本發(fā)明涉及一種平面相控陣天線幅相的自動校準(zhǔn)裝置，應(yīng)用于相控陣?yán)走_領(lǐng)域。

背景技術(shù)：

隨著平面相控陣天線陣面設(shè)計規(guī)模的不斷擴大，對調(diào)試、使用過程中陣面單元通道的相位校準(zhǔn)、幅度檢測以及方向圖的測試的效率提出了新的挑戰(zhàn)。測量單元通道達數(shù)萬個的現(xiàn)代平面相控陣天線是一個復(fù)雜的技術(shù)課題，它涉及全面數(shù)學(xué)、微波技術(shù)、天線與電磁場理論、現(xiàn)代控制技術(shù)、智能儀器儀表技術(shù)等知識，且是實踐性極強的技術(shù)。

目前，相控陣天線幅相校準(zhǔn)、陣面檢測大多采用單通道獨立測試，測試時其他通道全部關(guān)閉。這樣的陣面校準(zhǔn)技術(shù)存在以下問題：

(1)傳統(tǒng)的校準(zhǔn)方法要求探頭對準(zhǔn)每個通道單元，這對移動時位置精確定要求非常高，目前大多數(shù)平面相控陣天線的測量都是人為操作，帶來的誤差極大，且在大型陣面的校準(zhǔn)時，數(shù)據(jù)量大，花費時間較長。

(2)傳統(tǒng)平面相控陣天線的測試由于測試花費時間較長，很難做到多次測量取平均值，帶來了較大的系統(tǒng)誤差和人為誤差。

(3)傳統(tǒng)的平面相控陣天線測量中，獲取通道單元的幅度相位信息后，都無法快速地進行通道監(jiān)測和幅相校準(zhǔn)修正及方向圖的預(yù)估。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

為了克服現(xiàn)有技術(shù)的不足，本發(fā)明提供一種平面相控陣快速測量及自動校準(zhǔn)裝置，能夠保證通道相位校準(zhǔn)精度小于移相器最小相位精度的1/2的前提下，在0.5s內(nèi)完成單通道的測試，對于單元數(shù)為1000的平面相控陣天線通道測試時間不到9min，能極大地提高測試效率。

本發(fā)明解決其技術(shù)問題所采用的技術(shù)方案包括以下步驟：

1)通過近場天線測試得到被測相控陣天線單元以及測試探頭的方向圖，得到被測相控陣天線單元及測試探頭的幅度、相位、波束寬度；

2)將探頭置于被測相控陣天線前，選擇的位置保證探頭的3db波束寬度覆蓋整個相控陣天線陣面；

3)測試前對被測相控陣天線的各個通道同時進行預(yù)熱，等待所有通道的狀態(tài)穩(wěn)定，逐一打開其中的1個通道并關(guān)閉其他所有通道，測試各個通道與探頭之間的傳輸系數(shù)，最終得到整個相控陣天線陣面的傳輸系數(shù)矩陣；

4)利用探頭與被測相控陣天線單元相對位置關(guān)系解算各個通道的初始相位，解算方法如下：

4.1)確定各相控陣單元之間相對位置的坐標(biāo)，并給出其方向圖

4.2)確定各相控陣單元到探頭的相對位置以及各通道順序激勵時探頭的接收信號cn；

4.3)通過換相法對測試的相位數(shù)據(jù)進行解算；

測量不同配相時的相控陣天線和探頭之間的傳輸系數(shù)，配相序列

u＝{rt:rt∈v,t＝0,1,2,...,t-1}

其中，t為測量次數(shù)；v為所有配相集；rt為第t次測量的配相；

則探頭第t次測量時接收的信號

其中，φ(n,t)∈σ,n＝0,1,2,...,l-1，表示第n個輻射單元的移相器第t次測量的狀態(tài)；在測量坐標(biāo)確定情況下cn≠0為已知系數(shù)；εt為第t次測量的測量誤差；表示相控陣天線的通道激勵；

則探頭在t時刻的接收信號的矩陣形式y(tǒng)＝aw+ε，

式中：

y＝[y0,y1,…,yt-1]^t；

即at,p是n塊組成的行向量，每塊有l(wèi)個元素，在塊內(nèi)僅有一個元素不為零且為cn；

w＝[w0,0,w0,1,...,wl-1,...,wn-1,0,wn-1,1,...,wn-1,l-1]^t為nl的列向量；

ε＝[ε0,ε1,...,εt-1]^t為測量誤差矩陣；

通過測量不同配相狀態(tài)下探頭接收信號來解算w，w即解算后得到了整個相控陣天線陣面各個單元的初始相位；

5)陣列平面初始相位起伏若大于陣列天線使用移相器最小相移量的一半，則對初始相位進行校準(zhǔn)。

所述的步驟1)通過多次近場天線測試得到被測相控陣天線單元以及測試探頭的幅度、相位、波束寬度，取平均值來得到穩(wěn)定的數(shù)據(jù)。

所述的步驟4)將探頭分別置于被測相控陣天線前三個或三個以上不同位置，對得到的測試數(shù)據(jù)進行解算，將解算后相位數(shù)據(jù)做平均處理以此來提高初始相位測試精度。

本發(fā)明的有益效果是：解決了平面相控陣天線傳統(tǒng)的測量及校準(zhǔn)方法帶來的數(shù)據(jù)量大、測試時間長的問題；通過多次自動快速測量減少傳統(tǒng)測量中帶來的系統(tǒng)誤差及人為誤差，保證測試精度。本發(fā)明不僅能應(yīng)用于平面相控陣天線的快速幅相校準(zhǔn)，還能對天線的通道單元進行幅度的自動檢測及平面相控陣天線遠場方向圖的預(yù)估，提升相控陣?yán)走_測試的效率。

具體實施方式

下面結(jié)合實施例對本發(fā)明進一步說明，本發(fā)明包括但不僅限于下述實施例。

本發(fā)明采用的設(shè)計方案是：平面相控陣天線快速測量、相位自動校準(zhǔn)及陣面檢測系統(tǒng)可通過測量相控陣天線和探頭之間傳輸系數(shù)的幅度和相位的方法來確定單元通道的幅度、相位。該方法中相控陣天線和探頭均不動，探頭處于陣面前一定位置(該位置因被測天線口徑大小、天線單元不同而不同)。

具體的步驟如下：

1、通過近場天線測試精確測量被測相控陣天線單元以及測試探頭的方向圖，得到被測相控陣天線單元及測試探頭的幅度、相位、波束寬度的詳細數(shù)據(jù)。由于相控陣天線的每一個天線單元都是相同的，我們假設(shè)被測相控陣天線每一個單元的幅度、相位及波束寬度一致，這里可通過多次測量取平均值來得到穩(wěn)定的數(shù)據(jù)。

2、將探頭置于平面相控陣天線前一定位置，根據(jù)之前測試的探頭波束寬度，選擇的位置應(yīng)保證探頭的3db波束寬度可覆蓋整個相控陣天線陣面，以保證測量的準(zhǔn)確性。探頭與相控陣天線的各個單元之間的位置及距離可根據(jù)實際測量及計算得出。

3、若平面相控陣天線有n個通道，測試前需對所有射頻通道同時進行預(yù)熱，等待所有通道的狀態(tài)穩(wěn)定。然后將第1個通道打開，其他所有通道關(guān)閉測試其與探頭之間的傳輸系數(shù)。這里通過計算機控制矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀同步采集數(shù)據(jù)及存儲；然后將第2個通道打開，其他所有通道關(guān)閉測試其傳輸系數(shù)；依次類推，順序測試出所有通道的傳輸系數(shù)；將測試數(shù)據(jù)按該系統(tǒng)數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)格式存儲于計算機。

4、通過測試得到了整個陣面的傳輸系數(shù)矩陣，并利用探頭與陣列天線單元相對位置關(guān)系來解算各個通道的初始相位。

具體的解算方法如下：

對于相控陣天線每個單元的相位s參數(shù)測試來說，其總參數(shù)為天線內(nèi)部的s參數(shù)、待測通道的s參數(shù)、空間s參數(shù)以及探頭s參數(shù)的綜合。即：

s總＝s內(nèi)+s待測通道+s空間+s探頭

(1)確定各相控陣單元之間相對位置的坐標(biāo)，并通過步驟1中的測試給出其方向圖

(2)給出步驟1中測試出的探頭的方向圖函數(shù)和位置，確定各相控陣單元到探頭的相對位置并進一步測試得到各通道順序激勵時探頭的接收信號cn；

(3)通過換相法對測試的相位數(shù)據(jù)進行解算，換相法主要內(nèi)容是試驗信息量的分析和測量相位結(jié)果的變換方法。

換相法作為對測量對象操作、獲取和變換試驗信息的各種方法的綜合，主要試驗在于測量不同配相時的相控陣天線和探頭之間的傳輸系數(shù)。配相序列：

u＝{rt:rt∈v,t＝0,1,2,...,t-1}(1)

其中：t—測量次數(shù)；v—所有配相集(控制)；rt—為第t次測量的配相。則相控陣天線和探頭之間傳輸系數(shù)的測量值與各通道傳輸系數(shù)之間的聯(lián)系由下列線性測量方程表示：

式中：y(t)為探頭第t次測量時接收的信號；

φ(n,t)∈σ,n＝0,1,2,...,l-1，表示第n個輻射單元的移相器第t次測量的狀態(tài)；

cn≠0為已知系數(shù)(在測量坐標(biāo)確定情況下)；

εt為第t次測量的測量誤差；

表示相控陣天線的通道激勵，與相移器在t時的狀態(tài)φ(n,t)有關(guān)。

這樣探頭在t時刻的接收信號可表示為：

寫成矩陣形式：

y＝aw+ε(3)

式中：

y＝[y0,y1,…,yt-1]^t；

p＝ln+k,n＝0,1,2,...,n-1；k＝0,1,2,...,l-1

即at,p由n塊組成的行向量，每塊有l(wèi)個元素，在塊內(nèi)僅有一個元素不為零且為cn；w＝[w0,0,w0,1,…,wl-1,...,wn-1,0,wn-1,1,...,wn-1,l-1]^tnl為nl的列向量；ε＝[ε0,ε1,…,εt-1]^t為測量誤差矩陣。

矩陣的秩在求解方程式時是很重要的。如果矩陣秩等于它的列數(shù)，則在已知有關(guān)觀察噪聲的假設(shè)條件下，最小二乘法估值是線性無偏估值中的最佳無偏估值，即解范數(shù)方程組a^*aw＝a^*y。在一般情況下，由于矢量空間{an}與不重合，因此方程(3)的解具有多值性。也就是說矩陣a的秩總是不充分的(線性無關(guān)列小于矩陣列數(shù))。當(dāng)矩陣秩不充分時，范數(shù)方程的解是一個集：

p＝{w:w＝(sa)⁺sy+(i-a⁺a)b,b∈c^nl}(4)

式中a⁺是矩陣a的莫爾-片羅茨廣義逆矩陣，或者為偽逆矩陣，s為權(quán)矩陣。在本情況下，在(4)式中利用了恒等式(sa)⁺(sa)＝a⁺a，而且當(dāng)s^-1存在時，該等式永遠成立。

我們將采用(4)式的解，雖然它不是單值的，但是這個解集是最好的(符合最小二乘法)。

我們通過測量不同配相狀態(tài)下探頭接收信號來解算w，w就是解算后得到了整個相控陣天線陣面各個單元的初始相位。

將探頭分別置于被測相控陣天線前三個(或三個以上)不同位置，對得到的測試數(shù)據(jù)進行解算，將解算后相位數(shù)據(jù)做平均處理以此來提高初始相位測試精度。

通過以上步驟就得到了整個平面相控陣天線陣面的初始相位。

5、得到整個天線陣面的初始相位之后，陣列平面初始相位起伏若大于陣列天線使用移相器最小相移量的一半就需對初始相位進行校準(zhǔn)，該系統(tǒng)能給出校準(zhǔn)值列表。通過多次的通道參數(shù)測量及修正，就能將陣面單元初始相位做好補償，從而實現(xiàn)整個陣面的自動校準(zhǔn)功能。

以一個8×8的平面相控陣天線為例，來說明整個自動測量系統(tǒng)的具體實施方式。

1、假設(shè)平面相控陣的天線單元以及測試探頭均為喇叭天線，通過近場測試其中一個天線單元及探頭的幅度、相位、波束寬度的詳細數(shù)據(jù)。由于天線單元相位信息隨其在天線陣列中位置不同會稍有不同，但相差較小，這里做相同處理。

2、將探頭與平面相控陣天線的左上角第一個天線單元對準(zhǔn)，并相距一定的位置d11，選擇的位置應(yīng)保證探頭的3db波束寬度可覆蓋整個相控陣天線陣面。根據(jù)相控陣天線單元的間距hnn，通過式dnn²＝d11²+(n×hnn)²，便可計算出平面相控陣每個單元與探頭的探頭的距離dnn。探頭的位置不同，陣面單元與探頭的dnn不同，但都可以根據(jù)計算得出。

3、進一步測試得到各通道順序激勵時探頭的接收信號，并根據(jù)方案中的步驟3進行解算，得到整個平面相控陣的初始相位。根據(jù)需要，可將探頭放置于不同位置，多次測量解算取平均值來提高精度。

4、在得到整個天線陣面的初始相位之后，便可根據(jù)初始相位來對整個陣面進行校準(zhǔn)，形成等相位面。

假設(shè)8×8的相控陣天線陣面，每個天線單元后面都有一個4位移相器。移相器的移相范圍為0°、22.5°、45°、90°。

以左上角單元n11為例，假設(shè)陣面中其他單元相位都在0°左右，而n11的初始相位為-38°，那么移相器的需移動45°，使其相位為7°，如小于移相器最小相移量的一半，便認(rèn)為移相正確。反應(yīng)在其2進制編碼中則為0010。實際校準(zhǔn)中，等相位面需根據(jù)整個平面陣列的初始相位取一個合適的基準(zhǔn)，使得在校準(zhǔn)之后盡可能多的單元之間的相位差均小于移相器最小相移量的一半。

以上過程均在計算機中完成，能給出校準(zhǔn)值列表。通過多次的通道參數(shù)測量及修正，就能將陣面單元初始相位做好補償，從而實現(xiàn)整個陣面的自動校準(zhǔn)功能。

5、該技術(shù)可進一步擴展，進行平面相控陣的通道自動檢測及遠場方向圖預(yù)估等功能

在通過計算得可到了整個平面相控陣的等相位面之后，結(jié)合之前測試得到的陣面幅度信息，便可根據(jù)幅相信息對天線陣面進行通道檢測，并進行遠場方向圖預(yù)估。

依次通斷所有單元，在計算機中預(yù)先設(shè)置理想的通道幅相范圍值，當(dāng)檢測到某一通道時幅度或相位超出該范圍，系統(tǒng)將自動報警。

得到等相位面后，在已知探頭和天線單元幅度、相位方向圖的前提下對平面相控陣天線口徑場的幅相分布進行反推，用傅立葉變換將得到的口徑場幅相分布矩陣外推即可預(yù)估得到該陣列天線在移相器各個狀態(tài)下的方向圖。