球面相控阵天线近场通道标校链路的自校正方法

摘要

本发明提出的一种球面相控阵天线通道近场标校链路的自校正方法，旨在提供一种耗费硬件资源小,能够自动运行标校链路的自校正方法。本发明通过下述技术方案予以实现：在对阵列天线所有通道进行幅/相特性标校前，根据球面阵列天线顶部标校天线集中的特性，选定一固定的天线阵元进行标校，标校出天线顶部标校链路的相对幅度与相位特性，再用天线顶部的标校天线，分别对应于四周分布的标校杆，采用球面阵天线上同一个天线通道，标校出两个相邻标校天线通道的幅度/相位差；然后从天线顶部向各个方向采用差分传递的自校正方式，得出这两个信标链路的相对幅/相特性；再利用球面阵天线上固定的天线阵元通道，反向做幅/相校正，得到各个标校链路本身的相对幅/相特性。

说明书

技术领域

本发明涉及航天测控领域中一种测控体制的通道标校链路的自校正方法，特别是数字多波束球面相控阵天线近场通道标校链路的自校正方法。

背景技术

相控阵天线是从阵列天线发展起来的，主要依靠相位变化实现天线波束指向在空间的移动或扫描，亦称电子扫描阵列(ESA)天线。它是由许多单元通道构成的天线阵列，是一个包含了大量天线单元的多通道系统，每个通道包含了若干微波器件，如辐射天线单元、移相器、电调衰减器、功放、变频器、低噪放、滤波器、限幅器等。这些微波器件在使用过程中很难保证通道之间幅相稳定不变，有些甚至出现失效。由于通道的幅相变化会严重影响相控阵的低旁瓣特性，严重时甚至不能正常工作。因此，在相控阵天线服役期间必须对其各通道幅相变化进行定期监测和校准。由于对每个信号通道都包含有网络移相器，需要复杂的开关网络的配合来完成校正。相控阵天线单元的间距不够大时,天线阵元间的耦合很强,如果不进行适当的补偿,会引起天线增益下降、副瓣电平抬高。而且,阵中天线单元的方向图与孤立情况下相比发生严重的畸变,特别是阵列边缘的天线单元方向图变化尤为剧烈。相控阵天线测试包括天线辐射特性、电路特性两个方面的测试，从测试项目看，主要是方向图、增益。具体是对方向特性的符合性进行检测，目的在于通过校标使其光轴、电轴、机械轴达到重合。由于天线辐射场区可以划分为电抗近场、辐射近场、辐射远场，所以有对应于这三个区域的测量技术，比如在近场测量法方面就包括平面近场扫描、柱面近场扫描、球面近场扫描，而在远场测量方面则主要集中于高架场法、斜矩场法、反射场法等。相控阵天线的通道幅相监测方法可分“内监测”和“外监测”两大类。每类里面又可以根据监测链路的具体设计方法和适用情况不同分为许多种小类。“内监测”法是通常在天线系统内利用附加设备实现监测，该方法通常在天线系统内设置开关矩阵、行波馈电网络(BITE耦合系统)等。“外监测”法又有远场和近场监测之分，远场监测需要一个远距离测试场、辅助天线和转台系统，基本原理是在多个预定的角度上，分别测出天线总输出端口的幅度和相位值，再通过矩阵求逆运算得到天线口径分布的幅度和相位值，是在天线阵的四周或阵中不同位置设置若干辅助单元，通过测试辅助单元和阵单元之间的相互耦合来进行校准。每种监测方法都有其优缺点和适用条件，“内监测”技术成熟、性能稳定，但设备量大，并且不能校准天线单元及其互耦影响；远场“外监测”法设备量相对较小，也能校准天线单元及互耦影响，但其实际环境中较难应用，受环境多径影响大；近场“内监测”法是近年来研究比较多的监测方法，它具备“外监测”和“内监测”的某些优点，但其适用的前提是相控阵中各通道可以独立收、发，即其中一个通道发射时，其相邻通道可以单独接收。目前还存在大量相控阵是采用微波加权网络合成波束的，其各通道不能单独收发，这限制了MCM近场“内监测”法的使用。

随着数字信号处理器件和微波单片集成电路(MMIC)技术的发展,字多波束天线以其独特的优势在航天数测控和卫星导航等领域得到越来越广泛的应用。多波束天线技术是提高卫星通信容量和覆盖性能的一项关键技术。数字多波束天线是阵列天线技术与数字信号处理技术相结合的产物，具有阵列天线的波束扫同描和数字信号高精度灵活处理的优点。数字多波束天线的波束形成和调制解调处理均在数字域实现，可同时产生多个波束，工作原理、作模式与传统天线相比有显著区工别，对测试方法也提出了新的要求。数字多波束天线主要由接收天线单元、包括低噪声放大器和下变频器的接收通道、A/D转换器，发射和接收2个部分组成。天线近场测试前，需要考虑幅相误差，按照加权要求实现收发通道的标校，发射通道校准时，因为发射通道信号较强，通道间存在干扰现象，只能进行单通道的校准。由数字多波束天线的原理和使用要求可知，与测天线与信标之间几何关系的高精度测量也比较复杂，并且开放场地存在多径效应和外部干扰的影响，因此远场校准的精度较难提高。近场校准方法是在阵列天线近场区域设立信标，将信标分时置于单元天线前端馈人或采集信号。由于单元天线在作用空域的辐射特性并不是等增益的，束形成处理也存在量化误差和校准误差，这些误差会影响不同扫描角度波束的指向和电平的精度。

相控阵天线有多种形式，如线阵、平面阵、圆阵、圆柱形阵列、球形阵、球面阵和与较为复杂的表面共形的共形阵等多种形式。传统天线阵列形状一般为球面，其上安装的天线馈元电轴指向球面天线阵球心。试验时，被试装备的天线相位中心要求与该球心重合，以保证射频辐射源信号位置的模拟精度，准确控制信号功率的幅度。由于发送端和接收端时钟的不一致性,收发时钟不一致会导致码偏和频偏，从而会导致低信噪比下阵列天线的逐通道相关标校有很大的难度。当射频仿真系统需要承担多种装备的试验任务时，把每个被试装备天线相位中心调整到与阵列天线球心重合往往难以实现，相当于降低了系统精度指标，大多数情况下精度下降的幅度是不能容忍的，必须采取一定的技术措施。数字化多波束球面相控阵天线设计中通道一致性标校是一项关键技术，对波束增益、波束指向、副瓣等有着重大影响，严重时甚至不能正常形成波束，因此必须对阵列天线进行通道一致性校正。数字化多波束球面相控阵天线的近场通道校正方法是在球面相控阵天线外围，均匀架设6个标校架。每个标校架上分布4个标校天线；在相控阵天线中心架设一个标校架，均匀分布6个标校天线，标校架上的每个标校天线相对于被标校的天线阵元都满足远场距离条件。这些标校天线可以实现对阵面单元的全覆盖，负责对阵面所有单元通道的幅相校准。由于通道标校设备是数字波束系统必须使用的设备，在对球面阵天线通道进行标校之前，必须对30路标校链路自身进行校正，以保证不引入标校链路自身的幅度、相位误差。传统的校准方法通常采用人工手动方式对这30路标校链路进行自校正，即在微波暗室中利用测试仪器对每个标校链路标定幅/相特性，最后将标定的各个标校链路的幅相特性数据装载到通道标校系统中使用。上述的人工标校方式在每次操作中都涉及标校链路的拆装，无法在保持设备状态情况下对标校链路进行自校正,误码做到实时标校和自动化标校，并且每次标校时需要搭建单独的测试平台，在操作使用中非常不便。

发明内容

本发明的目的是针对上述数字化多波束球面相控阵天线设计中存在的问题，提供一种可操作性强，校准源少,校准源到天线阵距离近,简单可靠、耗费硬件资源小,能够自动化对近场通道标校链路进行自校正的方法。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：一种球面相控阵天线通道近场标校链路的自校正方法，其特征在于包括如下步骤：在对球面相控阵列天线所有通道进行幅/相特性标校前，根据球面阵列天线顶部标校天线比较集中的特性选定的天线阵元，标校出天线顶部标校链路的相对幅度与相位特性，再用天线顶部的标校天线，分别对应于球面阵天线四周分布的标校杆，采用球面阵天线上同一个天线通道，标校出两个相邻标校天线通道的幅度/相位差；然后从球面阵列天线顶部开始向各个方向，采用差分传递的自校正方式，得出这两个信标链路的相对幅/相特性，标校出球面阵天线四周分布的每个标杆上各个标校链路的相对幅度/相位特性；再利用球面阵天线上固定的几个天线阵元通道，反向对近场通道标校链路本身做幅/相校正，得到各个标校链路本身的相对幅/相特性；在完成对球面相控阵天线所有通道标校后，用标校的幅/相值减去对应标校链路的相对幅/相值，完成对整个标校链路的自校正。

本发明相比于现有技术具有如下有益效果：

可操作性强。本发明根据球面阵列天线顶部标校天线比较集中的特性，利用球面阵天线顶部某个选定的天线阵元，从球面阵列天线顶部开始向六个方向，采用差分传递的方式，标校球面阵天线四周分布的六个标杆上的24个标校链路的幅度/相位特性，巧妙的利用了球面相控阵天线原有的通道标校链路和球面阵天线顶部某个天线阵元，标校球面阵列天线顶部各个标校链路的相对幅度/相位特性，这种自动的基于差分传递的标校链路的自校正方式，提高了可操作性。只需经过四次差分传递，即可标校出全部30路近场标校链路的相对幅度/相位特性，解决了数字多波束球面相控阵系统近场通道校正问题中的标校链路的自校正问题。而且操作简便快捷，便于自动化设计。标校链路的自校正可在保持系统原有状态下，依靠系统现有设备完成，不需要标校链路做手工操作，因此便于进行自动化设计。

校准源少,校准源到天线阵距离近。本发明根据球面阵列天线顶部标校天线比较集中的特性选定的天线阵元，标校出天线顶部标校链路的相对幅度与相位特性，再用天线顶部的标校天线，分别对应于球面阵天线四周分布的标校杆，采用球面阵天线上同一个天线通道，标校出两个相邻标校天线通道的幅度/相位差；然后从球面阵列天线顶部开始向六个方向，采用差分传递的方式，首先，标校出天线顶部六个标校链路的相对幅度与相位特性，然后用顶部六个标校天线，标校球面阵天线四周分布的六个标杆上的24个标校链路的幅度/相位特性，校准源少,校准源到天线阵距离近，即使在球面阵列天线工作、并且存在其它未知信号时,也能准确估计出天线阵的互耦系数。

实现简单、耗费硬件资源小。本发明采用分别对应于球面阵天线四周分布的六个标校杆，采用差分传递的方式，标校出每个标杆上四个标校链路的相对幅度/相位特性，在球面阵天线上同一个天线通道标校出两个相邻标校天线通道的幅度/相位差，采用传递的方式可得出这两个信标链路的相对幅/相特性最终完成对整个30路标校链路的自校正，实现方法比较简单，资源占用较少，降低了成本，并且采用六路并行差分传递的校正流程，仅需要并行做四次差传递就能完成对全系统30个标校链路的自校正工作，可有效控制标校误差传递，节省标校操作时间。在进行差分传递自校正时，是采用六个方向四级差分独立进行的，在实施中可对六路差分传递自校正进行并行处理，因此可节省大量时间。

利用本发明不需要复杂设备。本发明保持原有系统的设备状态，利用球面阵列天线原有通道标校设备，不需要对标校链路做手工操作，不增加附加硬件，完成近场标校链路的自校正，不需要额外增加设备量和使用额外的硬件，节省了数字波束系统必须使用通道标校设备硬件资源和硬件成本。

附图说明

下面结合附图和实施实例对本发明进一步说明。

图1是数字多波束球面相控阵天线通道幅度/相位示意图。

图2是本发明数字多波束球面相控阵天线顶部六个标校链路自校正及传递方向示意图。

图3是本发明数字多波束球面相控阵天线标校链路自校正差分传递原理示意图。

具体实施方式

参阅图1。根据本发明，在对球面相控阵列天线所有通道进行幅/相特性标校前，根据球面阵列天线顶部标校天线比较集中的特性选定的天线阵元，标校出天线顶部标校链路的相对幅度与相位特性，再用天线顶部的标校天线，分别对应于球面阵天线四周分布的标校杆，采用球面阵天线上同一个天线通道，标校出两个相邻标校天线通道的幅度/相位差；然后从球面阵列天线顶部开始向各个方向，采用差分传递的自校正方式，得出这两个信标链路的相对幅/相特性，标校出球面阵天线四周分布的每个标杆上各个标校链路的相对幅度/相位特性；再利用球面阵天线上固定的几个天线阵元通道，反向对近场通道标校链路本身做幅/相校正，得到各个标校链路本身的相对幅/相特性；在完成对球面相控阵天线所有通道标校后，用标校的幅/相值减去对应标校链路的相对相对幅/相值，完成对整个标校链路的自校正。

参阅图2。在以下描述的实施例中，天线顶部六个标校天线以选定的天线阵元A为中心组成圆阵，天线四周六个标校杆上的二十四个标校天线沿自校正的差分传递方向辐射分布。利用球面天线顶部选定的天线阵元A，根据标校天线安装位置与球面阵天线上选取的天线阵元A的已知位置，计算出球面阵天线顶部六个标校天线到天线阵元A的空间距离，进而计算出在标校频点的空间信号损耗和空间相位延迟，标校出天线顶部六个标校链路的相对幅/相特性。天线四周每个标杆上的四个标校天线按照差分传递方式进行标校链路的自校正。

根据被标校天线阵元A标校出球面阵列顶部六个标校链路的幅度/相位特性，减去各个标校天线到被标校天线阵元A空间距离引起的幅/相差可得到六组幅/相特性值：(P₁₁,θ₁₁)、(P₂₁,θ₂₁)、(P₃₁,θ₃₁)(P₄₁,θ₄₁)、(P₅₁,θ₅₁)、(P₆₁,θ₆₁)。其中P_i1，θ_i1，i＝1…6，为球面阵天线顶部第i个标校链路自身的相对幅度/相位特性。

标校出天线顶部六个标校链路的相对幅/相特性后，对球面相控阵天线四周六个标校杆上余下的24个标校链路，采用如图2所示的六个差分传递方向的差分传递校正方式进行标校链路的自校正。

参阅图3。天线阵元A、B、C、D、E按球面相控阵列天线半球面分布，并按两两相邻天线阵元标校链路的标校天线分别编号为1#-5#，利用差分传递的校正方式，标校出球面相控阵天线四周分布六个标杆上的24个标校链路的相对幅/相特性。

在1#标校链路与2#标校链路间选择球面阵天线上一个天线阵元B，利用该天线阵元B可以标出2#标校链路相对于1#标校链路的幅度差ΔP₂₁与相位差Δθ₂₁，2#标校链路的相对幅度/相位特性为：(P₁₂,θ₁₂)＝(P₁₁+ΔP₂₁,θ₁₁+Δθ₂₁)，P₁₂，θ₁₂为2#标校链路自身的相对幅/相特性，同理，依次对天线阵元标校链路的标校天线进行差分传递，可以得到图3上所有标校链路的相对幅/相特征：(P_1j,θ_1j)，P_1j为j#标校链路的相对幅度特性，θ_1j为j#标校链路的相对相位特性。对其余5个传递方向做同样处理，最终可得到30个标校链路的相对幅/相特性:(P_ij,θ_ij)，i＝1,2,3,4,5,6；j＝1,2,3,4,5。