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FFT校準方法的實驗結果對比情況.結果表明，在大動態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對各個有源通道的幅度相位監測與誤差修正需要采用校準或者監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、小型化發展，必須采用一定的算法實現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目，N為移相器總狀態數.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，k=1～N.Si為校準饋電網絡第i支路的傳輸系數.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，am為當前被監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，前提是Sm、Si隨時間和環境的變化可以忽略.

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值.

圖2 平均狀態矢量旋轉圖

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的動態范圍比FFT校準法大，這在工程應用中非常重要.因為現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的動態要求非?？量?，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原理框圖

在實驗時，根據矢量平均法設計了一個相控陣天線的校準系統，其原理框圖如圖3所示.該系統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動態范圍在20 dB以內，天線單元數N=8.校準收發裝置用于產生校準需要的RF信號，經近場耦合天線輻射出去，再由天線1～N接收，經過LNA和移相器，再通過功率分配/合成網絡回到校準收發裝置.為了測試信號相位，發射信號還有一路直接耦合到校準收發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，由于耦合系數動態范圍過大，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，實現了移相器的全移相狀態參與校準，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，擴大了系統校準時對支路的動態要求，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，Ferren 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.