基于矢量平均的相控阵天线校准方法

杨顺平

(中国西南电子技术研究所，四川成都 610036)

基于矢量平均的相控阵天线校准方法

杨顺平

(中国西南电子技术研究所，四川成都 610036)

提出了一种适合于工程应用的新的相控天线校准算法——矢量平均法，通过一个8单元的线阵验证了该校准方法的正确性，并给出了该校准方法与常规FFT校准方法的实验结果对比情况.结果表明，在大动态下该方法具有更高的校准精度.

FFT；幅相校准2；相控阵

0 引 言

相控阵天线为了实现对各个有源通道的幅度相位监测与误差修正需要采用校准或者监测技术对各个通道的幅度相位的测试.通常，对于对结构和尺寸要求不高的天线或者数字多波束天线，可以对每个通道进行独立测试，其校准算法简单.但随着天线向着高频、高集成度、小型化发展，必须采用一定的算法实现对各个通道的幅度相位信息准确有效地检测，目前，常用的校准算法有逆矩阵、FFT、Phase-Toggle、旋转阵元电场矢量、换相法、基于互耦测量以及基于阵元方向图的算法等[1-3].彭祥龙等[4]对比分析了逆矩阵、FFT、Phase-Toggle 3种方法的优缺点.在此基础上，本研究提出一种基于矢量平均的相控阵天线校准方法，该方法综合FFT法和Phase-Toggle算法的优点，在校准精度上比单纯采用FFT法或者Phase-Toggle算法精度更高.

1 方法描述

矢量平均校准方法和逆矩阵法、FFT法及Phase-Toggle法相似，都是通过改变各个馈电支路的相位构成方程，并求解出需要校准的支路的幅度相位分布.校准分2步完成:配相并检测信号的幅度和相位；计算得到校准支路的幅度与相位分布.矢量平均法将被测信号看成复数矢量的信号，具有幅度和相位分量，在第一步配相过程中，旋转被测支路的信号，其他支路信号不变，在第二步解算过程中反向旋转合成信号.由于第一步配相时，被测支路旋转了，而其他支路没有旋转，那么经过第二步的反向旋转后，被测支路的信号是一个同相叠加的效果，而其他支路旋转一圈后，进行矢量叠加后总信号为零.因此，对上述信号进行平均后就可以得到被测支路的幅度相位信息.

第一步的配相过程如式(1)所示，

式中，M为被测量支路的总数目，N为移相器总状态数.设Ak是第k次接收机测试得到的电压值，为包含了幅度和相位的复数，k=1～N.Si为校准馈电网络第i支路的传输系数.ai为实际的天线馈电分布，包括幅度和相位信息.Sm为当前被检测的校准馈电支路的传输系数，am为当前被监测的实际的天线馈电分布.其中，Sm、Si为事先已知的，可以通过实验室测试得到.对于采用阵外远场耦合的校准方法，在满足一定的架设条件下，Sm、Si可以认为是相等的，可以不用测量.如果只关心am、ai的相对值和相对变化情况，Sm、Si甚至可以不用测量，直接将Sm◦am、Si◦ai的变化结果作为校准依据，前提是Sm、Si随时间和环境的变化可以忽略.

第二步的过程如式(2)所示，

由于式(3)矢量旋转后合成结果等于零，可以得到，

图1给出了一个N=8矢量平均校准过程的配相情况.0～7对应了8次被测试支路的移相条件下矢量旋转的情况，其他支路信号在8次配相过程中都不变化.

图1 配相状态矢量旋转示意图

图2给出了解算过程中矢量变化情况，其他支路进行旋转，由于进行的加法运算，该项最终结果等于0，被测支路由于旋转的角度刚好和配相时的角度大小相等，方向相反，所以进行加法运算后，形成同相叠加的效果.这样就消除了其他支路信号，得到的只有被测支路的信号，进行一个平均后，就可以检测出被测支路的幅相数值.

图2 平均状态矢量旋转图

通过以上过程可以看到，由于整个过程采用加法和乘法完成，其解算过程比逆矩阵法更加稳定，移相时只与被测支路相关，其他支路保持不变，所以其他支路的移相误差不会对测试结果造成影响，其s◦a的动态范围比FFT校准法大，这在工程应用中非常重要.因为现在很多天线有集成度、小型化、低RCS等技术要求，而FFT校准法对s◦a的动态要求非常苛刻，为了达到好的校准精度，必须采用平衡支路馈电的方式，要求尽量保证s◦a动态分布不要太大(和移相器的幅度相位误差有关系)，而在工程应用中如果其分布达到20 dB以上，通常小传输系数的被测支路很难得到满意的校准精度.而要满足天线集成度、小型化、低RCS等技术要求，设计一个共面的近场耦合天线是最佳方案，但其动态范围不易受控，一般在30 dB左右.所以矢量平均校准方法非常适用于这种工程应用.此外，本方法相比FFT校准法的另外一个优点是，可以把其他不需要的耦合信号看成不变信号，在解算过程中也会一并抵消，这样对电路的耦合度要求会大大降低.由于该方法具有FFT校准法的加法特性，其对加性噪声的抑制也和FFT法一样，噪声误差项和合成信号的大小是没有关系的[5].在校准之前，可以做一个FFT校准法配相的过程，测试合成信号最小情况作为工作点，再在这个工作点上进行矢量平均的校准过程，这样就可以避免合成信号过大，从而减小接收机的迹线噪声对校准精度的影响.

2 实验验证

图3 基于矢量平均的校准系统原理框图

在实验时，根据矢量平均法设计了一个相控阵天线的校准系统，其原理框图如图3所示.该系统采用无线馈电与近场耦合的方式，近场耦合天线和各天线单元之间的耦合系数动态范围在20 dB以内，天线单元数N=8.校准收发装置用于产生校准需要的RF信号，经近场耦合天线辐射出去，再由天线1～N接收，经过LNA和移相器，再通过功率分配/合成网络回到校准收发装置.为了测试信号相位，发射信号还有一路直接耦合到校准收发装置里面作为相位参考.在实验过程中，将校准结果与实际端口测试结果进行了比较，其相位校准精度为3.7度(RMS)，幅度精度为0.10 dB(RMS).其中，相位精度包含了移相器的量化误差，因为该相控阵天线未考虑幅度修正，幅度精度为校准算法测试误差.采用FFT校准法进行了校准，由于耦合系数动态范围过大，接收相对能量较小的单元基本误差进行准确测量.

3 结 语

矢量平均的相控阵天线校准方法结合了FFT与Phase-Toggle法的特点，通过旋转被测支路的移相器，实现了移相器的全移相状态参与校准，同时其他支路的移相器不参与移相，减小了移相误差对校准的影响，扩大了系统校准时对支路的动态要求，非常适合目前相控阵天线小型化、集成化及共形化的工程应用要求.

:

[1]Lee J J，Ferren EM，WoollenD P，et al.Near-field probe used as a diagnostic tool to locate defective elementsin an array antenna[J].Antennas and Propagation，IEEE Transactions，1988，36(6):884-889.

[2]Davis D.Analysis of array antenna patterns during test[J].Microwave Journal，1978 ，21:67-72.

[3]Shnitkin H.Rapid fast fourier transform phase alignment of an electronically scanned antenna[C]//20th European Microwave Conference.Budapest:IEEE Press，1990:247-257.

[4]彭祥龙，石星，刘茁.基于行波耦合馈线的相控阵幅相校正算法比较[C]//第十届全国雷达学术年会论文集.北京:国防工业出版社，2008:786-788.

[5]杨顺平，张云，温剑.接收机噪声对行波馈电法校准误差影响分析[C]//2009年全国天线年会.北京:电子工业出版社，2009:778-780.

Calibration Method of Phased Array Based on Mean of Vector

YANGShunping
(Southwest China Institute of Electronic Technology，Chengdu 610036，China)

A new phased array calibration method-mean of vector is proposed in this paper.The method is verified on a 8-element linear experimental array.A higher accuracy has been obtained than fast Fourier transform(FFT)method under the loss of transmission path with large dynamic range.

fast Fourier transform ；calibration ；phased array

TN823

A

1004-5422(2013)01-0061-03

2012-12-15.

杨顺平(1976—)，男，硕士，从事天线校准与测量技术研究.