一种多频点天线阵标校设备及标校方法

摘要

本发明属于射频仿真系统天线阵列的标校技术领域，公开一种多频点天线阵标校设备及标校方法。所述方法采用的多频点天线阵标校设备，包括有标校控制管理模块、标校微波信号源、四喇叭接收天线、接收机模块和矢量网络分析仪，所述四喇叭接收天线通过接收机模块、矢量网络分析仪与标校控制管理模块相连，标校控制管理模块通过网线分别与本振微波信号源、标校微波信号源、射频控制电路、被标校天线阵系统的天线阵管理模块、辅助测量设备的转台控制模块相连等组成；本发明能够一次标校完成对多个预设频点和通道的标校工作，克服了在标校时的时间耗费随标校频率点的增加成指数级数增加，设备损耗代价极大的缺陷。其结构简单，可靠性高，制造成本低。

说明书

技术领域

本发明属于射频仿真系统天线阵列的标校技术领域，涉及宽频带射频仿真系统天线阵标校设备，特别是一种多频点天线阵标校设备及标校方法。 

背景技术

射频仿真系统的作用为在辐射式仿真试验中提供一个真实的电磁信号环境。射频仿真系统通过对天线阵列中三元组子阵列所辐射信号的相对幅度和相位的控制，实现对雷达目标位置和信号强度的模拟，并根据对战情设计中规定信号的模拟，射频仿真系统完成被试装备电磁信号环境的构建。因此，射频仿真系统模拟目标位置合成的准确程度，对于被试装备的试验结论有重要影响。为了保证系统模拟目标位置合成具有足够的精度，在每一次辐射式仿真试验前均需要对射频仿真系统的天线阵列进行标校，以使天线阵各阵元满足幅相一致性要求，即通过标校使整个天线阵面上各个辐射单元的幅度和相位都具有相同的基准值，确保三元组天线辐射的三路射频信号的相位一致且幅度比例关系满足辐射信号的空间角度要求，保证仿真试验结果的可信性。而通用型射频仿真试验系统的天线阵列规模大，天线阵元多，当被试装备工作频点多时，需要研究一种快速天线阵标校设备，以节约标校时间。 

    与本发明相关的现有的天线阵标校设备如图1所示。 

标校系统由四喇叭接收天线、射频微波信号源、本振微波信号源、接收模块、矢量网络分析仪、标校控制管理模块等组成，现有的天线阵标校流程如图2所示。 

该标校系统单次标校只能针对单个频点和单个射频通道进行，而大型天线阵列通常包括多个射频通道和数百个阵元，被试装备通常工作在多个频点上。则整个天线阵的所有标校所需的时间为： 

标校系统完成整个天线阵的一个频点和一个通道的标校就需要一天左右的时间，而被试装备工作的频点数一般为十多个甚至更多，这样仅试验前的标校工作就需要相当长的时间，如15个频点的全部标校大概需要两个多月的时间，在当前射频仿真系统试验资源紧张的情况下，这种时间开销是需要尽量避免的。

发明内容

为解决现有标校系统标校时间过长的问题，缩短射频仿真系统天线阵标校时间，本发明提供一种多频点天线阵标校设备及标校方法，能够实现单次多频点标校，大大提高标校效率。 

为实现上述发明目的，本发明采用的技术方案是： 

一种多频点天线阵标校设备，包括有标校控制管理模块、标校微波信号源、本振微波信号源、四喇叭接收天线、接收机模块、射频控制电路和矢量网络分析仪，

所述四喇叭接收天线通过接收机模块、矢量网络分析仪与标校控制管理模块相连，标校控制管理模块通过网线分别与本振微波信号源、标校微波信号源、射频控制电路、被标校天线阵系统的天线阵管理模块、辅助测量设备的转台控制模块相连，组成局域网式天线阵标校设备；

其中的本振微波信号源的输出端通过电缆与接收机模块相连；标校微波信号源的第一输出端与接收机模块相连，标校微波信号源的第二输出端与射频控制电路相连，射频控制电路输出端与被标校天线阵系统相连。

一种多频点天线阵标校设备，所述标校控制管理模块为用于天线阵标校控制和数据处理的模块。 

一种多频点天线阵标校设备，所述标校微波信号源为用于产生标校时天线阵列微波信号的微波发射装置。 

一种多频点天线阵标校设备，所述四喇叭接收天线为用于接收天线阵辐射射频信号的具有四个喇叭的接收天线。 

一种多频点天线阵标校设备，所述接收机模块为用于对天线接收到的信号进行混频放大的微波接收装置。 

一种多频点天线阵标校设备，所述射频控制电路为用于接收标校控制管理模块的端口控制信息，控制射频信号注入到标校的天线阵列射频通道的电路，包括有射频电子开关及开关控制电路，射频电子开关输入端与标校微波信号源相连，射频电子开关输出端与被标校天线阵系统相连；射频电子开关输入端与开关控制电路输出端相连；开关控制电路输入端通过局域网与标校控制管理模块相连；开关控制电路由集成芯片LAN91C111通过集成芯片EP2C35F484与集成芯片74FCT电连接组成。 

一种多频点天线阵标校设备，所述矢量网络分析仪为用于对接收机模块放大后的中频信号进行幅度和相位比较的仪器。 

一种利用多频点天线阵标校设备的多频点天线阵标校方法，是在辐射式仿真试验前，需要根据被试装备工作频点对天线阵进行校准，使天线阵三元组天线的射频输出信号满足幅相一致性要求，天线阵的多频点标校包括：天线阵列初始值的校准，及角模拟精度测量与初始值校验； 

1）、天线阵列初始值的校准，是对天线阵每一阵元辐射信号的幅度与相位进行测量，根据阵元辐射信号与参考信号幅度和相位的差值生成初始值校准表格，其实施步骤如下：

步骤一：参数设置，通过标校控制管理模块设定标校的频率和通道，选定初始频率、通道和天线阵阵元位置；

步骤二：获取阵元位置，校控制管理模块选定需标校的天线阵阵元，读取阵元位置信息；

步骤三：天线指向阵元位置，校控制管理模块将阵元位置信息发送给转台管理模块，转台管理模块根据接收到的阵元位置信息转动转台，使接收天线指向需标校的天线阵阵元位置；

步骤四：测量并记录，标校控制管理模块控制标校射频信号源和微波本振信号源产生选定频率的信号，微波本振信号源产生的信号一路送至接收机作为本振信号，标校射频信号源产生的信号经射频控制模块通过选定通道到达天线阵列，天线阵控制模块将信号从选定的阵元位置辐射出去，四喇叭接收天线接收天线阵的辐射信号送至接收机，另一路送至接收机作为参考信号，测量天线阵辐射信号与参考信号之间的幅度与相位差值，并记录测量数据；

步骤五：频点判断，若标校控制管理模块中设置的所有频点均已完成测量，则转步骤七，否则，根据预设频点值选取下一频点，重复步骤四；

步骤六：通道判断，若标校控制管理模块中设置的所有通道均已完成测量，则转步骤七，否则，根据预设通道值选取下一通道并将频点置为初始频点，重复步骤四~步骤五。

步骤七：阵元判断，若天线阵的所有阵元均已完成测量，则转步骤八，否则，选定下一未标校的阵元，重复步骤二~步骤五； 

步骤八：数据处理，对于不同的频率和通道，选取各阵元中与参考信号幅度差值最小的阵元辐射信号幅度作为基准，建立初始值表；将初值表输入天线阵控制系统，控制系统将在天线阵工作时载入该表，自动完成天线阵的幅度和相位的调平工作；

2）、角模拟精度测量与标校数据的校验，天线阵角模拟精度测量与标校数据的校验的功能是通过测量三元组天线信号合成的相位，依据其相位模拟精度来校准三元组的幅相一致性，同时校验天线阵角模拟的精度，其实施步骤如下：

步骤一：参数设置，通过标校控制管理模块设定标校的频率和通道，选定初始频率、通道和三元组位置；

步骤二：选定三元组，通过标校控制管理模块选定需标校的三元组，读取其合成信号的模拟角度信息；

步骤三：天线指向信号位置，校控制管理模块将三元组合成信号的模拟角位置信息发送给转台管理模块，转台管理模块根据接收到的三元组合成信号的模拟角位置信息转动转台，使接收天线指向该位置；

步骤四：测量并记录，标校控制管理模块控制标校射频信号源和微波本振信号源产生选定频率的信号，微波本振信号源产生的信号送至接收机作为本振信号，标校射频信号源产生的信号经射频控制模块通过选定通道到达天线阵列，天线阵控制模块将信号从选定的阵元位置辐射出去，四喇叭接收天线的四个喇叭分别接收天线阵的辐射信号并送至接收机，分别测量得到方位和俯仰方向两个喇叭天线的相位差，并记录；

步骤五：二次测量，转台水平旋转180°，再次测量得到方位和俯仰方向两个喇叭天线的相位差，并根据测得的两组相位差，计算得到该三元组合成信号模拟角位置与设定位置的偏差；

步骤六：频点判断，若标校控制管理模块中设置的所有频点均已完成测量，则转步骤七，否则，根据预设频点值选取下一频点，重复步骤四~步骤五；

步骤七：通道判断，若标校控制管理模块中设置的所有通道均已完成测量，则转步骤八，否则，根据预设通道值选取下一通道并将频点置为初始频点，重复步骤四~步骤六；

步骤八：三元组判断，若天线阵的所有三元组均已完成测量，则转步骤九，否则，选取下一未标校三元组，重复步骤二~步骤六；

步骤九：数据处理，利用计算得到天线阵列角模拟误差，将误差值与给定的精度值进行比较，判定天线阵模拟角精度是否符合要求。

由于采用如上所述的技术方案，本发明具有如下优越性： 

一种多频点天线阵标校设备及标校方法，该方法依托一种多频点天线阵标校设备，能够一次标校完成对多个预设频点和通道的标校工作，克服了背景技术中使用的单频点标校方案，在标校时的时间耗费随标校频率点的增加成指数级数增加，设备损耗代价极大的缺陷。其结构简单，可靠性高，制造成本低。该多频点天线阵标校设备主要能够完成以下功能：

（1）对各馈电通路的电气特性（相位延迟和功率损失）进行测量，建立通道长度和损耗的校准表格，即天线阵列的初始值标校；

（2）射频目标仿真系统角模拟精度的测试与标校值的校验，诊断阵列故障。

附图说明

 下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。 

图 1是目前在用的天线阵标校设备示意图； 

图2是目前在用的天线阵标校方法标校流程示意图；

图3是多频点标校系统设备组成框图；

图4是射频控制电路组成框图；

图5是比相法测量原理图；

图6是多频点标校设备部署一图；

图7是多频点标校设备部署二图；

图8是多频点标校方法标校流程图；

图9是多频点标校软件界面图；

图10是多频点标校流程一图；

图11是多频点标校流程二图。

具体实施方式

如图3至图11所示，一种多频点天线阵标校设备，包括有标校控制管理模块、标校微波信号源、本振微波信号源、四喇叭接收天线、接收机模块、射频控制电路和矢量网络分析仪，所述四喇叭接收天线通过接收机模块、矢量网络分析仪与标校控制管理模块相连，标校控制管理模块通过网线分别与本振微波信号源、标校微波信号源、射频控制电路、被标校天线阵系统的天线阵管理模块、辅助测量设备的转台控制模块相连，组成局域网式天线阵标校设备；其中的本振微波信号源的输出端通过电缆与接收机模块相连；标校微波信号源的第一输出端与接收机模块相连，标校微波信号源的第二输出端与射频控制电路相连，射频控制电路输出端与被标校天线阵系统相连。 

该设备需要射频仿真系统中转台和转台控制计算机辅助完成标校工作。多频点标校设备主要完成以下功能： 

（1）对各馈电通路的电气特性（相位延迟和功率损失）进行测量，建立通道长度和损耗的校准表格，即天线阵列的初始值标校；

（2）射频目标仿真系统角模拟精度的测试与标校值的校验，诊断阵列故障。系统组成框图如图3所示。

    所述标校控制管理模块为用于天线阵标校控制和数据处理的模块。 

所述标校微波信号源为用于产生标校时天线阵列微波信号的微波发射装置。 

所述四喇叭接收天线为用于接收天线阵辐射射频信号的具有四个喇叭的接收天线。 

所述接收机模块为用于对天线接收到的信号进行混频放大的微波接收装置。 

所述射频控制电路为用于接收标校控制管理模块的端口控制信息，控制射频信号注入到标校的天线阵列射频通道的电路，包括有射频电子开关及开关控制电路，射频电子开关输入端与标校微波信号源相连，射频电子开关输出端与被标校天线阵系统相连；射频电子开关输入端与开关控制电路输出端相连；开关控制电路输入端通过局域网与标校控制管理模块相连；开关控制电路由集成芯片LAN91C111、集成芯片EP2C35F484、集成芯片74FCT电连接组成。电路组成框图如图4所示。 

    所述矢量网络分析仪为用于对接收机模块放大后的中频信号进行幅度和相位比较的仪器。 

该多频点天线阵标校设备需要射频仿真系统中转台和转台控制计算机辅助完成标校工作。其本振微波信号源：用于产生标校时所需的本振参考信号。 

    本发明中标校控制管理模块通过网络设备与转台控制模块、天线阵管理模块、标校微波信号源、本振微波信号源以及矢量网络分析仪组成局域网，标校微波信号源、本振微波信号源以及接收天线通过电缆与天线阵及接收机模块连接，接收机模块通过电缆连接矢量网络分析仪，四喇叭接收天线置于转台上，根据转台的转动改变天线指向。 

    工作时本发明中的标校控制管理模块通过局域网连接2向天线阵管理计算机发送需要标校的通道和频率点信息，天线阵管理模块依据接收到的控制信息完成天线阵的控制；标校控制管理模块通过局域网连接3向射频控制电路发送通道选择的控制信息，标校控制管理模块通过局域网连接4向标校微波信号源发送信号功率、频率等控制信息，控制射频信号源按规定的信号功率、频率产生射频信号，标校微波信号源产生的控制信号经电缆连接6进入射频控制电路，射频控制电路通过电缆连接12将控制信号注入天线阵，控制天线阵产生所需的射频信号，同时标校微波信号源产生的射频信号可以通过电缆连接7进入接收机模块，作为参考信号完成幅度与相位比较；标校控制管理模块通过局域网连接5向本振微波信号源发送信号功率、频率等控制信息，控制本振信号源产生规定功率和频率的本振信号，本振信号通过电缆连接8进入接收机模块，参与混频，将天线接收到的信号实现下变频；标校控制管理模块通过局域网连接10向矢量网络分析仪发送仪表控制信息；标校控制管理模块通过局域网连接1向转台控制计算机发送转台位置控制信息，转台控制计算机根据目标位置信息转动转台，转台通过物理连接13带动四喇叭接收天线，使天线指向到达预定位置；四喇叭接收天线接收来自天线阵的辐射信号，通过电缆连接9进入接收机模块，在进行精度测试时，接收机接收的两路信号均来自四喇叭接收天线，进行初始值标校时，接收机只从天线接收一路信号，标校微波信号源产生的信号耦合出一部分能量作为参考信号，通过电缆连接7进入接收机模块；在接收机模块中两路信号被混频放大，然后通过电缆连接11注入矢量网络分析仪，矢量网络分析仪测量两路信号的幅度和相位差，测量结果经过局域网连接10发送给标校控制管理模块，最终由标校控制管理模块完成标校数据处理，给出标校结果。 

一种多频点天线阵标校方法，是采用天线阵列的辐射信号与参考信号直接比幅和比相，得到每一路天线辐射信号与参考信号的幅度与相位差值，即得到信号之间的幅度与相位相对差值，通过补偿测量得到的差值，完成天线阵列初始值的校准。天线阵列精度的测量依据相位干涉仪原理的比相法完成，基于测量的精度值完成初始值的校验。 

辐射元偏离设计位置将导致接收机模块两路信号的幅度和相位不一致，且两路信号幅度和相位差值的大小与偏移量成比例。因此，可利用两路信号幅度和相位的差值进行校准后的阵列控制角精度的测量和初始值的校验。 

阵列控制精度测量的原理参见比相法测量原理图5所示。四喇叭天线中接收喇叭A、B之间的距离为d，θ为阵列辐射方向与接收喇叭轴线方向的夹角，即信号模拟角误差，射频信号波长为λ，则两通道的射频信号的路程差和带来的相位差为： 

路程差：

相位差：

θ角小于三元组天线张角，而三元组天线张角值很小，正常情况下φ不会产生周期模糊，因此：

具体的实施是通过多频点天线阵标校设备进行的，在辐射式仿真试验前，需要根据被试装备工作频点对天线阵进行校准，使天线阵三元组天线的射频输出信号满足幅相一致性要求，如图8是多频点标校方法标校流程图，图9是多频点标校软件界面图；天线阵的多频点标校包括两个阶段：天线阵列初始值的校准，及角模拟精度测量与初始值校验；

1）、天线阵列初始值的校准，

在天线阵列初始值的标校阶段，标校设备的部署一如图6所示。将标校控制管理模块、标校管理计算机、转台控制计算机、标校射频信号源、微波本振信号源以及矢量网络分析仪通过网络设备组成局域网，微波射频信号通过电缆与馈电控制与天线阵连接，四喇叭天线、标校射频信号源和微波本振信号源通过电缆与接收机模块连接，接收机模块通过电缆与矢量网络分析仪连接。

天线阵列初始值标校流程一如图10所示。 

天线阵列初始值校准的作用是对天线阵每一阵元辐射信号的幅度与相位进行测量，根据阵元辐射信号与参考信号幅度和相位的差值生成初始值校准表格，首先是系统状态确定，将接收天线固定于天线转台上，联接设备各部分，确认标校设备各部分连接正常，工作正常。 

其具体步骤如下： 

步骤一：参数设置，通过标校控制管理模块设定标校的频率和通道，选定初始频率、通道和天线阵阵元位置；即通过控制管理模块上的标校软件设置本次标校的预设频点（可为多个频点）和通道。

步骤二：标校进行，将转台中心对准需校准的阵元（此时接收天线对准需要标校的阵元），各信号源发射信号，遍历预设的频点和通道，获取阵元位置，校控制管理模块选定需标校的天线阵阵元，读取阵元位置信息； 

步骤三：天线指向阵元位置，校控制管理模块将阵元位置信息发送给转台管理模块，转台管理模块根据接收到的阵元位置信息转动转台，使接收天线指向需标校的天线阵阵元位置；

步骤四：测量并记录，标校控制管理模块控制标校射频信号源和微波本振信号源产生选定频率的信号，微波本振信号源产生的信号一路送至接收机作为本振信号，标校射频信号源产生的信号经射频控制模块通过选定通道到达天线阵列，天线阵控制模块将信号从选定的阵元位置辐射出去，四喇叭接收天线接收天线阵的辐射信号送至接收机，另一路送至接收机作为参考信号，测量天线阵辐射信号与参考信号之间的幅度与相位差值，并记录测量数据；即记录系统测量得到的所有频点和阵元下阵元辐射信号与标校射频信号源发射的参考信号幅度之间的差值。

步骤五：频点判断，若标校控制管理模块中设置的所有频点均已完成测量，则转步骤七，否则，根据预设频点值选取下一频点，重复步骤四； 

步骤六：通道判断，若标校控制管理模块中设置的所有通道均已完成测量，则转步骤七，否则，根据预设通道值选取下一通道并将频点置为初始频点，重复步骤四~步骤五。

步骤七：阵元判断，若天线阵的所有阵元均已完成测量，则转步骤八，否则，选定下一未标校的阵元，重复步骤二~步骤五；直到天线阵的所有阵元测量完毕。 

步骤八：数据处理，对于不同的频率和通道，选取各阵元中与参考信号幅度差值最小的阵元辐射信号幅度作为基准，建立初始值表；将初值表输入天线阵控制系统，控制系统将在天线阵工作时载入该表，自动完成天线阵的幅度调平工作； 

2）、角模拟精度测量与标校数据的校验

在角模拟精度的测量与初始值的校验阶段，标校设备的部署二如图7所示。将标校控制管理模块、天线阵管理计算机、转台控制计算机、标校射频信号源、微波本振信号源以及矢量网络分析仪通过网络设备组成局域网，微波射频信号通过电缆与馈电控制与天线阵连接，四喇叭天线和微波本振信号源通过电缆与接收机模块连接，接收机模块通过电缆与矢量网络分析仪连接。

天线阵列角模拟精度测量与初始值标校工作流程二如图11所示。 

天线阵角模拟精度的校验的功能是通过测量标校设备天线位置的三元组天线信号合成的相位，依据其相位模拟精度来校准三元组的幅相一致性，同时校验天线阵模拟位置的精度，即天线阵角模拟精度的测量是通过测量三元组天线合成信号的相位差来确定目标到达的方向，得到目标位置模拟的误差值，并依据测量得到的目标位置模拟误差完成初始值的校验，首先进行系统状态确定，将接收天线固定于天线转台上，联接设备各部分，确认标校设备各部分连接正常，工作正常。其具体实施步骤如下。 

步骤一：参数设置，通过标校控制管理模块设定标校的频率和通道，选定初始频率、通道和三元组位置；即通过标校控制管理模块上的标校软件设置本次标校的预设频点（可为多个）和通道。 

步骤二：选定三元组，通过标校控制管理模块选定需标校的三元组，读取其合成信号的模拟角位置信息； 

步骤三：天线指向信号位置，进行标校；标校控制管理模块将三元组合成信号的模拟角位置信息发送给转台管理模块，转台管理模块根据接收到的三元组合成信号的模拟角位置信息转动转台，使接收天线指向该位置；

步骤四：测量并记录，将转台中心对准需校准的三元组模拟信号角位置（此时接收天线对准需要标校的三元组模拟信号角位置），各信号源辐射信号，记录系统测量得到的所有通道和频点下方位和俯仰方向上两个喇叭天线的相位差；

标校控制管理模块控制标校射频信号源和微波本振信号源产生选定频率的信号，微波本振信号源产生的信号送至接收机作为本振信号，标校射频信号源产生的信号经射频控制模块通过选定通道到达天线阵列，天线阵控制模块将信号从选定的阵元位置辐射出去，四喇叭接收天线的四个喇叭分别接收天线阵的辐射信号并送至接收机，分别测量得到方位和俯仰方向两个喇叭天线的相位差，并记录；

步骤五：二次测量，天线转台水平旋转180°，再次测量得到方位和俯仰方向两个喇叭天线的相位差，并根据测得的两组相位差，计算得到该三元组合成信号模拟角位置与设定位置的偏差；

步骤六：频点判断，若标校控制管理模块中设置的所有频点均已完成测量，则转步骤七，否则，根据预设频点值选取下一频点，重复步骤四~步骤五；

步骤七：通道判断，若标校控制管理模块中设置的所有通道均已完成测量，则转步骤八，否则，根据预设通道值选取下一通道并将频点置为初始频点，重复步骤四~步骤六；

步骤八：三元组判断，若天线阵的所有三元组均已完成测量，则转步骤九，否则，选取下一未标校三元组，设定其合成信号的模拟角位置信息，重复步骤二~步骤六；直到天线阵中的所有三元组测量完毕。

步骤九：数据处理，利用计算得到三元组合成信号模拟角误差，将误差值与给定的精度值进行比较，判定天线阵三元组合成信号模拟角精度是否符合要求。 

    本发明采用天线阵列的辐射信号与参考信号直接比幅和比相，得到每一路天线辐射信号与参考信号的幅度与相位差值，即得到信号之间的幅度与相位相对差值，通过补偿测量得到的差值，完成天线阵列初始值的校准；天线阵列精度的测量依据相位干涉仪原理的比相法完成，基于测量的精度值完成初始值的校验；阵列控制角精度测量的原理参见图6所示。 

四喇叭天线中接收喇叭A、B之间的距离为d，θ为阵列辐射方向与接收喇叭轴线方向的夹角，射频信号波长为λ，则两通道的射频信号的路程差和带来的相位差为： 

路程差：

相位差：

θ角小于三元组天线张角，而三元组天线张角值很小，正常情况下φ不会产生周期模糊，因此：

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