基于近場測試的毫米波相控陣面通道幅相校正方法

段國文，孟超普，王秀錦

(1.海軍裝備部，北京 100071；2.中國船舶重工集團(tuán)公司第七二三研究所，江蘇 揚(yáng)州 225101)

0 引 言

相控陣天線是相控陣干擾機(jī)的主要組成部分。相控陣天線裝配好之后，為了獲得較理想的發(fā)射和接收特性，必須給每路饋電通道設(shè)置合適的幅度和相位值。毫米波相控陣面由于工作頻段高、波長短，各組成部件的微小差異、機(jī)械加工誤差、裝配誤差等因素都會(huì)導(dǎo)致各單元通道的初始幅相產(chǎn)生很大差異，因此必須對(duì)相控陣面進(jìn)行校準(zhǔn)[1]。

相控陣天線輻射特性的測量主要分為3個(gè)類別：近場掃描、中場校正及遠(yuǎn)場測量技術(shù)[2]。與室外遠(yuǎn)場測試系統(tǒng)相比，室內(nèi)近場測試系統(tǒng)對(duì)多徑和電磁環(huán)境干擾有很好的抑制，只要有效控制和修正測試誤差，利用近場測試系統(tǒng)就能獲得更高的測試精度和更完整的輻射天線信息[3]。因此，相控陣陣面的通道幅相校正以及方向圖測試通常借助于近場測試系統(tǒng)。針對(duì)某毫米波相控陣平臺(tái)，本文利用平面近場測試系統(tǒng)，采用近場逐點(diǎn)幅相測量法，對(duì)陣面各通道的幅相進(jìn)行自動(dòng)測試并進(jìn)行幅度相位校正。

1 通道幅相測試

1.1 測試環(huán)境搭建

1.1.1 探頭位置校準(zhǔn)

對(duì)相控陣面通道進(jìn)行幅度相位近場測試時(shí)，需確保掃描探頭在空間上與相應(yīng)測試通道對(duì)準(zhǔn)。校準(zhǔn)時(shí)打開安裝于陣面上方的激光照射儀，控制掃描架在平行于陣面的平面內(nèi)(x軸、y軸)移動(dòng)，使激光中心與掃描架探頭中心重合，設(shè)置此時(shí)掃描架位置為零點(diǎn)。

根據(jù)陣面結(jié)構(gòu)尺寸，計(jì)算激光中心與相控陣第1行第1列的相對(duì)位置，并記為(x0,y0)，設(shè)陣面陣元的水平和垂直間距分別為Δx和Δy，則對(duì)第i行第j列進(jìn)行通道幅相測試時(shí)掃描探頭的位置為(x0+(i-1)·Δx，y0+(j-1)·Δy)。

完成陣面平面位置校準(zhǔn)后，控制掃描架在垂直于陣面的方向(z軸)移動(dòng)，確保通道測試時(shí)陣面接收鏈路處于線性區(qū)。

1.1.2 測試系統(tǒng)連接

某型毫米波相控陣陣面兼具對(duì)毫米波威脅雷達(dá)信號(hào)的接收與干擾功能，該陣面采用模擬和差波束體制進(jìn)行威脅信號(hào)測頻與測向。陣面組成示意如圖1所示，設(shè)備接收到的毫米波威脅信號(hào)經(jīng)一級(jí)下變頻為厘米波段射頻信號(hào)后進(jìn)行和差波束形成。

圖1 某型毫米波相控陣陣面組成示意圖

本文在對(duì)陣面進(jìn)行接收通道校正時(shí)，選擇發(fā)射/接收(TR)中的接收通道+后級(jí)接收下變頻通道進(jìn)行鏈路級(jí)校正；進(jìn)行發(fā)射通道校正時(shí)，選擇上變頻通道+TR發(fā)射通道進(jìn)行鏈路級(jí)校正。接收通道校正和發(fā)射通道校正時(shí)設(shè)備連接圖分別如圖2、圖3所示。

圖2 接收通道校正系統(tǒng)連接框圖

圖3 發(fā)射通道校正系統(tǒng)連接框圖

1.2 通道幅相測量參數(shù)設(shè)置

某型設(shè)備采用的TR組件接收通道可分別進(jìn)行鏈路幅度衰減控制和移相控制，故接收通道校正時(shí)對(duì)鏈路幅度和鏈路相位均需進(jìn)行校正；發(fā)射通道為鏈路飽和輸出，故進(jìn)行發(fā)射通道校正時(shí)僅需鏈路相位校正。通道幅相測量參數(shù)設(shè)置步驟如下：

(1) 通過主控軟件進(jìn)行矢網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)連接，并進(jìn)行初始化設(shè)置(起始頻率，終止頻率，頻率間隔)；

(2) 人工對(duì)矢網(wǎng)進(jìn)行設(shè)置，包括發(fā)射端口功率值、接收中頻帶寬；

(3) 完成矢網(wǎng)連接與設(shè)置后，在測試主控機(jī)上通過主控軟件進(jìn)行通道測試參數(shù)設(shè)置，包括幅度碼衰減值設(shè)置(僅接收通道)、移相碼設(shè)置、是否帶表設(shè)置、測試通道行設(shè)置、測試通道列設(shè)置、測試頻率范圍、測試結(jié)果保存位置及格式設(shè)置等。

1.3 通道測試

主控測試軟件完成通道測試參數(shù)設(shè)置下發(fā)后，在掃描架控制軟件下發(fā)開始測試命令，設(shè)備開始進(jìn)入通道測試流程。通道測試流程如圖4所示。

圖4 發(fā)射/接收通道測試流程

2 通道幅相校正

由于某型設(shè)備TR組件接收通道校正時(shí)對(duì)鏈路幅度和鏈路相位均需進(jìn)行校正，而發(fā)射通道校正時(shí)僅需鏈路相位校正，其相位校正方法與接收通道相位校正方法相同，因此本文僅對(duì)接收通道的幅度和相位校正方法進(jìn)行描述。

2.1 基準(zhǔn)通道選取

TR組件在交付使用后可能存在通道故障現(xiàn)象，因此選取基準(zhǔn)通道前需先將故障通道進(jìn)行剔除。對(duì)故障剔除后的陣面各通道，選取幅度基態(tài)、相位基態(tài)時(shí)幅度測量值的最小值所對(duì)應(yīng)的通道為基準(zhǔn)通道。

2.2 通道校正碼的計(jì)算

幅度校正碼和相位校正碼計(jì)算過程如下。

2.2.1 幅度校正碼的計(jì)算

(1) 計(jì)算單通道在固定移相碼時(shí)，不同衰減碼相對(duì)于幅度基態(tài)的實(shí)際衰減值；

(2) 計(jì)算某一幅相校正態(tài)幅度測量值與以基準(zhǔn)通道幅度基態(tài)、相位基態(tài)為基準(zhǔn)的校正態(tài)理論衰減量的幅度差值；

(3) 基于最小偏差準(zhǔn)則查表計(jì)算幅度校正碼；

(4) 更改幅度衰減碼和移相碼取值，完成所有移相和衰減態(tài)幅度校正碼計(jì)算；

(5) 更改通道號(hào)和頻點(diǎn)，完成所有通道全頻帶幅度校正碼計(jì)算。

2.2.2 相位校正碼計(jì)算

(1) 計(jì)算單通道在固定衰減碼時(shí)，不同移相碼相對(duì)于相位基態(tài)的實(shí)際相移量；

(2) 計(jì)算某一幅相校正態(tài)相位測量值與以基準(zhǔn)通道幅度基態(tài)、相位基態(tài)為基準(zhǔn)的校正態(tài)理論相移量的相位差值；

(3) 基于最小偏差準(zhǔn)則查表計(jì)算相位校正碼；

(4) 更改移相碼和幅度衰減碼取值，完成所有移相和衰減態(tài)相位校正碼計(jì)算；

(5) 更改通道號(hào)和頻點(diǎn)，完成所有通道全頻帶相位校正碼計(jì)算。

3 校正后通道幅相測試

完成全陣面所有通道幅度、相位校正后，對(duì)校正后的陣面各通道進(jìn)行幅度、相位采集，測試結(jié)果分別如圖5和圖6所示。其中圖5為全陣面通道校正后幅度一致性測試結(jié)果，圖6為全陣面通道校正后相位一致性測試結(jié)果。除個(gè)別故障通道外，全陣面通道幅度一致性和相位一致性滿足要求。

圖6 全陣面通道校正后相位一致性測試結(jié)果

4 全陣面方向圖測試

基于上述陣面通道校正結(jié)果，使用近場測試系統(tǒng)對(duì)毫米波相控陣面發(fā)射方向圖及接收和差方向圖進(jìn)行了測試。

發(fā)射方向圖采用等幅分布，頻點(diǎn)為f1時(shí)陣面中心波束及邊波束的方位發(fā)射方向圖和俯仰發(fā)射方向圖分別如圖7和圖8所示。

圖7 頻點(diǎn)f1時(shí)方位發(fā)射方向圖

圖8 頻點(diǎn)f1時(shí)俯仰發(fā)射方向圖

為降低副瓣，接收方向圖采用30 dB泰勒加權(quán)。頻點(diǎn)為f1時(shí)的接收方位和波束、接收方位差方向圖分別如圖9和圖10所示，接收俯仰和波束、接收俯仰差方向圖分別如圖11和圖12所示。

圖9 頻點(diǎn)f1時(shí)接收方位和波束方向圖

圖10 頻點(diǎn)f1時(shí)接收方位差波束方向圖

圖11 頻點(diǎn)f1時(shí)接收俯仰和波束方向圖

圖12 頻點(diǎn)f1時(shí)接收俯仰差波束方向圖

5 結(jié)束語

針對(duì)某型毫米波相控陣面，本文給出了一種適用于工程應(yīng)用的基于近場測試的陣面通道校正方法，對(duì)通道幅相測試環(huán)境搭建、通道測試流程進(jìn)行了闡述，給出了一種基于最小偏差準(zhǔn)則的通道幅相校正方法。采用上述方法進(jìn)行通道幅相校正后，對(duì)全陣面進(jìn)行了發(fā)射方向圖和接收和差方向圖測試，測試結(jié)果滿足某型設(shè)備使用要求。