一种适用于无控幅相控阵的校准方法与流程

本发明涉及天线测量领域，具体涉及一种适用于无控幅相控阵天线幅度和相位的快速校准方法。

背景技术：

1、随着近年来微波、毫米波技术的快速发展，在基站、卫星通信、雷达探测和电子对抗等无线电设备中，相控阵天线的应用越来越广泛，相控阵天线技术作为关键技术受到越来越多的关注。相控阵天线的波束形成、波束控制、搜索捕获的精度取决于天线阵元的初始幅度、相位精度和移相精度。以二维平面相控阵天线为例，当其波束指向法向时，通常理论上要求每个通道的幅相特性完全一致以提高合成效率，满足相应的波束性能指标。但在实际设计与装配中，单元通道幅度和相位一致性通常难以保证，在未进行校准前，大规模相控阵天线系统中各天线间信号幅度和相位存在较大偏差，导致相控阵天线增益降低、副瓣抬高、波束指向偏差等。因此在天线交付前有必要对相控阵天线通道初始幅度和相位进行校准补偿。

2、相控阵天线的校准一直是相控阵天线研究的热门问题。目前主要的相控阵天线校准方法可以分为三类：近场校准方法、中场校准方法和远场校准方法。

3、近场校准方法因占用场地小，技术较为成熟被广泛应用于相控阵天线校准。然而近场校准存在以下问题：1）近场校准利用近场扫描架对阵面每个通道的幅度和相位进行单独测量，该种方式需要较为复杂的专用近场测试设备，对于大型相控阵天线，扫描架规模较庞大。2）常规近场校准需要极为精确地控制探头移动至每一个待校准天线单元上方，移动后需要等待一定时间使仪器（例如矢网）测量信号稳定，移动过程和移动后等待过程导致测量耗时长，极大地降低了近场校准效率。为了提升近场校准效率，专利cn103616569a公开了一种利用快速扫描结合插值补偿的校准方法，该方法虽然能极大缩短校准时间，但实测发现：该方法在阵面通道间相位差异极大情况下插值补偿存在小概率出错问题。3）由于近场与远场测试平台的差异性，根据近场校准进行幅度和相位补偿后，远场测试相控阵天线方向图通常需要进行额外法向波束指向修正，这增加了测试调试环节。4）近场校准探头通常只距离被校准通道3-5个波长，近场校准探头会对被校准通道幅度和相位有一定影响，虽然利用探头补偿算法能一定改善该问题，但仍然会引入一定测量误差。

4、中场校准与远场校准类似，都不需要复杂的专用校准测试设备，然而中场校准测试中，待校准天线与探头距离通常位于10 λ ≤  d ≤（2 d 2）/ λ之间，整个校准过程探头都不移动，这导致相控阵天线校准幅度和相位因阵面单元到探头距离差异引入额外的幅度和相位测试误差，该误差以阵面中心向四周扩大，需要进行额外补偿，这通常会引入额外的校准测试误差。

5、远场校准测量优点是所需系统设备量较少，结构简单。但远场校准方法的远场条件限制对校准场地提出了较高要求，特别是频段较高、阵面较大（电尺寸较大）的相控阵天线很难满足远场校准方法的远场条件。

6、随着毫米波以及半导体技术的快速发展，毫米波相控阵被迅速应用于各种技术领域，这使得远场测量（例如：紧缩场测量）技术得到快速发展和普及，大量的毫米波相控阵批量组装完成后，都需要进行远场测试，确定相控阵天线（方向图、天线威力、灵敏度等）性能满足指标要求后才能投入使用。批量化的相控阵天线测试对测试平台的稳定性、一致性和测试效率有了更高的要求。传统的相控阵天线近场校准之后再进行远场测试的模式既费时又难以保证测试结果的稳定性和一致性。综合来看，对于批量化相控阵天线测试，在远场一次性完成相控阵天线幅度、相位校准和远场指标测试更具优势和实际应用价值。

7、近年来，相控阵天线正朝着低成本和高集成度发展，为了压缩成本、缩减尺寸，部分相控阵天线甚至直接取消了数控幅度衰减器。现有相控阵天线校准技术在处理此类缺少控幅（幅度可衰减）功能的相控阵天线时面临越来越多的挑战。

8、现有技术一的技术方案。传统需要单通道加电或单模块加电、天线所有通道可进行幅度衰减和移相来实现校准的方法（例如：cn 108226884 b，cn 116047436 a）。

9、现有技术一的缺点：此类方法用于全阵加电的相控阵天线校准时，一次只有一个单元的激励变化，当阵列单元数目很多的时候，单个单元的激励变化很难引起整个合成场的变化，该变化甚至淹没在环境噪声中。因此该类校准方法不适用于全阵加电和无控幅相控阵天线的高精度幅度和相位校准。

10、现有技术二的技术方案：互耦校准法（例如cn 109444561 b）、换相测量法（例如cn109459735 a、cn 111987462 b）、分组旋转矢量法（cn 113406403 b）等利用多次测量得到相控阵内部所有单元之间、或分组单元之间相互影响，从而利用较为复杂的矩阵求解方法得到相控阵每个单元的初始幅度和相位的方法。

11、现有技术二的缺点：通常理论或者操作较为复杂，测试效率低且不利于实际应用开展。现有校准方法在校准无控幅相控阵时，部分校准方法不适用；部分方法理论或者操作较为复杂，测试效率低。为解决现有校准方法在校准无控幅相控阵天线中存在的问题，本发明提出了一种适用于无控幅相控阵的校准方法。

技术实现思路

1、本发明的目的在于解决上述现有技术存在的缺陷，提供一种适用于无控幅相控阵的校准方法。本发明方法利用相控阵天线测试频点所有通道移相器置为零态获得干扰信号方向图特性，通过偏移一定角度，降低干扰信号对待校准信号的影响。本发明方法适用于300mhz-300ghz范围内的常规相控阵天线。

2、本发明采用如下技术方案：

3、一种适用于无控幅相控阵的校准方法，校准步骤如下：

4、步骤1.在机械臂上架设待校准天线，对面扫描架上安装标准喇叭，待校准天线与标准喇叭满足远场测试距离，使待校准天线正对标准喇叭。

5、步骤2.待校准天线加电，接通控制链路和射频链路，待校准天线工作于被测频率。其中，被测频率是根据相控阵天线具体工作频率确定的，例如：某相控阵天线的工作频率是12ghz-18ghz，要求工作频率范围内，每隔200mhz进行依次校准，那么校准频率依次就是：12ghz，12.2ghz，12.4ghz，…，18ghz。

6、步骤3.待校准天线所有通道移相器置为零态，扫描方位面 phi=0°、离轴角 theta=±45°范围内方向图。

7、步骤4.在临近第1到第4零点中找到幅度最低的零点，并确定对应角度 theta0。

8、步骤5.将待校准天线安装的机械臂方位向旋转偏离角度 theta0。

9、步骤6.待校准天线所有通道相位设置为零态，记录待校准天线合成辐射场总信号为。

10、步骤7.对第 i个单元天线改变一次通道移相值180°，记录待校准天线合成辐射场总功率为，1≤ i≤n，n表示相控阵天线单元数。

11、步骤8.根据和值计算第 i个单元天线的初始幅度和相位。

12、步骤9.待校准天线所有通道相位设置为零态，重复步骤7和步骤8，测量待校准天线每个单元天线可得到每个通道需要补偿的校准幅度和相位值，根据机械臂偏离角（ theta0，0）,修正第 i个单元初始幅度为相位为 phase0_i。

13、本发明的有益效果：

14、（1）由校准方法原理可知，使用本发明校准方法进行阵面某通道幅度和相位校准时，即使阵面其他通道不进行幅度衰减，也不易受阵面其他通道影响，因此特别适用于无控幅相控阵天线的幅度和相位校准。

15、（2）本发明校准方法所需采样点少，对于 n通道的相控阵天线，仅需要 n+1次校准，占用系统开销少，因此本发明方法具有快速性。

16、（3）本发明的校准系统和测试过程简单，大大降低了校准成本，能够提高校准效率，避免了复杂的理论求解，解决了目前无控幅相控阵天线校准技术存在求解困难的问题，使得校准过程更加简单快捷。

17、（4）相控阵天线的某些通道发生故障时，通过该校准方法进行校准，获得的其他通道的幅度和相位差依然有效，不易发生故障扩散，因此本发明校准方法具有较强的鲁棒性。

18、（5）本发明方法考虑了全阵天线单元间的互耦问题，不仅适用于无控幅相控阵天线校准，亦适用于普通相控阵天线的全阵高效、高精度校准。