一种利用差波束的无控幅相控阵校准方法与流程

本发明属于天线测量领域，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。

背景技术：

1、相控阵天线因为可以通过控制每个辐射单元的馈电相位实现灵活波束赋形和电扫描，被广泛应用于探测、搜索、识别、跟踪和制导等场景。然而天线设计完成后由于各种误差，导致相控阵天线每个单元的初始相位并不能保持一致，通常需要将每个单元的初始幅度和相位校准到同一水平才能实现更佳的性能。相控阵校准技术作为相控阵测试的热点问题，随着对相控阵天线性能要求的不断提高，相控阵校准技术也在不断发展。

2、借助远场校准可以一次性完成相控阵天线幅度、相位校准和远场指标测试，这对于批量化生产更具优势和实际应用价值，故远场校准被广泛用于批量化的相控阵天线测试中。目前主要的校准方法可分为两类，第一类是仅利用相控阵天线通道相位变化实现通道校准（例如：cn108226884b、cn108809447a、cn109459735a、cn115327495a）。第二类是利用相控阵天线通道幅度和相位变化来实现通道校准（cn110361705a、cn116170089a）。然而为了压缩成本和减小体积而取消了数控幅度衰减器（缺少幅度衰减功能）的相控阵天线，以上两类现有校准方法在用于相控阵天线校准时，存在校准精度差或者效率低问题。

3、专利cn108226884b根据相控阵天线单元编号顺序逐一加电，并设置其它单元为断电或极点状态，通过控制和更改通道相位，得到校准通道初始幅度和相位。该方法采用单一天线单元加电或干扰通道设置为极点的方式，虽然可以排除或降低相邻通道的辐射干扰，但不适用于全阵或需要多模块加电、无控幅相控阵天线的校准。

4、专利cn108809447a对传统旋转矢量法进行改进，通过拟合的方式提升相控阵天线幅度和相位校准精度。该方法和传统旋转矢量法一样，都需要遍历校准通道多个移相态，校准效率较低；该方法用于全阵或需要多模块加电、无控幅相控阵天线校准时，由于干扰信号大于被校准通道，即使通过拟合，也无法解决校准幅度和相位误差大问题。

技术实现思路

1、为解决现有校准方法在校准无控幅相控阵天线中存在校准精度差或者效率低的问题，本发明提出了一种利用差波束的无控幅相控阵校准方法。

2、传统单通道换相校准方法在校准无控幅相控阵天线时，一次只有一个单元的相位发生变化，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场的变化，甚至淹没在环境噪声中，这导致校准幅度和相位结果误差较大，甚至出现校准出错现象。针对此问题，本发明利用阵面校准前干扰信号合成方向图特性，通道设置左右半阵相位差180°，从而在方位相形成差波束，使被校准天线信号幅度大于干扰信号幅度，极大的降低干扰信号对被校准天线信号的影响，从而提升校准无控幅相控阵天线的校准精度。

3、本发明采用如下技术方案：

4、一种利用差波束的无控幅相控阵校准方法，包括步骤：

5、步骤1.在机械臂上架设待校准天线，共包含 n个待校准通道，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。

6、步骤2.待校准天线加电，接通控制链路和射频链路，使待校准天线工作于被测频率 f0。

7、步骤3.待校准天线左半阵所有通道移相器置为零态，右半阵所有通道相位置为180°，扫描方位面 phi=0°、离轴角 theta=±45°范围内方向图。

8、步骤4.计算扫描方向图最大幅度和法向幅度差值 d0。

9、步骤5.判断最大幅度和法向幅度差值 d0是否小于等于15db。

10、步骤6.当最大幅度和法向幅度差值 d0≤15db时，利用phase-toggle方法对待校准天线进行第一次校准；由于左半阵与右半阵相位差180°形成的差波束最大幅度和法向幅度差值 d0不够大，导致除待校准单元天线通道外，其余通道形成的差波束幅度作为干扰信号对待校准单元天线通道信号的干扰仍然无法消除，这会影响待校准单元天线的校准幅度和校准相位精度。为此，需要利用phase-toggle方法对待校准天线进行第一次校准，第一次校准的目的是为了获取待校准天线所有通道的粗略校准幅度和校准相位。当将第一次校准相位 phase0_i补偿至待校准天线后，可以保证除待校准天线通道外左半阵与右半阵相位差180°形成的差波束最大幅度和法向幅度差值 d0＞15db，从而保证利用差波束的校准方法对待校准单元天线进行校准时的校准幅度和校准相位精度。

11、步骤601.利用搭建的校准测试平台，通过计算机控制待校准天线所有通道相位置为零态，记录待校准天线合成辐射场总信号为（该信号可以直接从矢网读取），其中a表示信号幅度、e表示自然常数、j表示虚数、表示第1个通道校准信号相位。

12、步骤602.利用搭建的校准测试平台，通过计算机控制第 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，其中 n为待校准天线通道数，1≤ i≤ n，其中a表示信号幅度、e表示自然常数、j表示虚数、表示第i个通道校准信号相位。

13、步骤603.根据和值计算第 i个单元天线的第一次校准幅度和第一次校准相位值，由第一次校准得到第i个单元天线需要补偿的相位值为- phase0_i。

14、步骤7.重复步骤6，测量待校准天线的每个单元天线得到每个通道的第一次校准幅度 mag0_i和第一次校准相位值 phase0_i。

15、步骤8.将第一次校准相位值 phase0_i补偿至待校准天线，再进行第二次校准；由于此时除待校准天线通道外左半阵与右半阵相位差180°形成的差波束最大幅度和法向幅度差值 d0＞15db，干扰信号幅度远低于待校准单元天线幅度，通过将左半阵通道干扰信号与右半阵通道干扰信号形成差波束进行校准，即能降低干扰信号对待校准单元天线通道信号的影响。

16、步骤801.根据第一次校准幅度 mag0_i和第一次校准相位值 phase0_i，对所有通道进行初始相位补偿，待校准天线所有通道相位置为零态，再将右半阵相位反转180°，记录待校准天线合成辐射场总信号为（该信号可以直接从矢网读取），其中a表示信号幅度、e表示自然常数、j表示虚数、表示第1个通道校准信号相位。

17、步骤802.利用搭建的校准测试平台，通过计算机控制第 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（该信号可以直接从矢网读取）， n为待校准天线通道数，1≤ i≤ n，其中a表示信号幅度、e表示自然常数、j表示虚数、表示第i个通道校准信号相位。

18、步骤803.根据和值计算第 i个单元天线的第二次校准幅度和第二次校准相位值。

19、步骤9.重复步骤8，测量待校准天线的每个单元天线得到每个通道需要补偿的第二次校准幅度 mag_i和第二次校准相位值 phase1_i。

20、步骤10.根据第二次校准幅度 mag_i以及第一次校准相位值 phase0_i和第二次校准相位值 phase1_i，计算得到所有通道真实校准相位值 phase_i，由于第二次校准是在第一次校准获得的第一次校准相位值 phase0_i补偿下完成的，故该待校准天线真实校准相位值需要累积第一次校准相位值 phase0_i和第二次校准相位值 phase1_i，所以待校准天线真实校准相位值 phase_i为 phase_i= phase0_i+phase1_i。

21、步骤11.当最大幅度和法向幅度差值 d0＞15db，利用除待校准天线通道外左半阵与右半阵相位差180°形成差波束进行第一次校准；由于此时除待校准天线通道外左半阵与右半阵相位差180°形成的差波束最大幅度和法向幅度差值 d0＞15db，干扰信号幅度远低于待校准单元天线幅度，故通过将左半阵通道干扰信号与右半阵通道干扰信号形成差波束进行校准，即能降低干扰信号对待校准单元天线通道信号的影响。

22、步骤1101.利用搭建的校准测试平台，通过计算机控制待测天线左半阵通道置为零态，右半阵通道相位置为180°，记录待校准天线合成辐射场总信号为（该信号可以直接从矢网读取），其中a表示信号幅度、e表示自然常数、j表示虚数、表示第1个通道校准信号相位。

23、步骤1102.利用搭建的校准测试平台，通过计算机控制第 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（该信号可以直接从矢网读取），n为待校准天线通道数，1≤ i≤n，其中a表示信号幅度、e表示自然常数、j表示虚数表示第i个通道校准信号相位。

24、步骤1103.根据和值计算第 i个单元天线的第二次校准幅度和真实校准相位。

25、步骤12.重复步骤11，测量待校准天线的每个单元天线得到每个通道的第二次校准幅度 mag_i和真实校准相位值 phase_i。

26、搭建的校准测试平台结构为：相控阵天线校准场地为微波暗室，暗室两端转台分别架设被校准天线和标准喇叭，被校准天线与标准喇叭距离满足远场测试条件，被校准天线和标准喇叭通过射频线缆连接至矢量网络分析仪两个端口，被校准天线通过外接电源进行供电，此外，通过控制计算机完成转台伺服控制，矢量网络分析仪测量设置和被校准天线加电和信号设置。

27、本发明的有益效果：

28、1.由校准方法原理可知，所述方法特别适用于无控幅相控阵天线的幅度和相位校准，使用该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，也不会受阵面其他通道影响。

29、2该校准方法效率极高，所需采样点少，占用系统开销少。

30、3.本发明的校准方法过程简单，易于操作、校准成本低，无需复杂的理论求解。

31、4.该方法用于干扰信号明显强于被校准通道信号的相控阵天线时，校准精度和效率明显高于已知其它校准方法。

32、5.该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。