多組陣列天線相位校準(zhǔn)方法

藺占中，路志勇

(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)

多組陣列天線相位校準(zhǔn)方法

藺占中，路志勇

(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)

提出了利用多次幅度測(cè)量實(shí)現(xiàn)多組陣列天線相位校準(zhǔn)的方法，解決了多組陣列在天線輻射方向需要同相位合成的難題，保證了多組陣列實(shí)現(xiàn)高效率合成。介紹了校準(zhǔn)方法的工作原理，給出了多組陣列天線進(jìn)行相位校準(zhǔn)的工作過(guò)程。對(duì)校準(zhǔn)前后的天線測(cè)試結(jié)果進(jìn)行對(duì)比分析，得出校準(zhǔn)精度符合工程設(shè)計(jì)要求，且無(wú)需調(diào)試，易于實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)場(chǎng)自動(dòng)校準(zhǔn)，適用于多組陣列天線研制過(guò)程中的相位校準(zhǔn)工作。

多組陣列天線；相位校準(zhǔn)；自動(dòng)校準(zhǔn)

0 引言

傳統(tǒng)的地面測(cè)控系統(tǒng)主要是固定站，地面天線采用各種口徑的反射面天線，口徑從幾分米至十幾米。但是隨著測(cè)控系統(tǒng)的發(fā)展和技術(shù)水平的提高，各種移動(dòng)載體也有了安裝測(cè)控系統(tǒng)的需求和條件。由固定站設(shè)備改變?yōu)橐苿?dòng)站設(shè)備，主要難點(diǎn)之一就是測(cè)控天線的設(shè)計(jì)[1]。

車載等移動(dòng)平臺(tái)上，反射面形式天線幾乎無(wú)法安裝，只能安裝低輪廓天線。由于陣列天線在結(jié)構(gòu)上可以設(shè)計(jì)成任意形狀，故成為低輪廓天線的一種重要形式[2]。而采用多組陣列形式的低輪廓天線，可以進(jìn)一步降低天線高度，更便于安裝在車載測(cè)控系統(tǒng)中。

多組陣列天線的難題之一是為了實(shí)現(xiàn)高效率陣列合成，須在各種仰角下實(shí)現(xiàn)多組陣列之間的同相合成。因此，相位校準(zhǔn)問(wèn)題成為該天線研制的一項(xiàng)重要內(nèi)容[3-4]。根據(jù)微差變頻移相原理進(jìn)行射頻校準(zhǔn)的方法[5]，用于多組陣列天線的相位校準(zhǔn)中，可保證校準(zhǔn)精度，但測(cè)量工作量較大[6-7]。因此提出了一種利用幅度測(cè)試實(shí)現(xiàn)相位校準(zhǔn)的方法，與常規(guī)的相位校準(zhǔn)方法相比，更易于實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)場(chǎng)自動(dòng)校準(zhǔn)，且不需要直接相位測(cè)量，省去了矢量測(cè)量設(shè)備。

1 多組陣列天線校準(zhǔn)原理

多組陣列天線由多組天線陣列組成，如圖1所示。

圖1 多組天線陣列組成框圖

與普通機(jī)械轉(zhuǎn)動(dòng)天線方位轉(zhuǎn)動(dòng)方式相同，但俯仰轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)每組陣列可獨(dú)自控制俯仰方向[8]，亦可采用聯(lián)動(dòng)方式同時(shí)轉(zhuǎn)動(dòng)。優(yōu)點(diǎn)為天線的高度是其中一組陣列的高度，實(shí)現(xiàn)了低輪廓設(shè)計(jì)。缺點(diǎn)為低仰角工作時(shí)有遮擋，效率降低。

天線工作時(shí)，每組陣列指向同一個(gè)仰角，當(dāng)仰角不同時(shí)，前后陣列之間的間距不同，故需要進(jìn)行相位補(bǔ)償。頻率不同時(shí)，相同間距的陣列，相位補(bǔ)償也不同。校準(zhǔn)工作就是要把不同工作仰角、不同頻率所對(duì)應(yīng)的相位補(bǔ)償值進(jìn)行準(zhǔn)確測(cè)量并實(shí)施補(bǔ)償，以實(shí)現(xiàn)多組陣列之間同相合成。

多組陣列天線，實(shí)際上是多通道天線。多通道天線的校準(zhǔn)，通常是各路的移相器工作在不同移相狀態(tài)下，通過(guò)位置固定在相控陣天線附近(近區(qū)場(chǎng)/遠(yuǎn)區(qū)場(chǎng))的探頭測(cè)量天線陣總合場(chǎng)的結(jié)果[9]，即可求解各通道相位/幅度特性。目前已知有MTE法[10](measurement of two elements)和REV法[11](The rotating element electric field vector method),2種方法都不需要相位測(cè)量設(shè)備，但都基于多次幅度測(cè)量的調(diào)試性方法，工作速度較低。為提高速度，下面介紹一種新的基于多次幅度測(cè)量的校準(zhǔn)方法，不需要調(diào)試過(guò)程，通過(guò)計(jì)算可直接得到結(jié)果。

對(duì)于N個(gè)頻率為f的相干信號(hào)，在每路信號(hào)里含有一個(gè)移相器，每路信號(hào)表示為：

(1)

式中，An為第n路未知的信號(hào)幅度，Φn為未知的信號(hào)相位，Hn為已知相位設(shè)置，可通過(guò)設(shè)置第n路移相器工作狀態(tài)來(lái)改變。將n=1的通道信號(hào)認(rèn)定為基準(zhǔn)信號(hào)，即Φ1=0，此時(shí)Φn為H1= 0且Hn= 0時(shí)第n路信號(hào)與基準(zhǔn)信號(hào)通道的相位差。

N路信號(hào)總功率由式(2)所示[12]：

(2)

式中，有2N-1個(gè)未知量，包括N個(gè)幅度和N-1個(gè)相位差。為求解2N-1個(gè)未知量，必須有2N-1個(gè)未知方程。如測(cè)量出對(duì)應(yīng)于移相器各工作狀態(tài)的信號(hào)總功率的2N-1個(gè)值P∑m(m=1,2,…2N-1)即可得到這些方程組，如式(3)所示：

(3)

式中，(Hn)l是第n通道中移相器第(=1,2,…L)個(gè)狀態(tài)下的移相值。

一般情況下，只能使用數(shù)值方法求解這樣的方程組，而且，這個(gè)解對(duì)于誤差(Hn)是不穩(wěn)定的，并要用大量時(shí)間在計(jì)算機(jī)上求解。為獲得穩(wěn)定解，必須增加方程式的數(shù)量，意味著要求增加功率的測(cè)量次數(shù)。

當(dāng)L=4時(shí)，利用移相器的4種工作狀態(tài)(Hn)1=0、(Hn)2=π/2 、(Hn)3=π和(Hn)4=3π/2 (n=1,2…N)，則M=4(N-1)時(shí)，方程組的解如下形式：Ф2=

Ф3=

Фi=

ФN=

(4)

顯然，移相器在0、π/2、π和3π/2狀態(tài)時(shí)的設(shè)置精度影響到Φi的精度。對(duì)影響到Φi精度的因素進(jìn)行模擬精度分析得出：在設(shè)置移相器狀態(tài)精度在0°～5°的范圍時(shí)測(cè)量的功率精度為2%，相位差精度為2°～6°。

2 多組陣列天線校準(zhǔn)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

對(duì)于多組陣列天線，由于在不同仰角狀態(tài)下和不同的工作頻率下，各組陣列之間的位置關(guān)系不斷變化，故在每個(gè)仰角和頻率都要進(jìn)行校準(zhǔn)，工作量非常大。基于上述校準(zhǔn)原理，可設(shè)計(jì)自動(dòng)化校準(zhǔn)系統(tǒng)，用于快速完成多組陣列天線校準(zhǔn)工作[13]。

下面介紹利用幅度測(cè)量的方法實(shí)現(xiàn)相位校準(zhǔn)的設(shè)備組成和工作過(guò)程。

2.1 接收校準(zhǔn)設(shè)備

接收天線校準(zhǔn)系統(tǒng)由控制計(jì)算機(jī)、發(fā)射設(shè)備(或用信號(hào)源代替)和校準(zhǔn)接收機(jī)組成[14]。這里的校準(zhǔn)接收機(jī)只需要提供幅度信息，測(cè)出在不同移相狀態(tài)下的幅度值，并記錄在計(jì)算機(jī)中，通過(guò)數(shù)據(jù)處理計(jì)算出各路的相位差。接收校準(zhǔn)設(shè)備組成框圖及其與相控陣天線系統(tǒng)的控制及信號(hào)關(guān)系如圖2所示。工作過(guò)程為：

① 控制計(jì)算機(jī)通過(guò)波束控制電路改變射頻通道中的移相器值；

② 合路并下變頻后的信號(hào)送入校準(zhǔn)接收機(jī)；

③ 校準(zhǔn)接收機(jī)把檢測(cè)到的幅度信息送入控制計(jì)算機(jī)；

④ 反復(fù)執(zhí)行過(guò)程① 到③ ；

⑤ 通過(guò)計(jì)算得到各路的相位差。

圖2 接收校準(zhǔn)設(shè)備組成框圖

2.2 發(fā)射校準(zhǔn)設(shè)備

發(fā)射校準(zhǔn)設(shè)備組成框圖如圖3所示，由控制計(jì)算機(jī)、發(fā)射設(shè)備(或用信號(hào)源代替)和校準(zhǔn)接收機(jī)組成[15]。與接收校準(zhǔn)設(shè)備類似，只是控制計(jì)算機(jī)需要控制發(fā)射射頻通道中的移相器。

圖3 發(fā)射校準(zhǔn)設(shè)備組成框圖

2.3 工程實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

設(shè)計(jì)了一款k波段相控陣天線，采用多次幅度測(cè)量的相位校準(zhǔn)方法對(duì)各個(gè)子陣單元端口進(jìn)行了相位校準(zhǔn)，校準(zhǔn)前與校準(zhǔn)后的方向圖對(duì)比如圖4所示。

(a) 19.6 GHz波段

(b) 20.4 GHz波段

(c) 21.2 GHz波段圖4 校準(zhǔn)前后天線測(cè)試方向圖對(duì)比結(jié)果

圖4中，實(shí)線為相位校準(zhǔn)前的方向圖曲線，虛線為相位校準(zhǔn)后的方向圖曲線，根據(jù)結(jié)果對(duì)比，相位校準(zhǔn)后增益提高了3～5 dB，效率提高了一倍以上，且校準(zhǔn)后的測(cè)試結(jié)果滿足項(xiàng)目技術(shù)指標(biāo)要求。

3 結(jié)束語(yǔ)

根據(jù)多次幅度測(cè)量實(shí)現(xiàn)相位校準(zhǔn)的工作方法，利用計(jì)算機(jī)控制實(shí)現(xiàn)了自動(dòng)化的校準(zhǔn)系統(tǒng)，可用于多組陣列天線研制過(guò)程中，使得繁瑣的校準(zhǔn)工作變得快速簡(jiǎn)便。該方法不需要矢量測(cè)試設(shè)備，可降低校準(zhǔn)系統(tǒng)的成本。經(jīng)過(guò)工程實(shí)踐驗(yàn)證，具有校準(zhǔn)精度高、工作效率高等特點(diǎn)，適用于多組陣列天線研制過(guò)程中的相位校準(zhǔn)工作。

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Method of Adjusting Phases of Multi-array Antenna

LIN Zhan-zhong,LU Zhi-yong

(The 54th Research Institute of CETC,Shijiazhuang Hebei 050081,China)

A method of adjusting phases of multi-array antenna by repetitious amplitude measurement is proposed.Also,radiation patterns of multi-array antennas with same phase incorporating is resolved,so as to conduce the incorporating of multi-array antennas with high efficiency.The theory of adjusting method is introduced,and then an example of adjusting phases of multi-array antennas is proposed to illustrate the process.By analyzing measurement results of adjusted antennas between unadjusted antennas,the adjusting precision could accord with demand of the project design.Also,this method is convenient to implementauto-adjusting,without debugging.Hence,it can be applied to phases adjusting in the multi-array antenna design.

multi-array antennas;phase adjusting;auto-adjusting

10.3969/j.issn.1003-3114.2017.02.18

藺占中，路志勇.多組陣列天線相位校準(zhǔn)方法[J].無(wú)線電通信技術(shù)，2017，43(2)：71-73,93.

2016-12-25

河北省應(yīng)用基礎(chǔ)研究計(jì)劃重點(diǎn)基礎(chǔ)研究項(xiàng)目(16960404D)

藺占中(1984—)，男，工程師，主要研究方向：天線理論研究與設(shè)計(jì)。路志勇(1974—)，男，研究員,博士后，主要研究方向：天線理論研究與設(shè)計(jì)。

TN911.7

A

1003-3114(2017)02-71-3