陣列天線近場校準(zhǔn)方法及在波束形成中的應(yīng)用

楊雷明 李 強 孫廣俊

(中國電波傳播研究所青島分所 山東青島 266107)

0 引言

傳統(tǒng)的天線測量方法一般是進(jìn)行遠(yuǎn)場測量［1-2］，均假設(shè)滿足遠(yuǎn)場平面波入射條件，信號處理簡單，遠(yuǎn)場測量要求測試距離R滿足條件:

但是對于大型相控陣天線陣列，天線孔徑D很大，得到的測量誤差一般比較大，遠(yuǎn)場測量實現(xiàn)比較困難，天線近場測試方法就是解決這類問題的有效方法。文獻(xiàn)［3］表明，天線近場測量結(jié)果與遠(yuǎn)場測量結(jié)果主極化方向圖一致，并且近場測量結(jié)果與理論分析完全吻合。

近場測量技術(shù)利用探頭在天線口面上做掃描運動，測量口面上的幅度和相位，然后把近場數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成遠(yuǎn)場。近場測試有兩種方法:一種是探頭緊靠天線陣面，相距僅幾個波長的近場測試方法。這種方法要求有高精度的掃描器測試架、探頭、機械或激光定位裝置等，測試通常在微波暗室中進(jìn)行，此方法成本較高，并且不適用于短波頻段測試。另一種方法是將天線測試信號源或測試探頭放置在離天線陣面較遠(yuǎn)的地方，但仍小于遠(yuǎn)場測試要求的2D2/λ。此方法理論公式簡單，測量環(huán)境要求不高，易于實現(xiàn)。

1 天線近場測試方法

圖1所示為一種大型相控陣天線的近場測試示意圖。測試天線可放置在一個可移動的測試支架上，在圖上以At點表示，其坐標(biāo)位置為(xA，yA，zA)。為了保證在天線口面獲得平面波，必須通過相控陣?yán)走_(dá)的波束控制設(shè)備來修正各單元移相器的相位，以便將球面波變?yōu)槠矫娌ㄇ?，要求波束控制系統(tǒng)提供進(jìn)行相位修正所需的波束控制數(shù)碼［3-4］。

圖1 大型相控陣天線近場測試示意圖

為此，應(yīng)先求出測試天線至參考單元的距離RA，At至各天線單元的距離Rki，以及它們之間的距離差

通過光學(xué)測量測試天線At的位置可在球坐標(biāo)系里給出，為 (RAt，φAt，θAt)，換算至 (x，y，z)坐標(biāo)系，表示為:

而放置在傾角為A度的(x1，y1，z1)平面上的第(k，i)單元，在(x，y，z)坐標(biāo)系里的位置為:

故At至第(k，i)單元的距離Rki可表示為:

再按式(2)，可算出第 (k，i)單元與(0，0)參考單元之間相位誤差Δφki為:

上式中L=0，±1，±2，…，L用于考慮修正超過波長整數(shù)倍的路程差。

令Δφki與最小計算相移值ΔφBmin之比為τki，則

此時，波束控制系統(tǒng)傳送至各個移相器的波束控制數(shù)碼C(k，i)應(yīng)為:

其中α，β為整數(shù)數(shù)碼，與波束指向相對應(yīng)，表示沿y與z方向相鄰天線單元之間波束控制數(shù)碼的增量。

2 陣列校準(zhǔn)

陣列校準(zhǔn)主要分為兩部分:a.閉環(huán)校準(zhǔn)，主要校準(zhǔn)接收通道之間的幅相誤差。校準(zhǔn)信號等幅同相輸入到接收通道，然后比較各通道輸出的幅度和相位，以此消除各接收通道之間的幅相誤差。b.開環(huán)校準(zhǔn)，減少校準(zhǔn)源的位置誤差，校準(zhǔn)天線陣各天線單元的幅相誤差。首先需要盡可能的減少校準(zhǔn)源的位置誤差，得到校準(zhǔn)源的準(zhǔn)確位置后進(jìn)行陣列的幅相誤差校準(zhǔn)。由于閉環(huán)校準(zhǔn)可以實時進(jìn)行，本文介紹的陣列天線校準(zhǔn)方法是在閉環(huán)校準(zhǔn)即接收陣列各通道幅相誤差消除的基礎(chǔ)上開展的。陣列天線校準(zhǔn)分兩步進(jìn)行，第一步為校準(zhǔn)源位置誤差的校準(zhǔn)，第二步為天饋線幅相誤差的校準(zhǔn)。

2.1 校準(zhǔn)源位置誤差校準(zhǔn)方法

假設(shè)校準(zhǔn)源與接收通道在同一平面，為了減少因為人工引入的校準(zhǔn)源位置誤差，測量多個校準(zhǔn)源與接收通道之間的距離和方位，通過測量可以得到

其中(xA，yA)為天線坐標(biāo)，(xi，yi)為校準(zhǔn)源位置坐標(biāo)。

整理(10)式得:

2.2 天饋線幅相誤差校準(zhǔn)方法

天饋線誤差分析具體步驟:

a.對接收通道幅相誤差進(jìn)行閉環(huán)校準(zhǔn);

b.多次測量獲取校準(zhǔn)源的準(zhǔn)確位置;

c.通過天線近場測試方法得到天饋線的幅相誤差;

d.將測量得到的天饋線幅相誤差進(jìn)行誤差補償，用補償過的天線重復(fù)步驟c至幅相誤差收斂。

對天饋線幅相誤差進(jìn)行校準(zhǔn)需要天線陣列向某一根天線幅相對齊，對齊時需要事先補償?shù)魜聿ㄐ盘柕姆较蚴噶浚?-9］。天線近場校準(zhǔn)流程圖如圖2所示。

3 試驗結(jié)果分析

假設(shè)校準(zhǔn)源與接收天線在同一平面。接收天線陣列由16根天線組成，相鄰接收天線間距7m，校準(zhǔn)源與天線距離200m左右，頻率5～28MHz，由于短波頻段干擾較多，通過測量選取干擾較小的頻率作為校準(zhǔn)源頻率。

3.1 陣列天線誤差隨頻率方位變化曲面

以最左邊的接收天線作為原點，天線陣列位于橫軸上，試驗中將校準(zhǔn)源變換不同的位置作為陣列的校準(zhǔn)天線。接收機經(jīng)過閉環(huán)誤差補償后，得到天線幅相誤差隨方位與頻率變化的離散點，利用曲面擬合得到最終天線的誤差曲面如圖3所示。

圖4給出了8根天線的幅相誤差曲面，離散點為擬合之前的測量誤差點，圖中已經(jīng)補償了閉環(huán)誤差和球面波相移，只保留了天線造成的相位偏移，可以看出天線相位誤差在0o附近的分布規(guī)律。

3.2 天線誤差對波束形成的影響

以頻率為20MHz的來波信號為例，圖5(a)為脈壓結(jié)果，可以看出經(jīng)過閉環(huán)和開環(huán)誤差校準(zhǔn)后的脈壓結(jié)果比未校準(zhǔn)時的脈壓結(jié)果增加了15.03dB。

由圖5(b)波束形成圖可以看出閉環(huán)校準(zhǔn)能夠得到較強的主瓣，但是旁瓣較高，相對主瓣增益約為-10.33dB。進(jìn)一步補償?shù)籼炀€誤差后，主瓣較閉環(huán)校準(zhǔn)時增強了1dB，旁瓣則降為-13.47dB，較閉環(huán)校準(zhǔn)時改善了3.14dB。此時的理論主瓣-3dB寬度為9.2o，實際測量主瓣寬度為10.4o。

3.3 三種方法測角結(jié)果

在短波頻段分別采用常規(guī)波束形成、Capon、MUSIC方法進(jìn)行測角，表1和圖6給出了測量結(jié)果?？梢钥闯?，天線校準(zhǔn)之后，測角結(jié)果明顯集中，偏差較少，在短波低頻段的測角結(jié)果改善尤為明顯。

圖5 來波信號顯示圖

表1 信號測角結(jié)果

4 結(jié)束語

通過近場多處布置校準(zhǔn)源的方法獲得天線隨頻率和方位變化的誤差曲面，可用于評估陣列天線的一致性。波束形成后，相對于閉環(huán)補償，天線補償主瓣變化不大，但是旁瓣明顯降低，測角偏差明顯減少，并且在短波低頻段測角結(jié)果表現(xiàn)尤為明顯。

圖6(a) 常規(guī)波束算法測角

圖6(b)Capon算法測角

圖6(c)MUSIC算法測角

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