一種低軌衛星接收的相控陣天線校準方法

王志永，劉磊浩，高 杰

(中國電子科技集團公司第五十四研究所，河北 石家莊 050081)

0 引言

在相控陣天線系統中，為了使天線波束的指向準確，必須對各陣元的相位和幅度一致性進行嚴格控制，且能夠在運行中根據環境變化定期檢測調整，這對于相控陣天線的持續工作尤為重要。在實際應用時，無線信道的不確定性，各通道的射頻電路對溫度、濕度等環境變化的響應及自身性能的漂移都會影響到理想多波束的形成。形成誤差的來源很多，但均可歸結于天線陣列單元的幅相誤差。陣列信號的幅相誤差會使副瓣電平升高，產生波束指向誤差并使方向性下降。相控陣天線各通道的幅相誤差可以通過定期校準來減小或消除，因此校準在相控陣天線中非常重要，是必不可少的。

校準流程比較復雜，尤其是要做到方便和易用，難度更大。本文針對低軌衛星接收的應用，提出了一種新的系統校準方法，利用實際衛星信號進行校準。這樣，無需特意搭建校準環境，也無需人為地在遠場發射校準信號即可實現整個校準過程，方便快捷可靠。

1 校準原理

假設在相控陣天線法線方向上，滿足遠場條件的位置處有一個信號輻射源，其發射的信號為：

s(t)=Aej(ωt+φ)。

滿足遠場條件，可以認為信號以平面波入射，當輻射源位于天線面的法線方向時，理想情況下天線陣各單元收到的信號幅度和相位是相同的，即：

s′(t)=A′ej(ωt+φ′)。

但是由于各通道的幅相不一致性，使得接收的信號幅度和相位各不相同，即：

si(t)=Aiej(ωt+φi)i=1,2,…,N，

式中，N為天線單元個數。

通道校準的一個前提就是各通道的幅相不一致性在短期內是穩定的。這樣可以進行定期校準，保證陣列合成能夠持續正常工作。無論采用模擬方式還是數字方式，校準的基本原理就是人為對每個通道的幅度和相位進行調整，使每個通道對信號延遲和對信號幅度的衰減達到基本一致。校準基本原理如圖1所示。

圖1 校準基本原理

各個通道的校準系數用公式表達為：

ci=Ciejθi,i=1,2,…,N。

2 傳統校準方法

基于DBF的相控陣天線組成框圖[10]如圖2所示。

DBF相控陣天線總體由三部分組成：天線部分、處理部分和校準源[15]。每個單元通道從天線一直到A/D后的輸出，其中的每個環節都會帶來不一致性。

傳統校準方法將整個通道分為兩部分：天線部分和處理部分(如圖2所示)，兩部分的校準獨立進行。處理部分采用閉環的方式，校準源產生校準信號，通過開關饋入處理通道，從A/D后的數據中計算通道間的幅相誤差，并產生校準系數。天線部分校準采用開環模式，在遠場發射電磁波信號，計算各通道幅相誤差。天線部分校準的前提是處理部分的校準已經完成，這樣計算結果只是天線部分產生的誤差。

圖2 相控陣天線組成

傳統的校準方法存在如下缺點：

① 兩級校準流程復雜；

② 閉環校準時需要獨立的自校源設備；

③ 開環校準的操作條件要求很高，設備出廠后難以實現。

3 校準方法改進

利用相控陣天線對低軌衛星進行跟蹤接收時，可以用實際衛星信號對各通道整個通路的幅相誤差進行一次性校準。校準流程如圖3所示。

圖3 改進校準流程圖

3.1 角度計算

假設相控陣天線水平放置，其經緯度高位置坐標為(ωa,θa,0)，低軌衛星的位置坐標為(ωs,θs,h)。則衛星相對于天線的方位和俯仰角分別為：

方位角AZ=arctan(tanΔω/sinΔθ)，

俯仰角EL=arctan[(cosβ-C)/sinβ)]，

式中， Δω為天線與衛星的經度差；

Δθ為天線與衛星的緯度差；

β=arccos(cosΔω*cosΔθ)；

低軌衛星的動態坐標(ωs,θs,h)可以通過星歷獲取。

3.2理論相位差計算

假設相控陣天線為方形布陣，陣元間距為d，衛星信號入射的方位角為AZ，俯仰角為EL，如圖4所示。

圖4 波程差計算示意圖

則衛星信號到達陣元O和陣元P之間的路徑距離差可以通過下式計算[10]：

l=cos(EL)*(dx*cos(AZ)+dy*sin(AZ))，

式中，dx為OP之間X方向的距離差；dy為OP之間Y方向的距離差。

路徑距離差再轉換為相位差：

式中，c為光速，3×108m/s；f為接收信號的頻率；{ }表示取小數部分。由此OP兩陣元間的相位差即可求得。以陣元O為參考點，按這種計算方法可以計算所有其他陣元和陣元O之間的相位差序列ΔΦ,即相控陣天線陣元間相位差的理論值。

3.3 實際幅相誤差測量

參考圖2，基于DBF的相控陣天線進行陣元間實際相位差測量時，天線各個陣元接收的射頻信號經過各自通路，在AD輸出端得到N路數據(N為陣元個數)。對N路數據進行FFT運算，并計算各路數據的幅度和相位。然后，仍然以O陣元為參考，計算其他各陣元和O陣元之間的幅度差ΔA′和相位差ΔΦ′。測量值即為考慮到各種影響因素在內的實測幅相誤差。

3.4 通道校準

具體實現時，AD后的數據乘以各個通道的校準系數，即可完成通道校準。

4 測試結果及限制條件

4.1 測試結果

按照新的校準方法，對相控陣天線進行了實際多波束測試，測試指標包含合成增益、波束寬度、角域范圍等指標。

測試天線：L波段相控陣天線，8行8列方陣，陣元間距90 mm；

測試頻率：1 621 MHz；

測試環境：微波暗室，常溫條件；

測試源：符號速率為25 kbps的QPSK信號；

測量參數：信噪比。

測量結果如表1所示。

表1 相控陣天線測試結果

指標名稱測試結果合成增益16.2 dB(合成后的SNR比單元天線接收數據的SNR提高16.2個dB)波束寬度18°(3 dB波束寬度)角域掃描范圍±45°(-3 dB范圍)±60°(-5 dB范圍)±70°(-9 dB范圍)

表1測試結果表明波束合成結果正確，則說明該校準方法正確且有效。

4.2 新校準方法的優點

傳統校準方法相比，改進后的校準方法有如下優點：

① 由兩級校準改為一級校準，流程極大簡化；

② 不再需要額外的校準源設備；

③ 操作簡單，可隨時隨地校準，為出廠后的定期校準提供了非常簡易的手段。

4.3 使用限制條件

改進后的校準方法只有滿足如下條件才能適用：

① 每個陣元能夠收到目標信號，并且信噪比足夠,如對銥星的接收；

② 需要星歷支持。

5 結束語

相控陣天線的校準是相控陣天線中至關重要的環節，針對低軌衛星信號接收中的應用，采用實星信號進行校準，不禁簡化了校準流程，而且校準操作可隨時隨地在設備后臺進行，達到隱蔽和無感的效果，靈活方便實用。在滿足應用條件的前提下，具有很高的工程價值。