陣列天線近場校準方法及在波束形成中的應用

楊雷明 李 強 孫廣俊

(中國電波傳播研究所青島分所 山東青島 266107)

0 引言

傳統的天線測量方法一般是進行遠場測量［1-2］，均假設滿足遠場平面波入射條件，信號處理簡單，遠場測量要求測試距離R滿足條件:

但是對于大型相控陣天線陣列，天線孔徑D很大，得到的測量誤差一般比較大，遠場測量實現比較困難，天線近場測試方法就是解決這類問題的有效方法。文獻［3］表明，天線近場測量結果與遠場測量結果主極化方向圖一致，并且近場測量結果與理論分析完全吻合。

近場測量技術利用探頭在天線口面上做掃描運動，測量口面上的幅度和相位，然后把近場數據轉換成遠場。近場測試有兩種方法:一種是探頭緊靠天線陣面，相距僅幾個波長的近場測試方法。這種方法要求有高精度的掃描器測試架、探頭、機械或激光定位裝置等，測試通常在微波暗室中進行，此方法成本較高，并且不適用于短波頻段測試。另一種方法是將天線測試信號源或測試探頭放置在離天線陣面較遠的地方，但仍小于遠場測試要求的2D2/λ。此方法理論公式簡單，測量環境要求不高，易于實現。

1 天線近場測試方法

圖1所示為一種大型相控陣天線的近場測試示意圖。測試天線可放置在一個可移動的測試支架上，在圖上以At點表示，其坐標位置為(xA，yA，zA)。為了保證在天線口面獲得平面波，必須通過相控陣雷達的波束控制設備來修正各單元移相器的相位，以便將球面波變為平面波前，要求波束控制系統提供進行相位修正所需的波束控制數碼［3-4］。

圖1 大型相控陣天線近場測試示意圖

為此，應先求出測試天線至參考單元的距離RA，At至各天線單元的距離Rki，以及它們之間的距離差

通過光學測量測試天線At的位置可在球坐標系里給出，為 (RAt，φAt，θAt)，換算至 (x，y，z)坐標系，表示為:

而放置在傾角為A度的(x1，y1，z1)平面上的第(k，i)單元，在(x，y，z)坐標系里的位置為:

故At至第(k，i)單元的距離Rki可表示為:

再按式(2)，可算出第 (k，i)單元與(0，0)參考單元之間相位誤差Δφki為:

上式中L=0，±1，±2，…，L用于考慮修正超過波長整數倍的路程差。

令Δφki與最小計算相移值ΔφBmin之比為τki，則

此時，波束控制系統傳送至各個移相器的波束控制數碼C(k，i)應為:

其中α，β為整數數碼，與波束指向相對應，表示沿y與z方向相鄰天線單元之間波束控制數碼的增量。

2 陣列校準

陣列校準主要分為兩部分:a.閉環校準，主要校準接收通道之間的幅相誤差。校準信號等幅同相輸入到接收通道，然后比較各通道輸出的幅度和相位，以此消除各接收通道之間的幅相誤差。b.開環校準，減少校準源的位置誤差，校準天線陣各天線單元的幅相誤差。首先需要盡可能的減少校準源的位置誤差，得到校準源的準確位置后進行陣列的幅相誤差校準。由于閉環校準可以實時進行，本文介紹的陣列天線校準方法是在閉環校準即接收陣列各通道幅相誤差消除的基礎上開展的。陣列天線校準分兩步進行，第一步為校準源位置誤差的校準，第二步為天饋線幅相誤差的校準。

2.1 校準源位置誤差校準方法

假設校準源與接收通道在同一平面，為了減少因為人工引入的校準源位置誤差，測量多個校準源與接收通道之間的距離和方位，通過測量可以得到

其中(xA，yA)為天線坐標，(xi，yi)為校準源位置坐標。

整理(10)式得:

2.2 天饋線幅相誤差校準方法

天饋線誤差分析具體步驟:

a.對接收通道幅相誤差進行閉環校準;

b.多次測量獲取校準源的準確位置;

c.通過天線近場測試方法得到天饋線的幅相誤差;

d.將測量得到的天饋線幅相誤差進行誤差補償，用補償過的天線重復步驟c至幅相誤差收斂。

對天饋線幅相誤差進行校準需要天線陣列向某一根天線幅相對齊，對齊時需要事先補償掉來波信號的方向矢量［5-9］。天線近場校準流程圖如圖2所示。

3 試驗結果分析

假設校準源與接收天線在同一平面。接收天線陣列由16根天線組成，相鄰接收天線間距7m，校準源與天線距離200m左右，頻率5～28MHz，由于短波頻段干擾較多，通過測量選取干擾較小的頻率作為校準源頻率。

3.1 陣列天線誤差隨頻率方位變化曲面

以最左邊的接收天線作為原點，天線陣列位于橫軸上，試驗中將校準源變換不同的位置作為陣列的校準天線。接收機經過閉環誤差補償后，得到天線幅相誤差隨方位與頻率變化的離散點，利用曲面擬合得到最終天線的誤差曲面如圖3所示。

圖4給出了8根天線的幅相誤差曲面，離散點為擬合之前的測量誤差點，圖中已經補償了閉環誤差和球面波相移，只保留了天線造成的相位偏移，可以看出天線相位誤差在0o附近的分布規律。

3.2 天線誤差對波束形成的影響

以頻率為20MHz的來波信號為例，圖5(a)為脈壓結果，可以看出經過閉環和開環誤差校準后的脈壓結果比未校準時的脈壓結果增加了15.03dB。

由圖5(b)波束形成圖可以看出閉環校準能夠得到較強的主瓣，但是旁瓣較高，相對主瓣增益約為-10.33dB。進一步補償掉天線誤差后，主瓣較閉環校準時增強了1dB，旁瓣則降為-13.47dB，較閉環校準時改善了3.14dB。此時的理論主瓣-3dB寬度為9.2o，實際測量主瓣寬度為10.4o。

3.3 三種方法測角結果

在短波頻段分別采用常規波束形成、Capon、MUSIC方法進行測角，表1和圖6給出了測量結果。可以看出，天線校準之后，測角結果明顯集中，偏差較少，在短波低頻段的測角結果改善尤為明顯。

圖5 來波信號顯示圖

表1 信號測角結果

4 結束語

通過近場多處布置校準源的方法獲得天線隨頻率和方位變化的誤差曲面，可用于評估陣列天線的一致性。波束形成后，相對于閉環補償，天線補償主瓣變化不大，但是旁瓣明顯降低，測角偏差明顯減少，并且在短波低頻段測角結果表現尤為明顯。

圖6(a) 常規波束算法測角

圖6(b)Capon算法測角

圖6(c)MUSIC算法測角

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