪接收到的复数信号拆分成幅度和相位，根据自由空间传输函数和二次曲线的差别对幅度和相位进行补偿，该二次曲线由自由空间传输函数在Ω的范围使用最小二乘法拟合得到，Ω是探头天线和待测阵列天线单元相对位置形成的区间；再根据探头天线和待测天线的阵列单元的相对位置使用最小二乘法用二次曲线拟合幅度和相位曲线，得到各单元对应幅度相位曲线的拟合二次曲线的系数，再根据系数将二次曲线外插至Ω范围；对比待测天线的各个阵列单元外插后的幅度和相位曲线，计算待测天线中各个阵列单元的初始激励，即初始幅度和初始相位，从而完成基于外插的近场天线阵列单元幅度相位校准。
2.根据权利要求1所述的基于外插的近场天线阵列单元幅度相位校准系统，其特征在于：所述根据自由空间传输函数和二次曲线的差别对幅度和相位进行补偿的方法如下：
在Ω的范围内，对自由空间传输函数使用最小二乘法进行二次曲线拟合，将自由空间传输函数和二次曲线之间的差别从测得的幅度和相位信号中减去；所述自由空间传输函数公式为：
Figure FDA0004170390900000012
其中，r为探头天线和待测阵列天线单元之间的距离，k为自由空间波数。
3.根据权利要求1所述的基于外插的近场天线阵列单元幅度相位校准系统，其特征在于：所述使用最小二乘法用二次曲线拟合幅度和相位曲线如下：
对测得的幅度和相位信号使用二次曲线拟合，二次曲线的方程可表示为：f(x)＝ax2+bx+c，其中x代表探头天线与待测阵列天线中各个单元之间的相对位置；基于测得的幅度和相位信号使用最小二乘法求解拟合的二次曲线的系数a,b,c，建立矩阵方程：AX＝B，矩阵
Figure FDA0004170390900000021
基于探头天线和待测阵列单元的相对位置关系建立，X＝[a b c]T为待求解的二次曲线的系数组成的向量，向量B＝[y1 y2 … ym]T为测到的幅度和相位信号，其中m表示探头天线在对某个待测阵列天线单元进行扫描时测量的次数；通过最小二乘法求解二次曲线系数组成的向量：X＝(ATA)-1ATB。
4.根据权利要求1所述的基于外插的近场天线阵列单元幅度相位校准系统，其特征在于：所述固定间距运动中的固定间距为(0.5～1)λ，测得足够的信号以保证校准精度。
5.根据权利要求1所述的基于外插的近场天线阵列单元幅度相位校准系统，其特征在于：所述探头天线和待测阵列天线单元相对位置形成的区间Ω在0.9～1.1倍
Figure FDA0004170390900000022
范围。
6.根据权利要求1所述的基于外插的近场天线阵列单元幅度相位校准系统，其特征在于：所述对比待测天线的各个阵列单元外插后的幅度和相位曲线，计算待测阵列天线中各个单元的初始激励的方法如下：选取中心单元的幅度和相位曲线作为参考，各个单元初始激励幅度为各个单元对应的幅度二次曲线在扫描区域内对参考幅度曲线做差再取平均值；各个单元初始激励相位由各个单元对应的相位二次曲线和参考相位曲线的顶点做差得到。
7.根据权利要求1所述的基于外插的近场天线阵列单元幅度相位校准系统，其特征在于：所述控制幅相调控网络将待测试中的某个阵列单元设为开启状态即0dB,0°，将其余阵列单元均设为关闭状态即105dB,0°。
8.一种基于外插的近场天线阵列单元幅度相位校准方法，其特征在于，包括以下步骤：
(1)将探头天线放置于待测阵列天线近场范围内，待测阵列天线单元的远场范围内的扫描架上；待测阵列天线和扫描架的距离为R，R应小于
Figure FDA0004170390900000023
Figure FDA0004170390900000024
为待测阵列天线的远场范围，其中D为待测阵列天线口径，λ为待测阵列天线工作频率下对应的波长；
(2)幅相调控网络的输出分别接至待测天线的每个阵列单元上，用以赋予各个阵列单元激励的幅度和相位；用计算机控制幅相调控网络将待测试阵列天线中的某个阵列单元设为开启状态即0dB,0°，将其余阵列单元都设为关闭状态，即105dB,0°；
(3)采用空口测量的方式，使用探头天线逐一测量待测阵列单元，控制探头天线在扫描架上以固定间距运动，该固定间距为0.5～1倍λ，使用矢量网络分析仪记录探头天线收到的测试信号，λ为待测阵列天线工作频率下对应的波长；探头天线扫描区域为L，L在0.4D～0.6D范围内，即测量时探头天线扫描区域不需要覆盖整个待测阵列天线口径；
(4)将测试的复数信号拆分成幅度和相位，根据自由空间传输函数和二次曲线在Ω上的差别对幅度和相位进行补偿，Ω是探头天线和待测阵列天线单元相对位置形成的区间；
(5)根据探头天线扫描区域和待测阵列天线单元的相对位置使用最小二乘法用二次曲线拟合测得信号的幅度相位曲线；根据最小二乘法计算出的曲线方程将幅度和相位曲线外插至Ω范围，Ω为0.9～1.1倍的
Figure FDA0004170390900000031
(6)对比待测天线的各个阵列单元外插后的幅度和相位曲线，计算待测天线中各个阵列单元的初始激励，即初始幅度和初始相位，从而完成基于外插的近场天线阵列单元幅度相位校准。
CN202310375985.5A 2023-04-11 2023-04-11 基于外插的近场天线阵列单元幅度相位校准系统及方法 Pending CN116298553A (zh)

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