基于矢量平均的相控陣天線校準方法

楊順平

(中國西南電子技術研究所，四川成都 610036)

基于矢量平均的相控陣天線校準方法

楊順平

(中國西南電子技術研究所，四川成都 610036)

提出了一種適合于工程應用的新的相控天線校準算法——矢量平均法，通過一個8單元的線陣驗證了該校準方法的正確性，并給出了該校準方法與常規(guī)FFT校準方法的實驗結果對比情況.結果表明，在大動態(tài)下該方法具有更高的校準精度.

FFT；幅相校準2；相控陣

0 引 言

相控陣天線為了實現(xiàn)對各個有源通道的幅度相位監(jiān)測與誤差修正需要采用校準或者監(jiān)測技術對各個通道的幅度相位的測試.通常，對于對結構和尺寸要求不高的天線或者數(shù)字多波束天線，可以對每個通道進行獨立測試，其校準算法簡單.但隨著天線向著高頻、高集成度、小型化發(fā)展，必須采用一定的算法實現(xiàn)對各個通道的幅度相位信息準確有效地檢測，目前，常用的校準算法有逆矩陣、FFT、Phase-Toggle、旋轉陣元電場矢量、換相法、基于互耦測量以及基于陣元方向圖的算法等[1-3].彭祥龍等[4]對比分析了逆矩陣、FFT、Phase-Toggle 3種方法的優(yōu)缺點.在此基礎上，本研究提出一種基于矢量平均的相控陣天線校準方法，該方法綜合FFT法和Phase-Toggle算法的優(yōu)點，在校準精度上比單純采用FFT法或者Phase-Toggle算法精度更高.

1 方法描述

矢量平均校準方法和逆矩陣法、FFT法及Phase-Toggle法相似，都是通過改變各個饋電支路的相位構成方程，并求解出需要校準的支路的幅度相位分布.校準分2步完成:配相并檢測信號的幅度和相位；計算得到校準支路的幅度與相位分布.矢量平均法將被測信號看成復數(shù)矢量的信號，具有幅度和相位分量，在第一步配相過程中，旋轉被測支路的信號，其他支路信號不變，在第二步解算過程中反向旋轉合成信號.由于第一步配相時，被測支路旋轉了，而其他支路沒有旋轉，那么經(jīng)過第二步的反向旋轉后，被測支路的信號是一個同相疊加的效果，而其他支路旋轉一圈后，進行矢量疊加后總信號為零.因此，對上述信號進行平均后就可以得到被測支路的幅度相位信息.

第一步的配相過程如式(1)所示，

式中，M為被測量支路的總數(shù)目，N為移相器總狀態(tài)數(shù).設Ak是第k次接收機測試得到的電壓值，為包含了幅度和相位的復數(shù)，k=1～N.Si為校準饋電網(wǎng)絡第i支路的傳輸系數(shù).ai為實際的天線饋電分布，包括幅度和相位信息.Sm為當前被檢測的校準饋電支路的傳輸系數(shù)，am為當前被監(jiān)測的實際的天線饋電分布.其中，Sm、Si為事先已知的，可以通過實驗室測試得到.對于采用陣外遠場耦合的校準方法，在滿足一定的架設條件下，Sm、Si可以認為是相等的，可以不用測量.如果只關心am、ai的相對值和相對變化情況，Sm、Si甚至可以不用測量，直接將Sm?am、Si?ai的變化結果作為校準依據(jù)，前提是Sm、Si隨時間和環(huán)境的變化可以忽略.

第二步的過程如式(2)所示，

由于式(3)矢量旋轉后合成結果等于零，可以得到，

圖1給出了一個N=8矢量平均校準過程的配相情況.0～7對應了8次被測試支路的移相條件下矢量旋轉的情況，其他支路信號在8次配相過程中都不變化.

圖1 配相狀態(tài)矢量旋轉示意圖

圖2給出了解算過程中矢量變化情況，其他支路進行旋轉，由于進行的加法運算，該項最終結果等于0，被測支路由于旋轉的角度剛好和配相時的角度大小相等，方向相反，所以進行加法運算后，形成同相疊加的效果.這樣就消除了其他支路信號，得到的只有被測支路的信號，進行一個平均后，就可以檢測出被測支路的幅相數(shù)值.

圖2 平均狀態(tài)矢量旋轉圖

通過以上過程可以看到，由于整個過程采用加法和乘法完成，其解算過程比逆矩陣法更加穩(wěn)定，移相時只與被測支路相關，其他支路保持不變，所以其他支路的移相誤差不會對測試結果造成影響，其s?a的動態(tài)范圍比FFT校準法大，這在工程應用中非常重要.因為現(xiàn)在很多天線有集成度、小型化、低RCS等技術要求，而FFT校準法對s?a的動態(tài)要求非常苛刻，為了達到好的校準精度，必須采用平衡支路饋電的方式，要求盡量保證s?a動態(tài)分布不要太大(和移相器的幅度相位誤差有關系)，而在工程應用中如果其分布達到20 dB以上，通常小傳輸系數(shù)的被測支路很難得到滿意的校準精度.而要滿足天線集成度、小型化、低RCS等技術要求，設計一個共面的近場耦合天線是最佳方案，但其動態(tài)范圍不易受控，一般在30 dB左右.所以矢量平均校準方法非常適用于這種工程應用.此外，本方法相比FFT校準法的另外一個優(yōu)點是，可以把其他不需要的耦合信號看成不變信號，在解算過程中也會一并抵消，這樣對電路的耦合度要求會大大降低.由于該方法具有FFT校準法的加法特性，其對加性噪聲的抑制也和FFT法一樣，噪聲誤差項和合成信號的大小是沒有關系的[5].在校準之前，可以做一個FFT校準法配相的過程，測試合成信號最小情況作為工作點，再在這個工作點上進行矢量平均的校準過程，這樣就可以避免合成信號過大，從而減小接收機的跡線噪聲對校準精度的影響.

2 實驗驗證

圖3 基于矢量平均的校準系統(tǒng)原理框圖

在實驗時，根據(jù)矢量平均法設計了一個相控陣天線的校準系統(tǒng)，其原理框圖如圖3所示.該系統(tǒng)采用無線饋電與近場耦合的方式，近場耦合天線和各天線單元之間的耦合系數(shù)動態(tài)范圍在20 dB以內，天線單元數(shù)N=8.校準收發(fā)裝置用于產(chǎn)生校準需要的RF信號，經(jīng)近場耦合天線輻射出去，再由天線1～N接收，經(jīng)過LNA和移相器，再通過功率分配/合成網(wǎng)絡回到校準收發(fā)裝置.為了測試信號相位，發(fā)射信號還有一路直接耦合到校準收發(fā)裝置里面作為相位參考.在實驗過程中，將校準結果與實際端口測試結果進行了比較，其相位校準精度為3.7度(RMS)，幅度精度為0.10 dB(RMS).其中，相位精度包含了移相器的量化誤差，因為該相控陣天線未考慮幅度修正，幅度精度為校準算法測試誤差.采用FFT校準法進行了校準，由于耦合系數(shù)動態(tài)范圍過大，接收相對能量較小的單元基本誤差進行準確測量.

3 結 語

矢量平均的相控陣天線校準方法結合了FFT與Phase-Toggle法的特點，通過旋轉被測支路的移相器，實現(xiàn)了移相器的全移相狀態(tài)參與校準，同時其他支路的移相器不參與移相，減小了移相誤差對校準的影響，擴大了系統(tǒng)校準時對支路的動態(tài)要求，非常適合目前相控陣天線小型化、集成化及共形化的工程應用要求.

:

[1]Lee J J，F(xiàn)erren EM，WoollenD P，et al.Near-field probe used as a diagnostic tool to locate defective elementsin an array antenna[J].Antennas and Propagation，IEEE Transactions，1988，36(6):884-889.

[2]Davis D.Analysis of array antenna patterns during test[J].Microwave Journal，1978 ，21:67-72.

[3]Shnitkin H.Rapid fast fourier transform phase alignment of an electronically scanned antenna[C]//20th European Microwave Conference.Budapest:IEEE Press，1990:247-257.

[4]彭祥龍，石星，劉茁.基于行波耦合饋線的相控陣幅相校正算法比較[C]//第十屆全國雷達學術年會論文集.北京:國防工業(yè)出版社，2008:786-788.

[5]楊順平，張云，溫劍.接收機噪聲對行波饋電法校準誤差影響分析[C]//2009年全國天線年會.北京:電子工業(yè)出版社，2009:778-780.

Calibration Method of Phased Array Based on Mean of Vector

YANGShunping
(Southwest China Institute of Electronic Technology，Chengdu 610036，China)

A new phased array calibration method-mean of vector is proposed in this paper.The method is verified on a 8-element linear experimental array.A higher accuracy has been obtained than fast Fourier transform(FFT)method under the loss of transmission path with large dynamic range.

fast Fourier transform ；calibration ；phased array

TN823

A

1004-5422(2013)01-0061-03

2012-12-15.

楊順平(1976—)，男，碩士，從事天線校準與測量技術研究.