數字多波束天線的校準測試方法

尹繼凱，蔚保國，徐文娟

(1.河北省衛星導航技術與裝備工程技術研究中心，河北石家莊050081;2.中國人民解放軍沈陽炮兵學院，遼寧沈陽110867)

0 引言

數字多波束天線是陣列天線技術與數字信號處理技術相結合的產物，同時具有陣列天線的波束掃描和數字信號高精度靈活處理的優點。隨著電子技術的發展，數字多波束天線以其獨特的優勢在航天測控和衛星導航等領域得到越來越廣泛的應用。

數字多波束天線的波束形成和調制解調處理均在數字域實現，且可同時產生多個波束，其設備組成、工作原理、工作模式與傳統天線相比有顯著區別，對測試方法也提出了新的要求。上面結合數字多波束天線的工作原理和常規的天線測試手段，研究多波束立體方向圖測試、陣列校準、波束補償和相位中心修正方面的測試方法。

1 數字多波束天線工作原理

數字多波束天線由發射和接收2個部分組成，原理框圖如圖1所示。

圖1 數字多波束天線原理

接收數字多波束天線主要由接收天線單元、接收通道(包括低噪聲放大器和下變頻器)、A/D轉換器和接收處理設備(包括波束形成器、波束控制器和解擴解調器)等部分組成。天線陣各陣元接收的射頻信號經過放大、下變頻和采樣處理后，各通道信號的幅度和相位信息被轉移到基帶信號中，利用DSP在數字域實現對陣列信號的加權處理實現多波束形成，數字化的波束信號再進行后續的解擴、解調和測量處理。

發射數字多波束天線主要由發射天線單元、發射通道(包括功放和上變頻器)、D/A轉換器和發射多波束處理設備(包括波束形成器、波束控制器、編碼調制器)等部分組成。各波束信號在波束控制器的控制下，經波束形成器產生指向各目標的陣列信號，多個波束的陣列信號在波束形成器中疊加，經D/A轉換為模擬信號，再經上變頻、功率放大，由天線陣元輻射到空間。

由數字多波束天線的原理和使用要求可知，與常規天線相比，在實際的測試工作中需要重點解決如下幾個方面的技術問題:

①多波束天線在作用空域內的波束掃描，除了主波束性能之外，對旁瓣電平及其分布等細節更加關注;

②由于同時生成多個波束，需要考察多個波束之間的相互影響;

③有源部件的采用，使收發波束的測量不再有互易性;

④數字多波束天線自身具有信號處理功能，因此需要與測試系統之間協調測試信號相位關系;

⑤對于精密測量應用領域，還應著重考慮指向精度、相位中心對測量精度的影響。

數字多波束天線的測試項目一般包括:天線方向圖、方向性、旁瓣電平、波束寬度、指向精度、波束掃描范圍、等效全向輻射功率(EIRP)和相位中心等指標。

2 校準測試方法

2.1 陣列校準

陣列天線形成高質量波束的前提是要控制多通道輻射或接收信號之間的誤差，保持通道間的幅度相位一致性。由于單元天線、有源部件和內部電纜等各分機在生產和裝配時都存在一定的誤差，單元天線之間也不可避免地存在互耦效應，這些誤差因素造成通道間幅度和相位的不一致性，對系統的天線增益、旁瓣電平和指向精度等性能造成影響。

將這些誤差測量出來并通過信號處理加以校準，可有效降低對系統的影響。校準是數字多波束天線工作的必要條件，也是測試之前的首要工作，數字多波束天線的校準可分為遠場校準和近場校準2類。

2.1.1 遠場校準

遠場校準方法在距陣列天線遠場處設立信標，對于接收陣列天線，使接收信標天線發射校準信號，根據被測天線和信標之間的幾何關系，計算各單元通道接收信號實測值和理論值之間的差異，獲得相位偏差和幅度偏差的校準量。對于發射天線陣列，則控制各單元通道分時發射信號，使用信標天線測量各天線的幅度偏差和相位偏差校準量。

由于測試場地的遠場條件一般不容易滿足，被測天線與信標之間幾何關系的高精度測量也比較復雜，并且開放場地存在多徑效應和外部干擾的影響，因此遠場校準的精度較難提高。

2.1.2 近場校準

近場校準方法是在陣列天線近場區域設立信標，將信標分時置于單元天線前端饋入或采集信號。接收陣列天線校準時，信標天線發射校準信號，由接收機處理得到對應通道的幅度和相位誤差。發射陣列天線校準時，控制對應通道發射校準信號，由矢量網絡分析儀或專用測試設備處理信標天線接收的校準信號，得到通道的幅度和相位誤差。

近場校準的環境條件易于控制，測試精度較高，是一種適于工程應用的校準方法。在微波暗室內使用平面近場測試系統對平面陣列天線進行校準是一種精度好、效率高的校準方法。以發射多波束系統為例，近場校準方法的原理框圖如圖2所示。

圖2 近場校準原理

調整天線陣面與近場掃描平面平行，并設置所有通道為相同的權值，將陣列天線的輸出信號提供給近場測試系統作為參考信號，控制近場探頭依次對準每個天線單元，測量每個單元輻射信號與參考信號的矢量誤差，從而得到所有陣元之間歸一化的幅度和相位關系ci=aiejθi，i=1，2…，N，取其倒數1/ci作為波束權值的修正系數，即可實現對陣列各通道的校準。

2.2 立體方向圖測試

2.2.1 遠場測試法

為減小周圍環境的影響，遠場測試通常選在地形平坦的自由空間測試場，利用三軸測試轉臺和信標天線完成多波束天線立體方向圖的測試。被測天線與信標天線之間的距離要滿足遠場最小測試距離條件，即測試距離R＞2D2/λ(其中D為天線口徑，λ為工作波長)。為實現三維立體方向圖測試，需要建立高精度的三軸測試轉臺。三軸測試轉臺除包括傳統轉臺的方位軸、俯仰軸外，還需在俯仰軸上方增加一個上方位軸(或稱極化軸)，且三軸必須同心。

在測試過程中，首先使陣列天線的法線方向與信標天線對準，從信標天線接收并記錄信號的幅度數據，旋轉轉臺即可獲得一個切面的方向圖信息，旋轉極化軸后重復上述測試過程，即可獲得不同切面的方向圖數據，經事后數據處理即可得到多波束天線的三維立體方向圖[3]。

2.2.2 近場測試法

近場測試包括平面近場、柱面近場和球面近場3種方法，對于平面陣列天線，最方便的方法是采用平面近場測量系統測量立體方向圖。在暗室內使用平面掃描系統采集天線口面近場的幅度和相位分布數據，然后用基于FFT的近場—遠場變換方法來計算天線的遠場輻射特性。

該方法由于具有外部環境干擾少、測試數據精度高、工作效率高和不受天氣條件限制等優點，獲得越來越廣泛的應用。近場測試技術除可以直接得到三維立體方向圖外，還可以提供遠場測試無法提供的信息，例如，利用近場數據來檢查和分析天線設計中的問題，使用快速傅里葉逆變換技術實現天線單元通道的故障診斷等等。

在多波束天線的近場測試過程中，要注意設置探頭的掃描區域d大于波束的掃描范圍，d＞D+2s*tan(θ)，D為陣列天線的口徑，s為探頭與陣列天線之間的距離，θ為波束的最大掃描角。探頭掃描范圍d與波束掃描角θ之間關系的示意圖如圖3所示。

圖3 探頭掃描范圍與波束掃描角的關系

由于收發波束測量方法的非互易性，接收數字多波束天線的測試需要利用系統中具備幅相測量功能的波束形成接收機參與完成，測試過程比發射天線要復雜一些[5]。

3 波束修正和電平補償

由于單元天線在作用空域的輻射特性并不是等增益的，波束形成處理也存在量化誤差和校準誤差，這些誤差會影響不同掃描角度波束的指向和電平的精度。在工程上，希望將工作空域中任意方向波束的指向誤差和電平誤差限制在一定的指標范圍之內，就需要進行波束指向誤差的修正和電平補償。

3.1 指向誤差修正

根據波束指向的實測結果，可以獲得波束設置指向(A，E)與實際指向(A'，E')之間的對應關系。將數字多波束天線作用空域內以一定間隔(比如1°)網格化，構建一個關于波束設置指向和實測指向的修正表，在波束形成權值計算時通過查表過程實現對波束指向的修正。修正表的采樣間隔可以根據天線指向精度的指標要求、波束的掃描范圍和實測結果的偏差程度確定，對于網格點之間的波束指向修正數據可以通過內插方法計算得到。

3.2 相位中心修正

在波束掃描時，陣列天線的相位中心的位置會隨著波束指向發生改變，對于精密測量應用領域，這種影響是不容忽視的，相位中心的修正同樣可以采用構建修正表的方法完成。

在測試階段，對系統的測量精度進行整體標定，利用測得的相位中心隨波束指向的偏差數據構建相位中心修正表。在系統工作時，根據波束的指向實時查表計算得到相位中心的修正數據，提供給系統的數據處理程序使用，減小相位中心變化對測量結果影響，從而提高了系統的測量精度。

3.3 波束電平補償

與指向誤差的修正方法類似，波束電平的補償也可以通過構建修正表的方法來實現，對每一個網格點，事先測得波束電平的誤差值，通過波束形成器對相應指向的波束電平進行補償，使波束在掃描范圍內的輻射功率(或接收電平)一致。

圖4 近場立體方向圖

4 校準測試方法驗證

圖4是數字多波束天線三維立體方向圖的近場測試結果，由立體方向圖可以檢驗多個波束之間的相互干擾情況。

圖5是5個波束在同一切面時的方向圖遠場測試結果，可以看出，通過對波束指向的修正和電平的補償，高、低仰角波束的指向精度和電平具有很好的一致性。圖6是數字多波束天線相位中心的修正數據，修正后測量數據的精度可達到1 ns以內。

圖5 多波束修正和補償后方向圖

圖6 相位中心修正數據

5 結束語

上述研究了數字多波束天線的校準和測試技術，探討了對數字多波束天線的陣列校準、立體方向圖測試、波束指向修正與電平補償和相位中心修方法，并結合實際系統進行了試驗驗證。試驗結果表明:該測試和校準方法可高效率完成數字多波束天線系統的校準和測試工作，并有效提高系統的測量精度，具有很強的實用價值。目前該技術已經在工程上采用并獲得了良好的效果。

[1]蔚保國，姚奇松.基于數字多波束天線的多星測控系統[J].飛行器測控學報，2004，23(3):55 －59.

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[4]秦順友，許德森.衛星通信地球站天線工程測量技術[M].北京:人民郵電出版社，2006:48－85.

[5]李 勇，傅德民，李焱明，等.DBF天線的近場測量與模擬分析[J].電子測量技術，2009，32(5):141 －144.

[6]TAKAHASHIT， KONISHIY， MAKINO S. Fast Measurement Technique for Phased Array Calibration[J].IEEE Transactions on Antennas and Propagation，2008，56(7):1 888－1 898.