一种阵列的校准装置及校准方法与流程

本发明涉及一种阵列天线的校准和测量技术，具体地说是一种阵列天线的校准装置及校准方法，属于电子无线通信技术领域。

背景技术：

相比于传统的单天线，阵列天线，特别是相控阵天线具有许多优点，所以得到了大量的研究和应用。但是也会产生相应的问题。相控阵作为一个庞大的电子系统，包含成千上万个天线单元和相应的通道，如何保证各个单元被正确的激励对于相控阵天线来说至关重要。所以定期的对阵列进行校准就显得特别重要。

要实现对包含数万个单元的现代相控阵的辐射特性是一个非常复杂的课题。对于现在超大口径的阵列天线来说，目前的暗室规模已经不能满足远场要求，平面近场扫描也有其巨大的局限性，如时间较长，存在阶段误差等。除此之外，这些方法只能适用于阵列装配前的测试，一旦阵列天线装配到相应的平台后，要实现对天线的测试就必须从新将天线拆解下来，这显然效率很低，特别是某些特殊的天线，如星载相控阵，更是无法完成的事。所以研究在线测试的方法，即在现有工作平台下就能完成对整个阵列测试的方法就显得意义重大。

目前对阵列的校准和测试主要都是在微波暗室中用远场测试或近场扫描的方法来完成，但是这种方式测试效率很低，且对于一些大型的阵列天线来说，暗室的规模不能满足天线的远场测试条件，同时，测试前期的天线架设和搬移也很不方便。

技术实现要素：

本发明要解决的技术问题是提供一种能够在减少测试成本和测试速度的同时，增加测试精度的阵列天线的校准装置及校准方法。

为了解决上述技术问题，本发明的阵列天线的校准装置，包括用于接收阵列信号的接收天线、用于测试接收信号强弱的功率计，功率计与接收天线连接，还包括需要校准的阵列天线，阵列天线具有多个阵列单元，各个阵列单元分别经过各自的移相器连接功率分配器，所述功率分配器连接发射机。

一种采用上述阵列天线的校准装置的校准方法，包括以下步骤：

a、根据叠加原理，计算阵列的总场：

式中表示阵列的总电场，代表当前正在测量的单元，δ表示该单元的移相器的移相量；将所有阵列单元的幅度和相位做以下的归一化处理：

x＝φn-φ0(3)

对式子做进一步变换得：

式中

y²＝(cosx-k)²+sin²x(5)

从式(4)中可以看出，当移相器的移相量δ变化时，总电场的功率以余弦的形式的变化；

b、通过以下公式将单元的相对激励幅度和激励相位测量出来

其中

δ0＝-δmax(13)

qmax和qmin分别表示阵列总功率曲线的最大值和最小值，δmax表示总电场功率最大对应的移相器移相量。

本发明的优点在于：不用对测试的阵列进行校准，通用性强，既可以用于远场校准，也可以通过内置的耦合电路实现阵列内部的自我校准，进一步提高校准的效率，由此在减少测试成本和测试速度的同时，增加了测试的精度。

附图说明

图1为校准的示意图；

图2为理想切比雪夫阵列的方向图；

图3表示引入激励的幅相误差后的方向图；

图4为旋转电矢量法的原理图；

图5表示校准过程中阵列总电场随单元相位变化的曲线；

图6为解的二义性判定原理；

图7为旋转电矢量法仿真所得到的总电场变化曲线；

图8整个校准过程的流程图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式，对本发明的阵列天线的校准装置及校准方法作进一步详细说明。

其中，图1表示整个天线校准的相关硬件配置，具体包括：一个用于接收阵列信号的接收天线、用于测试接收信号强弱的功率计、需要校准的阵列天线；图2和图3分别表示理想的切比雪夫阵列和存在激励误差的切比雪夫阵列的方向图。通过两图的对比，可以发现当阵列单元的激励存在误差时，阵列方向图会受到较大的影响；图4表示了校准的基本原理；如图所示，本发明的阵列天线的校准装置，包括用于接收阵列信号的接收天线、用于测试接收信号强弱的功率计，所述功率计与接收天线连接，还包括需要校准的阵列天线，所述阵列天线具有多个阵列单元，各个所述阵列单元分别经过各自的移相器连接功率分配器，所述功率分配器连接发射机。

如图4所示，一个阵列在某一个方向的电场等于所有阵列单元的电场在这个方向上的叠加。当通过移相器改变一个单元的相位时，阵列的总电场也会随着单元电场的变化而产生变化。通过测量阵列总电场随着移相器移相量变化的曲线，就可以推断出当前单元的初始激励幅度和相位，最后依次计算出每个阵列单元的激励和相位，达到校准的目的。

本发明的采用上述阵列天线的校准装置的校准方法，根据叠加原理，阵列的总场可以表达为：

式中表示阵列的总电场，代表当前正在测量的单元，δ表示该单元的移相器的移相量。为了方便表示，这里将所有阵列单元的幅度和相位做以下的归一化处理：

x＝φn-φ0(3)

对式子做进一步变换得：

式中

y²＝(cosx-k)²+sin²x(5)

从式(4)中可以看出，当移相器的移相量δ变化时，总电场的功率以余弦的形式的变化。也就是说，当我们将阵列中某一个单元的相位从0～2pi依次改变，并且改变一次相位就测量一次阵列的总功率，最后测试的阵列总场功率的变化曲线应该是一条余弦曲线，然后通过以下公式就可以将单元的相对激励幅度和激励相位测量出来。

其中

δ0＝-δmax(13)

qmax和qmin分别表示阵列总功率曲线的最大值和最小值，δmax表示总电场功率最大对应的移相器移相量。

图5表示测过程中的电场功率变化曲线，图7的仿真结果也进一步的证实了这一点。

图6表示对校准过程中存在的双解问题的判定方法，具体方法如下：

对于同一组测量数据，会出现两个解，这就会产生多解的现象。如图6所示，当k<y，这时的解对应于式(7)和(8)的k1和x1，当k>y，这时的解对应于式(9)和(10)的k2和x2。解决解的二义性的具体方法如下：

a、如果在整个的相位变化周期内，总电场的相位变化小于180°，则对应的解为k1和x1，否则对应的解为k2和x2。

b、设置两种不同的初始相位分布，然后分别使用旋转电矢量法求解。由于两种状态；下的各单元的激励的关系是已知的。则使用旋转电矢量法在两种状态下求解的激励也应该满足已知的关系。则可以从两次求解出来的四组解中寻找能相互对应的解。可以用如下式子说明

i＝[i1,i2,i3……in](14)

其中i表示阵列最初的激励，i′表示在初始激励的基础上，通过移相器对每个单元施加一个已知的相移量，即式(15)中的很明显可以得到

设在激励为i的情况下求解出来的两种解为k1，x1和k2，x2。在激励为i′的情况下求解出的两种解分别为k1′，x1′和k2′，x2′。如表(1)所示

表(1)

这四种情况能满足式(15)关系的就为正确的解。

a、可以通过调整单元的初始激励，使得k<y总是成立的，这样对应的就始终只有一个解。其实在一般的大阵列中，k<y这个条件就是天然成立的，所以常常不要判定解就能得到最终的解。

综上所述，第一种方法由于需要知道总电场的相位，这就失去了旋转电矢量法最大的优点，即只需要幅度测量。所以具有很大的局限性。第二种由于需要增加测量的次数和测量步骤，会导致测试时间的延长，一般使用也较少。相比之下，第三种方法在大多数情况下都是适用，且不会增加测试成本，所以使用较多。当然在某些特殊情况下，第三种方法烦人前提条件可能不满足，这时就需要灵活的综合第一种和第二种方法进行测试。

图8表示总的测试流程图；

可以看出，相比于校准前的方向图，得到明显改善。