相控阵天线初相计算方法

夏礼诺, 李毓琦, 封淑青, 马 超

(上海无线电设备研究所,上海201109)

0 引言

相控阵天线由多个天线单元组成,每个单元的波束合成后形成天线波束辐射出去[1]。在工作时,通过调整每个单元的相位控制合成波束的指向。而相控阵天线阵面的制造和安装位置误差,收发通道的幅相误差等均会对天线的合成波束造成影响,为了获得良好的波束形式和指向精度,阵面的初始相位校准显得尤为重要。

目前,主流的天线的幅相校准方法为近场校准、远场校准[2-4]。其中近场校准通过一根探针依次移动到每个阵元正前方获取该阵元的幅相值来进行校准,这种方法受环境影响小,精度高;远场校准通过采集远端的天线辐射信号与参考通道信号对比来进行幅相校准,相对容易实现。然而随着天线阵元数量及工作带宽的不断提高,天线幅相校准所需要的工作量不断变大,常规的测试方法很难满足高效工作的需求。本文基于远场幅相校准方法提出一种线性计算方法,可以通过测试少量频点的相位码,快速计算出其他频点的配相值,降低了幅相测试工作量,极大提高了配相速度。

1 远场幅相校准方法

远场条件下的配相方法如图1所示。以接收校准为例,首先通过定标将待校准天线与标准喇叭置于同一水平竖直面,保证标准喇叭与待测天线的距离大于远场条件的要求[3,4]。然后控制天线依次开启阵元接收喇叭信号,用矢网分析信号的相对相位,以一个阵元接收到的信号为参考,将其他阵元的相位调整到与参考阵元的相位差最小,最后遍历所有待测频点,形成各频点下的阵面初始相位表。

以XX阵元的天线为例,在上述测试环境下完成一个频点的配相需要(600～700)s。当工作带宽为500 M时,按50 M间隔取特征频点,共需要校准11个频点。虽然矢网可以配置为线性频率的形式,一次采集11个频点的幅相信息,但也需要(40～50)min来完成所有频点的配相。随着工作带宽的增加,配相时间也会越来越长。

图1 远场配相示意图

2 线性相位计算法

信号的相位与距离和频率有关[1]:

式中:φ为信号相位;d为信号传播路径长度;λ为信号波长;f为信号频率;c为光速。

由式(1)可见,当距离一定时,相位跟波长成反比,跟频率成正比,而且成简单的线性关系。那么理论上只要知道了某几个频点下的信号相位,拟合出一条相位曲线,就可以推导出其他频点的情况。然而考虑到相位存在周期性,要想计算出准确的相位,就要保证在工作带宽内不同频点下相位的变化在一个周期以内。

设φ1,φ2分别为天线某一通道接收到的频率为f1,f2的信号相位,且f2=f1+Δf可得

要使相位变化在一个周期内即要满足:

式中:c为光速;d为信号传播路径长度。

式(7)可见频率差与信号传播路径长度有关,而配相时考虑的是与参考阵元的相对相位,因此实际需要考虑的是阵面各阵元与参考阵元间的通道路径差。

当式(7)的条件满足时,可以认为在频带Δf内,天线单个阵元与参考阵元的相位差是线性变化的。在满足式(7)的条件下,假设在f0频率下测得相位为φ0,在f1频率下测得相位为φ1,那么在fx频率下信号的相位φx可通过下式得

3 实验验证

以某有源相控阵天线为例,该天线的组成如图2所示。

图2 相控阵天线示意图

雷达信号经天线接收后经过TR组件,功分和差器后到达接收机。一般TR组件各通道的路径相差不大,器件延时差按600 ps计,折合路径差0.18 m,功分各端口到和差器的和口路径差最大为0.04 m。因此总路径差为0.22 m,应用式(7)计算得到最大可计算工作带宽为1.36 GHz。实际天线工作带宽500 MHz,满足本方法的应用条件。

首先用常规方法配相。选择阵面上某一阵元作为参考阵元,按50 MHz频率间隔配相,得到11个频点的配相码。再使用本文的方法。由于相位差是线性的,因此配相码也是线性的。我们取首尾两个频点的配相码A1,A2替代式(8)中的φ0和φ1,计算得到其余9个频点下的配相码Ax。将计算得到的配相码与常规方法测得的配相码对比作差,得到结果如图3所示。

图3 9个频点配相码的差

图3中,横坐标为阵元编号,纵坐标为配相码的差值,9个频点的差值绘制在同一张图中。由图3可知,本方法计算得到的配相码与测得的配相码最大相差3个码,具体差别统计如表1。

表1 9个频点配相码之差统计

由表1可见,大部分通道相差在1个码以内,该组件的移相器为6位,每个移相码对应的相位为5.625°,相当于在天线上附加了一个±5.625°的随机相位,这对于相控阵天线波束的影响有限,具体将根据方向图指标来验证。

下面把计算得到的配相码代入天线中,与使用原配相码的方向图参数对比来进一步说明使用计算得到的配相码导致附加随机相位的影响。我们对比测试了fx频点在原配相码与计算得到的配相码下的方向图,截取方向图方位向和路与差路在0°,±30°的数据,对比结果如下。

图4和图5中两次测量方向图整体指向位置有偏差,这是测试系统零位偏移导致的,不是天线波束指向造成的误差。对方位方向图和路差路指标统计对比后见表2所示,其中副瓣抑制、零深统计的是±45°内的最大值,3 d B波束宽度统计的是0°位置的值。

图4 0°,±30°和路方向图对比

图5 0°,±30°差路方向图对比

表2中可以看出,使用了新配相码后副瓣抬高1.18 dB,主瓣波束宽度增大0.06°,零深抬高1.15 d B,±45°内的指向误差均方根提高了0.021°,±60°内的指向误差均方根提高了0.018°。其中指向误差均方根可通过频率补偿进行优化,其余指标下降幅度均在可接受范围内。

表2 方向图指标对比

4 总结

本文提出了一种基于线性相位的相控阵天线初相计算方法,讨论了方法的适用范围,给出了推导公式,并用某型相控阵天线做试验验证了方法有效。