本發(fā)明涉及一種陣列天線的校準和測量技術，具體地說是一種陣列天線的校準裝置及校準方法，屬于電子無線通信技術領域。

背景技術：

相比于傳統(tǒng)的單天線，陣列天線，特別是相控陣天線具有許多優(yōu)點，所以得到了大量的研究和應用。但是也會產(chǎn)生相應的問題。相控陣作為一個龐大的電子系統(tǒng)，包含成千上萬個天線單元和相應的通道，如何保證各個單元被正確的激勵對于相控陣天線來說至關重要。所以定期的對陣列進行校準就顯得特別重要。

要實現(xiàn)對包含數(shù)萬個單元的現(xiàn)代相控陣的輻射特性是一個非常復雜的課題。對于現(xiàn)在超大口徑的陣列天線來說，目前的暗室規(guī)模已經(jīng)不能滿足遠場要求，平面近場掃描也有其巨大的局限性，如時間較長，存在階段誤差等。除此之外，這些方法只能適用于陣列裝配前的測試，一旦陣列天線裝配到相應的平臺后，要實現(xiàn)對天線的測試就必須從新將天線拆解下來，這顯然效率很低，特別是某些特殊的天線，如星載相控陣，更是無法完成的事。所以研究在線測試的方法，即在現(xiàn)有工作平臺下就能完成對整個陣列測試的方法就顯得意義重大。

目前對陣列的校準和測試主要都是在微波暗室中用遠場測試或近場掃描的方法來完成，但是這種方式測試效率很低，且對于一些大型的陣列天線來說，暗室的規(guī)模不能滿足天線的遠場測試條件，同時，測試前期的天線架設和搬移也很不方便。

技術實現(xiàn)要素：

本發(fā)明要解決的技術問題是提供一種能夠在減少測試成本和測試速度的同時，增加測試精度的陣列天線的校準裝置及校準方法。

為了解決上述技術問題，本發(fā)明的陣列天線的校準裝置，包括用于接收陣列信號的接收天線、用于測試接收信號強弱的功率計，功率計與接收天線連接，還包括需要校準的陣列天線，陣列天線具有多個陣列單元，各個陣列單元分別經(jīng)過各自的移相器連接功率分配器，所述功率分配器連接發(fā)射機。

一種采用上述陣列天線的校準裝置的校準方法，包括以下步驟：

a、根據(jù)疊加原理，計算陣列的總場：

式中表示陣列的總電場，代表當前正在測量的單元，δ表示該單元的移相器的移相量；將所有陣列單元的幅度和相位做以下的歸一化處理：

x＝φn-φ0(3)

對式子做進一步變換得：

式中

y²＝(cosx-k)²+sin²x(5)

從式(4)中可以看出，當移相器的移相量δ變化時，總電場的功率以余弦的形式的變化；

b、通過以下公式將單元的相對激勵幅度和激勵相位測量出來

其中

δ0＝-δmax(13)

qmax和qmin分別表示陣列總功率曲線的最大值和最小值，δmax表示總電場功率最大對應的移相器移相量。

本發(fā)明的優(yōu)點在于：不用對測試的陣列進行校準，通用性強，既可以用于遠場校準，也可以通過內(nèi)置的耦合電路實現(xiàn)陣列內(nèi)部的自我校準，進一步提高校準的效率，由此在減少測試成本和測試速度的同時，增加了測試的精度。

附圖說明

圖1為校準的示意圖；

圖2為理想切比雪夫陣列的方向圖；

圖3表示引入激勵的幅相誤差后的方向圖；

圖4為旋轉(zhuǎn)電矢量法的原理圖；

圖5表示校準過程中陣列總電場隨單元相位變化的曲線；

圖6為解的二義性判定原理；

圖7為旋轉(zhuǎn)電矢量法仿真所得到的總電場變化曲線；

圖8整個校準過程的流程圖。

具體實施方式

下面結(jié)合附圖和具體實施方式，對本發(fā)明的陣列天線的校準裝置及校準方法作進一步詳細說明。

其中，圖1表示整個天線校準的相關硬件配置，具體包括：一個用于接收陣列信號的接收天線、用于測試接收信號強弱的功率計、需要校準的陣列天線；圖2和圖3分別表示理想的切比雪夫陣列和存在激勵誤差的切比雪夫陣列的方向圖。通過兩圖的對比，可以發(fā)現(xiàn)當陣列單元的激勵存在誤差時，陣列方向圖會受到較大的影響；圖4表示了校準的基本原理；如圖所示，本發(fā)明的陣列天線的校準裝置，包括用于接收陣列信號的接收天線、用于測試接收信號強弱的功率計，所述功率計與接收天線連接，還包括需要校準的陣列天線，所述陣列天線具有多個陣列單元，各個所述陣列單元分別經(jīng)過各自的移相器連接功率分配器，所述功率分配器連接發(fā)射機。

如圖4所示，一個陣列在某一個方向的電場等于所有陣列單元的電場在這個方向上的疊加。當通過移相器改變一個單元的相位時，陣列的總電場也會隨著單元電場的變化而產(chǎn)生變化。通過測量陣列總電場隨著移相器移相量變化的曲線，就可以推斷出當前單元的初始激勵幅度和相位，最后依次計算出每個陣列單元的激勵和相位，達到校準的目的。

本發(fā)明的采用上述陣列天線的校準裝置的校準方法，根據(jù)疊加原理，陣列的總場可以表達為：

式中表示陣列的總電場，代表當前正在測量的單元，δ表示該單元的移相器的移相量。為了方便表示，這里將所有陣列單元的幅度和相位做以下的歸一化處理：

x＝φn-φ0(3)

對式子做進一步變換得：

式中

y²＝(cosx-k)²+sin²x(5)

從式(4)中可以看出，當移相器的移相量δ變化時，總電場的功率以余弦的形式的變化。也就是說，當我們將陣列中某一個單元的相位從0～2pi依次改變，并且改變一次相位就測量一次陣列的總功率，最后測試的陣列總場功率的變化曲線應該是一條余弦曲線，然后通過以下公式就可以將單元的相對激勵幅度和激勵相位測量出來。

其中

δ0＝-δmax(13)

qmax和qmin分別表示陣列總功率曲線的最大值和最小值，δmax表示總電場功率最大對應的移相器移相量。

圖5表示測過程中的電場功率變化曲線，圖7的仿真結(jié)果也進一步的證實了這一點。

圖6表示對校準過程中存在的雙解問題的判定方法，具體方法如下：

對于同一組測量數(shù)據(jù)，會出現(xiàn)兩個解，這就會產(chǎn)生多解的現(xiàn)象。如圖6所示，當k<y，這時的解對應于式(7)和(8)的k1和x1，當k>y，這時的解對應于式(9)和(10)的k2和x2。解決解的二義性的具體方法如下：

a、如果在整個的相位變化周期內(nèi)，總電場的相位變化小于180°，則對應的解為k1和x1，否則對應的解為k2和x2。

b、設置兩種不同的初始相位分布，然后分別使用旋轉(zhuǎn)電矢量法求解。由于兩種狀態(tài)；下的各單元的激勵的關系是已知的。則使用旋轉(zhuǎn)電矢量法在兩種狀態(tài)下求解的激勵也應該滿足已知的關系。則可以從兩次求解出來的四組解中尋找能相互對應的解?？梢杂萌缦率阶诱f明

i＝[i1,i2,i3……in](14)

其中i表示陣列最初的激勵，i′表示在初始激勵的基礎上，通過移相器對每個單元施加一個已知的相移量，即式(15)中的很明顯可以得到

設在激勵為i的情況下求解出來的兩種解為k1，x1和k2，x2。在激勵為i′的情況下求解出的兩種解分別為k1′，x1′和k2′，x2′。如表(1)所示

表(1)

這四種情況能滿足式(15)關系的就為正確的解。

a、可以通過調(diào)整單元的初始激勵，使得k<y總是成立的，這樣對應的就始終只有一個解。其實在一般的大陣列中，k<y這個條件就是天然成立的，所以常常不要判定解就能得到最終的解。

綜上所述，第一種方法由于需要知道總電場的相位，這就失去了旋轉(zhuǎn)電矢量法最大的優(yōu)點，即只需要幅度測量。所以具有很大的局限性。第二種由于需要增加測量的次數(shù)和測量步驟，會導致測試時間的延長，一般使用也較少。相比之下，第三種方法在大多數(shù)情況下都是適用，且不會增加測試成本，所以使用較多。當然在某些特殊情況下，第三種方法煩人前提條件可能不滿足，這時就需要靈活的綜合第一種和第二種方法進行測試。

圖8表示總的測試流程圖；

可以看出，相比于校準前的方向圖，得到明顯改善。