劉 曉,敦書波，姜海玲

(中國電子科技集團公司第五十四研究所，河北 石家莊 050081)

0 引言

相控陣天線[1]由于種種原因無法將各通道的幅值與相位做到完全一致，特別是相位的高度一致更難滿足，而這又直接關乎其波束合成效率[2]。因此對相控陣的校準顯得尤為重要。目前主流的校準方法[3]主要有以下幾種：

內(nèi)場校準法[4]：該方法通過在有源組件和天線單元之間加入耦合器，通過測量耦合出的能量得到各通道間的幅相差值[5]。其主要缺點是設備量巨大，不經(jīng)濟，而且無法對陣面變形以及陣元安裝精度進行校準。

近場校準法[6]：該方法通過掃描架的探頭對陣列閉合面上的電場進行采樣，經(jīng)過精密的數(shù)值計算得到各陣元的遠場方向圖和各通道的幅相分布。該方法雖然測量精度高，但是對于大型相控陣來說，對暗室空間、掃描儀器的同步性要求很高，掃描時間長、效率低的同時并不適用于對相控陣進行實時監(jiān)測校準[7-8]。而對于長期處于室外應用環(huán)境中的相控陣天線，其通道的可靠性、穩(wěn)定性是很難保證的，這就需要定期對其進行標校，此時近場校準的實用性及經(jīng)濟性大大降低。

耦合校準法[9]：該方法基于陣列當中相鄰單元互耦系數(shù)相同的前提，通過相鄰單元的收發(fā)測試得到各通道的幅相信息，進而得到通道間的幅相差值[10]。該方法雖然無需另外架設天線，但其僅適用于收發(fā)共口面的相控陣，同時該方法對陣元方向圖的對稱性上要求極其苛刻，幾乎很難滿足要求。

遠場校準法[11]：該方法常用的有旋轉(zhuǎn)矢量法，通過在遠場架設校準天線測量整陣的和信號隨單個通道相位變化的曲線，通過特定算法得到各通道間的幅相值[12]。該方法的主要問題在于對大型相控陣來說單個通道的相位變化很難引起整陣和信號的明顯變化，由此帶來的測量誤差是很明顯的。對于所有遠場校準方法，要滿足大型相控陣的陣列遠場條件需要很遠的距離[13]，對于很多應用環(huán)境十分不便。

綜上所述，對于大型相控陣的校準工作需要一種更加有效、快速、便捷且經(jīng)濟的校準方法。

1 中場校準原理

鑒于上述原因，本文提出了一種中場校準方法。該方法無需在陣列遠場架設校準天線[14]，也對陣元的方向圖無特殊要求，僅需在距離陣面一定距離處架設校準天線即可，需要注意的是架設距離以及校準天線的位置需保證校準天線位于所有天線陣單元的主波束內(nèi)。

以待校準相控陣為接收陣加以說明。距離陣面一定距離架設發(fā)射校準天線，并盡量保證其正對陣面中心，有利于校準天線在較短的距離處位于所有陣元的主波束內(nèi)。校準時將待測子陣接通，其他子陣處于負載態(tài)。校準天線發(fā)射電磁波，待測子陣接收并將其經(jīng)饋電網(wǎng)絡及組件等傳遞給校準接收機。接收機收到的相位值可表示為：

(1)

式中，i為子陣編號；li為校準天線到待測子陣的空間路徑；λ為自由空間中的波長；PΔi為各通道的相位差。根據(jù)式(1)通過求得校準天線到待測子陣的空間路徑li，可得到各通道的相位差：

(2)

建立相關坐標系，將子陣及校準天線的位置用坐標進行表示。將陣面定義為XOY面，子陣的位置可以表示成(Xi，Yi，0)，校準天線的位置可以表示成(X0，Y0，Z0)。但對于移動平臺上的在線校準，通常由于振動、陣面收折和校準天線安裝等因素會使校準天線每次使用時，其實際準確位置是未知的，將其表示為(X0+Δx，Y0+Δy，Z0+Δz)，此時校準天線到每個陣元的路徑長度可以表示為：

(3)

對于頻率較高的相控陣，位置的少許偏差將會對校準結果產(chǎn)生顯著的影響。對校準天線準確位置的求解也是本方法的核心。

本文闡述的校準思路是以校準天線的最初位置(X0，Y0，Z0)為基準點，通過在一定范圍內(nèi)不斷地搜尋，找到校準天線的實際準確位置，進而求得實際的li，最終求得PΔi。

根據(jù)實際工程經(jīng)驗，對于大型相控陣天線，其通道數(shù)足夠多，此時通道間的相位一致性的數(shù)學期望是歸于零的，這是搜索校準天線準確位置的判據(jù),即：

(4)

式中，n為通道數(shù)；δ為很小的量，作為搜索收斂的依據(jù)，該值一般取值在1以內(nèi)，可在實際工程應用中進行適度修正。該值的選擇主要與通道數(shù)規(guī)模有關，通道數(shù)越多，該值取值越小，最終得到的結果越精確，由于篇幅有限，不再對其取值及其對應的收斂速度及精度進行闡述。

2 實驗驗證及分析

針對上述校準原理，實驗驗證以實際項目為背景，陣列為Ku頻段一維掃描相控陣天線。陣列規(guī)模為10×160共1 600個單元，陣列尺寸為4.8 m×4.8 m。

2.1 校準天線位置求解

校準天線實際位置求解及驗證過程如下：

① 賦予1 600個通道相位初值，該值在一定范圍內(nèi)隨機分布，其期望值接近0；

② 賦予校準天線初始位置，并將其偏離初始位置一定距離；

③ 在校準天線實際位置附近搜尋，每次賦予一個新的位置坐標，計算校準天線與各陣元的路徑li；

④ 根據(jù)式(2)求解通道相位初值PΔi；

⑤ 設定門限值，根據(jù)式(4)判斷收斂與否，利用計算得到的校準天線位置，根據(jù)式(2)反推各通道相位初值PΔi′與一開始賦予的初值PΔi進行比對。

仿真驗證，仍然以上文介紹的4.8 m×4.8 m陣列為例，1 600個通道初始相位值在±20°內(nèi)隨機分布。校準天線距離陣面150 m(該距離可保證校準天線位于所有陣元主波束內(nèi)，又遠遠小于陣列遠場距離)，人為將校準天線分別在X，Y，Z三個方向上偏離一定距離。經(jīng)迭代運算得到PΔi′，PΔi′-PΔi誤差示意如圖1所示。

由圖1可以看出，該方法可以將校準天線的位置準確地求解出來，通過求解出的校準天線實際位置反推得到通道相位初值PΔi′與實際初值具有很好的吻合性，驗證了算法的有效性。

圖1 誤差示意Fig.1 Error schematic diagram

2.2 校準流程

整個校準系統(tǒng)由校準接收機、校準天線、電纜組件等與待校準陣列共同組成，組成及原理框圖如圖2和圖3所示。

圖2 校準系統(tǒng)組成框圖Fig.2 Block diagram of calibration system composition

圖3 原理框圖Fig.3 Functional block diagram

校準接收機內(nèi)部工作流程：主板接收上級指令，根據(jù)指令通過2選2開關完成發(fā)射路及接收路的切換。若校準陣列為接收狀態(tài)，則將其輸出端接通到校準天線，輸入端接通到待測陣列；若校準陣列為發(fā)射狀態(tài)，則將其輸出端接通到待測陣列，輸入端接通到校準天線。同時控制微波自校源完成自校信號的輸出，控制采樣處理單元完成2路信道的中頻采樣，并將采樣結果進行處理回傳上級。

以陣列為接收陣加以說明，在實際校準過程中基本步驟如下：

① 待測有源子陣中收發(fā)組件切換為接收狀態(tài)，并將其他通道切換成負載態(tài)；

② 校準接收機通過內(nèi)部的2選2開關將其輸出端接通對應校準天線，輸入端接通到待測陣列；

③ 校準接收機通過校準天線發(fā)射待測頻段信號，同時讀取待校準子陣接收到的信號相位Pi；

④ 切換下一個待測有源子陣，重復③，直到測得所有子陣的相位值；

⑤ 按照上一節(jié)的校準思路，通過校準接收機內(nèi)置算法對測試數(shù)據(jù)進行處理得到整個陣列各單元的相位差值。

2.3 結果驗證

以現(xiàn)有相控陣進行實測驗證，測試場景如圖4所示。該相控陣為Ku頻段一維相控陣，利用上述步驟對該陣列進行測試校準，校準前后的方向圖對比如圖5所示。

圖4 實測場景Fig.4 Actual measurement scene

圖5 方向圖對比Fig.5 Patterns Comparison

3 結束語

該校準方法為中場校準，避免了遠場校準不夠便捷的同時，也不用像耦合校準一樣對陣元方向圖的對稱性有嚴格要求[15-16]。該校準方法無需對組件進行頻繁操作，只需接通待測通道的同時將其他通道切換成負載態(tài)即可測得通道整個頻段的相位信息，具有很高的測試效率。

該校準方法適用于大型平面相控陣系統(tǒng)[17]，由于校準天線處于子陣主波束內(nèi)，處于子陣的遠場距離，故其對不同子陣的極化及軸比差異可忽略。本文僅針對固定波束做了相應驗證，波束指向精度的研究有待進一步開展。