楊順平

(中國(guó)西南電子技術(shù)研究所，四川成都 610036)

基于矢量平均的相控陣天線校準(zhǔn)方法

楊順平

(中國(guó)西南電子技術(shù)研究所，四川成都 610036)

提出了一種適合于工程應(yīng)用的新的相控天線校準(zhǔn)算法——矢量平均法，通過(guò)一個(gè)8單元的線陣驗(yàn)證了該校準(zhǔn)方法的正確性，并給出了該校準(zhǔn)方法與常規(guī)FFT校準(zhǔn)方法的實(shí)驗(yàn)結(jié)果對(duì)比情況.結(jié)果表明，在大動(dòng)態(tài)下該方法具有更高的校準(zhǔn)精度.

FFT；幅相校準(zhǔn)2；相控陣

0 引 言

相控陣天線為了實(shí)現(xiàn)對(duì)各個(gè)有源通道的幅度相位監(jiān)測(cè)與誤差修正需要采用校準(zhǔn)或者監(jiān)測(cè)技術(shù)對(duì)各個(gè)通道的幅度相位的測(cè)試.通常，對(duì)于對(duì)結(jié)構(gòu)和尺寸要求不高的天線或者數(shù)字多波束天線，可以對(duì)每個(gè)通道進(jìn)行獨(dú)立測(cè)試，其校準(zhǔn)算法簡(jiǎn)單.但隨著天線向著高頻、高集成度、小型化發(fā)展，必須采用一定的算法實(shí)現(xiàn)對(duì)各個(gè)通道的幅度相位信息準(zhǔn)確有效地檢測(cè)，目前，常用的校準(zhǔn)算法有逆矩陣、FFT、Phase-Toggle、旋轉(zhuǎn)陣元電場(chǎng)矢量、換相法、基于互耦測(cè)量以及基于陣元方向圖的算法等[1-3].彭祥龍等[4]對(duì)比分析了逆矩陣、FFT、Phase-Toggle 3種方法的優(yōu)缺點(diǎn).在此基礎(chǔ)上，本研究提出一種基于矢量平均的相控陣天線校準(zhǔn)方法，該方法綜合FFT法和Phase-Toggle算法的優(yōu)點(diǎn)，在校準(zhǔn)精度上比單純采用FFT法或者Phase-Toggle算法精度更高.

1 方法描述

矢量平均校準(zhǔn)方法和逆矩陣法、FFT法及Phase-Toggle法相似，都是通過(guò)改變各個(gè)饋電支路的相位構(gòu)成方程，并求解出需要校準(zhǔn)的支路的幅度相位分布.校準(zhǔn)分2步完成:配相并檢測(cè)信號(hào)的幅度和相位；計(jì)算得到校準(zhǔn)支路的幅度與相位分布.矢量平均法將被測(cè)信號(hào)看成復(fù)數(shù)矢量的信號(hào)，具有幅度和相位分量，在第一步配相過(guò)程中，旋轉(zhuǎn)被測(cè)支路的信號(hào)，其他支路信號(hào)不變，在第二步解算過(guò)程中反向旋轉(zhuǎn)合成信號(hào).由于第一步配相時(shí)，被測(cè)支路旋轉(zhuǎn)了，而其他支路沒(méi)有旋轉(zhuǎn)，那么經(jīng)過(guò)第二步的反向旋轉(zhuǎn)后，被測(cè)支路的信號(hào)是一個(gè)同相疊加的效果，而其他支路旋轉(zhuǎn)一圈后，進(jìn)行矢量疊加后總信號(hào)為零.因此，對(duì)上述信號(hào)進(jìn)行平均后就可以得到被測(cè)支路的幅度相位信息.

第一步的配相過(guò)程如式(1)所示，

式中，M為被測(cè)量支路的總數(shù)目，N為移相器總狀態(tài)數(shù).設(shè)Ak是第k次接收機(jī)測(cè)試得到的電壓值，為包含了幅度和相位的復(fù)數(shù)，k=1～N.Si為校準(zhǔn)饋電網(wǎng)絡(luò)第i支路的傳輸系數(shù).ai為實(shí)際的天線饋電分布，包括幅度和相位信息.Sm為當(dāng)前被檢測(cè)的校準(zhǔn)饋電支路的傳輸系數(shù)，am為當(dāng)前被監(jiān)測(cè)的實(shí)際的天線饋電分布.其中，Sm、Si為事先已知的，可以通過(guò)實(shí)驗(yàn)室測(cè)試得到.對(duì)于采用陣外遠(yuǎn)場(chǎng)耦合的校準(zhǔn)方法，在滿足一定的架設(shè)條件下，Sm、Si可以認(rèn)為是相等的，可以不用測(cè)量.如果只關(guān)心am、ai的相對(duì)值和相對(duì)變化情況，Sm、Si甚至可以不用測(cè)量，直接將Sm?am、Si?ai的變化結(jié)果作為校準(zhǔn)依據(jù)，前提是Sm、Si隨時(shí)間和環(huán)境的變化可以忽略.

第二步的過(guò)程如式(2)所示，

由于式(3)矢量旋轉(zhuǎn)后合成結(jié)果等于零，可以得到，

圖1給出了一個(gè)N=8矢量平均校準(zhǔn)過(guò)程的配相情況.0～7對(duì)應(yīng)了8次被測(cè)試支路的移相條件下矢量旋轉(zhuǎn)的情況，其他支路信號(hào)在8次配相過(guò)程中都不變化.

圖1 配相狀態(tài)矢量旋轉(zhuǎn)示意圖

圖2給出了解算過(guò)程中矢量變化情況，其他支路進(jìn)行旋轉(zhuǎn)，由于進(jìn)行的加法運(yùn)算，該項(xiàng)最終結(jié)果等于0，被測(cè)支路由于旋轉(zhuǎn)的角度剛好和配相時(shí)的角度大小相等，方向相反，所以進(jìn)行加法運(yùn)算后，形成同相疊加的效果.這樣就消除了其他支路信號(hào)，得到的只有被測(cè)支路的信號(hào)，進(jìn)行一個(gè)平均后，就可以檢測(cè)出被測(cè)支路的幅相數(shù)值.

圖2 平均狀態(tài)矢量旋轉(zhuǎn)圖

通過(guò)以上過(guò)程可以看到，由于整個(gè)過(guò)程采用加法和乘法完成，其解算過(guò)程比逆矩陣法更加穩(wěn)定，移相時(shí)只與被測(cè)支路相關(guān)，其他支路保持不變，所以其他支路的移相誤差不會(huì)對(duì)測(cè)試結(jié)果造成影響，其s?a的動(dòng)態(tài)范圍比FFT校準(zhǔn)法大，這在工程應(yīng)用中非常重要.因?yàn)楝F(xiàn)在很多天線有集成度、小型化、低RCS等技術(shù)要求，而FFT校準(zhǔn)法對(duì)s?a的動(dòng)態(tài)要求非?？量蹋瑸榱诉_(dá)到好的校準(zhǔn)精度，必須采用平衡支路饋電的方式，要求盡量保證s?a動(dòng)態(tài)分布不要太大(和移相器的幅度相位誤差有關(guān)系)，而在工程應(yīng)用中如果其分布達(dá)到20 dB以上，通常小傳輸系數(shù)的被測(cè)支路很難得到滿意的校準(zhǔn)精度.而要滿足天線集成度、小型化、低RCS等技術(shù)要求，設(shè)計(jì)一個(gè)共面的近場(chǎng)耦合天線是最佳方案，但其動(dòng)態(tài)范圍不易受控，一般在30 dB左右.所以矢量平均校準(zhǔn)方法非常適用于這種工程應(yīng)用.此外，本方法相比FFT校準(zhǔn)法的另外一個(gè)優(yōu)點(diǎn)是，可以把其他不需要的耦合信號(hào)看成不變信號(hào)，在解算過(guò)程中也會(huì)一并抵消，這樣對(duì)電路的耦合度要求會(huì)大大降低.由于該方法具有FFT校準(zhǔn)法的加法特性，其對(duì)加性噪聲的抑制也和FFT法一樣，噪聲誤差項(xiàng)和合成信號(hào)的大小是沒(méi)有關(guān)系的[5].在校準(zhǔn)之前，可以做一個(gè)FFT校準(zhǔn)法配相的過(guò)程，測(cè)試合成信號(hào)最小情況作為工作點(diǎn)，再在這個(gè)工作點(diǎn)上進(jìn)行矢量平均的校準(zhǔn)過(guò)程，這樣就可以避免合成信號(hào)過(guò)大，從而減小接收機(jī)的跡線噪聲對(duì)校準(zhǔn)精度的影響.

2 實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

圖3 基于矢量平均的校準(zhǔn)系統(tǒng)原理框圖

在實(shí)驗(yàn)時(shí)，根據(jù)矢量平均法設(shè)計(jì)了一個(gè)相控陣天線的校準(zhǔn)系統(tǒng)，其原理框圖如圖3所示.該系統(tǒng)采用無(wú)線饋電與近場(chǎng)耦合的方式，近場(chǎng)耦合天線和各天線單元之間的耦合系數(shù)動(dòng)態(tài)范圍在20 dB以內(nèi)，天線單元數(shù)N=8.校準(zhǔn)收發(fā)裝置用于產(chǎn)生校準(zhǔn)需要的RF信號(hào)，經(jīng)近場(chǎng)耦合天線輻射出去，再由天線1～N接收，經(jīng)過(guò)LNA和移相器，再通過(guò)功率分配/合成網(wǎng)絡(luò)回到校準(zhǔn)收發(fā)裝置.為了測(cè)試信號(hào)相位，發(fā)射信號(hào)還有一路直接耦合到校準(zhǔn)收發(fā)裝置里面作為相位參考.在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，將校準(zhǔn)結(jié)果與實(shí)際端口測(cè)試結(jié)果進(jìn)行了比較，其相位校準(zhǔn)精度為3.7度(RMS)，幅度精度為0.10 dB(RMS).其中，相位精度包含了移相器的量化誤差，因?yàn)樵撓嗫仃囂炀€未考慮幅度修正，幅度精度為校準(zhǔn)算法測(cè)試誤差.采用FFT校準(zhǔn)法進(jìn)行了校準(zhǔn)，由于耦合系數(shù)動(dòng)態(tài)范圍過(guò)大，接收相對(duì)能量較小的單元基本誤差進(jìn)行準(zhǔn)確測(cè)量.

3 結(jié) 語(yǔ)

矢量平均的相控陣天線校準(zhǔn)方法結(jié)合了FFT與Phase-Toggle法的特點(diǎn)，通過(guò)旋轉(zhuǎn)被測(cè)支路的移相器，實(shí)現(xiàn)了移相器的全移相狀態(tài)參與校準(zhǔn)，同時(shí)其他支路的移相器不參與移相，減小了移相誤差對(duì)校準(zhǔn)的影響，擴(kuò)大了系統(tǒng)校準(zhǔn)時(shí)對(duì)支路的動(dòng)態(tài)要求，非常適合目前相控陣天線小型化、集成化及共形化的工程應(yīng)用要求.

:

[1]Lee J J，F(xiàn)erren EM，WoollenD P，et al.Near-field probe used as a diagnostic tool to locate defective elementsin an array antenna[J].Antennas and Propagation，IEEE Transactions，1988，36(6):884-889.

[2]Davis D.Analysis of array antenna patterns during test[J].Microwave Journal，1978 ，21:67-72.

[3]Shnitkin H.Rapid fast fourier transform phase alignment of an electronically scanned antenna[C]//20th European Microwave Conference.Budapest:IEEE Press，1990:247-257.

[4]彭祥龍，石星，劉茁.基于行波耦合饋線的相控陣幅相校正算法比較[C]//第十屆全國(guó)雷達(dá)學(xué)術(shù)年會(huì)論文集.北京:國(guó)防工業(yè)出版社，2008:786-788.

[5]楊順平，張?jiān)?，溫?接收機(jī)噪聲對(duì)行波饋電法校準(zhǔn)誤差影響分析[C]//2009年全國(guó)天線年會(huì).北京:電子工業(yè)出版社，2009:778-780.

Calibration Method of Phased Array Based on Mean of Vector

YANGShunping
(Southwest China Institute of Electronic Technology，Chengdu 610036，China)

A new phased array calibration method-mean of vector is proposed in this paper.The method is verified on a 8-element linear experimental array.A higher accuracy has been obtained than fast Fourier transform(FFT)method under the loss of transmission path with large dynamic range.

fast Fourier transform ；calibration ；phased array

TN823

A

1004-5422(2013)01-0061-03

2012-12-15.

楊順平(1976—)，男，碩士，從事天線校準(zhǔn)與測(cè)量技術(shù)研究.