一种相控阵天线多波束自动校准装置及其自动校准方法

摘要

本发明公开了一种相控阵天线多波束自动校准装置及其自动校准方法。该装置包括：数据库建立模块一、二、三，波束控制码生成模块。数据库一包含相控阵天线的各工作模式下相控阵天线的每个T/R组件和每个延时放大组件的实际幅度、实际相位数据；数据库二包含与相控阵天线的波束列表中各波束相映射对应的波束通道标准幅度、标准相位数据；数据库三包含校准相控阵天线的各工作模式下法向波束的波束控制码数据和与其对应的各通道的实际幅度、实际相位数据。波束控制码生成模块根据三个数据库逐一校准波束列表中的波束生成波束控制码。本发明减少暗室采样架重复使用率，减少通道校准时间，降低测试成本，且随着校准波束数量的增多，此方法收益显著。本发明还公开了该装置的相控阵天线多波束自动校准方法。

说明书

技术领域

本发明属于雷达及通信领域，特别涉及到一种星载相控阵天线多波束自动校准装 置及其自动校准方法。

背景技术

星载相控阵天线工作模式多，波束数量多，指向精度要求高，并且需要在地面校准 测试完成后存储波束控制码以待输入波控系统使用，波束控制码中包含控制波束扫描 的馈电组件控制信息，如T/R组件馈电幅度衰减控制量、馈电相位移相控制量以及延 时放大组件延时控制量等。为完成星载相控阵天线多波束校准，获取各波束的波束控 制码，需要采用合适的校准方法。目前相控阵天线的校准方法有远场校准法、中场校 准法、近场校准法。

远场校准测试系统简单，只需要转台、接收天线与接收机便能直接获得天线方向图 信息进行相控阵天线的通道校准。但是远场校准测试场地大，测试时间长，工作效率 低，很难满足多波束甚至海量波束校准的大工作量需求。

近场校准是在微波暗室内进行，常用逐一校准、口径场反演、正交矩阵等方法进行 相控阵天线的通道校准，使用这些方法校准单一天线波束时，系统自动化程度高，操 作简单，结果精确。但是在进行多波束甚至海量波束校准时，重复工作量大，效率很 低，测试成本高。

中场校准法是近场校准与远场校准的折中方法，同样难以适应相控阵天线多波束 测试。

发明内容

本发明的目的在于提供一种相控阵天线多波束自动校准装置及其自动校准方法， 能够实现星载相控阵天线特别是宽带相控阵天线多波束自动校准，缩短天线校准测试 时间，提高工作效率，节约测试成本。

本发明是通过以下技术方案实现的：一种相控阵天线多波束自动校准装置，其包 括：

数据库建立模块一，其用于采集相控阵天线的各工作模式下相控阵天线的每个T/R 组件的实际幅度、实际相位数据，并由此建立数据库一；

数据库建立模块二，其用于建立数据库二，该数据库二包含与相控阵天线的波束 列表中各波束相映射对应的波束通道标准幅度、标准相位数据，该波束列表根据相控 阵天线的各工作模式划分为N个子列表，其中N等于工作模式的模式数量，该波束列 表中的每个波束在数据库二中有对应该波束的波束通道标准幅度、标准相位数据；

数据库建立模块三，其用于校准相控阵天线的各工作模式下每个T/R组件的法向 波束数据，获得校准后的法向波束数据，并由此建立数据库三，该校准后的法向波束 数据包括法向波束的波束控制码和与其对应的各通道的实际幅度、实际相位数据；

波束控制码生成模块，其用于逐一校准波束列表中的波束生成波束控制码：首先 根据工作模式调用数据库三中对应的校准后的法向波束数据，然后调用数据库二中的 波束通道标准幅度、标准相位数据，接着在校准后的法向波束数据的基础上根据波束 通道标准幅度、标准相位数据调用数据库一中的T/R组件在相应工作模式下的实际幅 度、实际相位数据，生成移相码一，最后将移相码一写入波控文件即得到控制波束扫 描的波束控制码。

作为上述方案的进一步，该数据库建立模块一用于采集相控阵天线的各工作模式 下相控阵天线的每个T/R组件和延时放大组件的实际幅度、实际相位数据，并由此建 立数据库一；

该波束控制码生成模块，其用于逐一校准波束列表中的波束生成波束控制码：首 先根据工作模式调用数据库三中对应的校准后的法向波束数据，然后调用数据库二中 的波束通道标准幅度、标准相位数据，接着在法向波束数据的基础上根据波束通道标 准幅度、标准相位数据调用数据库一中的T/R组件和延时放大组件在相应工作模式下 的实际幅度、实际相位数据，生成移相码一和延时码，由于延时码会引入寄生调制相 位，对引入的寄生调制相位进行相位调平时产生移相码二，合成移相码一与移相码二 得到移相码三，最后将移相码三和延时码写入波控文件即得到控制波束扫描的波束控 制码。

作为上述方案的进一步，移相码一和移相码二的合成是将两个移相码相加，若结 果超过移相码的值域区间，则需要对结果进行周期化处理。

作为上述方案的进一步，该波束控制码生成模块采用近场逐一校准法逐一校准波 束列表中的波束生成波束控制码。

本发明还提供一种相控阵天线多波束自动校准方法，其包括以下步骤：

采集相控阵天线的各工作模式下相控阵天线的每个T/R组件的实际幅度、实际相 位数据，并由此建立数据库一；

建立数据库二，该数据库二包含与相控阵天线的波束列表中各波束相映射对应的 波束通道标准幅度、标准相位数据，该波束列表根据相控阵天线的各工作模式划分为N 个子列表，其中N等于工作模式的模式数量，该波束列表中的每个波束在数据库二中 有对应该波束的波束通道标准幅度、标准相位数据；

校准相控阵天线的各工作模式下每个T/R组件的法向波束数据，获得校准后的法 向波束数据，并由此建立数据库三，该校准后的法向波束数据包括法向波束的波束控 制码和与其对应的各通道的实际幅度、实际相位数据；

逐一校准波束列表中的波束生成波束控制码：首先根据工作模式调用数据库三中 对应的校准后的法向波束数据，然后调用数据库二中的波束通道标准幅度、标准相位 数据，接着在校准后的法向波束数据的基础上根据波束通道标准幅度、标准相位数据 调用数据库一中的T/R组件在相应工作模式下的实际幅度、实际相位数据，生成移相 码一，最后将移相码一写入波控文件即得到控制波束扫描的波束控制码。

作为上述方案的进一步，该相控阵天线多波束自动校准方法包括以下步骤：

采集相控阵天线的各工作模式下相控阵天线的每个T/R组件和延时放大组件的实 际幅度、实际相位数据，并由此建立数据库一；

建立数据库二，该数据库二包含与相控阵天线的波束列表中各波束相映射对应的 波束通道标准幅度、标准相位数据，该波束列表根据相控阵天线的各工作模式划分为N 个子列表，其中N等于工作模式的模式数量，该波束列表中的每个波束在数据库二中 有对应该波束的波束通道标准幅度、标准相位数据；

校准相控阵天线的各工作模式下每个T/R组件的法向波束数据，获得校准后的法 向波束数据，并由此建立数据库三，该校准后的法向波束数据包括法向波束的波束控 制码和与其对应的各通道的实际幅度、实际相位数据；

逐一校准波束列表中的波束生成波束控制码：首先根据工作模式调用数据库三中 对应的校准后的法向波束数据，然后调用数据库二中的波束通道标准幅度、标准相位 数据，接着在校准后的法向波束数据的基础上根据波束通道标准幅度、标准相位数据 调用数据库一中的T/R组件和延时放大组件在相应工作模式下的实际幅度、实际相位 数据，生成移相码一和延时码，由于延时码会引入寄生调制相位，对引入的寄生调制 相位进行相位调平时产生移相码二，合成移相码一与移相码二得到移相码三，最后将 移相码三和延时码写入波控文件即得到控制波束扫描的波束控制码。

作为上述方案的进一步，移相码一和移相码二的合成是将两个移相码相加，若结 果超过移相码的值域区间，则需要对结果进行周期化处理。

作为上述方案的进一步，采用近场逐一校准法逐一校准波束列表中的波束生成波 束控制码。

本发明结合了法向波束近场逐一校准法与运用计算机调用数据库的方法，大大减 少了暗室采样架重复使用率，减少了通道校准时间，降低了测试成本，并且随着校准 波束数量的增多，此方法收益显著。

附图说明

图1为相控阵天线为宽带相控阵天线时的馈电组件与天线连接关系框图；

图2为图1中馈电组件的数据采集框图；

图3为应用于图1中的本发明相控阵天线多波束自动校准流程图；

图4为图3中单个波束的校准方法。

图5为相控阵天线为窄带相控阵天线时的馈电组件与天线连接关系框图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合实施实例，对本 发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明， 并不用于限定本发明。

本发明实施例提供一种相控阵天线多波束自动校准方法，能够实现相控阵天线多波 束校准，缩短天线校准测试时间，提高工作效率，节约测试成本。下面结合附图对本 发明实施例做详细描述。

实施例一

相控阵天线是一种通过改变天线阵列中各辐射单元相位实现波束空间扫描的天线。 一般地，相控阵天线主要由天线单元与馈电器件组成。馈电器件包括馈电电缆、功分 器/合成器、T/R组件、延时放大组件，如图1所示，可通过波控系统控制T/R组件、 延时放大组件的状态实现波束的扫描和波束的赋形。

本实施例提供一种相控阵天线多波束自动校准装置，其包括数据库建立模块一、数 据库建立模块二、数据库建立模块三、波束控制码生成模块。数据采集可以采用如图2 所示的自动采集系统。

数据库建立模块一用于采集相控阵天线的各工作模式下相控阵天线的每个T/R组件 和延时放大组件的实际幅度、实际相位数据，并由此建立数据库一。

数据库建立模块二用于建立数据库二，该数据库二包含与相控阵天线的波束列表中 各波束相映射对应的波束通道标准幅度、标准相位数据，该波束列表根据相控阵天线 的各工作模式划分为N个子列表，其中N等于工作模式的模式数量，该波束列表中的 每个波束在数据库二中有对应该波束的波束通道标准幅度、标准相位数据。

数据库建立模块三用于校准相控阵天线的各工作模式下每个T/R组件的法向波束数 据，获得校准后的法向波束数据，并由此建立数据库三，该校准后的法向波束数据包 括法向波束的波束控制码和与其对应的各通道的实际幅度、实际相位数据。

波束控制码生成模块用于逐一校准波束列表中的波束生成波束控制码：首先根据工 作模式调用数据库三中对应的校准后的法向波束数据，然后调用数据库二中的波束通 道标准幅度、标准相位数据，接着在校准后的法向波束数据的基础上根据波束通道标 准幅度、标准相位数据调用数据库一中的T/R组件和延时放大组件在相应工作模式下 的实际幅度、实际相位数据，生成移相码一和延时码，由于延时码会引入寄生调制相 位，对引入的寄生调制相位进行相位调平时产生移相码二，合成移相码一与移相码二 得到移相码三，最后将移相码三和延时码写入波控文件即得到控制波束扫描的波束控 制码。

其中，移相码一和移相码二的合成是将两个移相码相加，若结果超过移相码的值域 区间，则需要对结果进行周期化处理，如移相码区间为0～63，而相加的结果为80，则 结果减64得16，即完成合成。

相控阵天线多波束自动校准装置其对应的相控阵天线多波束自动校准方法也称之 为星载宽带相控阵天线多波束自动校准方法，如图2～图4所示，该方法包括如下。

步骤101，采集相控阵天线的馈电组件模块内的T/R组件和延时放大组件工作态幅 度值、相位值，建立数据库一。

如图2所示，馈电组件模块中T/R组件和延时放大组件为可控制组件，通过控制 T/R组件和延时放大组件的工作状态可以实现对天线工作状态的控制。运用自动测试系 统直接与级联后的馈电组件模块相连，可采集获得T/R组件和延时放大组件工作态幅 度相位数据，如：T/R组件馈电幅度衰减工作态输出的幅度、相位，T/R组件馈电相位 移相工作态输出的幅度、相位，延时放大组件延时工作态输出的幅度、相位等，建立 数据库1。

步骤102，建立波束列表、存储波束对应的通道标准幅度值、相位值，建立数据库 二。

由相控阵天线任务的要求，需要一系列工作波束，根据工作要求将工作波束的关键 信息，如：波束指向，波束宽度等输入列表文件，建立待校准波束列表，方便使用计 算机调用。波束列表根据相控阵天线工作模式划分为N个子列表，其中N等于天线工 作模式数。列表中每个波束在数据库2中有对应该波束的通道标准幅度值、相位值， 即为该波束校准的目标值。

步骤103，运用近场逐一校准法校准相控阵天线各工作模式下的法向波束，消除馈 电网络基态误差，建立法向波束数据库三。

相控阵天线法向波束通道校准时消除的馈电网络基态误差包括：由加工误差带来的 天线单元与各级馈电组件如T/R组件、延时放大组件、功分器/合成器、馈电电缆的初 始状态幅度相位不一致性。法向波束校准可一并校准天线单元与馈电组件幅度相位误 差，不需要再进行不可控制组件如馈电电缆、功分器/合成器等性能数据的采集记录， 简化了组件测试工作量。法向波束数据库三包含各工作模式的法向校准后的波束数据， 如法向波束控制码和通道实际幅度、实际相位数据，是校准波束列表中各波束的基础 数据。

步骤104，使用计算机调用数据一、数据库二、数据库三，逐一自动校准波束列表 中的各波束。

计算机逐一自动校准时，对每个待校准波束采用相同操作，即：如图4所示，单个 波束的校准包括：步骤201，调用数据库三中对应工作模式的校准后的法向波束数据； 步骤202调用数据库二中对应待校准波束的通道标准幅度相位；步骤203，根据通道标 准幅度值、相位值调用数据库一的T/R组件与延时放大组件工作态数据在法向波束的 基础上校准各通道幅度相位；步骤204，生成移相码一和延时码；步骤205，对引入的 寄生调制相位进行相位调平时产生移相码二，步骤206合成移相码一与移相码二得到 移相码三；步骤206，将移相码三和延时码写入波控文件，生成波束控制码。

本实施例的相控阵天线多波束自动校准方法采用近场逐一校准法消除馈电组件基 态误差得到天线法向波束基础数据，在此基础上根据待校准波束通道标准幅度相位值 运用组件数据库完成移相码和延时码的生成，实现波束的扫描或赋形，校准过程中， 仅使用了近场测试系统校准法向波束，其他波束的波控文件均由计算机调用数据库处 理自动生成，计算机运行速度远远超过了近场探头机械扫描速度，大大减少了测试工 作量，缩短测试时间，提高了工作效率。

综上所述，基本流程包括：采集相控阵天线馈电T/R组件和延时放大组件工作态 幅度相位数据，建立数据库一；建立波束列表与波束通道标准幅度相位数据库二；运 用近场逐一校准法校准相控阵天线法向波束，消除馈电网络基态误差，建立法向波束 数据库三；根据工作波位要求，建立待校准波位列表；逐一校准波束列表中的各波束， 其中每个波束校准时均在法向波束的基础上根据目标波束通道标准幅度相位值调用数 据库一中的T/R组件和延时放大组件工作态幅度相位数据校准各通道幅度相位，生成 移相码一和延时码，由于延时码会引入寄生调制相位，对引入的寄生调制相位进行相 位调平时产生移相码二，合成移相码一与移相码二得到移相码三，最后将移相码三和 延时码写入波控文件即得到控制波束扫描的波束控制码。本发明采用法向波束近场逐 一校准与扫描波束自动校准相结合的方法，大大减少了暗室采样架使用率，减少了测 试时间，降低测试成本，并且随着校准波束数量的增多，此方法收益显著。

实施例二

本实施例由实施例一演变而来。当星载相控阵天线为窄带相控阵天线时，如图5， 仅需要校准工作频点的天线通道幅度相位，则天线馈电网络中未含有延时放大组件， 因此在采集组件模块数据时只须采集T/R组件的数据建立数据库一，建立波束列表与 波束通道标准幅度相位数据库二，运用近场逐一校准法校准相控阵天线各工作模式下 的法向波束，消除馈电网络基态误差，建立法向波束数据库三，使用计算机逐一自动 校准波束列表中的各波束，即可完成窄带相控阵天线的多波束自动校准。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精 神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之 内。