一种相控阵雷达阵面自动校准方法研究

代 睿

一种相控阵雷达阵面自动校准方法研究

代 睿

（海军装备部，西安 710068）

相控阵雷达；阵面；校准；效率

0 引言

相比于传统雷达机械伺服控制系统，相控阵雷达具有波束指向灵活、目标容量大、精度高和抗干扰性好等特点，它将雷达的搜索跟踪反应时间提高了数万倍[1]，因此相控阵雷达是雷达的发展趋势。相控阵雷达在工作时相当于有很多小雷达组件同时工作，部分单元损坏不会影响正常使用。但随着雷达功能越来越强大，阵元组件的数量和成本也在增加，加上与阵面中还有相关的馈电网络、供电网络和波控网络，使得阵面校准变得越来越困难[2]。这种维护的难处更体现在当天线被装备使用后，在阵面紧凑的结构空间里，无法或不允许像在微波暗室或实验室一样使用仪表或近场测试设备对阵面的状态进行测量[3]。为此必须为阵面，特别是有源阵面科学合理地装配一套自动测量设备即相控阵雷达阵面监测校准系统。

1 相控阵雷达校准现状

副瓣电平、增益和波束指向是相控阵天线的重要性能指标。阵元的幅、相精度是影响天线上述辐射特性的重要因素。天线阵面装配完成后必须对阵元的幅相进行测试。通过测得的数据，分析并诊断出问题阵元，从而修复故障阵元，更换失效阵元，同时计算出各阵元之间的幅相误差，通过波控系统对被测阵元的可调器件如移相器和衰减器进行调节补偿，使阵面的幅相分布得到改善[4]。这一般在出厂前在暗室进行测量，在雷达交付使用后，某些大型阵面根本无法放进暗室进行测量、校准；另外随着雷达服役时间的延长，器件产生老化、热变形和有源器件T/R组件的性能变化导致天线性能退化，因此非常需要一种更为精确的可溯源的现场标定校准装置来对相控阵雷达天线进行现场校准。

根据测量信号注入或获取点的不同，相控阵雷达阵面校准的基本方法分为内校准和外校准。内、外校准又都有发射和接收两种不同的工作流程。内校准方法的工作流程和基本组成如图1所示。

图1 内校准方法的基本组成方法

发射内校准时，控制计算机将所有控制开关均置于“T”状态，激励信号通过D/A变换、上变频进入收发网络通过T/R组件中的“T通道”馈送至各阵元，并通过组件与天线间的定向耦合器耦合发射信号的极小部分（如-30 dB）供校准用，耦合出的校准信号通过校准网络进入下变频通道、A/D采样后进入控制计算机。在控制计算机的控制下，逐一选通被测阵元通道，对阵面所有通道进行发射内校准。接收内校准时，控制计算机控制激励信号通过上变频、校准切换开关、校准网络和各阵元的定向耦合器，由控制计算机逐一选通各阵元，注入到接收阵元的“R通道”，并通过收发网络进入下变频通道、A/D采样后进入控制计算机完成对阵面的接收内校准。

外校准方法的工作流程和基本组成如图2所示。发射外校准时，控制计算机控制激励信号通过D/A变换、上变频进入收发网络通过T/R组件中的“T通道”馈送至各阵元，此时发射路径的被测信号已形成，并通过空间发送出去，由校准天线接收，并通过校准通道采样后进入控制计算机进行处理。接收外校准时，控制计算机控制激励信号通过D/A变换、上变频进入校准通道通过校准T/R组件中的“T通道”馈送至校准天线，并通过空间发送出去，由阵面各阵元接收，并通过接收通道采样后进入控制计算机进行处理。

图2 外校准方法的基本组成

待校准阵面共有数千个辐射阵元，若采用内校准的校准方法，则需在系统中增加数千个定向耦合器及与之相对应庞大复杂的监测校准网络及矩阵开关等，雷达阵面的安装平台对整个阵面结构尺寸及重量都有严格限制，同时有源电路及元器件的增加都会影响系统的可靠性，且考虑到外校准相较内校准链路更加完整准确，故选择外校准方法作为校准系统的基础。

2 监测校准系统的组成

监测校准系统由四个位于阵面四角的监测校准天线、一个可分路开关的一分四功分器和一路监测校准通道组成，监测校准通道包括单通道收发T/R组件模块，上下变频模块和数字处理模块。其架构框图如图3所示。

图3 监测校准系统架构框图

本监测校准系统功能的实现是在实验室测试的基础上完成的。实验室测试采用近场测试的方法，以保证天线在出厂时各通道福相值都处于预置的分布状态下，并得到校准天线单元与各通道的耦合系数。在线监测校准即自校准，在没有外置设备的条件下，依据耦合系数，检测各通道电性能的变化量，并通过调整通道幅相控制码，使天线阵面恢复到出厂状态。

3 实验测试

实验室测试的目的为消除由于加工、装配、各通道不一致性导致的幅相误差。本实验采用近场校准方案，实验室测试分为阵面初相的测试与阵面耦合系数的测试两部分，均在近场暗室内进行。阵面初相测试时，如图4所示，近场探头依次对准4个象限的数千个天线单元并收发信号，依次记录得到S参数值，并以第一个单元信号的幅相值为参考信号，其他单元的信号幅度相位值同第一个单元的信号进行比较得到误差补偿值，进而将整个阵面矫正为等幅同相分布。在通道测试时，通道精确对准是通过控制扫描架来完成的，精度和效率都得到了保证。

图4 天线阵面初相测试示意图

本文的校准系统设计中，链路分析关键在于阵面每个象限角上放置的校准天线单元至该象限各个单元耦合量的变化范围能够满足接收机的动态范围。由于四个象限的校准是依次进行，避免了四个校准单元之间的相位相干导致耦合量极小点的出现。需建立阵面模型并加工测试天线实物，实物如图5所示。仿真并实测分析单个象限内校准单元至其他天线单元之间的耦合量变化范围，最终得到接收机需要提供的动态范围。

图5 校准系统实测照片

在微波暗室中对1：1加工的阵面子阵天线与校准喇叭之间的耦合量进行了实物测试，以第二象限为例，在第二象限中一些典型位置安装了子阵天线，对于第二象限的校准喇叭，其与第二象限中大部分辐射单元间的频带内耦合量稳定在-30~-70 dB之间，如图6所示，测试结果和设计保持较好的一致。

图6 第二象限辐射单元频带内耦合量

4 结论

针对相控阵雷达天线的现场校准需求，开展基于外校准的相控阵雷达天线现场校准方法的研究，通过动测量设备即相控阵雷达阵面监测校准系统，实现了天线阵面的校准，校准精度高、效率高，且测试结果和设计保持一致，满足阵面监测校准功能的需求。

[1] 李宏，薛冰. 相控阵天线的测试技术[J]. 中国测试技术，2003（9）：10-11.

[2] 张云. 相控阵天线近场幅相校准[J]. 中国电子科学研究院学报，2007（9）：611-612.

[3] 楼世平，薛正辉，杨什明. 天线时域平面近场测试实验系统的研究[J]. 微波学报，2006（6）：48-49.

[4] 黄春阳. 三维电场矢量微波光子检测器集成天线的设计与优化[D]. 成都：电子科技大学，2011.

Automatic Calibration Method for Phased Array Radar

DAI Rui

The array of a large active phased array antenna has hundreds of thousands or even tens of thousands of transceiver modules and radiation units. It makes the phased array antenna more complex than other types of antennas and thus difficult to maintain. The present situation of array calibration is introduced firstly in the paper, and then the calibration test is carried out by using the method of external calibration. This method realizes automatic calibration of the antenna array and improves the efficiency and precision of the array calibration. The test results show that the coupling amount within the frequency band between the radiation units is stable between -30 dB and -70 dB. The design index is consistent with the test results.

Phased Array Radar; Antenna Array; Calibration; Efficiency

TN958

A

1674-7976-(2021)-06-459-04

2021-10-08。

代睿（1984.12—），四川自贡人，硕士，工程师，研究方向为数字阵列雷达总体设计和系统测试。