一種相控陣接收通道的幅相校準方法

陳少林，吳 昊

（駐783廠軍代室，綿陽 621000）

1 引言

相控陣天線是“相位控制陣列”天線的簡稱，即天線是由多個輻射單元組成陣列[1]。由于相控陣天線陣是通過精確控制各輻射單元的相位、幅度以實現波束合成和控制，因此，各輻射單元的相位、幅度的精度和變化直接影響合成波束的性能（增益、副瓣電平、零深等）。

2 陣列和校準系統的原理及構成

對于均勻線陣，為使天線波束最大值在θB方向，各單元的移相器提供一組波控參數，對應到各單元之間的相位差為

式中，θB為天線波束最大指向的方位值。

在此基礎上，假定相控陣天線每個單元的方向圖足夠寬或者是全向的，那么在直線陣天線波束掃描范圍內，直線陣天線的方向圖函數F（θ）近似為：

式中，θ為方位角度；an表示陣列天線系統等效到第n個陣元中的幅度和相位誤差分量。

波束形成網絡中典型內置校準源的閉環校準系統如下圖所示。

圖1 閉環校準系統結構圖

圖2 工程試驗框圖

圖中 ，天線陣為N個單元組成的等間距線陣，整個系統由天線陣、有源T/R波束形成網絡、接收機、信號處理等組成。其中有源T/R波束形成網絡包括T/R組件、移相網絡、功分網絡，波控計算機、校準源、射頻開關等。

射頻開關Ki（i=1～2N）用于選通T/R組件處于發射通道或接收通道，端口Si（i=1～N）為波控計算機控制各通道移相器移相值的控制信號，射頻開關G用于選擇差接收信號或校準源信號，當G選擇校準源信號時，此時校準源信號作為參考信號使用。

3 校準方法

校準分兩部分進行，即圖1系統組成框圖的T1段和T2段。每部分的校準工作都在對逐個工作頻點和逐個天線主波束對應的波控參數設置條件下進行。

當校準T1段時，信號處理發送校準命令通過波控計算機，由波控計算機控制校準源信號同時通過通路1“校準源—矩陣開關—限幅、低噪放—移相器—功分網絡（∑端口）—接收機—信號處理”及通路2“校準源—射頻開關G—接收機—信號處理”，在通路中校準信號經過接收機的放大、濾波、混頻、A/D等轉換成數字中頻信號，數字中頻信號送入信號處理進行數字變頻等處理，得到信號相位信息，由此可得通路1與通路2的相位差，所有N個接收通道的相位差組成的數據就反應各個接收通道T1段之間的相位關系，該數據用于系統正常工作時波控計算機對移相器移相誤差及通道不一致性進行補償。

當校準T2段時，校準信號同時經過通路1“校準源——矩陣開關—限幅、低噪放—移相器—功分網絡（∑端口）—接收機—信號處理”及通路3“校準源—矩陣開關—限幅、低噪放—移相器—功分網絡（△端口）—射頻開關G—接收機—信號處理”，信號處理將錄取到通路1和通路3的幅度和相位數據，其幅度差和相位差反應了接收通道T2段即∑/△接收通路的幅相關系。該數據進而用于系統正常工作時波控計算機對∑/△接收通路增益誤差進行補償。

4 工程試驗結果

在某型相控陣體制設備的研制過程中，為驗證校準前后的效果，采用在微波暗室對相控陣天線方向圖進行測試的方式進行驗證，工程實驗框圖如圖2所示。相控陣體制設備校準前，控制相控陣體制設備的工作頻率、波束指向，由微波信號源通過喇叭天線輻射電磁信號，相控陣體制設備接收后送頻譜分析儀，相控陣體制設備隨二位轉臺轉動一周，計算機將轉臺角度、頻譜分析儀采集的幅度記錄，可得到校準前的天線方向圖；控制相控陣體制設備進行校準，校準完成后按同樣的控制條件和方法進行測試，可得到校準后的天線方向圖。

校準前的某方向圖如圖3所示，相同條件下校準后的方向圖如圖4所示。

圖4 校準后的方向圖

對比校準前后方向圖可知，校準后實測波束指向與預期指向更接近，方向圖副瓣更低，和差波束覆蓋性更好。

5 結束語

本文提出了一種基于波束形成網絡自帶校準源對接收通道進行幅度相位校準技術和方法。通過校準，較好地控制了接收通道的幅度和相位誤差，在利用相控陣天線進行單脈沖測角領域具有很強的實用性。