有源相控陣天線監測與校準研究

中航工業雷華電子技術研究所 羅 琦

有源相控陣天線監測與校準研究

中航工業雷華電子技術研究所 羅 琦

相控陣天線在越來越多的領域得到了廣泛的應用，本文在分析相控陣天線監測與校準的特點的基礎上，分別探討其監測過程與校準過程。

相控陣天線；監測過程；校準過程

1 引言

有源相控陣天線是近年來方興未艾的一種技術，具有多樣化的功能和更加滿意的性能，因此是下一代雷達的主要發展趨勢之一。相控陣雷達最為核心的單元便是相控陣天線，當天線在雷達上安裝完畢，每一個天線組成單元均應該工作在合適的幅度以及合理的相位值上。但是因為不同的天線無論在組成部件方面還是設備裝配方面均有所不同，導致不同通道的幅度與相位均存在一定的差異，必須進行測試與校準，從而獲得更高的特性。

2 相控陣天線監測與校準的特點分析

由于相控陣天線的構成原理和一些特殊的性質，一旦出現誤差便會對其性能造成較大的影響，因此必須對天線進行定期的監測與校準。天線的一些主要參數，不但在設計和制造時應該滿足標準的要求，在使用過程中同樣應該使其維持在一個可接受的水平之上。相控陣天線監測與校準具有一些與常規天線不同之處，總結如下：

首先是監測與校準的工作量較多。由于相控陣天線的工作模式屬于數字化模式，因此能夠與數字技術和信息技術結合起來，實現更加快速高效的設置管理。在計算機的控制下，天線的波束指向為互相獨立，同時也能夠結合時分原理，采取搜索與跟蹤同步進行的方式進行工作。因此對于相控陣天線的監測和校準，涉及到各種工作方式，各種頻段以及各種扇形區的測量，涉及到較多的參數，工作量較多。

其次是測試方法較為復雜。因為相控陣天線能夠結合多個輻射單元實現大功率的信號跟蹤，同時也可以靈活地對主瓣增益進行配置，能夠結合不同方向的需求對發射能量進行動態配置等，這些多樣化的功能也決定了對其監測和校準的復雜度。

第三是要求具有一定的精度。當代雷達的使用領域很廣，往往需要可以探測三千千米之外的目標，因此天線的功率高，副瓣低，從而使之能夠抗干擾，只有保證足夠的監測與校準精度，才能真正使天線工作在較高的性能之下。

3 相控陣天線的監測

對于相控陣天線的監測涉及到多個方面的理論和實踐，因此屬于系統工程，關系到較為復雜的技術與學科。天線監測系統為了對測量目標進行精確的數據獲取，就必須能夠實時高效地得到原始參數，并能夠對測量到得數據進行合理的預處理，去除冗余數據并存儲有用的信息。當涉及到復數多參數的監測時，還必須能夠實時收集大量的測試數據，并對這些數據進行合理的處理和存儲，由此可知監測系統的數據處理能力和測量效率均應保持一定的水平，從而實現相控陣天線的實時監測。

當前使用比較廣泛的監測系統包括近場監測與遠場監測，二者的共同點包括：必須實時處理大量的監測數據；必須能夠在短時間內實現數據的處理，從而有效校準天線；在進行全套監測時還涉及到對移動單元的控制。為了滿足以上的需求，本研究所給出的天線監測系統，能夠滿足全套自動化的監測需求，且實現與操作均較為簡單。圖1所示為監測系統的構成。

圖1 監測系統的構成

由圖1可知，信息功率的路徑為：信號源的功率經由通道傳輸至耦合器，再經過耦合器 傳輸至參考通道。測量通道的組成包括天線單元、傳輸部分、功分單元、探頭部分以及移相器單元，參考通道的組成包括傳輸部分與衰減單元。信號來自測量及參考通道，然后傳輸至幅度與相位的測試機。對天線信號進行移相處理，通過移相單元進行，本系統采用了波控機。對以上各類信號的處理全部由信息系統中內置的算法進行，得到所有的測試信息后，其后期的處理也由信息系統的進行存儲和分析。

基于以上的信息架構進行有源相控陣天線的測量，通常是在天線靜態時進行。在一個完整的測試周期之中，應精確獲取在不一樣的相位時天線的探頭信號。顯然這個過程中產生的數據量很多，而選擇在靜態式進行測量的目的是增強測量數據的準確度。由信息系統分析得出配相代碼，將分析結果傳輸至移相器，從而為其提供合適的建立參數。當配相不同的時候，在幅相儀所獲取的信號，會在預處理之后傳輸至系統的數據庫相關的表文件中，同時傳輸至運行著處理算法的終端進行實時分析計算。這種測量模式的效率比較高，近似于測試時長與天線擁有的通道數量之比，因此系統的整體效率是由以下幾個因素決定的：一是幅相儀本身的特性、二是移相器的準確度，三是計算機本身的運算性能。目前在雷達應用的相控陣天線有很多類別，波束掃描的效率是配相效率的重要因素，通常這個時間范圍能夠控制在，0.1毫秒至10毫秒。由于技術的持續發展，目前的幅相儀已經能夠具備較高的運算處理速度，進行單次測量的時候耗時在毫秒的級別，還能夠直接連接到控制終端單元。在控制終端的選擇上，應該滿足具有較快的信息處理速度以及算法執行的效率，從而使設備控制和數據處理的效率足夠高，可以在測量周期之內完成。所以，本研究所構建的系統的天線監測所需時間，以單個通道來計算，約在1毫秒與10毫秒之間。在測量天線增益的時候使用較為成熟的比較測量法，需要獲取每一個通道的傳輸數據，而對通道進行測試時主要涉及到天線與微波等功能單元。當開始使用比較法進行測量的時候，本文推薦使用圖中所示的功分單元以及移相單元。假若移相單元當前的狀態顯示與天線移相器的顯示數據基本一致，則能夠把被測的天線視為輔助通道之一，如果以上的條件可以滿足，則可以通過聯合的方式來設置在天線與移相單元，因此只要通道增益接近于相控陣天線，其天線單元便是合格的。天線的極化數據也是進行監測的重要方面，在實際操作時，將2個極化探頭來進行正交測量。而其極化特性則結合相控陣天線的各個通道的特性來共同設置。假若兩個通道擁有一致的極化特性，則可以得出相控陣天線極化特性合格的結論。

4 相控陣天線的校準

相控陣天線在測試之后需要進行校準，以維持其信號處理的精度。在這個過程中需要的儀器包括：（1）矢量分析儀，本文推薦使用安捷倫設備，可以通過天線的幅度和相位關系，得出其當前的參數性能狀態；（2）伺服控制單元：可以在測試區域之內使探頭自如移動；（3）相控陣波控單元：能夠對天線所有的通道進行單獨的相位調節和幅度調節。以上的儀器均在工控機的控制之下自動進行。

結合測量結果對天線進行校準，校準操作的時候應該保證探頭測試面和相控陣天線面的彼此之間的平行關系，從而使探頭和測試模塊之間的距離為恒定。如果平行條件不滿足，則測試與校準結果的準確率會大幅度下降。在測試距離的選擇上也應注意，假如距離太小，很容易導致測試探頭和相控陣天線間產生明顯的互耦，從而造成測試結果的偏差。而假如其間的距離太大，很容易對周圍的測試單元產生影響，同樣導致測試結果的不精確。結合筆者的實踐，一般將選擇為3λ左右。結合這些條件，本文假設相控陣天線由N個單元構成，則天線幅相可以通過下面的式子表示：

結合這個方法，可以得到天線幅相的初值，表示為下面的式子：

在完成幅相校準之后，可知天線合理的幅相值可以表示為下面的式子：

從類別劃分來看，可以將相控陣天線的校準劃分成內校準與外校準。由于技術實現等因素，內校準的情況下需要更多的儀器設備。再綜合考慮到天線的制造采購成本、以及技術實現的難度、系統的穩定度等綜合因素，本文推薦以外校準的模式來實現天線的校準。假設相控陣天線的陣元共計N個，則以陣逐點法校準值可以表示為下面的式子：

通過以上的方法，可以較高效地實現天線的校準。

5 結束語

目前，隨著技術的推廣普及，相控陣天線在越來越多的領域得到了廣泛的應用，在這一領域的研究和開發也成為業界的一個熱點。本文著重探討相控陣天線的監測與校準，這些成果也是在教師節仿真中得到了實現，在現實中的應用還有待進一步的努力。相控陣天線由于其固有的優勢，將在未來的多個領域被廣泛應用，值得我們關注。

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羅琦（1987— ），女，江西都昌人，2010年畢業于南京航空航天大學，工學碩士，工程師，現就職于中航工業雷華電子技術研究所，研究方向：電磁場與微波技術。