一种适用于不同有源阵列天线的一体化校正系统及校正方法与流程

本发明涉及有源阵列天线的校正系统及校正方法，特别是一种能够适用于不同有源阵列天线的校正系统及校正方法。本发明属于天线技术领域。

背景技术：

随着微电子、微波毫米波、天线、材料、制造、工艺和封装等技术的发展，卫星、导弹、飞机等平台的不断进步，通信、导航、侦察、数传、雷达、能量传输、微波武器等领域军用和民用需求的需求提高，有源阵列天线应用越来越广。有源阵列天线为满足技术发展和应用需求，阵列的规模越来越大、频率越来越高、集成度越来越高、功能越来越复杂，性能指标越来越高、研制周期和成本要求降低，必须采用一体化校正技术。

国内导航二代二期星间链路采用了Ka频段相控阵天线，天线为有源、收发半双工体制，天线阵列规模大、扫描角度大、单元间距小、通道间互耦强，同时要求天线具有高的扫描效率、低的旁瓣电平；在后续组网星中要求压缩研制周期、降低研制成本、优化研制流程，为此必须采用一种快速一体化校正方法，能够实现校正和天线辐射特性测试的一体化。

有源阵列天线因为要求完成的功能性能不同、应用场地和搭载平台不同，天线具体组成和差异较大，目前，国内外高校和科研机构提出了应用于有源阵列天线的不同类型的校正技术，主要包括内校正和外校正，内校正没有考虑各个辐射单元性能差异，一般需要增加校正网络、增加了产品设计复杂性；外校正完成包括辐射单元在内的各个通道一体化校正，校正时与产品的真实状态一致，适用于不同频段、不同类型产品。外校正方法很多，主要包括平面近场、矩阵求逆、FFT、换相法、BIT行波耦合馈线、CCE、UTE、REV法、基于互 耦测量等。

平面近场技术在近场利用探针天线来测量被测天线孔径上场的幅度和相位，根据电磁场平面波展开理论计算相控阵天线的辐射远场，从而获取相控阵天线的辐射特征参数，该方法需要对天线和探针进行精确校准、探针扫描控制精确、采样数据量大、数据处理复杂；矩阵求逆法是一种远场校准方法，需要整个阵列天线的远距离测试场、辅助天线和转台系统，在N个预定的角位置测出幅度和相位，再通过矩阵求逆运算得到天线口径分布的幅度和相位值，该方法需要暗室远场大、测试位置多，处理复杂、通用性差；FFT校准法需要将行波馈电网络加在被测天线的阵元与数字移相器之间，实现对天线口径的近似等幅和线性相位激励，以便在既没有天线测试场也不在天线孔径前放置近场探针的情况下模拟远场信号的接收，用FFT替代矩阵求逆得到通道的幅度和相位值。该方法增加天线设计复杂度，通用性不强；互耦校准法利用有源阵列天线的单元互耦完成通道校准，该方法对阵列栅格有限制，同时校正精度受信噪比影响大，通用性受影响；UTE校准法用于校正模拟阵列天线时需要在移相器之后加上额外的硬件，来提供精确的信号编码，该方法增加了产品设计复杂度，通用性不强；CCE校准法需要利用相干检测提取相位信息，校正复杂度较高，而且需要增加一个额外的参考通道，该方法增加了产品设计复杂度，通用性不强；BIT行波耦合馈线法需要在设计中增加校正硬件，增加产品设计，通用性受限；REV校准法是一种较为通用的校准技术，该方法对于数字移相器，不能直接获得完整的旋转圆，单个通道状态变化受信道噪声和测量误差影响较大，需要求解移相器各状态的实际相对幅度增益和相移，测试数据量大，处理较为复杂，对于较大星载相控阵天线，资源受限；换相法测量相控阵天线不同配相状态下探头的接收信号幅相，然后用数学算法对实验数据进行处理进而确定出任意配相状态下各通道的激励幅相，该方法充分利用了相控阵天线相位可控的特点，能大大减小相控阵天线测量和诊断时间，对测试环境的要求比较低，具有很强的实用性，但是该方法一般要求单通道工作、通道为满足校正增加了TR组件的负 载端口，增加了产品设计复杂度，同时目前换相法要求移相器进行多组相位配置，对于大规模星载有源阵列天线而言，增加了资源需求。

鉴于不同类型有源阵列天线特点和任务研制对有源阵列天线通道的校正需求，校正方法既要简单、校正精度高、校正时间短、易于实现，又要能够适用于不同类型的有源阵列天线。现有公开的或已知的校正方法很难满足上述应用要求。

技术实现要素：

本发明的技术解决问题：克服现有校正方法的不足，提供一种适用于不同有源阵列天线的一体化校正系统及校正方法，具有校正精度高、校正时间短，简单、易于实现、具有强的通用性的优点，具有良好的工程实现性。

本发明的技术解决方案：一种适用于不同有源阵列天线的一体化校正系统，其特征在于包括：有源阵列天线(1)、高精度测量实时补偿单元(2)、测试探头(3)、工控机(4)、矢量网络分析仪(5)、RF电缆(6)、低频电缆(7)；有源阵列天线(1)为待校正产品，各个RF通道具有移相、衰减和加断电能力，通过低频电缆(7)与工控机相连接；高精度测量实时补偿单元(2)为具有对RF信号通路和短路功能的微波部件，通过工控机的控制实现RF信号的通路和短路状态，补偿RF电缆抖动，矢量网络分析仪幅度和相位波动、矢量网络分析仪的温漂测量误差；测试探头(3)用于接收有源阵列天线(1)的RF信号，或者向有源阵列天线(1)发射RF信号，测试探头(3)置于有源阵列天线(1)的远场，并与有源阵列天线(1)的口面平行，口面中心对准；工控机(4)一方面控制有源阵列天线(1)的各个RF通道完成移相，衰减和加断电的配置；工控机(4)还对有源阵列天线(1)各个RF通道测量的幅度和相位，通过修正的三态校正算法进行处理，完成有源阵列天线(1)RF通道校正；另一方面控制高精度测量实时补偿单元(2)，使高精度测量实时补偿单元(2)置于通路或短路状态；第三方面还控制矢量网络分析仪(5)读取有源阵列天线(1)各个RF通道的幅度和相位，同时接收控制矢量网络分析仪(5)传回的各个RF通道的幅度和相位；矢量网络分析仪(5)两端与精度测量实时补偿单元(2)和测试探头(3)连接，矢量网络分析仪(5)与有源阵列天线(1)、高精度测量实时补偿单元(2)和测试探头(3)通过RF电缆(6)组成RF回路；低频电缆(7)完成有源阵列天线(1)、高精度测量实时补偿单元(2)、工控机(4)和矢量网络分析仪(5)的连接，保证工控机(4)实现对高精度测量实时补偿单元(2)、矢量网络分析仪(5)的控制、有源阵列天线(1)的供电。

所述工控机(4)控制有源阵列天线(1)的各个RF通道完成移相、衰减和加断电的状态配置的过程如下：

(1)对有源阵列天线各个RF通道加电；

(2)对有源阵列天线RF通道1移相器置零移相、衰减器置零衰减，RF通道1以外的其它RF通道衰减器置最大衰减、相邻通道移相器的相位分别置0度和180度；

(3)对有源阵列天线RF通道1的移相器置120度移相、衰减器置零衰减，其它RF通道置状态的设置保持不变；

(4)对有源阵列天线RF通道1的移相器置240度移相、衰减器置零衰减，其它RF通道置设置保持不变；

(5)重复步骤(2)、(3)、(4)，完成其它RF通道的移相、衰减配置；

(6)(1)对有源阵列天线各个RF通道断电。

所述工控机的控制实现RF信号的通路和短路状态，补偿RF电缆抖动、矢量网络分析仪幅度和相位波动、矢量网络分析仪的温漂测量误差的过程：

工控机控制高精度测量实时补偿单元置于通路状态，矢量网络分析仪测量各个RF通道的幅度和相位；工控机控制高精度测量实时补偿单元置于短路状态，矢量网络分析仪测量各个RF通道的幅度和相位；将上述两次测量结果相减，即消除了RF电缆抖动，矢量网络分析仪幅度和相位波动、矢量网络分析仪的温漂测量误差。

所述测测试探头置于有源阵列天线的远场时，远场距离满足d≥2D²/λ，d 为测试探头和有源阵列天线间距离，D为有源阵列天线口径尺寸，λ为有源阵列天线的工作频率对应的波长，通过此方式降低了对测试环境要求，同时实现校正和天线辐射特性测试一体化，提高了有源阵列天线研制效率。

所述修正三态换相校正算法，利用每个待校正RF通道的6次测量数据进行修正三态换相校正算法处理，具体如下：

(1)校正时测量值

①待校正RF通道移相器置0度移相，第一次测量对应高精度测量实时补偿单元置通路状态、测量值为A₁为幅度、为相位；第二次测量值对应高精度测量实时补偿单元置短路状态、测量值为A₁′为幅度、为相位；

②待校正RF通道移相器置120度移相，第一次测量对应高精度测量实时补偿单元置通路状态、测量值为A₂为幅度、为相位；第二次测量值对应高精度测量实时补偿单元置短路状态、测量值为A₂′为幅度、为相位；

③待校正RF通道移相器置240度移相，第一次测量对应高精度测量实时补偿单元置通路状态、测量值为A₃为幅度、为相位；第二次测量值对应高精度测量实时补偿单元置短路状态、测量值为A₃′为幅度、为相位；

(2)测量值的校正处理

对测量幅度和相位值A₁、A₁′、A₂、A₂′、A₃、A₃′、按公式(1)、(2)、(3)处理，得中间量w₁₁、w₁₂、w₂₁、w₂₂、w₃₁、w₃₂；

对w₁₁、w₁₂、w₂₁、w₂₂、w₃₁、w₃₂按公式(4)、(5)、(6)处理，得中间量e_l1、e_l2、d₁；

对e_l1、e_l2、d₁按公式(7)、(8)处理，得中间量v₁、v₂；

对v₁、v₂按公式(9)、(10)处理，分别得到待校正通道的幅度α、相位β，如公式(9)、(10)所示。

一种适用于不同有源阵列天线的一体化校正方法，包括有源阵列天线发射状态校正和有源阵列天线接收状态的校正过程；有源阵列天线接收状态的校正过程与有源阵列天线发射状态校正类似，为其逆过程；有源阵列天线发射状态校正过程如下：

(1)有源阵列天线通道1测量

①对有源阵列天线各个RF通道加电；

②通道1移相器置零移相、衰减器零衰减，其它通道衰减器置最大衰减、相邻通道移相器相位分别置0度和180度；

③工控机通过低频电缆控制高精度测量实时补偿单元，使高精度测量实时补偿单元置通路状态；

④工控机控制矢量网络分析仪加RF信号，矢量网络分析仪测量RF通道的幅度和相位数据，回传工控机；

⑤工控机通过低频电缆控制高精度测量实时补偿单元，使高精度测量实时 补偿单元状态置短路状态，其它部组件状态保持不变；

⑥工控机控制矢量网络分析仪加RF信号，矢量网络分析仪测量RF通道的幅度和相位数据，回传工控机；

⑦通道1移相器置120度移相、衰减器置零衰减，其它通道衰减器置最大衰减、相邻通道移相器相位分别置0度和180度；

⑧重复步骤③、④、⑤、⑥；

⑨通道1移相器置240度移相、衰减器置零衰减，其它通道衰减器置最大衰减、相邻通道移相器相位分别置0度和180度；

⑩重复步骤③、④、⑤、⑥；

(2)有源阵列天线其它通道的测量

重复步骤(1)，逐步完成有源阵列天线其它各个通道的测量；

(3)有源阵列天线幅相配平

工控机对回传的各个RF通道幅度和相位数据，利用工控机中的修正三态换相校正算法进行处理，计算出各个RF通道的幅度和相位配平值，得到有源阵列天线各个RF通道移相器和衰减器的控制码，通过工控机低频电缆将各个RF通道控制码送入有源阵列天线，实现各个RF通道移相器和衰减器的刷新，完成有源阵列天线各个RF通道校正。

本发明与现有技术相比的优点在于：

(1)本发明具有校正精度高、校正时间短，简单、易于实现、具有强的通用性的优点，具有良好的工程实现性。

(2)本发明结合高精度测量实时补偿单元开路和短路两种状态，提出修正的三态换相校正算法，通过非校正通道衰减器置最大衰减、相邻通道移相器分别置0度和180度，大大减小了有源阵列天线校正时间；通过非校正通道衰减器和移相器设置，降低非校正通道对校正通道测量的影响，提高了校正精度；降低了对测试系统的要求，实现了校正方法的通用性。

(3)本发明的校正系统中引进高精度测量实时补偿单元，降低了RF电缆 和矢量网络分析仪误差对测量结果的影响，提高了校正精度，降低了RF电缆和矢量网络分析仪的要求，本发明高精度测量实时补偿单元不仅可以用于有源阵列的校正，也可以用于其它RF链路的测试，能够提高测量精度，降低对测试系统和设备的要求。

(4)本发明充分利用有源阵列天线各个RF通道移相器和衰减器灵活配置的特点，简化了常见有源阵列天线的校正方案，无需因校正而改变有源阵列天线设计，通用性强，具有明显的实用性；

(5)本发明中有源阵列天线和测试探头不动，不需要机械转动，降低了对资源需求。工控机通过低频电缆改变有源阵列天线RF通道配置状态，实现了校正的自动化，降低人力需求，具有强的竞争力和市场价值；

附图说明

图1为适用于不同有源阵列天线一体化校正系统示意图；

图2为修正的三态换相法矢量图；

图3为基于常规通道校正方法的天线方向图测试结果(0度扫描角)图；

图4为基于一体化校正方法的天线方向图测试结果(0度扫描角)图；

图5为基于常规通道校正方法的天线方向图测试结果(45度扫描角)图；

图6为基于一体化校正方法的天线方向图测试结果(45度扫描角)图。

具体实施方式

下面结合具体实施方式对本发明进行详细说明。

1.校正系统和方法

如图1所示，本发明的校正系统包括：有源阵列天线1、高精度测量实时补偿单元2、校正测试探头3、工控机4、矢量网络分析仪5、RF电缆6、低频电缆7；工控机通过低频电缆与有源阵列天线通信，完成有源阵列天线的通道状态配置，工控机通过低频电缆与高精度测量实时补偿单元通信，实现通路和短路两种状态设置；工控机与适量网络分析仪通信，实现矢量网络分析仪的控制、幅度和相位数据的读取；有源阵列天线校正的具体实现如下：

(1)校正系统建立：测试探头根据有源阵列天线的远场距离要求进行架设，测试探头与有源阵列天线的口面平行，口面中心对准，按照图1连接各个设备；

(2)校正系统加电：有源阵列天线、高精度测量实时补偿单元、矢量网络分析仪等各个设备的加电；

(3)有源阵列天线通道1校正测量

工控机通过低频电缆完成有源阵列天线的供电和通道配置，进行通道1校正，具体为：

①通道1移相器置零移相、衰减器零衰减，其它通道衰减器置最大衰减、相邻通道移相器相位分别置0度和180度；

②工控机通过低频电缆控制高精度测量实时补偿单元，使其状态置通路状态；

③工控机控制矢量网络分析仪加RF信号，通过低频电缆读取矢量网络分析仪的幅度和相位数据；

④工控机通过低频电缆控制高精度测量实时补偿单元，使其状态置短路状态；

⑤除高精度测量实时补偿单元外，其它设置保持不变，读取矢量网络分析仪幅度和相位数据；

⑥通道1移相器置120度移相、衰减器置零衰减，其它通道置设置保持不变；

⑦重复步骤②、，两次分别读取矢量网络分析仪幅度和相位数据

④重复步骤②，两次分别读取矢量网络分析仪幅度和相位数据；

⑤通道1置240度移相、零衰减，其它通道置设置保持不变(最大衰减、相邻通道相位为0度和180度反相设置)；

⑥重复步骤②、③、④、⑤，完成矢量网络分析仪的幅度和相位数据读取；

(4)通道1校正处理

根据步骤(3)读取的6次幅相数据，工控机计利用修正的校正算法进行 校正数据处理，得到待校正通道1的初始幅度和相位数值；

(5)其它通道的校正

重复步骤(3)和(4)，完成其它通道的校正，分别得到初始幅相值；

(6)有源阵列天线幅相配平

根据步骤(4)和(5)得到的各个通道幅度和相位初始值，通过工控机中校正算法进行处理，得到有源阵列天线各个通道移相器和衰减器的控制码，通过工控机低频电缆将各个通道控制码送入有源阵列天线的波束控制器，实现各个通道移相器和衰减器的刷新，最终完成有源阵列天线各个通道幅相校正。

2、修正的三态换相校正算法介绍

待校正单元第一次测试的激励的相位为0°，第二次激励的移相器移相为120°，第三次激励的移相器移相为240°，非校正单元置最大衰减、相邻通道相位分别置0°和180°反相位，实现非校正通道干扰相消、降低其对待校正通道的干扰影响。高精度测量实时补偿单元在有源阵列天线待校正通道同一幅度和相位设置情况下，分别置为通路和短路两种状态。

待校正RF通道对应三次移相态，结合高精度测量实时补偿单元通路和短路状态，进行6次幅度和相位测试。有源阵列天线待校正RF通道6次幅相测试矢量值在复平面上能够组成一个圆，如图1所示，为待校正RF通道6次测量的矢量信号，ae^jβ为待求的待校正RF通道的实际幅度和相位。其圆的半径即为待测通道的实际幅值，同时可求得待测通道的实际相位，主要算法如下。

(1)校正时测量值

①待校正RF通道移相器置0度移相，第一次测量对应高精度测量实时补偿单元置通路状态、测量值为A₁为幅度、为相位；第二次测量值对应高精度测量实时补偿单元置短路状态、测量值为A₁′为幅度、为相位；

②待校正RF通道移相器置120度移相，第一次测量对应高精度测量实时补偿单元置通路状态、测量值为A₂为幅度、为相位；第二次测量值对 应高精度测量实时补偿单元置短路状态、测量值为A₂′为幅度、为相位；

③待校正RF通道移相器置240度移相，第一次测量对应高精度测量实时补偿单元置通路状态、测量值为A₃为幅度、为相位；第二次测量值对应高精度测量实时补偿单元置短路状态、测量值为A₃′为幅度、为相位；

(2)测量值的校正处理

对测量幅度和相位值A₁、A₁′、A₂、A₂′、A₃、A₃′、按公式(1)、(2)、(3)处理，得中间量w₁₁、w₁₂、w₂₁、w₂₂、w₃₁、w₃₂；

对w₁₁、w₁₂、w₂₁、w₂₂、w₃₁、w₃₂按公式(4)、(5)、(6)处理，得中间量e_l1、e_l2、d₁；

对e_l1、e_l2、d₁按公式(7)、(8)处理，得中间量v₁、v₂；

对v₁、v₂按公式(9)、(10)处理，分别得到待校正通道的幅度α、相位β，如公式(9)、(10)所示。

本发明一种根据通用有源阵列天线校正应用需求进行的有源阵列天线非校正通道低干扰设置，具体为衰减器置最大衰减、相邻通道移相器分别置0度和180度；并巧妙引进高精度测量实时补偿单元通路和短路状态设置，提高了测试精度；并具有创新性地提出修正三态换相校正算法，即实现不需因校正而增加天线设计复杂度，又可以适用于不同类型的有源阵列天线的一体化校正，获得了高效率和高校正精度、对校正资源和场地要求少、通用性强的校正方法，实现了天线校正和辐射特性测试一体化，满足不同有源阵列天线校正应用需求。

高精度测量实时补偿方法提高了常规RF测试系统的测量精度，提供了高精度RF链路测量思想的新颖性。

图3为导航二期星间链路Ka频段相控阵天线采用常规方法进行幅相配平后，相控阵天线0度扫描角对应的归一化辐射方向图测试曲线，曲线表示信号幅度与不同角度的对应关系，纵坐标为RF信号幅度大小、单位分贝，横坐标为角度、单位度。

图4为导航二期星间链路Ka频段相控阵天线采用本发明的一体化校正方法进行幅相配平后，相控阵天线0度扫描角对应的归一化辐射方向图测试曲线，曲线表示信号幅度与不同角度的对应关系，纵坐标为RF信号幅度大小、单位分贝，横坐标为角度、单位度。

图5为导航二期星间链路Ka频段相控阵天线采用常规方法进行幅相配平后，相控阵天线45度扫描角对应的归一化辐射方向图测试曲线，曲线表示信号幅度与不同角度的对应关系，纵坐标为RF信号幅度大小、单位分贝，横坐标为角度、单位度。

图6为导航二期星间链路Ka频段相控阵天线采用本发明的一体化校正方法进行幅相配平后，相控阵天线45度扫描角对应的归一化辐射方向图测试曲线，曲线表示信号幅度与不同角度的对应关系，纵坐标为RF信号幅度大小、单位 分贝，横坐标为角度、单位度。