一种宽带宽扫有源相控阵天线基态校准方法

1.本发明属于相控阵天线研制领域，具体涉及一种宽带宽扫有源相控阵天线基态校准方法。


背景技术：

2.有源相控阵天线是相控阵雷达系统中最重要的组成部分，相控阵天线的性能直接决定雷达系统的性能。随着雷达技术的不断发展，各种技术要求的不断提高，现代相控阵雷达对于天线的工作带宽、扫描能力等很多方面的技术指标都提出了越来越苛刻的要求。反过来，各种新技术的不断突破，也使得相控阵天线的宽带宽扫性能得到了大幅的提高。以合成孔径雷达（sar：synthetic aperture radar）系统为例，随着sar系统的不断发展，对雷达的分辨率的要求越来越高，而决定雷达距离向分辨率的指标就是雷达的工作带宽，分辨率要求越高，则雷达的工作带宽越宽。另外，sar雷达的一个重要指标是成像幅宽，而成像幅宽又受到天线的扫描能力的限制。因此天线的工作带宽和天线的扫描能力直接影响了sar系统的系统性能。相控阵天线的宽带宽扫的性能，就需要延时组件和tr组件共同使用来实现。尤其天线扫描角越大，则天线需要的延时线越长，其制作难度也更大，直接制约了延时组件的性能，进而制约相控阵天线的性能。而在硬件的技术水平一定的情况下，如何通过更合理的校准技术使得相控阵天线发挥出最大的能力也是非常重要的。相控阵天线的基态校准是天线研制过程中一个非常重要的环节，而基态校准的水平也决定了天线的工作性能。
3.传统的相控阵天线的校准方法一般为对各个tr组件的幅度和相位进行采集，然后，通过tr组件的移相和衰减功能，来将阵面各通道的幅度相位补平。此种方法对于窄带天线或者延时组件性能非常好的天线是可以的，但是对于宽带天线或者延时性能不好的天线而言，就不能达到硬件的最佳状态，从而使天线的最佳性能得不到发挥。因为延时组件工作在不同延时状态的情况下，其所引入的误差是不一样的，传统基态校准方法并没有考虑延时组件的各个延时态工作时的延时精度误差和寄生幅相误差，这种补偿方法会导致天线性能的下降。


技术实现要素：

4.为解决上述技术问题，本发明提供一种宽带宽扫有源相控阵天线基态校准方法，从而解决传统校准方法中天线宽带性能下降的问题，从而使相控阵天线的宽带性能得到最大的挖掘，保证雷达系统的工作状态，提升雷达系统的性能。本发明提到的基态校准方法，相较于传统的校准方法，是天线使用过程中的一种动态校准方法，此方法可以有效补偿天线延时组件不同延时态的误差，使天线工作在更佳的状态。
5.为达到上述目的，本发明采用的技术方案为：一种宽带宽扫有源相控阵天线基态校准方法，包括如下步骤：步骤1：对相控阵天线的tr组件及延时组件的幅度和相位数据进行采集；步骤2：对所述步骤1中采集的数据进行处理，得到tr组件0态幅度误差、相位误差
和延时组件全态延时量误差、寄生幅度误差、寄生相位误差；步骤3：对所述步骤2中的tr组件0态幅度误差、相位误差和延时组件全态延时量误差、寄生幅度误差、寄生相位误差进行补偿来实现基态校准算法。
6.进一步地，所述步骤1中的对相控阵天线的tr组件的幅度和相位数据进行采集包括：对天线的每一个tr组件的幅度和相位均置于全0态下的幅度和相位数据采集，采集的数据为全频带内的多个频点的数据，采样间隔低于带宽的20分之一，用来分析tr组件的带内特性，筛选出带内频响差的组件进行更换处理，得到的基态数据用来对天线进行基态校准。
7.进一步地，所述步骤1中，对相控阵天线延时组件的幅度和相位数据进行采集包括：一个延时组件连接对应一个或多个tr组件，在延时组件不同延时态的数据采集过程中，延时组件对应区域内的tr组件全部处于工作状态，并且延时组件在不同状态切换的过程中，其对应区域内的tr组件的状态保持不变，从而得到延时组件各个延时态的频率响应数据。
8.进一步地，所述步骤2包括：延时组件的数据录取为各个延时态的幅度和相位分布情况，根据测试得到的延时各态的相位分布数据，得到延时各态的延时量误差和寄生相位误差，根据测试得到的幅度数据得到延时各态的寄生幅度误差，将处理得到的延时各态的延时量误差和寄生相位误差、寄生幅度误差存储后，用于天线使用过程中对不同延时态误差进行补偿。
9.进一步地，所述步骤2包括：对步骤1中采集得到的tr组件的幅度和相位数据进行处理，先对每个tr组件的采集数据取带内均值，使用带内均值作为tr组件的幅度和相位基态误差数据；对于发射而言，根据测试得到的发射全0态的相位分布，使用移相器将所有tr组件的发射相位置于一个统一的目标值下，一般为所有tr组件相位最小值或均值，使得阵面的发射相位分布一致；对于接收而言，根据测试得到的接收全0态的相位分布，使用移相器将所有tr组件的接收相位置于一个统一的目标值下，一般为所有tr组件相位最小值或均值，使得阵面的接收相位分布一致；接收幅度的处理方法为：如果天线阵面的幅度分布区间为amin—amax，将能量比较高的tr组件通过tr组件中的衰减功能进行衰减，从而使各个tr组件的接收幅度一致。
10.进一步地，所述步骤3包括：首先根据扫描角度、间距、工作频率计算出理论情况下，天线阵面的幅度和延时量分布，根据理论值算出各级延时组件需要布控的量化后的波控码，各级延时组件的延时量对应的寄生幅度误差和寄生相位误差由tr组件进行补偿；天线理论需要的延时量在扣除各级延时组件的可实现延时量后剩余的部分，则由tr组件来实现。
有益效果
11.本发明通过此方式对天线进行各项误差补偿后，解决了传统相控阵校准方法中，只有法向误差可以补偿，天线工作过程中的延时误差无法补偿的问题，从而使的天线性能得到提升。
附图说明
12.图1为本发明的一种宽带宽扫有源相控阵天线基态校准方法流程框图；图2为天线拓扑结构示意图。
具体实施方式
13.为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。
14.如图1所示，本发明的一种宽带宽扫有源相控阵天线基态校准方法包括如下步骤：步骤101：对相控阵天线的tr组件及延时组件的幅度和相位数据进行采集：具体的，对tr组件全0态进行幅相数据采集时，使用平面近场测试系统，依次开启每一个tr组件，其它tr组件处于负载态，对天线总口到tr组件的射频链路的幅度和相位数据进行测试，直到全部tr组件的数据采集完成。需要注意的是，对于宽带天线而言，要对整个带宽内的等间隔的多个频点数据进行采集，采集幅相数据的频率间隔最好低于带宽的二十分之一，这样便于后续的数据处理。
15.对延时组件的数据进行采集时，一般地，一个延时组件都会连接多个tr组件，如果相控阵天线延时分为多级的情况，如图2所示，在测试不同级的延时，需要将待测延时对应的区域内的延时组件和tr组件全部打开，其它区域的延时组件和tr组件处于负载态。比如，测试一级延时时，在其对应区域内，需要将一级延时、二级延时以及tr通道全部打开，并且打开的二级延时和tr通道全部置于全0态，同时将其它区域的延时组件和tr组件置于负载态。在这种设置下，再对测试的一级延时的全部延时态依次进行遍历测试，测试一级延时的过程中，对应区域内所有的二级延时及tr组件的状态保持不变，直到一级延时的全态数据全部录取完毕。依据此方法再对其它的一级延时数据进行采集。
16.在进行二级延时数据采集时，待测二级延时对应区域内的一级延时组件及tr组件全部开启并置于全0态不变，其它区域的延时组件和tr组件处于负载态，遍历待测二级延时的延时全态从而得到对应的全态幅度和相位数据。例如，如图2所示，如果进行二级延时的全态数据采集时，需要将二级延时对应的一级延时和tr组件打开并置于全0态，遍历二级延时的全部延时态进行幅相数据采集，在完成采集二级延时的全态数据采集后，再用同样的方法对下一个二级延时组件数据进行采集。
17.步骤102：对所述步骤101中采集的数据进行处理，得到tr组件0态幅度误差、相位误差和延时组件全态延时量误差、寄生幅度误差、寄生相位误差：具体的，数据处理分为tr组件数据处理和延时组件处理两个部分。以图2所示的天线结构为例进行说明。
18.首先对一级延时进行处理，处理方法为首先将各个一级延时的全态数据对0态作归一化处理，这样就可以得到一级延时各个不同延时态本身的寄生幅相变化特性（不包含0态）。由此数据可以得到各个一级延时的不同延时态的寄生幅度误差d1_amp，寄生相位误差d1_phs，延时量误差d1_error。所述延时量误差d1_error可以用二级延时进行补偿，而寄生幅度误差d1_amp和寄生相位误差d1_phs可以由对应区域的tr组件进行补偿。
19.其次，对二级延时进行处理，与一级延时的处理方法相同，得到二级延时各态的寄生幅度误差d2_amp，寄生相位误差d2_phs及延时量误差d2_error，但是因为二级延时的延时量误差已经没有更低一级的延时进行补偿，因此需要将二级延时得到的寄生幅度误差d2_amp、寄生相位误差d2_phs和延时量误差d2_error三部分都由tr组件的移相和衰减来进行补偿。
20.最后，对tr组件的采集数据进行处理，对于宽带天线而言，一般先对每个tr组件的采集数据取带内均值，使用带内均值作为该tr组件的幅度和相位基态误差数据。对于发射而言，根据测试得到的全0态相位误差，使用移相器将发射相位置于一个统一的目标值下（一般为tr组件相位最小值或均值），使得阵面的相位分布尽量一致。对于接收而言，接收相位的处理方法与发射相位一致，使用移相器将接收相位置于一个统一的目标值下（一般为tr组件相位最小值或均值），使得阵面的相位分布尽量一致。接收幅度的处理方法为，如果阵面的幅度分布区间为amin—amax，将能量比较高的tr组件的通道通过组件中的衰减功能进行衰减，从而使各个tr组件的通道的接收幅度尽量一致，值得注意的是一般情况下，不能将幅度全部都衰减到最小能量通道的数值amin，因为这样会大大降低系统的灵敏度。
21.具体地，如图2所示，一个一级延时数据经过处理后，得到对应一级延时的三种误差：延时量误差d1_error、寄生幅度误差d1_amp、寄生相位误差d1_phs；同理，一个二级延时数据经过处理后，得到对应二级延时的三种误差：延时量误差d2_error、寄生幅度误差d2_amp、寄生相位误差d2_phs。一个tr组件的误差数据经过处理后，得到tr组件的幅度误差和相位误差。
22.步骤103：对所述步骤102中的误差进行补偿来实现基态校准算法：具体的，首先根据扫描角度、间距、工作频率等相关参数计算出理论情况下，阵面的幅度和延时量分布，先根据理论值算出一级延时需要布控的量化后的理论延时分布delay1_code（一级延时的波控码），一级延时的延时量对应的寄生幅度和寄生相位由tr组件进行补偿；扣除一级延时可实现的延时量后，再计算二级延时需要布控的量化后的延时量delay2_code（二级延时的波控码），二级延时的延时量计算时，需要对一级延时的延时量误差进行补偿，二级延时计算得到的波控码对应的寄生幅度和寄生相位由tr组件进行补偿；天线理论需要的延时量在扣除一级和二级延时的可实现延时量后剩余的部分，则由tr组件来实现。
23.实际上tr组件并不能实现延时的功能，只是用tr组件的移相功能代替延时线所产生的相位滞后。最终tr组件所需要进行补偿的误差主要包含以下几部分：一级延时的寄生补偿误差、二级延时的寄生补偿误差、延时线因为量化位数所不能实现的剩余延时量误差、阵面各tr组件全0态下测试得到的幅相误差。上面所列的多种误差的总和由tr组件实现，从而得到tr组件的移相和衰减码。
24.本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。