相控阵天线测量与校准技术及其误差分析

摘要

随着军用通信对抗和民用通信对天线的要求越来越高，相控阵技术已经成为最核心的天线技术之一。相控阵天线的理论研究开始于上世纪三四十年代，一直有许多学者在进行着宽带、宽角、圆极化和阵列综合等论题的研究，他们的工作使相控阵天线设计技术越来越完善。在工程中，相控阵天线校准技术影响着相控阵实际性能能否很好地符合设计目标。不过，对相控阵天线校准技术的研究从八十年代才开始，它的研究内容也并不完善。基于此，本文对相控阵校准技术和相关的测量技术进行了深入的理论和工程研究，主要工作概括如下： 1.给出了相控阵校准和相关测量技术的基本理论。测量过程是对测量系统的物理现象建立相应的数学模型，物理现象表征了校准测量过程中实际测量数据和待测物理量之间关系，而数学模型体现了校准测量过程中人们对这种关系的理解。本文基于此描述了校准过程中测量误差的模型，对校准方法进行了原理性分类，分别针对线性和非线性模型的校准误差进行了分析。 2.对线性点测量方法进行了深入分析，描述了其物理现象并建立了数学模型。线性点测量方法需要不断变换阵列的激励，激励变换的方式一般是对阵列进行配相。文中证明了配相方式会决定数据处理时矩阵的性质（元素值和条件数等），从而密切影响测量方法的复杂度和精度，而采用哈达玛矩阵决定的配相方式是一种极优策略的配相方式，并通过详细的仿真验证了各个因素对测量精度的影响，同时进行实测验证了这种方法的可靠性和正确性。 3.对线性面测量方法进行了理论分析，描述了其物理现象和建立了数学模型。针对均匀圆环阵和直线阵及其可衍生的阵列进行了具体分析，理论证明了场选择、测量点的分布方式、数量、离阵面的距离和单元形式都会影响数据处理矩阵的性质，从而影响测量精度。测量过程中阵列的真实激励也会影响测量精度。本文对均匀圆环阵和直线阵做了仿真分析，验证了理论分析结果，同时进行了直线阵的实测，验证了这种方法的可靠性和正确性。 4.对非线性测量方法进行了研究分析，将待测物理量的内积作为中间参数，把非线性方法分解为线性方法和简单的非线性方程，再对非线性方程进行误差分析，并结合线性方法的分析结果得出“配相方式、分组方式和待测的实际阵列激励都会影响非线性方法的复杂度和精度”的结论。在此基础上，提出了测量次数最少的方式，并将常规的旋转矢量方法纳入提出的理论下进行分析，同时完成了理论的仿真和实测验证。 5.对实际应用中的在线校准方法和快速校准方法进行了说明，并对馈电系统和校准方法的关系进行了理论分析，证明了所有的校准方法对馈电系统隔离或阵列端口隔离有默认假设条件。

目录

声明

第一章绪 论

1.1研究背景与意义

1.2相控阵天线的产生和发展

1.3相控阵天线测量与校准技术研究现状

1.4论文的创新点

1.5研究内容及论文安排

第二章相控阵天线校准测量的基本理论

2.1相控阵天线的误差源

2.2阵列激励测量的基本理论

2.3本章小结

第三章线性点测量方法

3.1基本理论

3.2先验信息

3.3数据测量

3.4 状态选择

3.5测量流程

3.6仿真验证和分析

3.7本章小结

第四章线性面测量方法

4.1基本理论

4.2均匀圆环阵列

4.3均匀直线阵列

4.4远场线性面测量方法

4.5测量流程

4.6仿真验证与分析

4.7实验验证

4.8本章小结

第五章非线性测量方法

5.1非线性点测量方法

5.2非线性面测量方法

5.3仿真验证和分析

5.4实验验证

5.5本章小结

第六章馈电系统与校准方法

6.1在线校准方法

6.2快速校准方法

6.3馈电系统分析

6.4本章小结

第七章全文总结与展望

7.1全文总结

7.2后续工作和展望

致谢

参考文献

攻读博士学位期间取得的成果