基于近場測試的毫米波相控陣面通道幅相校正方法

段國文，孟超普，王秀錦

(1.海軍裝備部，北京 100071；2.中國船舶重工集團公司第七二三研究所，江蘇 揚州 225101)

0 引 言

相控陣天線是相控陣干擾機的主要組成部分。相控陣天線裝配好之后，為了獲得較理想的發射和接收特性，必須給每路饋電通道設置合適的幅度和相位值。毫米波相控陣面由于工作頻段高、波長短，各組成部件的微小差異、機械加工誤差、裝配誤差等因素都會導致各單元通道的初始幅相產生很大差異，因此必須對相控陣面進行校準[1]。

相控陣天線輻射特性的測量主要分為3個類別：近場掃描、中場校正及遠場測量技術[2]。與室外遠場測試系統相比，室內近場測試系統對多徑和電磁環境干擾有很好的抑制，只要有效控制和修正測試誤差，利用近場測試系統就能獲得更高的測試精度和更完整的輻射天線信息[3]。因此，相控陣陣面的通道幅相校正以及方向圖測試通常借助于近場測試系統。針對某毫米波相控陣平臺，本文利用平面近場測試系統，采用近場逐點幅相測量法，對陣面各通道的幅相進行自動測試并進行幅度相位校正。

1 通道幅相測試

1.1 測試環境搭建

1.1.1 探頭位置校準

對相控陣面通道進行幅度相位近場測試時，需確保掃描探頭在空間上與相應測試通道對準。校準時打開安裝于陣面上方的激光照射儀，控制掃描架在平行于陣面的平面內(x軸、y軸)移動，使激光中心與掃描架探頭中心重合，設置此時掃描架位置為零點。

根據陣面結構尺寸，計算激光中心與相控陣第1行第1列的相對位置，并記為(x0,y0)，設陣面陣元的水平和垂直間距分別為Δx和Δy，則對第i行第j列進行通道幅相測試時掃描探頭的位置為(x0+(i-1)·Δx，y0+(j-1)·Δy)。

完成陣面平面位置校準后，控制掃描架在垂直于陣面的方向(z軸)移動，確保通道測試時陣面接收鏈路處于線性區。

1.1.2 測試系統連接

某型毫米波相控陣陣面兼具對毫米波威脅雷達信號的接收與干擾功能，該陣面采用模擬和差波束體制進行威脅信號測頻與測向。陣面組成示意如圖1所示，設備接收到的毫米波威脅信號經一級下變頻為厘米波段射頻信號后進行和差波束形成。

圖1 某型毫米波相控陣陣面組成示意圖

本文在對陣面進行接收通道校正時，選擇發射/接收(TR)中的接收通道+后級接收下變頻通道進行鏈路級校正；進行發射通道校正時，選擇上變頻通道+TR發射通道進行鏈路級校正。接收通道校正和發射通道校正時設備連接圖分別如圖2、圖3所示。

圖2 接收通道校正系統連接框圖

圖3 發射通道校正系統連接框圖

1.2 通道幅相測量參數設置

某型設備采用的TR組件接收通道可分別進行鏈路幅度衰減控制和移相控制，故接收通道校正時對鏈路幅度和鏈路相位均需進行校正；發射通道為鏈路飽和輸出，故進行發射通道校正時僅需鏈路相位校正。通道幅相測量參數設置步驟如下：

(1) 通過主控軟件進行矢網網絡連接，并進行初始化設置(起始頻率，終止頻率，頻率間隔)；

(2) 人工對矢網進行設置，包括發射端口功率值、接收中頻帶寬；

(3) 完成矢網連接與設置后，在測試主控機上通過主控軟件進行通道測試參數設置，包括幅度碼衰減值設置(僅接收通道)、移相碼設置、是否帶表設置、測試通道行設置、測試通道列設置、測試頻率范圍、測試結果保存位置及格式設置等。

1.3 通道測試

主控測試軟件完成通道測試參數設置下發后，在掃描架控制軟件下發開始測試命令，設備開始進入通道測試流程。通道測試流程如圖4所示。

圖4 發射/接收通道測試流程

2 通道幅相校正

由于某型設備TR組件接收通道校正時對鏈路幅度和鏈路相位均需進行校正，而發射通道校正時僅需鏈路相位校正，其相位校正方法與接收通道相位校正方法相同，因此本文僅對接收通道的幅度和相位校正方法進行描述。

2.1 基準通道選取

TR組件在交付使用后可能存在通道故障現象，因此選取基準通道前需先將故障通道進行剔除。對故障剔除后的陣面各通道，選取幅度基態、相位基態時幅度測量值的最小值所對應的通道為基準通道。

2.2 通道校正碼的計算

幅度校正碼和相位校正碼計算過程如下。

2.2.1 幅度校正碼的計算

(1) 計算單通道在固定移相碼時，不同衰減碼相對于幅度基態的實際衰減值；

(2) 計算某一幅相校正態幅度測量值與以基準通道幅度基態、相位基態為基準的校正態理論衰減量的幅度差值；

(3) 基于最小偏差準則查表計算幅度校正碼；

(4) 更改幅度衰減碼和移相碼取值，完成所有移相和衰減態幅度校正碼計算；

(5) 更改通道號和頻點，完成所有通道全頻帶幅度校正碼計算。

2.2.2 相位校正碼計算

(1) 計算單通道在固定衰減碼時，不同移相碼相對于相位基態的實際相移量；

(2) 計算某一幅相校正態相位測量值與以基準通道幅度基態、相位基態為基準的校正態理論相移量的相位差值；

(3) 基于最小偏差準則查表計算相位校正碼；

(4) 更改移相碼和幅度衰減碼取值，完成所有移相和衰減態相位校正碼計算；

(5) 更改通道號和頻點，完成所有通道全頻帶相位校正碼計算。

3 校正后通道幅相測試

完成全陣面所有通道幅度、相位校正后，對校正后的陣面各通道進行幅度、相位采集，測試結果分別如圖5和圖6所示。其中圖5為全陣面通道校正后幅度一致性測試結果，圖6為全陣面通道校正后相位一致性測試結果。除個別故障通道外，全陣面通道幅度一致性和相位一致性滿足要求。

圖6 全陣面通道校正后相位一致性測試結果

4 全陣面方向圖測試

基于上述陣面通道校正結果，使用近場測試系統對毫米波相控陣面發射方向圖及接收和差方向圖進行了測試。

發射方向圖采用等幅分布，頻點為f1時陣面中心波束及邊波束的方位發射方向圖和俯仰發射方向圖分別如圖7和圖8所示。

圖7 頻點f1時方位發射方向圖

圖8 頻點f1時俯仰發射方向圖

為降低副瓣，接收方向圖采用30 dB泰勒加權。頻點為f1時的接收方位和波束、接收方位差方向圖分別如圖9和圖10所示，接收俯仰和波束、接收俯仰差方向圖分別如圖11和圖12所示。

圖9 頻點f1時接收方位和波束方向圖

圖10 頻點f1時接收方位差波束方向圖

圖11 頻點f1時接收俯仰和波束方向圖

圖12 頻點f1時接收俯仰差波束方向圖

5 結束語

針對某型毫米波相控陣面，本文給出了一種適用于工程應用的基于近場測試的陣面通道校正方法，對通道幅相測試環境搭建、通道測試流程進行了闡述，給出了一種基于最小偏差準則的通道幅相校正方法。采用上述方法進行通道幅相校正后，對全陣面進行了發射方向圖和接收和差方向圖測試，測試結果滿足某型設備使用要求。