一種相控陣接收通道的幅相校準(zhǔn)方法

陳少林，吳 昊

（駐783廠軍代室，綿陽 621000）

1 引言

相控陣天線是“相位控制陣列”天線的簡稱，即天線是由多個(gè)輻射單元組成陣列[1]。由于相控陣天線陣是通過精確控制各輻射單元的相位、幅度以實(shí)現(xiàn)波束合成和控制，因此，各輻射單元的相位、幅度的精度和變化直接影響合成波束的性能（增益、副瓣電平、零深等）。

2 陣列和校準(zhǔn)系統(tǒng)的原理及構(gòu)成

對于均勻線陣，為使天線波束最大值在θB方向，各單元的移相器提供一組波控參數(shù)，對應(yīng)到各單元之間的相位差為

式中，θB為天線波束最大指向的方位值。

在此基礎(chǔ)上，假定相控陣天線每個(gè)單元的方向圖足夠?qū)捇蛘呤侨虻?，那么在直線陣天線波束掃描范圍內(nèi)，直線陣天線的方向圖函數(shù)F（θ）近似為：

式中，θ為方位角度；an表示陣列天線系統(tǒng)等效到第n個(gè)陣元中的幅度和相位誤差分量。

波束形成網(wǎng)絡(luò)中典型內(nèi)置校準(zhǔn)源的閉環(huán)校準(zhǔn)系統(tǒng)如下圖所示。

圖1 閉環(huán)校準(zhǔn)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

圖2 工程試驗(yàn)框圖

圖中 ，天線陣為N個(gè)單元組成的等間距線陣，整個(gè)系統(tǒng)由天線陣、有源T/R波束形成網(wǎng)絡(luò)、接收機(jī)、信號處理等組成。其中有源T/R波束形成網(wǎng)絡(luò)包括T/R組件、移相網(wǎng)絡(luò)、功分網(wǎng)絡(luò)，波控計(jì)算機(jī)、校準(zhǔn)源、射頻開關(guān)等。

射頻開關(guān)Ki（i=1～2N）用于選通T/R組件處于發(fā)射通道或接收通道，端口Si（i=1～N）為波控計(jì)算機(jī)控制各通道移相器移相值的控制信號，射頻開關(guān)G用于選擇差接收信號或校準(zhǔn)源信號，當(dāng)G選擇校準(zhǔn)源信號時(shí)，此時(shí)校準(zhǔn)源信號作為參考信號使用。

3 校準(zhǔn)方法

校準(zhǔn)分兩部分進(jìn)行，即圖1系統(tǒng)組成框圖的T1段和T2段。每部分的校準(zhǔn)工作都在對逐個(gè)工作頻點(diǎn)和逐個(gè)天線主波束對應(yīng)的波控參數(shù)設(shè)置條件下進(jìn)行。

當(dāng)校準(zhǔn)T1段時(shí)，信號處理發(fā)送校準(zhǔn)命令通過波控計(jì)算機(jī)，由波控計(jì)算機(jī)控制校準(zhǔn)源信號同時(shí)通過通路1“校準(zhǔn)源—矩陣開關(guān)—限幅、低噪放—移相器—功分網(wǎng)絡(luò)（∑端口）—接收機(jī)—信號處理”及通路2“校準(zhǔn)源—射頻開關(guān)G—接收機(jī)—信號處理”，在通路中校準(zhǔn)信號經(jīng)過接收機(jī)的放大、濾波、混頻、A/D等轉(zhuǎn)換成數(shù)字中頻信號，數(shù)字中頻信號送入信號處理進(jìn)行數(shù)字變頻等處理，得到信號相位信息，由此可得通路1與通路2的相位差，所有N個(gè)接收通道的相位差組成的數(shù)據(jù)就反應(yīng)各個(gè)接收通道T1段之間的相位關(guān)系，該數(shù)據(jù)用于系統(tǒng)正常工作時(shí)波控計(jì)算機(jī)對移相器移相誤差及通道不一致性進(jìn)行補(bǔ)償。

當(dāng)校準(zhǔn)T2段時(shí)，校準(zhǔn)信號同時(shí)經(jīng)過通路1“校準(zhǔn)源——矩陣開關(guān)—限幅、低噪放—移相器—功分網(wǎng)絡(luò)（∑端口）—接收機(jī)—信號處理”及通路3“校準(zhǔn)源—矩陣開關(guān)—限幅、低噪放—移相器—功分網(wǎng)絡(luò)（△端口）—射頻開關(guān)G—接收機(jī)—信號處理”，信號處理將錄取到通路1和通路3的幅度和相位數(shù)據(jù)，其幅度差和相位差反應(yīng)了接收通道T2段即∑/△接收通路的幅相關(guān)系。該數(shù)據(jù)進(jìn)而用于系統(tǒng)正常工作時(shí)波控計(jì)算機(jī)對∑/△接收通路增益誤差進(jìn)行補(bǔ)償。

4 工程試驗(yàn)結(jié)果

在某型相控陣體制設(shè)備的研制過程中，為驗(yàn)證校準(zhǔn)前后的效果，采用在微波暗室對相控陣天線方向圖進(jìn)行測試的方式進(jìn)行驗(yàn)證，工程實(shí)驗(yàn)框圖如圖2所示。相控陣體制設(shè)備校準(zhǔn)前，控制相控陣體制設(shè)備的工作頻率、波束指向，由微波信號源通過喇叭天線輻射電磁信號，相控陣體制設(shè)備接收后送頻譜分析儀，相控陣體制設(shè)備隨二位轉(zhuǎn)臺轉(zhuǎn)動(dòng)一周，計(jì)算機(jī)將轉(zhuǎn)臺角度、頻譜分析儀采集的幅度記錄，可得到校準(zhǔn)前的天線方向圖；控制相控陣體制設(shè)備進(jìn)行校準(zhǔn)，校準(zhǔn)完成后按同樣的控制條件和方法進(jìn)行測試，可得到校準(zhǔn)后的天線方向圖。

校準(zhǔn)前的某方向圖如圖3所示，相同條件下校準(zhǔn)后的方向圖如圖4所示。

圖4 校準(zhǔn)后的方向圖

對比校準(zhǔn)前后方向圖可知，校準(zhǔn)后實(shí)測波束指向與預(yù)期指向更接近，方向圖副瓣更低，和差波束覆蓋性更好。

5 結(jié)束語

本文提出了一種基于波束形成網(wǎng)絡(luò)自帶校準(zhǔn)源對接收通道進(jìn)行幅度相位校準(zhǔn)技術(shù)和方法。通過校準(zhǔn)，較好地控制了接收通道的幅度和相位誤差，在利用相控陣天線進(jìn)行單脈沖測角領(lǐng)域具有很強(qiáng)的實(shí)用性。