一種大型相控陣在線校準(zhǔn)方法

劉 曉,敦書(shū)波，姜海玲

(中國(guó)電子科技集團(tuán)公司第五十四研究所，河北 石家莊 050081)

0 引言

相控陣天線[1]由于種種原因無(wú)法將各通道的幅值與相位做到完全一致，特別是相位的高度一致更難滿足，而這又直接關(guān)乎其波束合成效率[2]。因此對(duì)相控陣的校準(zhǔn)顯得尤為重要。目前主流的校準(zhǔn)方法[3]主要有以下幾種：

內(nèi)場(chǎng)校準(zhǔn)法[4]：該方法通過(guò)在有源組件和天線單元之間加入耦合器，通過(guò)測(cè)量耦合出的能量得到各通道間的幅相差值[5]。其主要缺點(diǎn)是設(shè)備量巨大，不經(jīng)濟(jì)，而且無(wú)法對(duì)陣面變形以及陣元安裝精度進(jìn)行校準(zhǔn)。

近場(chǎng)校準(zhǔn)法[6]：該方法通過(guò)掃描架的探頭對(duì)陣列閉合面上的電場(chǎng)進(jìn)行采樣，經(jīng)過(guò)精密的數(shù)值計(jì)算得到各陣元的遠(yuǎn)場(chǎng)方向圖和各通道的幅相分布。該方法雖然測(cè)量精度高，但是對(duì)于大型相控陣來(lái)說(shuō)，對(duì)暗室空間、掃描儀器的同步性要求很高，掃描時(shí)間長(zhǎng)、效率低的同時(shí)并不適用于對(duì)相控陣進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)校準(zhǔn)[7-8]。而對(duì)于長(zhǎng)期處于室外應(yīng)用環(huán)境中的相控陣天線，其通道的可靠性、穩(wěn)定性是很難保證的，這就需要定期對(duì)其進(jìn)行標(biāo)校，此時(shí)近場(chǎng)校準(zhǔn)的實(shí)用性及經(jīng)濟(jì)性大大降低。

耦合校準(zhǔn)法[9]：該方法基于陣列當(dāng)中相鄰單元互耦系數(shù)相同的前提，通過(guò)相鄰單元的收發(fā)測(cè)試得到各通道的幅相信息，進(jìn)而得到通道間的幅相差值[10]。該方法雖然無(wú)需另外架設(shè)天線，但其僅適用于收發(fā)共口面的相控陣，同時(shí)該方法對(duì)陣元方向圖的對(duì)稱性上要求極其苛刻，幾乎很難滿足要求。

遠(yuǎn)場(chǎng)校準(zhǔn)法[11]：該方法常用的有旋轉(zhuǎn)矢量法，通過(guò)在遠(yuǎn)場(chǎng)架設(shè)校準(zhǔn)天線測(cè)量整陣的和信號(hào)隨單個(gè)通道相位變化的曲線，通過(guò)特定算法得到各通道間的幅相值[12]。該方法的主要問(wèn)題在于對(duì)大型相控陣來(lái)說(shuō)單個(gè)通道的相位變化很難引起整陣和信號(hào)的明顯變化，由此帶來(lái)的測(cè)量誤差是很明顯的。對(duì)于所有遠(yuǎn)場(chǎng)校準(zhǔn)方法，要滿足大型相控陣的陣列遠(yuǎn)場(chǎng)條件需要很遠(yuǎn)的距離[13]，對(duì)于很多應(yīng)用環(huán)境十分不便。

綜上所述，對(duì)于大型相控陣的校準(zhǔn)工作需要一種更加有效、快速、便捷且經(jīng)濟(jì)的校準(zhǔn)方法。

1 中場(chǎng)校準(zhǔn)原理

鑒于上述原因，本文提出了一種中場(chǎng)校準(zhǔn)方法。該方法無(wú)需在陣列遠(yuǎn)場(chǎng)架設(shè)校準(zhǔn)天線[14]，也對(duì)陣元的方向圖無(wú)特殊要求，僅需在距離陣面一定距離處架設(shè)校準(zhǔn)天線即可，需要注意的是架設(shè)距離以及校準(zhǔn)天線的位置需保證校準(zhǔn)天線位于所有天線陣單元的主波束內(nèi)。

以待校準(zhǔn)相控陣為接收陣加以說(shuō)明。距離陣面一定距離架設(shè)發(fā)射校準(zhǔn)天線，并盡量保證其正對(duì)陣面中心，有利于校準(zhǔn)天線在較短的距離處位于所有陣元的主波束內(nèi)。校準(zhǔn)時(shí)將待測(cè)子陣接通，其他子陣處于負(fù)載態(tài)。校準(zhǔn)天線發(fā)射電磁波，待測(cè)子陣接收并將其經(jīng)饋電網(wǎng)絡(luò)及組件等傳遞給校準(zhǔn)接收機(jī)。接收機(jī)收到的相位值可表示為：

(1)

式中，i為子陣編號(hào)；li為校準(zhǔn)天線到待測(cè)子陣的空間路徑；λ為自由空間中的波長(zhǎng)；PΔi為各通道的相位差。根據(jù)式(1)通過(guò)求得校準(zhǔn)天線到待測(cè)子陣的空間路徑li，可得到各通道的相位差：

(2)

建立相關(guān)坐標(biāo)系，將子陣及校準(zhǔn)天線的位置用坐標(biāo)進(jìn)行表示。將陣面定義為XOY面，子陣的位置可以表示成(Xi，Yi，0)，校準(zhǔn)天線的位置可以表示成(X0，Y0，Z0)。但對(duì)于移動(dòng)平臺(tái)上的在線校準(zhǔn)，通常由于振動(dòng)、陣面收折和校準(zhǔn)天線安裝等因素會(huì)使校準(zhǔn)天線每次使用時(shí)，其實(shí)際準(zhǔn)確位置是未知的，將其表示為(X0+Δx，Y0+Δy，Z0+Δz)，此時(shí)校準(zhǔn)天線到每個(gè)陣元的路徑長(zhǎng)度可以表示為：

(3)

對(duì)于頻率較高的相控陣，位置的少許偏差將會(huì)對(duì)校準(zhǔn)結(jié)果產(chǎn)生顯著的影響。對(duì)校準(zhǔn)天線準(zhǔn)確位置的求解也是本方法的核心。

本文闡述的校準(zhǔn)思路是以校準(zhǔn)天線的最初位置(X0，Y0，Z0)為基準(zhǔn)點(diǎn)，通過(guò)在一定范圍內(nèi)不斷地搜尋，找到校準(zhǔn)天線的實(shí)際準(zhǔn)確位置，進(jìn)而求得實(shí)際的li，最終求得PΔi。

根據(jù)實(shí)際工程經(jīng)驗(yàn)，對(duì)于大型相控陣天線，其通道數(shù)足夠多，此時(shí)通道間的相位一致性的數(shù)學(xué)期望是歸于零的，這是搜索校準(zhǔn)天線準(zhǔn)確位置的判據(jù),即：

(4)

式中，n為通道數(shù)；δ為很小的量，作為搜索收斂的依據(jù)，該值一般取值在1以內(nèi)，可在實(shí)際工程應(yīng)用中進(jìn)行適度修正。該值的選擇主要與通道數(shù)規(guī)模有關(guān)，通道數(shù)越多，該值取值越小，最終得到的結(jié)果越精確，由于篇幅有限，不再對(duì)其取值及其對(duì)應(yīng)的收斂速度及精度進(jìn)行闡述。

2 實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證及分析

針對(duì)上述校準(zhǔn)原理，實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證以實(shí)際項(xiàng)目為背景，陣列為Ku頻段一維掃描相控陣天線。陣列規(guī)模為10×160共1 600個(gè)單元，陣列尺寸為4.8 m×4.8 m。

2.1 校準(zhǔn)天線位置求解

校準(zhǔn)天線實(shí)際位置求解及驗(yàn)證過(guò)程如下：

① 賦予1 600個(gè)通道相位初值，該值在一定范圍內(nèi)隨機(jī)分布，其期望值接近0；

② 賦予校準(zhǔn)天線初始位置，并將其偏離初始位置一定距離；

③ 在校準(zhǔn)天線實(shí)際位置附近搜尋，每次賦予一個(gè)新的位置坐標(biāo)，計(jì)算校準(zhǔn)天線與各陣元的路徑li；

④ 根據(jù)式(2)求解通道相位初值PΔi；

⑤ 設(shè)定門(mén)限值，根據(jù)式(4)判斷收斂與否，利用計(jì)算得到的校準(zhǔn)天線位置，根據(jù)式(2)反推各通道相位初值PΔi′與一開(kāi)始賦予的初值PΔi進(jìn)行比對(duì)。

仿真驗(yàn)證，仍然以上文介紹的4.8 m×4.8 m陣列為例，1 600個(gè)通道初始相位值在±20°內(nèi)隨機(jī)分布。校準(zhǔn)天線距離陣面150 m(該距離可保證校準(zhǔn)天線位于所有陣元主波束內(nèi)，又遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于陣列遠(yuǎn)場(chǎng)距離)，人為將校準(zhǔn)天線分別在X，Y，Z三個(gè)方向上偏離一定距離。經(jīng)迭代運(yùn)算得到PΔi′，PΔi′-PΔi誤差示意如圖1所示。

由圖1可以看出，該方法可以將校準(zhǔn)天線的位置準(zhǔn)確地求解出來(lái)，通過(guò)求解出的校準(zhǔn)天線實(shí)際位置反推得到通道相位初值PΔi′與實(shí)際初值具有很好的吻合性，驗(yàn)證了算法的有效性。

圖1 誤差示意Fig.1 Error schematic diagram

2.2 校準(zhǔn)流程

整個(gè)校準(zhǔn)系統(tǒng)由校準(zhǔn)接收機(jī)、校準(zhǔn)天線、電纜組件等與待校準(zhǔn)陣列共同組成，組成及原理框圖如圖2和圖3所示。

圖2 校準(zhǔn)系統(tǒng)組成框圖Fig.2 Block diagram of calibration system composition

圖3 原理框圖Fig.3 Functional block diagram

校準(zhǔn)接收機(jī)內(nèi)部工作流程：主板接收上級(jí)指令，根據(jù)指令通過(guò)2選2開(kāi)關(guān)完成發(fā)射路及接收路的切換。若校準(zhǔn)陣列為接收狀態(tài)，則將其輸出端接通到校準(zhǔn)天線，輸入端接通到待測(cè)陣列；若校準(zhǔn)陣列為發(fā)射狀態(tài)，則將其輸出端接通到待測(cè)陣列，輸入端接通到校準(zhǔn)天線。同時(shí)控制微波自校源完成自校信號(hào)的輸出，控制采樣處理單元完成2路信道的中頻采樣，并將采樣結(jié)果進(jìn)行處理回傳上級(jí)。

以陣列為接收陣加以說(shuō)明，在實(shí)際校準(zhǔn)過(guò)程中基本步驟如下：

① 待測(cè)有源子陣中收發(fā)組件切換為接收狀態(tài)，并將其他通道切換成負(fù)載態(tài)；

② 校準(zhǔn)接收機(jī)通過(guò)內(nèi)部的2選2開(kāi)關(guān)將其輸出端接通對(duì)應(yīng)校準(zhǔn)天線，輸入端接通到待測(cè)陣列；

③ 校準(zhǔn)接收機(jī)通過(guò)校準(zhǔn)天線發(fā)射待測(cè)頻段信號(hào)，同時(shí)讀取待校準(zhǔn)子陣接收到的信號(hào)相位Pi；

④ 切換下一個(gè)待測(cè)有源子陣，重復(fù)③，直到測(cè)得所有子陣的相位值；

⑤ 按照上一節(jié)的校準(zhǔn)思路，通過(guò)校準(zhǔn)接收機(jī)內(nèi)置算法對(duì)測(cè)試數(shù)據(jù)進(jìn)行處理得到整個(gè)陣列各單元的相位差值。

2.3 結(jié)果驗(yàn)證

以現(xiàn)有相控陣進(jìn)行實(shí)測(cè)驗(yàn)證，測(cè)試場(chǎng)景如圖4所示。該相控陣為Ku頻段一維相控陣，利用上述步驟對(duì)該陣列進(jìn)行測(cè)試校準(zhǔn)，校準(zhǔn)前后的方向圖對(duì)比如圖5所示。

圖4 實(shí)測(cè)場(chǎng)景Fig.4 Actual measurement scene

圖5 方向圖對(duì)比Fig.5 Patterns Comparison

3 結(jié)束語(yǔ)

該校準(zhǔn)方法為中場(chǎng)校準(zhǔn)，避免了遠(yuǎn)場(chǎng)校準(zhǔn)不夠便捷的同時(shí)，也不用像耦合校準(zhǔn)一樣對(duì)陣元方向圖的對(duì)稱性有嚴(yán)格要求[15-16]。該校準(zhǔn)方法無(wú)需對(duì)組件進(jìn)行頻繁操作，只需接通待測(cè)通道的同時(shí)將其他通道切換成負(fù)載態(tài)即可測(cè)得通道整個(gè)頻段的相位信息，具有很高的測(cè)試效率。

該校準(zhǔn)方法適用于大型平面相控陣系統(tǒng)[17]，由于校準(zhǔn)天線處于子陣主波束內(nèi)，處于子陣的遠(yuǎn)場(chǎng)距離，故其對(duì)不同子陣的極化及軸比差異可忽略。本文僅針對(duì)固定波束做了相應(yīng)驗(yàn)證，波束指向精度的研究有待進(jìn)一步開(kāi)展。