专利名称：一种幅度和相位可变的阵列天线的校准方法
技术领域：
本发明属航天测控领域，涉及一种幅度和相位可变阵列天线的校准方法。
背景技术：
阵列天线由很多天线单元组成，每个天线单元馈以一定幅度和相位的信号以形成特定的波束并实现波束扫描，各天线单元的信号叠加形成阵列天线的信号。对于幅度和相位可变的阵列天线来说，其各天线单元的信号幅度和相位均可调，一般情况下，通过控制各单元后所连衰减器对天线单元信号的幅度进行调节并形成所需要的波束，通过改变各单元后所连移相器的相位对天线单元信号的相位进行控制以实现波束扫描。
为了精确的控制波束的指向，需要确定阵列天线各天线单元实际的相位响应。然而，相位响应受各种不可避免的误差以及制造公差的影响并且是时间和温度的函数，所以需要对相位响应的误差进行校准并对相位进行补偿。同样，各天线单元的幅度响应也与误差和制造公差有关，需要对幅度响应误差进行校准并对幅度给予补偿。
目前，对阵列天线的校准方法有很多，按照校准时其信号注入的不同路径可以分为内校准和外校准两大类。外校准是在距待测天线一定距离处架设辅助天线进行信号注入或采样，辅助天线可架设在阵列天线的近场、中场和远场，再经过幅相监测和比较，得出天线单元通道(校准是针对整个通道而言，包括了天线单元及与该电线单元所在通道中的移相器、衰减器)幅相误差。与内校准方法相比，外校准方法不需要在天线阵内设置大量定向耦合器和矩阵开关元件(某些外校准方法要求被监测的各路应有高频开关用于接通被测通道)，因此操作简便。目前出现的外校准方法有近场测量、中场测量、远场测量、换相测量以及REV方法等。
近场测量是指在阵列天线近场范围内，根据场在某一表面上的分布，利用BTM(Backward Transformation Method)反推天线口径场的分布。如相控阵天线近场测量的矩阵方法(MM)，该方法能够复原出相控阵天线各单元的激励幅相，并且能够用于任意几何形状的阵列天线。近场矩阵方法要解决的主要问题是矩阵病态问题，这就要求必需解决有限扫描面截断问题以及非均匀扫描问题，还需要解决矩阵的快速求解问题。该方法目前处于实验研究阶段，距工程应用还有许多工作要做。
中场测量法是利用互耦原理对相控阵天线进行校正，相控阵有一维相扫和二维相扫之分，与之对应，中场校正技术也可分为中场两点法和中场三点法。该方法要求相控阵天线具有单路收/发功能，即一个有源单元(或通道)处于发射或接收状态时，其它有源单元(或通道)处于关闭状态，且各个单元(或通道)之间相互隔离。相控阵天线中场校正方法利用一个参考天线放置在被测阵列前方一定距离处的几个特定位置上对阵列进行测试，通过数据相关处理获得校正参数。该方法的缺点是，要求天线具有高频开关用于选通被测通道，经现有的测量系统验证，该方法的精度仍有待提高。
远场测量时要求在远场距离上对相控阵天线进行测量，Dan Davis提出了一个远场测量相控阵天线的模型，它需要一个远距离测试场、辅助天线和转台系统，被测天线装在一个精密的旋转定位装置上，并接收远场辐射信号，对于不同的预定角位置，在天线端口处精确的测量出天线的幅度相位值，接着进行矩阵求逆运算得到孔径的相位和幅度值。该方法的关键在于要有精密的旋转定位装置。
换相测量法由俄罗斯科学家提出，其基本思想就是在探头和被测天线均固定的条件下给相控阵天线不同的配相，利用探头接收到的信号建立以单元激励为未知数的矩阵方程(又称测量方程)，然后通过求解矩阵方程得到各单元的激励。该方法的突出优点是通过一次测量就可以得到所有配相状态下的辐射特性，不需要附加的测量就可得到天线的方向图、增益等特性，测量周期短，是一种非常高效的测量方法。但该方法需要极其复杂的控制，建立测量所需的软件和硬件费用很大。该方法的最大缺点是探头采样信息量不足，为求得矩阵方程的唯一解，必须利用移相器的先验信息——移相器换相时传输系数模和相移变化的统计平均值，这极大的影响了该方法的工程通用性，制约了该技术的发展。
REV(Rotating-element Electric Field Vector)方法是日本三菱电气公司(Mitsubishi Electric Corporation)上世纪八十年代在机载有源相控阵天线的开发过程中提出的一种相控阵天线检测校正方法。该方法是一种基于功率测量的方法，通过连续改变被测通道移相器的相位，其余所有通道移相器相位状态不变，测量接收功率的变化，然后根据功率最大最小值及取得功率最大值的移相器的相移量，计算出各单元产生的电场相对于初始合成场的相对幅度和相对相位，由此可以确定各通道的幅相一致性。对于数字移相器，相移值和所得到的功率均为离散量，为得到功率最大值及取得最大值时移相器的相移值可以采用的算法有线性插值、最小平方近似和傅立叶变换。REV方法虽然数据处理简单，但存在解的模糊性问题，即存在多解，要利用其它信息如被校准单元产生的场和其余所有单元产生的和场的大小进行解的判断。
另外，Ron Sorace提出了一种在四个正交相位状态下根据功率采样结果进行单元幅度和相位校正的方法，该方法可以实现卫星天线在轨工作状态下的相位校正。具体校准方法为为了校准阵列第n个通道的幅相，将所有通道的相位设置成阵波束指向某一特定方位(如基站)，把此时相位状态记作0状态，在第n个通道所有相位状态下测量所接收到的或所发射的功率，把产生最大功率的设置与所假设的0状态设置的差作为校准偏移。对阵列中的每个通道重复该过程，并根据检测误差调整每个通道的前次相位校正。重复阵列的相位校准和校正直到相位误差在低于可接收的程度时达到收敛，这样就形成了每个通道的新校正值。Ron Sorace的方法不必在所有相位状态下进行测量，只在四个正交相位状态(0°、180°、90°和270°)下进行测量，根据测量值就可得到最大校准偏移量的似然估值。但是该方法的数据处理过程复杂，并且花费时间较长。
发明内容
本发明的技术解决问题是克服现有技术的不足，提供了一种校准算法简便、操作过程简单的幅度和相位可变的阵列天线的校准方法。
本发明的技术解决方案是一种幅度和相位可变的阵列天线的校准方法，步骤如下 (1)在阵列天线远场处设置辅助接收天线； (2)对阵列天线馈电，此时阵列天线的各天线单元在辅助接收天线处产生初始场矢量
从而得到阵列天线在辅助接收天线处产生的初始合成场矢量
其中n＝1，2，3......为阵列天线中各天线单元的编号，En和
为各天线单元在辅助接收天线处产生的初始场矢量的幅值和相位，E0和
为阵列天线在辅助接收天线处产生的初始合成场矢量的幅值和相位； (3)选取阵列天线中的第n个天线单元及与其相连的衰减器和移相器作为被校准通道，将所述被校准通道衰减器的衰减系数由初始值变为a1，再由a1变为a2，分别获取衰减系数为a1和a2时阵列天线在辅助接收天线处产生的合成场矢量
和
(4)当阵列天线处于步骤(2)的初始状态以及步骤(3)中衰减系数值为a1、衰减系数值为a2三种不同状态时，辅助天线接收阵列天线产生的信号，并经功率检测得到三种状态下的信号功率分别为Pn0、Pn1和Pn2
并由此获得被校准通道的相对幅度和相对相位
其中
(5)保持被校准通道的衰减系数为a2不变，同时将被校准通道移相器的相位改变
并获得此状态下辅助天线接收到的信号功率
由此得到
(6)根据步骤(4)和步骤(5)的计算结果，得到被校准通道的相对相位
(7)重新选取被校准通道，重复步骤(3)～(6)，得到阵列天线中各通道的相对幅度和相对相位； (8)若步骤(7)得到的各通道的相对幅度和相对相位不一致，则调整各天线通道中衰减器的衰减系数和相位器的相位系数，使各通道的相对幅度和相对相位一致。
本发明与现有技术相比的优点在于首先，本发明方法充分利用了幅度和相位可变的阵列天线幅度可变这一特性，并结合相位可变这一特点，在幅度和相位多状态下根据阵列信号的功率响应实现对阵列天线的校准。就目前的校准方法而言，大多是利用相位多状态这一特性实现校准，还没有联合利用幅度和相位多状态实现校准的方法。其次，本方法只需在衰减器三个幅度状态和移相器一个相位状态下测量被校准阵列天线发射或接收信号的功率，根据所测得的功率值计算出各通道相对参考信号的相对幅度和相对相位，并得到各通道不一致性误差，由此可以完成阵列天线各通道的幅相校准，操作过程简单，与其它校准方法相比，求解简便，不需大量计算过程，也不存在解的模糊性问题。
图1为阵列天线的结构图； 图2为本发明阵列天线校准方法的原理图； 图3为本发明阵列天线校准方法的流程框图。
具体实施例方式 如图1所示，为幅度和相位可变的阵列天线的结构图。图中3为天线单元，1为衰减器，2为移相器，通过改变衰减器和移相器的状态，可以改变馈给每个天线单元的信号的幅度和相位，此工作由控制器5来完成。
4为功率源，当阵列天线处于发射模式时，功率源通过相应的衰减器和移相器给每个天线单元馈电以发射阵列信号。功率源包括一个功分器将一路信号分成多路馈给各天线单元。通过控制器设置各天线单元信号的相位和幅度即可形成所要求的特定形状的波束并实现波束扫描。此时可以在阵列天线的远场范围内设置辅助天线7，在阵列天线处于发射模式时，辅助天线作为接收天线以接收校准信号。通过对辅助天线接收到的信号进行检测，即可获取各天线单元的幅度和相位特性。
图1中6为功率负载，当阵列天线处于接收模式时，辅助天线作为外部信号源向阵列天线发射参考信号，参考信号经阵列天线的各天线单元的移相器和衰减器送至功率负载，功率负载作为接收装置包括一个功率合成器，用于将接收到的多路信号合成为一路信号。同理，通过控制器设置各天线单元信号的幅度和相位即可形成所要求的特定形状的波束并实现波束扫描，根据负载接收到的参考信号进行检测，也可以获取各天线单元的幅度和相位特性。
如图3所示，为本发明方法的流程框图，本发明方法利用衰减器和相位器在不同状态下阵列信号的变化信息，实现幅度和相位多状态的联合校准。校准方法如下 首先需要在阵列天线远场处设置辅助接收天线。校准时，待测阵列天线发射信号，记第n个天线单元在辅助接收天线处产生的场矢量为
当待测阵列天线和辅助接收天线之间的位置以及其它边界条件不变时，该场矢量不变，则待测阵列天线在辅助接收天线处产生的场矢量为各天线单元产生的场矢量的叠加和，记为
如图2所示，其中n＝1，2，3......为阵列天线中各天线单元的编号，En和
为各天线单元在辅助接收天线处产生的初始场矢量的幅值和相位，E0和
为阵列天线在辅助接收天线处产生的初始合成场矢量的幅值和相位。
选取待测阵列天线的第n个通道作为被校准通道，假设衰减器状态变化时衰减器的衰减系数为l(l＝a0，a1，a2，...，am)，每一个衰减系数值对应衰减器的一个工作状态，衰减器的初始状态记为a0，当被校准通道所连衰减器的衰减系数(即衰减器的状态)分别变为a1和a2时阵列天线产生的矢量场分别为(原理如图2所示)
则衰减器在a0，a1，a2三个不同状态时辅助天线接收到的信号功率可表示为
设被测试通道初始状态的相对幅度相对相位
那么衰减器的状态为a1和a2时，辅助接收天线接收的功率相对初始功率的归一化值分别为R1和R2，表达式如下
根据衰减器在a0，a1，a2三个不同状态下的信号响应结果，可以求得An和
，表达式如下
显然为了得到
的准确值，需要附加信息，在此可以考虑改变移相器的状态获取足够信息，假设在衰减器状态为a2时，被校准通道的移相器相移
此时辅助接收天线的接收信号功率记为
则由前述各式可得
根据衰减器的三个状态(a0，a1，a2)和移相器的一个状态(90°)，可以得到被测通道的相对相位
表达式如下
由前述可以看出，只需要在3个幅度状态外加一个相位状态共4个状态(包括初始状态)下就可得到阵列天线被测试通道初始幅度和相位的不一致性误差。
重新选取被校准通道，重复上述过程，即可得到阵列天线中各天线单元的相对幅度和相对相位，若得到的各天线单元的相对幅度和相对相位不一致，则调整各天线单元所在通道的衰减系数和相位系数，即调整相应的衰减器和相位器的状态使其一致。
本发明说明书中未作详细描述的内容属本领域专业技术人员的公知技术。
权利要求
1、一种幅度和相位可变的阵列天线的校准方法，其特征在于步骤如下
(1)在阵列天线远场处设置辅助接收天线；
(2)对阵列天线馈电，此时阵列天线的各天线单元在辅助接收天线处产生初始场矢量
从而得到阵列天线在辅助接收天线处产生的初始合成场矢量
其中n＝1，2，3......为阵列天线中各天线单元的编号，En和
为各天线单元在辅助接收天线处产生的初始场矢量的幅值和相位，E0和
为阵列天线在辅助接收天线处产生的初始合成场矢量的幅值和相位；
(3)选取阵列天线中的第n个天线单元及与其相连的衰减器和移相器作为被校准通道，将所述被校准通道衰减器的衰减系数由初始值变为a1，再由a1变为a2，分别获取衰减系数为a1和a2时阵列天线在辅助接收天线处产生的合成场矢量
(4)当阵列天线处于步骤(2)的初始状态以及步骤(3)中衰减系数值为a1、衰减系数值为a2三种不同状态时，辅助天线接收阵列天线产生的信号，并经功率检测得到三种状态下的信号功率分别为Pn0、Pn1和Pn2
并由此获得被校准通道的相对幅度和相对相位
其中
(5)保持被校准通道的衰减系数为a2不变，同时将被校准通道移相器的相位改变
并获得此状态下辅助天线接收到的信号功率
由此得到
(6)根据步骤(4)和步骤(5)的计算结果，得到被校准通道的相对相位
(7)重新选取被校准通道，重复步骤(3)～(6)，得到阵列天线中各通道的相对幅度和相对相位；
(8)若步骤(7)得到的各通道的相对幅度和相对相位不一致，则调整各天线通道中衰减器的衰减系数和相位器的相位系数，使各通道的相对幅度和相对相位一致。
全文摘要
一种幅度和相位可变的阵列天线的校准方法，通过改变阵列各通道中可变数字移相器和可变数字衰减器的状态，得到阵列天线在辅助天线处的功率响应，对应某一个特定通道的多个不同状态下的响应组成了一个方程组，通过对方程组的求解得到该通道对于参考信号的相对幅度和相对相位，并由此得到阵列各通道的幅相一致性误差，从而实现校准。针对每一个通道，本发明校准方法仅需要通过三个幅度状态和一个相位状态即可得到该通道的相对幅度和相对相位，所需要的状态参量少，算法简便，操作过程简单。
文档编号H01Q3/28GK101483273SQ20091007827
公开日2009年7月15日 申请日期2009年2月24日 优先权日2009年2月24日
发明者田步宁, 敬红勇 申请人:中国航天科技集团公司第五研究院第五○四研究所