大型相控陣天線唯幅度測量快速標校法

齊宏業，杜 彪，位靜云，韓國棟

(中國電子科技集團公司第五十四研究所，河北 石家莊050081)

0 引言

對于大型相控陣天線，單元通道間幅度和相位的一致性極難保證，特別是相位一致性，要求每個通道的信號傳輸鏈路必須為等電長度，這對設計、加工、電裝以及裝配的要求過于嚴格，極難實現。因此，在相控陣天線交付前有必要對各個單元通道的初始幅度和相位進行標校[1-2]。

相控陣天線的幅相標校即通過測量手段求解陣面單元通道幅相分布。目前常見的標校方法有近場掃描方法[3-7]、互耦方法[8-13]、旋轉電矢量方法[14-18]以及最大值方法[19-20]。近場掃描方法利用掃描架對陣面每個通道的幅度和相位進行單獨測量，該方法需要的設備較為復雜，并且對于大型相控陣天線，掃描架規模過于龐大。互耦方法不需額外的校準設備，但其需要單元間的互耦要滿足對稱條件或者互耦系數已知，因此對天線單元方向圖以及單元排布提出嚴格的要求。旋轉電矢量方法和最大值方法類似，均需要通過逐次改變通道移相量，并測量輻射場幅度值來計算各個單元通道初始幅相值。這2種方法為了滿足求解條件，所需的幅度測量次數較多，校準時效性不佳。假如通道移相器位數為6位，那么對于N元陣列，所需的幅度測量次數接近26·N次；另外，旋轉電矢量方法在求解通道幅相值過程中需要消除方程二義性，給實用帶來不便。

本文給出了一種可適用于大型相控陣天線的唯幅度測量快速標校的方法。該方法僅需(3N+1)次天線陣面總輻射場幅度測量，即可實現對各個單元通道幅相值的計算，因此可顯著提升校準速度，并簡化校準設備。同時該方法不涉及方程二義性問題，從而簡化校準計算過程。

1 標校原理

假設相控陣天線具有N個天線單元，對陣面進行N種不同分組。任意一種分組k包含m個相位調整單元和n個相位保持單元，其中m+n=N，m與n具有可比性。利用相控陣天線通道相位可調特點，同時改變m個單元通道移相量，移相量設為Δ，相位調整單元的合成場可表示為：

Ek1=Ak1ej(Φk1-Δ)，

(1)

式中，Ak1為第k組相位調整單元合成場初始幅度；Φk1為第k組相位調整單元合成場的初始相位。類似，第k組相位保持單元的合成場可表示為：

Ek2=Ak2ejΦk2，

(2)

這樣，第k組在加入相位調整量后，整陣合成場功率(即幅度)可表示為：

(3)

通過測量不同通道相態和開關態下整陣合成場幅度值，可解算出Ak1，Ak2以及Φk1-Φk2。

首先，將通道移相量Δ設置為0°，即整陣的初始態，所有分組的初始態均相同，合成場功率為：

(4)

其次，將通道移相量Δ設置為90°，此時合成場功率為：

(5)

然后，將相位調整單元相位恢復初始狀態，并關斷相位保持通道射頻開關(或者是通道電源開關)，即Ak2≈0，此時合成場功率為：

(6)

接著，關斷相位調整通道射頻開關(或者是通道電源開關)，并打開相位保持單元的通道射頻開關，即Ak1≈0，此時合成場功率為：

(7)

最后聯立式(4)～式(7)可解得：

(8)

由上式可進一步解得第k組中相位調整單元相對于全陣合成場的相對幅度和相位：

(9)

按照上述方法可依次求得其他分組中相位調整單元合成場的相對幅相值，這樣可聯立如下方程組：

(10)

通過合理分組，使得矩陣MN×N可逆，該矩陣可采用文獻[16]提及的哈達瑪矩陣形式。由此可解得陣面的幅相分布：

(11)

由式(11)可得到單元通道的幅相校準值，從而實現相控陣天線標校。在標校過程中，每種分組需要在不同通道相態和開關態下測量合成場幅度3次，共需要3N次測量；另外還涉及1次陣面初始態幅度測量，因此該方法所需幅度測量次數為(3N+1)次。

2 標校流程

標校示意如圖1所示。

圖1 標校示意圖

以接收相控陣天線為例描述本文所研究標校方法的工作流程：

① 參照圖1所示搭建相控陣天線校準場景。將待測相控陣天線放置于測試轉臺上；將標準喇叭天線放置于待測相控陣天線遠場區的支架上，并保證兩天線的中心位置等高；通過控制上位機調整測試轉臺，使得兩天線的中心對準；將待測相控陣天線射頻口與頻譜儀連接，將喇叭天線與信號源連接，通過控制線纜連接控制上位機與待測天線以及頻譜儀。

② 通過控制上位機打開待測天線所有通道，并將所有通道移相器置于0態；打開頻譜儀和信號源，設置好校準頻率。

③ 在所有通道移相器處于0態時，上位機讀取頻譜儀上電平值，記為P0。

④ 將陣面進行N種分組，可逆分組矩陣MN×N采用哈達瑪矩陣形式。

⑤ 對于第1組，將相位調整單元的通道移相量Δ設置為90°，上位機讀取頻譜儀上電平值，記為P11。

⑥ 關斷相位保持通道射頻開關，上位機讀取頻譜儀上電平值，記為P12。

⑦ 打開相位保持通道射頻開關，關斷相位調整通道的射頻開關，上位機讀取頻譜儀上電平值，記為P13。

⑧ 由測得的P0，P11，P12以及P13，并根據由式(8)和式(9)計算出第1組中相位調整單元合成輻射場的相對幅相值。

⑨ 重復步驟⑤～步驟⑧，可計算出其他組合中相位調整單元合成輻射場的相對幅相值。

⑩ 由算得的每組相位調整單元合成輻射場的相對幅相值，并根據式(11)可解算出每個單元輻射場于整陣的相對幅相值。

3 仿真驗證

為進一步表征所研究標校方法的有效性，建立一個768元相控陣天線，天線陣面采用矩形柵格排布，包含12個子陣，每個子陣由8×8個天線單元組成，單元間距dx=dy≈0.5λ，如圖2所示。仿真中，假設相對于等幅同相陣列，各個天線單元的初始幅度均方根誤差為3 dB，初始相位均方根誤差為100°，通道移相誤差為3°，通道射頻開關隔離度為25 dB。另外考慮測量系統誤差，在仿真中設置的信噪比為35 dB。

圖2 768元相控陣天線排布

在仿真中，天線陣面分為768種組合，對應分組矩陣M768×768，如式(12)所示，其中H384×384為384階哈達瑪矩陣。圖3給出了某2分組中相位調整單元對應陣面排布。由哈達瑪矩陣的性質可知，每種分組中至少包括1/4陣面(192個單元)合成輻射場幅度被計算，這樣在存在仿真噪聲情況下，可提高計算精度。

(12)

圖3 相位調整單元對應的陣面排布

標校前后天線陣列仿真方向圖對比如圖4所示，圖4還給出了等幅同相情況下天線陣列仿真方向圖。

仿真結果表明校準后天線陣列方向圖得到明顯改善，提高了陣列增益以及降低副瓣電平。校準后天線陣列方向圖接近等幅同相饋電的陣列方向圖。

圖4 標校前后方向圖對比

在768元相控陣天線仿真中，標校所需的總輻射場幅度計算次數為(3×768+1=2 305)次。如果采用旋轉電矢量方法[16]，采用6位通道移相器，所需的幅度計算次數將近(26×768=49 152)次。在實際標校中，總輻射場幅度采集次數直接決定了標校的時效性。因此，本文所采用的標校方法可顯著提升大型相控陣天線的標校速度。

4 結束語

本文通過理論推導與仿真分析研究了一種相控陣天線唯幅度測量快速標校方法。該方法具有一般適用性，即可實現大型相控陣天線的快速標校，又可用于小規模相控陣天線標校。接下來將通過試驗測試進一步驗證該方法的有效性。