一种仅利用幅度测量的相控阵快速幅相校准方法与流程

本发明涉及的领域为天线测量领域，在卫星通信以及导航等相控阵天线校准测试中具有良好的适用性。
背景技术：
：在相控阵天线设计与装配中，单元通道幅相一致性较难保证，特别是相位一致性，其要求每个通道的信号传输链路必须为等电长度，这对设计加工、电装以及装配要求过于苛刻，极难实现。因此在天线交付前有必要对通道初始幅度和相位进行标校。相控阵天线通道幅相校准即通过测量手段求解阵面单元通道幅相分布。目前已有的测量手段有两种，一种是直接幅度和相位测量，即利用近场扫描架对阵面每个通道的幅度和相位进行单独测量，该种方式需要的设备过于复杂，并且对于大型相控阵天线，扫描架规模过于庞大；另一种是幅度测量方法，即在不同阵面配相状态下进行阵面远场幅度测量，利用幅度测量值解算各个通道幅相值，目前该种方式为了满足求解条件，所需的幅度测量次数较多，校准时效性不佳，假如通道移相器位数为5位，那么对于n元阵列，所需的幅度测量次数就需要25·n次。另外该方法在求解过程中需要消除二义性，给实用带来不便。技术实现要素：本发明基于天线阵列远场幅度测量提供了一种相控阵天线快速幅相校准方法，该方法将阵面进行分组，在不同通道相态和开关态下对阵面合成场幅度进行测量，然后解算出阵面的幅相分布。该种方法所需的远场幅度测量次数仅为(3n+1)次，显著提高校准时效性，并且所需校准设备量少，校准过程简单。为解决以上技术问题，本发明所采用的方法为：一种仅利用幅度测量的相控阵快速幅相校准方法，将待测相控阵天线1射频口与频谱仪6连接，将标准喇叭天线3放置于待测相控阵天线1远场区中，保证待测相控阵天线1与标准喇叭天线3建立通信，标准喇叭天线3与信号源7连接。s1.分组。待测相控阵天线1包含n个天线单元，将待测相控阵天线1分为n种组合，任意一种分组k包含m个相位调整单元和n个相位保持单元，其中m+n＝n。对于第k种组合，整阵合成辐射场幅度值表示为pk＝ak12+ak22+2ak1ak2cos(φk1-φk2-δ)其中ak1为第k组相位调整单元合成辐射场幅度，φk1为第k组相位调整单元合成辐射场的初始相位，ak2为第k组相位保持单元合成辐射场幅度，φk2为第k组相位保持单元合成辐射场的初始相位，δ为相位调整单元的通道移相量；s2.求解上述ak1、ak2以及φk1-φk2。①记录初始态功率值。打开待测相控阵天线1所有通道，将所有通道的移相器都置于0态，记录频谱仪6上的电平值，记为p0，此时待测相控阵天线1的天线阵面的合成辐射场功率为p0＝ak12+ak22+2ak1ak2cos(φk1-φk2)②记录相位调整单元的通道移相量为90°时功率值。将通道移相量δ设置为90°，此时合成辐射场功率为pk1＝ak12+ak22+2ak1ak2sin(φk1-φk2)③记录相位保持单元通道电源关断时功率值。关断相位保持通道的电源开关，即ak2≈0，此时合成辐射场功率为pk2≈ak12④记录相位调整单元通道电源关断时功率值接着关断相位调整通道的电源开关，即ak1≈0，此时合成辐射场功率为pk3≈ak22⑤求解ak1、ak2以及φk1-φk2。将上述步骤①、②、③以及④中所记录数值及公式进行联立得到上式可进一步解得第k组中相位调整单元相对于全阵合成辐射场的相对幅度和相位s3.求解剩余n-1种分组中相位调整单元合成辐射场相对于整阵总辐射场的幅相值。重复步骤s2，求得剩余n-1个分组中相位调整单元合成辐射场相对整阵总辐射场的幅相值；s4.求补偿校准幅相值。由求得的n个相位调整单元合成辐射场相对整阵总场的幅相值可建立如下矩阵形式其中，mn×n为选取n阶系数矩阵；列向量表示为单元辐射场相对于整阵的幅相值；列向量表示为已求解得到的每组中相位调整单元合成辐射场相对于整阵的幅相值；最终单元辐射场相对于整阵总场的幅相值表示为将解得的下发给待测相控阵天线1，即可实现校准。进一步的，在步骤s1中还需要进行以下计算。同时改变相位调整单元通道移相量，移相量设为δ，相位调整单元的合成辐射场表示为其中，ak1为第k组中相位调整单元合成辐射场幅度，φk1为第k组中相位调整单元合成辐射场的初始相位。待测相控阵天线1的第k组中相位保持单元的合成辐射场表示为其中，ak2为第k组中相位保持单元合成辐射场幅度，φk2为第k组中相位保持单元合成辐射场的初始相位。相位调整单元与相位保持单元合成辐射场之和与其共轭相乘，即可得到整阵合成辐射场功率表示式pk＝(ek1+ek2)·(ek1+ek2)*＝ak12+ak22+2ak1ak2cos(φk1-φk2-δ)。该发明相比
背景技术：
具有以下优点：1、仅对辐射场的幅度进行测量，所需校准设备量小，校准过程简单；2、所需幅度测量次数为(3n+1)次，提高了相控阵天线校准时效性；3、在通道幅相求解中，不涉及方程二义性问题，简化计算过程。附图说明图1是本发明相控阵天线校准示意图。图2是32元相控阵天线校准分组示意图。具体实施方式实施例1接下来以32元相控阵接收天线为例，详细描述本发明的校准过程。参照图1所示搭建相控阵天线校准场景。将待测相控阵天线1放置于测试转台2上；将标准喇叭天线3放置于待测相控阵天线1远场区的支架4上，并保证两天线的中心位置等高；通过控制上位机5调整测试转台2，使得两天线的中心对准；将待测相控阵天线1射频口与频谱仪6连接，将喇叭天线3与信号源7连接，通过控制线缆连接待测天线1与控制上位机5。通过控制上位机5打开待测天线1所有通道，并将所有通道移相器置于0态；打开频谱仪6和信号源7，设置好校准频率。在所有通道移相器处于0态时，记录频谱仪6上的电平值，记为p0。s1.分组，参照图2所示的阵面分组方式，将阵面分为32种组合，每组包含15个相位调整单元和17个相位保持单元。对于第1组，将相位调整单元的通道移相量δ设置为90°，记录频谱仪6上的电平值，记为p11。①关断相位保持通道的电源开关(或者射频开关)，记录频谱仪6上的电平值，记为p12。②打开相位保持通道的电源开关(或者射频开关)，关断相位调整通道的电源开关(或者射频开关)，记录频谱仪6上的电平值，记为p13。步骤8、由测得的p0、p11、p12以及p13，右下角角标符号p11代表第一组第一个，将在下式中将分组标号用k代替，由上式可进一步解得第k组中相位调整单元相对于全阵合成场的相对幅度和相位。并根据由上述式可计算出此时k为1,即第1组中相位调整单元合成场的相对幅相值。s2.求解剩余分组中相位调整单元合成辐射场相对于整阵总辐射场的幅相值，重复步骤s1，可计算出其他31组中相位调整单元合成场的相对幅相值。s3.求补偿校准幅相值，由算得的相位调整单元合成场的相对幅相值，并根据式可解算出每个单元辐射场相对全阵的相对幅相值，其中系数矩阵m32×32可由图2所示分组方式得到，第一行为[11×1501×17]，以第一行为基准，第k行为第一行向右循环移位(k-1)次。由单元辐射场的相对幅相值可得到每个单元通道的校准补偿幅相值，从而完成阵面校准。假设通道移相器位数为6位，在上述步骤中，本发明所需的幅度测量次数为3×32+1＝97次，而已有旋转电矢量校准方法所需的幅度测量次数将近32×26＝2048次。因此本发明大大减少了校准所需的幅度测量次数，可实现阵面快速校准。表1本发明方法与旋转电矢量方法的对比幅度测量次数本发明方法97次已有的旋转电矢量方法2048次实施例2s1.分组，假设相控阵天线具有n个天线单元，对阵面进行n种不同分组。任意一种分组k包含m个相位调整单元和n个相位保持单元，其中m+n＝n。利用相控阵天线通道相位可调特点，同时改变相位调整单元通道移相量，移相量设为δ，相位调整单元的合成场可表示为其中ak1为第k组相位调整单元合成场幅度，φk1为第k组相位调整单元合成场的初始相位。类似，第k组相位保持单元的合成场可表示为这样第k组在加入相位调整量后，整阵合成场功率可表示为pk＝(ek1+ek2)·(ek1+ek2)*＝ak12+ak22+2ak1ak2cos(φk1-φk2-δ)(3)通过测量不同通道相态和开关态下整阵合成场幅度值，可解算出ak1、ak2以及φk1-φk2。s2.求解上述ak1、ak2以及φk1-φk2，首先将通道移相量δ设置为0°，即整阵的初始态，所有分组的初始态均相同，合成场功率为：p0＝ak12+ak22+2ak1ak2cos(φk1-φk2)(4)其次将通道移相量δ设置为90°，此时合成场功率为pk1＝ak12+ak22+2ak1ak2sin(φk1-φk2)(5)然后关断相位保持通道的电源开关，即ak2≈0，此时合成场功率为pk2≈ak12(6)接着关断相位调整通道的电源开关，即ak1≈0，此时合成场功率为pk3≈ak22(7)将式(6)和式(7)代入式(4)和式(5)，可解得2ak1ak2cos(φk1-φk2)＝p0-pk2-pk3(8)2ak1ak2sin(φk1-φk2)＝pk1-pk2-pk3(9)联立式(6-9)可解得由上式可进一步解得第k组中相位调整单元相对于全阵合成场的相对幅度和相位。s3.按照上述方法依次求解剩余n-1种分组中相位调整单元合成辐射场相对于整阵总辐射场的幅相值，重复上述步骤这样可联立如下方程组：式中，mn×n为n阶系数矩阵，由1和0组成，每一行代表一种分组方式，其中1表示组中相位调整单元，0表示组中相位保持单元；向量中元素为单元辐射场相对于全阵的幅相值；向量中元素为已解得的每组中相位调整单元相对于全阵的幅相值。s4.求补偿校准幅相值，通过合理分组，使得矩阵mn×n可逆。该矩阵可采用哈达玛矩阵形式，也可采用循环移位构成的矩阵形式。例如对于8阶矩阵m8×8，如式(13)所示，第一行为[1,1,1,1,1,0,0,0]，以第一行为基准，第二行为第一行元素向右循环移位1次，第3行为第一行元素向右循环移位2次，依次可得到其他行元素；对于12阶矩阵m12×12，第一行为[1,1,1,1,1,1,1,0,0,0,0,0]，依照上述规则，依次循环移位可得到矩阵m12×12，如式(14)所示。由式(12)可解得阵面的幅相分布：由式(15)可得到单元通道的幅相校准值，从而实现相控阵天线标校。在校准过程中，每种分组需要在不同通道相态和开关态下测量合成场幅度3次，共需要3n次测量；另外还涉及1次阵面初始态幅度测量，因此本发明所需的幅度测量为(3n+1)次。s3，实施例3一种仅利用幅度测量的相控阵快速幅相校准方法，将待测相控阵天线1射频口与频谱仪6连接，将标准喇叭天线3放置于待测相控阵天线1远场区中，保证待测相控阵天线1与标准喇叭天线3建立通信，标准喇叭天线3与信号源7连接，s1.分组，待测相控阵天线1包含n个天线单元，将待测相控阵天线1分为n种组合，任意一种分组k包含m个相位调整单元和n个相位保持单元，其中m+n＝n。同时改变相位调整单元通道移相量，移相量设为δ，相位调整单元的合成辐射场表示为其中，ak1为第k组中相位调整单元合成辐射场幅度，φk1为第k组中相位调整单元合成辐射场的初始相位。待测相控阵天线1的第k组中相位保持单元的合成辐射场表示为其中，ak2为第k组中相位保持单元合成辐射场幅度，φk2为第k组中相位保持单元合成辐射场的初始相位。相位调整单元与相位保持单元合成辐射场之和与其共轭相乘，即可得到整阵合成辐射场功率表示式pk＝(ek1+ek2)·(ek1+ek2)*＝ak12+ak22+2ak1ak2cos(φk1-φk2-δ)。对于第k种组合，整阵合成辐射场幅度值表示为pk＝ak12+ak22+2ak1ak2cos(φk1-φk2-δ)其中ak1为第k组相位调整单元合成辐射场幅度，φk1为第k组相位调整单元合成辐射场的初始相位，ak2为第k组相位保持单元合成辐射场幅度，φk2为第k组相位保持单元合成辐射场的初始相位，δ为相位调整单元的通道移相量；s2.求解上述ak1、ak2以及φk1-φk2，⑥记录初始态功率值，打开待测相控阵天线1所有通道，将所有通道的移相器都置于0态，记录频谱仪6上的电平值，记为p0，此时待测相控阵天线1的天线阵面的合成辐射场功率为p0＝ak12+ak22+2ak1ak2cos(φk1-φk2)⑦记录相位调整单元的通道移相量为90°时功率值。将通道移相量δ设置为90°，此时合成辐射场功率为pk1＝ak12+ak22+2ak1ak2sin(φk1-φk2)⑧记录相位保持单元通道电源关断时功率值。关断相位保持通道的电源开关，即ak2≈0，此时合成辐射场功率为pk2≈ak12⑨记录相位调整单元通道电源关断时功率值接着关断相位调整通道的电源开关，即ak1≈0，此时合成辐射场功率为pk3≈ak22⑩求解ak1、ak2以及φk1-φk2。将上述步骤①、②、③以及④中所记录数值及公式进行联立得到上式可进一步解得第k组中相位调整单元相对于全阵合成辐射场的相对幅度和相位s3.求解剩余n-1种分组中相位调整单元合成辐射场相对于整阵总辐射场的幅相值，重复步骤s2，求得剩余n-1个分组中相位调整单元合成辐射场相对整阵总辐射场的幅相值；s4.求补偿校准幅相值，由求得的n个相位调整单元合成辐射场相对整阵总场的幅相值可建立如下矩阵形式其中，mn×n为选取n阶系数矩阵；列向量表示为单元辐射场相对于整阵的幅相值；列向量表示为已求解得到的每组中相位调整单元合成辐射场相对于整阵的幅相值；最终单元辐射场相对于整阵总场的幅相值表示为将解得的下发给待测相控阵天线1，即可实现校准。当前第1页12