本發(fā)明涉及一種陣列天線的校準(zhǔn)和測(cè)量技術(shù)，具體地說(shuō)是一種陣列天線的校準(zhǔn)裝置及校準(zhǔn)方法，屬于電子無(wú)線通信技術(shù)領(lǐng)域。

背景技術(shù)：

相比于傳統(tǒng)的單天線，陣列天線，特別是相控陣天線具有許多優(yōu)點(diǎn)，所以得到了大量的研究和應(yīng)用。但是也會(huì)產(chǎn)生相應(yīng)的問(wèn)題。相控陣作為一個(gè)龐大的電子系統(tǒng)，包含成千上萬(wàn)個(gè)天線單元和相應(yīng)的通道，如何保證各個(gè)單元被正確的激勵(lì)對(duì)于相控陣天線來(lái)說(shuō)至關(guān)重要。所以定期的對(duì)陣列進(jìn)行校準(zhǔn)就顯得特別重要。

要實(shí)現(xiàn)對(duì)包含數(shù)萬(wàn)個(gè)單元的現(xiàn)代相控陣的輻射特性是一個(gè)非常復(fù)雜的課題。對(duì)于現(xiàn)在超大口徑的陣列天線來(lái)說(shuō)，目前的暗室規(guī)模已經(jīng)不能滿(mǎn)足遠(yuǎn)場(chǎng)要求，平面近場(chǎng)掃描也有其巨大的局限性，如時(shí)間較長(zhǎng)，存在階段誤差等。除此之外，這些方法只能適用于陣列裝配前的測(cè)試，一旦陣列天線裝配到相應(yīng)的平臺(tái)后，要實(shí)現(xiàn)對(duì)天線的測(cè)試就必須從新將天線拆解下來(lái)，這顯然效率很低，特別是某些特殊的天線，如星載相控陣，更是無(wú)法完成的事。所以研究在線測(cè)試的方法，即在現(xiàn)有工作平臺(tái)下就能完成對(duì)整個(gè)陣列測(cè)試的方法就顯得意義重大。

目前對(duì)陣列的校準(zhǔn)和測(cè)試主要都是在微波暗室中用遠(yuǎn)場(chǎng)測(cè)試或近場(chǎng)掃描的方法來(lái)完成，但是這種方式測(cè)試效率很低，且對(duì)于一些大型的陣列天線來(lái)說(shuō)，暗室的規(guī)模不能滿(mǎn)足天線的遠(yuǎn)場(chǎng)測(cè)試條件，同時(shí)，測(cè)試前期的天線架設(shè)和搬移也很不方便。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明要解決的技術(shù)問(wèn)題是提供一種能夠在減少測(cè)試成本和測(cè)試速度的同時(shí)，增加測(cè)試精度的陣列天線的校準(zhǔn)裝置及校準(zhǔn)方法。

為了解決上述技術(shù)問(wèn)題，本發(fā)明的陣列天線的校準(zhǔn)裝置，包括用于接收陣列信號(hào)的接收天線、用于測(cè)試接收信號(hào)強(qiáng)弱的功率計(jì)，功率計(jì)與接收天線連接，還包括需要校準(zhǔn)的陣列天線，陣列天線具有多個(gè)陣列單元，各個(gè)陣列單元分別經(jīng)過(guò)各自的移相器連接功率分配器，所述功率分配器連接發(fā)射機(jī)。

一種采用上述陣列天線的校準(zhǔn)裝置的校準(zhǔn)方法，包括以下步驟：

a、根據(jù)疊加原理，計(jì)算陣列的總場(chǎng)：

式中表示陣列的總電場(chǎng)，代表當(dāng)前正在測(cè)量的單元，δ表示該單元的移相器的移相量；將所有陣列單元的幅度和相位做以下的歸一化處理：

x＝φn-φ0(3)

對(duì)式子做進(jìn)一步變換得：

式中

y²＝(cosx-k)²+sin²x(5)

從式(4)中可以看出，當(dāng)移相器的移相量δ變化時(shí)，總電場(chǎng)的功率以余弦的形式的變化；

b、通過(guò)以下公式將單元的相對(duì)激勵(lì)幅度和激勵(lì)相位測(cè)量出來(lái)

其中

δ0＝-δmax(13)

qmax和qmin分別表示陣列總功率曲線的最大值和最小值，δmax表示總電場(chǎng)功率最大對(duì)應(yīng)的移相器移相量。

本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)在于：不用對(duì)測(cè)試的陣列進(jìn)行校準(zhǔn)，通用性強(qiáng)，既可以用于遠(yuǎn)場(chǎng)校準(zhǔn)，也可以通過(guò)內(nèi)置的耦合電路實(shí)現(xiàn)陣列內(nèi)部的自我校準(zhǔn)，進(jìn)一步提高校準(zhǔn)的效率，由此在減少測(cè)試成本和測(cè)試速度的同時(shí)，增加了測(cè)試的精度。

附圖說(shuō)明

圖1為校準(zhǔn)的示意圖；

圖2為理想切比雪夫陣列的方向圖；

圖3表示引入激勵(lì)的幅相誤差后的方向圖；

圖4為旋轉(zhuǎn)電矢量法的原理圖；

圖5表示校準(zhǔn)過(guò)程中陣列總電場(chǎng)隨單元相位變化的曲線；

圖6為解的二義性判定原理；

圖7為旋轉(zhuǎn)電矢量法仿真所得到的總電場(chǎng)變化曲線；

圖8整個(gè)校準(zhǔn)過(guò)程的流程圖。

具體實(shí)施方式

下面結(jié)合附圖和具體實(shí)施方式，對(duì)本發(fā)明的陣列天線的校準(zhǔn)裝置及校準(zhǔn)方法作進(jìn)一步詳細(xì)說(shuō)明。

其中，圖1表示整個(gè)天線校準(zhǔn)的相關(guān)硬件配置，具體包括：一個(gè)用于接收陣列信號(hào)的接收天線、用于測(cè)試接收信號(hào)強(qiáng)弱的功率計(jì)、需要校準(zhǔn)的陣列天線；圖2和圖3分別表示理想的切比雪夫陣列和存在激勵(lì)誤差的切比雪夫陣列的方向圖。通過(guò)兩圖的對(duì)比，可以發(fā)現(xiàn)當(dāng)陣列單元的激勵(lì)存在誤差時(shí)，陣列方向圖會(huì)受到較大的影響；圖4表示了校準(zhǔn)的基本原理；如圖所示，本發(fā)明的陣列天線的校準(zhǔn)裝置，包括用于接收陣列信號(hào)的接收天線、用于測(cè)試接收信號(hào)強(qiáng)弱的功率計(jì)，所述功率計(jì)與接收天線連接，還包括需要校準(zhǔn)的陣列天線，所述陣列天線具有多個(gè)陣列單元，各個(gè)所述陣列單元分別經(jīng)過(guò)各自的移相器連接功率分配器，所述功率分配器連接發(fā)射機(jī)。

如圖4所示，一個(gè)陣列在某一個(gè)方向的電場(chǎng)等于所有陣列單元的電場(chǎng)在這個(gè)方向上的疊加。當(dāng)通過(guò)移相器改變一個(gè)單元的相位時(shí)，陣列的總電場(chǎng)也會(huì)隨著單元電場(chǎng)的變化而產(chǎn)生變化。通過(guò)測(cè)量陣列總電場(chǎng)隨著移相器移相量變化的曲線，就可以推斷出當(dāng)前單元的初始激勵(lì)幅度和相位，最后依次計(jì)算出每個(gè)陣列單元的激勵(lì)和相位，達(dá)到校準(zhǔn)的目的。

本發(fā)明的采用上述陣列天線的校準(zhǔn)裝置的校準(zhǔn)方法，根據(jù)疊加原理，陣列的總場(chǎng)可以表達(dá)為：

式中表示陣列的總電場(chǎng)，代表當(dāng)前正在測(cè)量的單元，δ表示該單元的移相器的移相量。為了方便表示，這里將所有陣列單元的幅度和相位做以下的歸一化處理：

x＝φn-φ0(3)

對(duì)式子做進(jìn)一步變換得：

式中

y²＝(cosx-k)²+sin²x(5)

從式(4)中可以看出，當(dāng)移相器的移相量δ變化時(shí)，總電場(chǎng)的功率以余弦的形式的變化。也就是說(shuō)，當(dāng)我們將陣列中某一個(gè)單元的相位從0～2pi依次改變，并且改變一次相位就測(cè)量一次陣列的總功率，最后測(cè)試的陣列總場(chǎng)功率的變化曲線應(yīng)該是一條余弦曲線，然后通過(guò)以下公式就可以將單元的相對(duì)激勵(lì)幅度和激勵(lì)相位測(cè)量出來(lái)。

其中

δ0＝-δmax(13)

qmax和qmin分別表示陣列總功率曲線的最大值和最小值，δmax表示總電場(chǎng)功率最大對(duì)應(yīng)的移相器移相量。

圖5表示測(cè)過(guò)程中的電場(chǎng)功率變化曲線，圖7的仿真結(jié)果也進(jìn)一步的證實(shí)了這一點(diǎn)。

圖6表示對(duì)校準(zhǔn)過(guò)程中存在的雙解問(wèn)題的判定方法，具體方法如下：

對(duì)于同一組測(cè)量數(shù)據(jù)，會(huì)出現(xiàn)兩個(gè)解，這就會(huì)產(chǎn)生多解的現(xiàn)象。如圖6所示，當(dāng)k<y，這時(shí)的解對(duì)應(yīng)于式(7)和(8)的k1和x1，當(dāng)k>y，這時(shí)的解對(duì)應(yīng)于式(9)和(10)的k2和x2。解決解的二義性的具體方法如下：

a、如果在整個(gè)的相位變化周期內(nèi)，總電場(chǎng)的相位變化小于180°，則對(duì)應(yīng)的解為k1和x1，否則對(duì)應(yīng)的解為k2和x2。

b、設(shè)置兩種不同的初始相位分布，然后分別使用旋轉(zhuǎn)電矢量法求解。由于兩種狀態(tài)；下的各單元的激勵(lì)的關(guān)系是已知的。則使用旋轉(zhuǎn)電矢量法在兩種狀態(tài)下求解的激勵(lì)也應(yīng)該滿(mǎn)足已知的關(guān)系。則可以從兩次求解出來(lái)的四組解中尋找能相互對(duì)應(yīng)的解?？梢杂萌缦率阶诱f(shuō)明

i＝[i1,i2,i3……in](14)

其中i表示陣列最初的激勵(lì)，i′表示在初始激勵(lì)的基礎(chǔ)上，通過(guò)移相器對(duì)每個(gè)單元施加一個(gè)已知的相移量，即式(15)中的很明顯可以得到

設(shè)在激勵(lì)為i的情況下求解出來(lái)的兩種解為k1，x1和k2，x2。在激勵(lì)為i′的情況下求解出的兩種解分別為k1′，x1′和k2′，x2′。如表(1)所示

表(1)

這四種情況能滿(mǎn)足式(15)關(guān)系的就為正確的解。

a、可以通過(guò)調(diào)整單元的初始激勵(lì)，使得k<y總是成立的，這樣對(duì)應(yīng)的就始終只有一個(gè)解。其實(shí)在一般的大陣列中，k<y這個(gè)條件就是天然成立的，所以常常不要判定解就能得到最終的解。

綜上所述，第一種方法由于需要知道總電場(chǎng)的相位，這就失去了旋轉(zhuǎn)電矢量法最大的優(yōu)點(diǎn)，即只需要幅度測(cè)量。所以具有很大的局限性。第二種由于需要增加測(cè)量的次數(shù)和測(cè)量步驟，會(huì)導(dǎo)致測(cè)試時(shí)間的延長(zhǎng)，一般使用也較少。相比之下，第三種方法在大多數(shù)情況下都是適用，且不會(huì)增加測(cè)試成本，所以使用較多。當(dāng)然在某些特殊情況下，第三種方法煩人前提條件可能不滿(mǎn)足，這時(shí)就需要靈活的綜合第一種和第二種方法進(jìn)行測(cè)試。

圖8表示總的測(cè)試流程圖；

可以看出，相比于校準(zhǔn)前的方向圖，得到明顯改善。