大型相控陣天線唯幅度測量快速標(biāo)校法

齊宏業(yè)，杜 彪，位靜云，韓國棟

(中國電子科技集團(tuán)公司第五十四研究所，河北 石家莊050081)

0 引言

對(duì)于大型相控陣天線，單元通道間幅度和相位的一致性極難保證，特別是相位一致性，要求每個(gè)通道的信號(hào)傳輸鏈路必須為等電長度，這對(duì)設(shè)計(jì)、加工、電裝以及裝配的要求過于嚴(yán)格，極難實(shí)現(xiàn)。因此，在相控陣天線交付前有必要對(duì)各個(gè)單元通道的初始幅度和相位進(jìn)行標(biāo)校[1-2]。

相控陣天線的幅相標(biāo)校即通過測量手段求解陣面單元通道幅相分布。目前常見的標(biāo)校方法有近場掃描方法[3-7]、互耦方法[8-13]、旋轉(zhuǎn)電矢量方法[14-18]以及最大值方法[19-20]。近場掃描方法利用掃描架對(duì)陣面每個(gè)通道的幅度和相位進(jìn)行單獨(dú)測量，該方法需要的設(shè)備較為復(fù)雜，并且對(duì)于大型相控陣天線，掃描架規(guī)模過于龐大。互耦方法不需額外的校準(zhǔn)設(shè)備，但其需要單元間的互耦要滿足對(duì)稱條件或者互耦系數(shù)已知，因此對(duì)天線單元方向圖以及單元排布提出嚴(yán)格的要求。旋轉(zhuǎn)電矢量方法和最大值方法類似，均需要通過逐次改變通道移相量，并測量輻射場幅度值來計(jì)算各個(gè)單元通道初始幅相值。這2種方法為了滿足求解條件，所需的幅度測量次數(shù)較多，校準(zhǔn)時(shí)效性不佳。假如通道移相器位數(shù)為6位，那么對(duì)于N元陣列，所需的幅度測量次數(shù)接近26·N次；另外，旋轉(zhuǎn)電矢量方法在求解通道幅相值過程中需要消除方程二義性，給實(shí)用帶來不便。

本文給出了一種可適用于大型相控陣天線的唯幅度測量快速標(biāo)校的方法。該方法僅需(3N+1)次天線陣面總輻射場幅度測量，即可實(shí)現(xiàn)對(duì)各個(gè)單元通道幅相值的計(jì)算，因此可顯著提升校準(zhǔn)速度，并簡化校準(zhǔn)設(shè)備。同時(shí)該方法不涉及方程二義性問題，從而簡化校準(zhǔn)計(jì)算過程。

1 標(biāo)校原理

假設(shè)相控陣天線具有N個(gè)天線單元，對(duì)陣面進(jìn)行N種不同分組。任意一種分組k包含m個(gè)相位調(diào)整單元和n個(gè)相位保持單元，其中m+n=N，m與n具有可比性。利用相控陣天線通道相位可調(diào)特點(diǎn)，同時(shí)改變m個(gè)單元通道移相量，移相量設(shè)為Δ，相位調(diào)整單元的合成場可表示為：

Ek1=Ak1ej(Φk1-Δ)，

(1)

式中，Ak1為第k組相位調(diào)整單元合成場初始幅度；Φk1為第k組相位調(diào)整單元合成場的初始相位。類似，第k組相位保持單元的合成場可表示為：

Ek2=Ak2ejΦk2，

(2)

這樣，第k組在加入相位調(diào)整量后，整陣合成場功率(即幅度)可表示為：

(3)

通過測量不同通道相態(tài)和開關(guān)態(tài)下整陣合成場幅度值，可解算出Ak1，Ak2以及Φk1-Φk2。

首先，將通道移相量Δ設(shè)置為0°，即整陣的初始態(tài)，所有分組的初始態(tài)均相同，合成場功率為：

(4)

其次，將通道移相量Δ設(shè)置為90°，此時(shí)合成場功率為：

(5)

然后，將相位調(diào)整單元相位恢復(fù)初始狀態(tài)，并關(guān)斷相位保持通道射頻開關(guān)(或者是通道電源開關(guān))，即Ak2≈0，此時(shí)合成場功率為：

(6)

接著，關(guān)斷相位調(diào)整通道射頻開關(guān)(或者是通道電源開關(guān))，并打開相位保持單元的通道射頻開關(guān)，即Ak1≈0，此時(shí)合成場功率為：

(7)

最后聯(lián)立式(4)～式(7)可解得：

(8)

由上式可進(jìn)一步解得第k組中相位調(diào)整單元相對(duì)于全陣合成場的相對(duì)幅度和相位：

(9)

按照上述方法可依次求得其他分組中相位調(diào)整單元合成場的相對(duì)幅相值，這樣可聯(lián)立如下方程組：

(10)

通過合理分組，使得矩陣MN×N可逆，該矩陣可采用文獻(xiàn)[16]提及的哈達(dá)瑪矩陣形式。由此可解得陣面的幅相分布：

(11)

由式(11)可得到單元通道的幅相校準(zhǔn)值，從而實(shí)現(xiàn)相控陣天線標(biāo)校。在標(biāo)校過程中，每種分組需要在不同通道相態(tài)和開關(guān)態(tài)下測量合成場幅度3次，共需要3N次測量；另外還涉及1次陣面初始態(tài)幅度測量，因此該方法所需幅度測量次數(shù)為(3N+1)次。

2 標(biāo)校流程

標(biāo)校示意如圖1所示。

圖1 標(biāo)校示意圖

以接收相控陣天線為例描述本文所研究標(biāo)校方法的工作流程：

① 參照?qǐng)D1所示搭建相控陣天線校準(zhǔn)場景。將待測相控陣天線放置于測試轉(zhuǎn)臺(tái)上；將標(biāo)準(zhǔn)喇叭天線放置于待測相控陣天線遠(yuǎn)場區(qū)的支架上，并保證兩天線的中心位置等高；通過控制上位機(jī)調(diào)整測試轉(zhuǎn)臺(tái)，使得兩天線的中心對(duì)準(zhǔn)；將待測相控陣天線射頻口與頻譜儀連接，將喇叭天線與信號(hào)源連接，通過控制線纜連接控制上位機(jī)與待測天線以及頻譜儀。

② 通過控制上位機(jī)打開待測天線所有通道，并將所有通道移相器置于0態(tài)；打開頻譜儀和信號(hào)源，設(shè)置好校準(zhǔn)頻率。

③ 在所有通道移相器處于0態(tài)時(shí)，上位機(jī)讀取頻譜儀上電平值，記為P0。

④ 將陣面進(jìn)行N種分組，可逆分組矩陣MN×N采用哈達(dá)瑪矩陣形式。

⑤ 對(duì)于第1組，將相位調(diào)整單元的通道移相量Δ設(shè)置為90°，上位機(jī)讀取頻譜儀上電平值，記為P11。

⑥ 關(guān)斷相位保持通道射頻開關(guān)，上位機(jī)讀取頻譜儀上電平值，記為P12。

⑦ 打開相位保持通道射頻開關(guān)，關(guān)斷相位調(diào)整通道的射頻開關(guān)，上位機(jī)讀取頻譜儀上電平值，記為P13。

⑧ 由測得的P0，P11，P12以及P13，并根據(jù)由式(8)和式(9)計(jì)算出第1組中相位調(diào)整單元合成輻射場的相對(duì)幅相值。

⑨ 重復(fù)步驟⑤～步驟⑧，可計(jì)算出其他組合中相位調(diào)整單元合成輻射場的相對(duì)幅相值。

⑩ 由算得的每組相位調(diào)整單元合成輻射場的相對(duì)幅相值，并根據(jù)式(11)可解算出每個(gè)單元輻射場于整陣的相對(duì)幅相值。

3 仿真驗(yàn)證

為進(jìn)一步表征所研究標(biāo)校方法的有效性，建立一個(gè)768元相控陣天線，天線陣面采用矩形柵格排布，包含12個(gè)子陣，每個(gè)子陣由8×8個(gè)天線單元組成，單元間距dx=dy≈0.5λ，如圖2所示。仿真中，假設(shè)相對(duì)于等幅同相陣列，各個(gè)天線單元的初始幅度均方根誤差為3 dB，初始相位均方根誤差為100°，通道移相誤差為3°，通道射頻開關(guān)隔離度為25 dB。另外考慮測量系統(tǒng)誤差，在仿真中設(shè)置的信噪比為35 dB。

圖2 768元相控陣天線排布

在仿真中，天線陣面分為768種組合，對(duì)應(yīng)分組矩陣M768×768，如式(12)所示，其中H384×384為384階哈達(dá)瑪矩陣。圖3給出了某2分組中相位調(diào)整單元對(duì)應(yīng)陣面排布。由哈達(dá)瑪矩陣的性質(zhì)可知，每種分組中至少包括1/4陣面(192個(gè)單元)合成輻射場幅度被計(jì)算，這樣在存在仿真噪聲情況下，可提高計(jì)算精度。

(12)

圖3 相位調(diào)整單元對(duì)應(yīng)的陣面排布

標(biāo)校前后天線陣列仿真方向圖對(duì)比如圖4所示，圖4還給出了等幅同相情況下天線陣列仿真方向圖。

仿真結(jié)果表明校準(zhǔn)后天線陣列方向圖得到明顯改善，提高了陣列增益以及降低副瓣電平。校準(zhǔn)后天線陣列方向圖接近等幅同相饋電的陣列方向圖。

圖4 標(biāo)校前后方向圖對(duì)比

在768元相控陣天線仿真中，標(biāo)校所需的總輻射場幅度計(jì)算次數(shù)為(3×768+1=2 305)次。如果采用旋轉(zhuǎn)電矢量方法[16]，采用6位通道移相器，所需的幅度計(jì)算次數(shù)將近(26×768=49 152)次。在實(shí)際標(biāo)校中，總輻射場幅度采集次數(shù)直接決定了標(biāo)校的時(shí)效性。因此，本文所采用的標(biāo)校方法可顯著提升大型相控陣天線的標(biāo)校速度。

4 結(jié)束語

本文通過理論推導(dǎo)與仿真分析研究了一種相控陣天線唯幅度測量快速標(biāo)校方法。該方法具有一般適用性，即可實(shí)現(xiàn)大型相控陣天線的快速標(biāo)校，又可用于小規(guī)模相控陣天線標(biāo)校。接下來將通過試驗(yàn)測試進(jìn)一步驗(yàn)證該方法的有效性。