球面阵天线通道相对幅相特性的近场标校方法与流程

本发明涉及一种在雷达及航天测控领域测控体制的球面相控阵天线通道相对幅相特性的标校方法

背景技术：

相控阵天线有多种形式，如线阵、平面阵、圆阵、圆柱形阵列、球形阵、球面阵和与较为复杂的表面共形的共形阵等多种形式。传统天线阵列形状一般为球面，其上安装的天线馈元电轴指向球面天线阵球心。试验时，被试装备的天线相位中心要求与该球心重合，以保证射频辐射源信号位置的模拟精度，准确控制信号功率的幅度。由于发送端和接收端时钟的不一致性，收发时钟不一致会导致码偏和频偏，从而会导致低信噪比下阵列天线的逐通道相关标校有很大的难度。当射频仿真系统需要承担多种装备的试验任务时，把每个被试装备天线相位中心调整到与阵列天线球心重合往往难以实现，相当于降低了系统精度指标，大多数情况下精度下降的幅度是不能容忍的，必须采取一定的技术措施。数字化多波束球面相控阵天线设计中通道一致性标校是一项关键技术，对波束增益、波束指向、副瓣等有着重大影响，严重时甚至不能正常形成波束，因此必须对阵列天线进行通道一致性校正。

在现有技术中，阵列信号处理中经常遇到的误差主要包含天线阵列中各阵元通道的增益和相位误差即通道不一致性，阵元彼此间存在的互耦作用，以及阵元位置的扰动误差等。它们是高分辨测向算法和波束合成技术应用于实际系统中的主要限制之一。理论分析和实验结果均表明实际工程中存在的天线阵列误差。天线阵元位置误差、通道幅相误差和天线阵元互耦效应等会导致其性能急剧下降甚至完全失效。阵元的互耦效应涉及到互耦理论和网络端口模型等知识，截止到目前还没有简单且行之有效的解决方法。多目标阵列天线发射或接收合成波束实现的前提是多个发射或接收通道间的一致性，这是因为所有波束形成的算法都是基于多通道是理想的和一致的。因此，多波束天线系统必须完成精密标校，实现通道间的幅度和相位的一致性，这是阵列天线工程实现的重要前提。另外，在使用过程中，需要不断进行多通道测试，以便对系统的多通道特性好坏作出及时准确的诊断。阵列天线的通道数量少则几十个，多则上万个，人工测试不但耗时很长，也是不太现实的。要对这些多通道进行快捷和准确的检测，是工程实现中的一大难题。相控阵天线是从阵列天线发展起来的，主要依靠相位变化实现天线波束指向在空间的移动或扫描，亦称电子扫描阵列(ESA)天线。它是由许多单元通道构成的天线阵列，是一个包含了大量天线单元的多通道系统，每个通道包含了若干微波器件，如辐射天线单元、移相器、电调衰减器、功放、变频器、低噪放、滤波器、限幅器等。这些微波器件在使用过程中很难保证通道之间幅相稳定不变，有些甚至出现失效。研究表明，在阵列通道幅相起伏数较多的情况下，GPs阵列空时抗干扰的性能将明显下降。为了获得更好的抗干扰性能，必须对阵列通道进行有效校正。由于通道的幅相变化会严重影响相控阵的低旁瓣特性，严重时甚至不能正常工作。因此，在相控阵天线服役期间必须对其各通道幅相变化进行定期监测和校准。由于对每个信号通道都包含有网络移相器，需要复杂的开关网络的配合来完成校正。相控阵天线单元的间距不够大时，天线阵元间的耦合很强，如果不进行适当的补偿，会引起天线增益下降、副瓣电平抬高。而且，阵中天线单元的方向图与孤立情况下相比发生严重的畸变，特别是阵列边缘的天线单元方向图变化尤为剧烈。

相控阵雷达天线阵面监测的基本方法可分为“外监测”法和“内监测"法两大类。采用“外监测"法时，测试信号源置于天线阵的外面，测试信号源既可位于远场，也可放在近场。采用“内监测"法时，测试信号源置于天线阵内，根据监测一致性要求“内监测”法有两种:一种是比较测试法，用这种方法调整好监测通道之后，再用此监测系统检查主信号通道之间幅度与相位误差；一种是用“交叉换位法"获得各信号通道及各监测通道之间的相位差。“交叉换位法”既可以在馈线安装调试过程中测量主信号通道的相位，又可以调整测试系统，但不能进行幅度误差的测量。“内监测"方法，在雷达处于正常工作状态下进行监测，即可实现在线监测。在监测发射阵时，可以利用雷达发射信号作为监测信号，整个监测系统能够处于较良好的环境条件下，监测系统工作比较稳定。但是，由于测试信号不经过天线单元，故“内监测”法对各天线通道的幅度和相位的测试，不能包括天线单元的安装误差和天线单元方向图及其相位的不一致性。在采用“外监测”方法时，需要在天线阵面外设置一个辅助天线。用“外监测”方法检查接收阵时，与辅助天线相连接的是监测信号源。“外监测"方法与“内监测"方法相比，“外监测"在天线阵内没有大量定向耦合器与矩阵开关元件，但被监测的各路应有高频开关用于接通被测通道。换相测量法存在着许多不足之处，特别是不管如何配相，控制步骤矩阵均为奇异矩阵。这样在解测量方程时，必须要引入其它的先验知识，如移相器在配相状态变化时，其幅度基本不变作为补充方程。由于这些方程是非线性的，以至于和测量方程一起解发生困难。为求解各个通道的激励，必须解相控阵天线不同配相时通道激励与探头接收信号建立的线性方程组。对单元数很多的大型相控阵天线不同测量控制步骤时的广义逆矩阵的求解仍然是一个未解的问题。

随着数字信号处理器件和微波单片集成电路(MMIC)技术的发展，字多波束天线以其独特的优势在航天数测控和卫星导航等领域得到越来越广泛的应用。多波束天线技术是提高卫星通信容量和覆盖性能的一项关键技术。数字多波束天线是阵列天线技术与数字信号处理技术相结合的产物，具有阵列天线的波束扫同描和数字信号高精度灵活处理的优点。数字多波束天线的波束形成和调制解调处理均在数字域实现，可同时产生多个波束，工作原理、作模式与传统天线相比有显著区工别，对测试方法也提出了新的要求。数字多波束天线主要由接收天线单元、包括低噪声放大器和下变频器的接收通道、A/D转换器，发射和接收2个部分组成。天线近场测试前，需要考虑幅相误差，按照加权要求实现收发通道的标校，发射通道校准时，因为发射通道信号较强，通道间存在干扰现象，只能进行单通道的校准。由数字多波束天线的原理和使用要求可知，与测天线与信标之间几何关系的高精度测量也比较复杂，并且开放场地存在多径效应和外部干扰的影响，因此远场校准的精度较难提高。近场校准方法是在阵列天线近场区域设立信标，将信标分时置于单元天线前端馈人或采集信号。由于单元天线在作用空域的辐射特性并不是等增益的，束形成处理也存在量化误差和校准误差，这些误差会影响不同扫描角度波束的指向和电平的精度。

技术实现要素：

本发明的目的是针对上述数字化多波束球面相控阵天线设计中存在的问题，提供一种可操作性强，校准源少，简单可靠、耗费硬件资源小，能够自动化对球面相控阵天线通道进行标校的方法。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：在相控阵天线外围架设围绕球面天线阵面分布的标校架和架设在相控阵天线中心的一个标校架，每个标校架上分布距离球面天线阵面1～10米的4～6个信标天线，形成天线单元近似均匀分布的共形球面阵列分布模型；信标天线对于球面阵等效口径为近场耦合，相对于球面阵天线上的每个阵元都满足远场距离条件；根据安装标校天线的位置，创建球面阵天线坐标系，运用光学设备对每个标校天线相对于球面阵天线中心点的坐标位置进行高精度测量，计算出球面阵天线上每个阵元与标校天线的空间距离与轴向夹角；然后采用标校测试设备产生的标校参考信号对球面阵天线上/下行通道进行标校，运用分布在相控阵天线四周标校架上的信标天线对阵面60°弧面内的阵元通道幅相进行校准，架设在相控阵天线中心标校架上的信标天线对阵面顶部阵元通道幅相进行校准；在用标校天线对球面阵天线上阵元通道进行标校后，扣除标校天线自身的相对幅/相特性与标校天线与阵元空间距离以及轴向偏转引入的幅/相变化，得到阵元天线通道本身的幅/相特性；利用球面阵天线外围分布的标校天线最终获得的整个球面天线所有通道的相对幅/相特性。

分布在天线四周标校架上的信标天线，每个负责阵面60°弧面内的阵元通道幅相校准；架设在天线中心标校架上的6信标天线，负责阵面顶部阵元通道幅相校准。标校杆是桁架结构，固定在天线基座之上，标杆顶端位置精度可达毫米级，可以确保标校天线的位置稳定性，标校天线安装完成后需要应用光学设备对其在球面阵天线坐标系的坐标进行高精度测量，这样可计算出球面阵天线上每个阵元与标校天线的空间距离与轴向夹角。在用标校天线对球面阵天线上阵元通道进行标校后，扣除标校天线自身的相对幅/相特性，与标校天线与阵元空间距离以及轴向偏转引入的幅/相变化，即可得到阵元天线通道本身的幅/相特性。利用用球面阵天线外围分布的30个标校天线最终可得的整个球面天线所有通道的相对幅/相特性。

本发明相比于现有技术具有如下有益效果：

提高了工程可实现性。本发明针对阵列天线阵面曲面中天线振子的轴向不能保持一致的缺陷，可以采用6+1个近场标校杆的方式来进行通道一致性测量，利用了在数字多波束球面相控阵天线外围可以均匀架设6个标校架，每个标校架上可以分布4个标校天线，在相控阵天线顶部架设一个标校架，顶部标校架上可以均匀分布6个标校天线。这些信标天线距离球面天线阵面1～10米，对于球面阵等效口径为近场耦合，但相对于球面阵天线上的每个阵元都满足远场距离条件，可以实现对阵面单元的全覆盖。分布在天线四周标校架上的信标天线，每个负责阵面60°弧面内的阵元通道幅相校准；架设在天线中心标校架上的6信标天线，负责阵面顶部阵元通道幅相校准。标校杆是桁架结构，固定在天线基座之上，标杆顶端位置精度可达毫米级，可以确保标校天线的位置稳定性，标校天线安装完成后需要应用光学设备对其在球面阵天线坐标系的坐标进行高精度测量，这样可计算出球面阵天线上每个阵元与标校天线的空间距离与轴向夹角。在进行通道标校过程中扣除标校天线自身的相对幅/相特性，与标校天线与阵元空间距离以及轴向偏转引入的幅/相变化，即可得到阵元天线通道本身的幅/相特性。利用这30个标校天线实现对阵面单元的全覆盖，在对球面阵天线上/下行通道进行标校时，采用标校参考信号模式，避免使用多个参考信号造成标校流程复杂以及出现传递误差导致标校误差增大的缺陷，解决了数字多波束球面相控阵天线通道标校问题。

实现简单、耗费硬件资源小。本发明在对球面阵天线上/下行通道进行标校时，采用参考信号模式，在用标校天线对球面阵天线上阵元通道进行标校后，扣除标校天线自身的相对幅/相特性，与标校天线与阵元空间距离以及轴向偏转引入的幅/相变化，得到阵元天线通道本身的幅/相特性，避免使用多个参考信号造成标校流程复杂以及出现传递误差导致标校误差增大的问题。本发明除增加7个近场标校杆和30路标校链路外，利用原有设备，克服信道标校设备是数字波束系统必须使用的设备，不需要额外增加设备量和使用额外的硬件，实现方法比较简单，节省了硬件资源和硬件成本。

操作简便快捷，不需要复杂设备，便于自动化设计。本发明在相控阵天线外围，均匀架设6个标校架，每个标校架上分布4个信标天线；在相控阵天线中心架设一个标校架，均匀分布6个信标天线。这些信标天线距离球面天线阵面1～10米，对于球面阵等效口径为近场耦合，但相对于球面阵天线上的每个阵元都满足远场距离条件，可以实现对阵面单元的全覆盖。不需要在球面阵列天线内部设计复杂的内标校网络，也不需要对球面阵天线每个通道在安装前进行暗室初始化标校。在实施中不需要人工参与。标校过程不改变设备状态，也不涉及任何机械操作。避免了现有技术基于弧形可旋转标校架的校正和远场标校方案工作量大、难度增加，可实现性变差的缺陷。因此便于自动化设计，可节省大量时间。近场标校天线还可用于球面阵天线工作过程中对设备状态的实时监控管理。因此可节省大量的人力和物力。

附图说明

下面结合附图和实施实例对本发明进一步说明。

图1是对球面相控阵天线进行标校的标校天线分布示意图。

图2是对球面相控阵天线下行通道标校原理示意图。

图3是对球面相控阵天线上行通道标校原理示意图。

具体实施方式

参阅图1。根据本发明，在相控阵天线外围架设围绕球面天线阵面分布的标校架和架设在相控阵天线中心的一个标校架，每个标校架上分布距离球面天线阵面1～10米的4～6个信标天线，形成天线单元近似均匀分布的共形球面阵列分布模型；信标天线对于球面阵等效口径为近场耦合，相对于球面阵天线上的每个阵元都满足远场距离条件；根据安装标校天线的位置，创建球面阵天线坐标系，运用光学设备对每个标校天线相对于球面阵天线中心点的坐标位置进行高精度测量，计算出球面阵天线上每个阵元与标校天线的空间距离与轴向夹角；根据光学设备在球面阵天线坐标系的坐标测量数据，计算出两相邻阵元到两相邻标校天线的空间距离，并根据该空间距离以及标校频点，计算出两相邻阵元空间距离所导致的幅度差与相位差，两相邻阵元与两相邻标校天线的轴向夹角，根据该轴向夹角以及标校天线的轴角幅/相特性曲线，可得到两相邻阵元轴向夹角所导致的幅度差与相位差；然后采用标校测试设备产生的标校参考信号对球面阵天线上/下行通道进行标校，运用分布在相控阵天线四周标校架上的信标天线对阵面60°弧面内的阵元通道幅相进行校准，架设在相控阵天线中心标校架上的信标天线对阵面顶部阵元通道幅相进行校准；在用标校天线对球面阵天线上阵元通道进行标校后，扣除标校天线自身的相对幅/相特性与标校天线与阵元空间距离以及轴向偏转引入的幅/相变化，得到阵元天线通道本身的幅/相特性；利用球面阵天线外围分布的标校天线最终获得的整个球面天线所有通道的相对幅/相特性。

具体地，相控阵球面阵列天线外围架可设6个标校架，每个标校架上可分布4个标校天线；在相控阵球面阵列天线顶部架设1个顶部校架，顶部标校架上均匀分布6个标校天线，构成30个标校天线对近场30路标校链路上的30个标校喇叭的标校链路。这些信标天线距离球面天线阵面1～10米，对于球面阵等效口径为近场耦合，但相对于球面阵天线上的每个阵元都满足远场距离条件，可以实现对阵面单元的全覆盖，形成天线单元近似均匀分布的共形球面阵列分布模型。标校杆是桁架结构固定在天线基座之上，标杆位置精度可达毫米级，可以确保标校天线的位置稳定性，标校天线安装完成后需要用光学设备对每个标校天线相对于球面阵天线中心点的坐标位置进行高精度测量，以确保对通道标校的精度需求。在用标校天线对球面阵天线上阵元通道进行标校后，扣除标校天线自身的相对幅/相特性，与标校天线与阵元空间距离以及轴向偏转引入的幅/相变化，可得到阵元天线通道本身的幅/相特性，用球面阵天线外围分布的30个标校天线最终可得的整个球面天线所有通道的幅/相特性。为确保对球面阵所有阵元通道相位的标校，采用专用通道标校参考信号设计，即设计一路专门通道信号作为天线阵列标校的参考，确保不引入标校传递误差。

参阅图2、图3。在进行球面阵天线通道进行标校前，需对30路标校链路做自校正，即得到每个标校链路自身的幅度/相位特性，在进行通道标校时，需扣除相应的标校链路自身的的幅度/相位特性。

完成天线阵元通道标校时，按照天线阵元与标校天线的位置关系，根据补偿空间距离以及标校频点，将补偿空间距离所导致的幅度差记为ΔP_LA与相位差记为Δθ_LA，扣除所选项幅度差ΔP_LA与相位差Δθ_LA，计算出由于天线阵元A到标校天线的空间距离LA，完成空间距离补偿。

按照阵元与标校天线的位置关系，计算出阵元A与标校天线的轴向夹角根据该轴向夹角以及标校天线的轴角幅/相特性曲线，可得到该轴向夹角所导致的幅度差与相位差扣除该项幅度差与相位差完成阵元通道标校的轴向补偿。

利用近场标校标校杆标校出数字多波束球面阵天线下行通道的相对幅/相特性过程如下：

桁架结构的标校天线标校杆固定在天线基座之上，安装时通过球面阵天线坐标系，根据光学设备对标校杆的坐标进行高精度测量，计算阵元A与阵元B到标校天线的空间距离LA和LB，并根据该空间距离以及标校频点，可计算出空间距离所导致的幅度差记为ΔP_LA和ΔP_LB与相位差记为Δθ_LA和Δθ_LB。

根据标校天线安装固定位置和光学设备对其在球面阵天线坐标系的坐标进行的高精度测量数据，可计算出阵元A与阵元B与标校天线的轴向夹角和根据该轴向夹角以及标校天线的轴角幅/相特性曲线，可得到该轴向夹角所导致的幅度差和与相位差和

对近场30路标校链路上的30个标校喇叭的标校链路自身的幅/相特性，可以在阵列天线系统安装时使用仪器分别标校出30路标校链路的幅度特性ΔP_i、相位特性Δθ_i，i＝1，2，…，30。30路标校链路通过信号源产生的参考标校信号通过信号比较模块与来自天线下行通道的待标校信号进行比较，获得待标校通道信号x_A(t)和x_B(t)。

30路标校链路的待标校信号通过信幅度/相位标校设备选择待标校通道信号x_A(t)和x_B(t)与信号源产生的标校参考信号比较，可以得到两通道的幅度P_A和P_B以及相位θ_A与θ_B，则阵元A通道与阵元B通道标校的幅度特性ΔP_A和ΔP_B与相位特性Δθ_A和Δθ_B为：

然后依次选择其他的通道，最终可以得到全部阵元通道的幅度特性ΔP_k(k＝1，2，…，N)和相位特性Δθ_k(k＝1，2，…，N)，其中k为通道序号，N为阵元数目。

同理，利用近场标校标校杆标校出数字多波束球面阵天线上行通道的相对幅/相特性根据标校天线安装固定位置和光学设备对其在球面阵天线坐标系的坐标进行的高精度测量数据，可计算出阵元A与阵元B到标校天线的空间距离LA和LB，并根据该空间距离以及标校频点，计算出空间距离所导致的幅度差ΔP_LA和ΔP_LB与相位差Δθ_LA和Δθ_LB和阵元A与阵元B与标校天线的轴向夹角和根据该轴向夹角以及标校天线的轴角幅/相特性曲线，可得到该轴向夹角所导致的幅度差记为和与相位差记为和

对近场30个标校喇叭的标校链路自身的幅/相特性，可以在设备安装时使用仪器分别标校出来，标校链路的幅度特性为：ΔPi(i＝1，2，…，30)，相位特性为：Δθi(i＝1，2，…，30)。通过谁控制上行通道，选择待标校通道信号x_A(t)和x_B(t)，并将其与标校参考信号比较，可以得到两通道的幅度P_A和P_B以及相位θ_A与θ_B，则阵元A通道与阵元B通道标校的幅度特性ΔP_A和ΔP_B与相位特性Δθ_A和Δθ_B为：

然后依次选择其他的通道，最终可以得到全部阵元通道的幅度特性ΔPk(k＝1，2，…，N)和相位特性Δθk(k＝1，2，…，N)，其中k为通道序号，N为阵元数目。

以上所述的仅是本发明的优选实施例。应当指出，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以作出若干变形和改进，比如，本发明并不限于相控阵球面阵列天线外围架可设6个标校架，每个标校架上分布4个标校天线，30个标校天线；可以将上述数量进行更改，这些变更和改变应视为属于本发明的保护范围。