一种有源相控阵天线的幅相校准方法、系统及设备与流程

1.本发明涉及阵列天线技术领域，具体涉及一种有源相控阵天线的幅相校准方法、系统及设备。


背景技术：

2.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，在工作时,通过调整每个单元的相位进而控制合成波束的指向。而相控阵天线收发通道的幅相误差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,阵面的幅相校准则显得尤为重要。
3.针对于具备单通道收发功能的大型有源相控阵天线而言，采用现有的校准方式则存在精度不高或校准时间过长的问题。


技术实现要素：

4.为克服上述问题或部分解决上述问题，本发明的目的在于提供一种有源相控阵天线的幅相校准方法、系统及设备,以提高校准的效率及精度。
5.本发明通过下述技术方案实现：第一方面，本发明实施例提供一种有源相控阵天线的幅相校准方法，其包括以下步骤：s101、对相控阵天线阵面进行区域划分，划分为中间区域和环绕上述中间区域的边缘区域；s102、针对上述中间区域的天线单元采用近场扫描法进行校准；s103、以校准后的中间区域内的天线单元为作为基准单元，对上述边缘区域内的天线单元采用互耦旋转电矢量法进行校准，并采用由内而外的递推路径。
6.基于第一方面，在本发明一些实施例中，上述近场扫描法包括以下步骤：为上述中间区域内的天线单元配置扫描架；移动上述扫描架上的探头，采集上述中间区域内的天线单元的辐射数据；选定中间区域的参考单元，基于上述参考单元及上述辐射数据计算校准系数，对上述中间区域内的所有天线单元进行校准。
7.基于第一方面，在本发明一些实施例中，上述中间区域包括m行n列天线单元，上述参考单元位于第a行、b列,其发射电信号表示为，检测到位于第m行、n列单元的发射信号，式中，a
mn
、φ
mn
分别为该单元的幅度和相位，δ
mn
、σ
mn
分别为幅度误差和相位误差，f
d
为校准信号频率；将第m行、n列单元的发射信号与参考单元的发射信号进行比较，可得校准系数。
8.基于第一方面，在本发明一些实施例中，上述基准单元为与上述边缘区域相邻的天线单元。
9.基于第一方面，在本发明一些实施例中，上述互耦旋转电矢量法包括：与上述基准单元相邻的第一天线单元和第二天线单元同时向上述基准单元发射信号；保持上述第一天线单元的激励系数不变，令第二天线单元的激励相位从变化，以求得上述第二天线单元相对于第一天线单元的相位。
10.基于第一方面，在本发明一些实施例中，上述第一天线单元为位于上述中间区域内的已知校准单元，上述第二天线单元为位于上述边缘区域内的未校准单元。
11.基于第一方面，在本发明一些实施例中，上述基准单元m接收到的信号，其中，c
m,n
表示基准单元m和第一天线单元n之间的空间互耦因数，c
m,n+1
表示基准单元m和第二天线单元n+1之间的空间互耦因数，w
m
表示基准单元m的激励振幅，w
n
表示第一天线单元n的激励振幅，w
n+1
第二天线单元n+1的激励振幅；其中c
m,n+1
= c
m,n
。
12.基于第一方面，在本发明一些实施例中，求得相对相位后，再通过互耦校准法求得上述第二天线单元相对于第一天线单元的通道幅度比值。
13.第二方面，本发明实施例提供一种有源相控阵天线的幅相校准方法系统，包括：区域划分模块：用于对相控阵天线阵面进行区域划分，划分为中间区域和环绕上述中间区域的边缘区域；第一校准模块：用于针对上述中间区域的天线单元采用近场扫描法进行校准；第二校准模块：以校准后的中间区域内的天线单元为作为基准单元，用于对上述边缘区域内的天线单元采用互耦旋转电矢量法进行校准，并采用由内而外的递推路径。
14.第三方面，本发明实施例提供一种电子设备，包括：至少一个处理器、至少一个存储器和数据总线；其中，上述处理器与上述存储器通过上述数据总线完成相互间的通信；上述存储器存储有可被上述处理器执行的程序指令，上述处理器调用上述程序指令以执行上述一个或多个程序或方法，例如执行：s101、对相控阵天线阵面进行区域划分，划分为中间区域和环绕上述中间区域的边缘区域；s102、针对上述中间区域的天线单元采用近场扫描法进行校准；s103、以校准后的中间区域内的天线单元为作为基准单元，对上述边缘区域内的天线单元采用互耦旋转电矢量法进行校准，并采用由内而外的递推路径。
15.本发明与现有技术相比，至少具有如下的优点和有益效果：本发明提供的校准方法中，根据阵面特征对阵面进行区域划分，将阵面划分为中间区域和边缘区域，中间区域采用进场扫描法进行校准，然后以校准后的中间区域内的天线单元为作为基准单元，对上述边缘区域内的天线单元采用互耦旋转电矢量法进行校准，如此可保证进行互耦旋转电矢量法校准时基准单元的幅相准确性，而边缘区域采用互耦旋转电矢量法进行校准可提高天线校准的效率，节省校准时间。
附图说明
16.为了更清楚地说明本发明示例性实施方式的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，应当理解，以下附图仅示出了本发明的某些实施例，因此不应被看作是对范围的限定，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他相关的附图。在附图中：图1为一种有源相控阵天线的幅相校准方法一实施例的流程示意图；
图2为一种有源相控阵天线的幅相校准方法一实施例中阵面区域划分示意图；图3为一种有源相控阵天线的幅相校准方法一实施例中互耦旋转电矢量法的原理示意图；图4为一种有源相控阵天线的幅相校准系统一实施例的结构框图；图5为一种电子设备的结构框图。
17.图标：1
‑
处理器；2
‑
存储器；3
‑
数据总线；10
‑
中间区域；20
‑
边缘区域；100
‑
区域划分模块；200
‑
第一校准模块；300
‑
第二校准模块。
具体实施方式
18.为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，下面结合实施例和附图，对本发明作进一步的详细说明，本发明的示意性实施方式及其说明仅用于解释本发明，并不作为对本发明的限定。
19.需要说明的是，在本发明的描述中，出现的术语“第一”、“第二”等仅用于区分描述，而不能理解为指示或暗示相对重要性。
20.实施例1请参照图1、图2和图3，本发明实施例提供一种有源相控阵天线的幅相校准方法，其包括以下步骤：s101、对相控阵天线阵面进行区域划分，划分为中间区域10和环绕上述中间区域10的边缘区域20；由于制造公差和天线互耦的影响，天线各通道间通常存在较大的幅相误差，因此需对其进行校准，使天线性能达到设计要求。常用的近场扫描法是基于电磁场理论，通过探头对围绕阵列闭合面上电场的采样，经过数值计算获得远场方向图和阵列幅相分布。该方法操作简单，测量精度高，可用于各种体制的阵列天线，但使用此方法容易忽略掉阵元间存在的互耦效应，且它对测量仪器的同步性要求高、扫描时间长，数据量大，测量效率低。
21.除上述近场扫描法，旋转矢量法同样拥有较高的校准精度，其通过测量和信号幅度随单个天线单元相位变化的正弦曲线，就可计算出每个单元通道的幅相值，而无需矢量测量仪器。但与近场扫描法相同，若阵列单元数较多，则需要较长的校准时间。另外，针对有源相控阵（即阵列各单元通道能够实现独立的收发功能）还可采用互耦校准法进行校准，它不需要外加的辅助源，仅仅利用阵列自身单元。其具有较高的校准效率，但其校准精度则取决于基准单元的选取和递推路径。互耦校准法是基于大型阵列的阵中相邻单元的互耦系数是相同的这一基本原理，然而，实际情况是某些单元通道不可避免的会存在一些误差，这些误差可能会导致最后校准的精度低于我们的期望值。
22.基于上述考量，由于阵面中间单元周围的电磁环境相似，电流分布基本相同，互耦对中间各单元的电流幅度影响较小，但对边缘各单元有较大影响，因此在本实施例中，则将有源相控阵的阵面划分为中间区域10和环绕上述中间区域10的边缘区域20，其中边缘区域20的个数可以为一个或多个（如图2所示），然后根据阵面不同区域采用不同的校准方式。
23.s102、针对上述中间区域10的天线单元采用近场扫描法进行校准；由于互耦对中间各单元的影响较小，且中间区域10内的天线单元数量较少，因此，在本实施中，则对中间区域10内的天线单元采用近场扫描法进行校准，其校准步骤包括：
步骤1：为上述中间区域10内的天线单元配置扫描架；扫描架的装设位置应与阵列平齐，保证扫描架上的探头能移动中间区域10内的每个单元正前方。
24.步骤2：移动上述扫描架上的探头，采集上述中间区域10内的天线单元的辐射数据；其中，辐射数据包括幅相值。将探头依次移动到中间区域10内的每个单元正前方，依次获取每个天线单元的幅相值来进行校准。同时可将校准后的幅相值进行存储为后续边缘区域20内的天线单元校准作准备。
25.步骤3：选定中间区域10的参考单元，基于上述参考单元及上述辐射数据计算校准系数，对上述中间区域10内的所有天线单元进行校准。
26.示例性的，若中间区域10包括m行n列天线单元，上述参考单元位于第a行、b列,其发射电信号表示为，检测到位于第m行、n列单元的发射信号，式中，、分别为该单元的幅度和相位，δ
mn
、σ
mn
分别为幅度误差和相位误差，f
d
为校准信号频率；将第m行、n列单元的发射信号与参考单元的发射信号进行比较，可得校准系数。依据求得的校准系数逐一对中间区域10内的每个天线单元进行校准。
27.s103、以校准后的中间区域10内的天线单元为作为基准单元，对上述边缘区域20内的天线单元采用互耦旋转电矢量法进行校准，并采用由内而外的递推路径。
28.示例性的，本实施例中，为提高校准精度，采用则将互耦校准法与旋转电矢量法结合起来的方式进行校准。其具体步骤包括：步骤1：与上述基准单元相邻的第一天线单元和第二天线单元同时向上述基准单元发射信号；示例性的，本实施例中基准单元上述基准单元为与上述边缘区域20相邻的天线单元。中间区域10内的天线单元为属于已校准单元，且校准精度较高，靠近中部区域边缘的天线单元更接近边缘区域20内的天线单元，相邻单元间的互耦系数更加相近，校准更加精确。
29.示例性的，如图3所示，其中基准单元m、第一天线单元n均位于中间区域10内，为已校准单元，且幅度相位已知，第二天线单元n+1则位于与边缘区域20中,为待校准单元。传统的互耦校准法是位于中间的单元作为发射单元，两侧的单元作为接收单元，且一次只有两个接收单元中的一个接收信号，另一个单元接地。在本实施例中，互耦旋转电矢量法是相邻两侧的单元作为发射单元，基准单元作为信号接收单元，且两侧的两个单元同时发射信号，具体关系为：式中，c
m,n
表示基准单元m和第一天线单元n之间的空间互耦因数，c
m,n+1
表示基准单元m和第二天线单元n+1之间的空间互耦因数，w
m
表示基准单元m的激励振幅，w
n
表示第一天线单元n的激励振幅，w
n+1
第二天线单元n+1的激励振幅。
30.步骤2：保持上述第一天线单元的激励系数不变，令第二天线单元的激励相位从变化，以求得上述第二天线单元相对于第一天线单元的相位。
31.当保持第一天线单元n激励系数不变，第二天线单元n+1的激励相位从变换时，则c
m
也会随着第二天线单元n+1的相位改变而改变。基于大型阵列的阵中相邻单元的互耦系数是相同的这一基本原理，则c
m,n+1
=c
m,n
，进而：，进而：，进而：其中，，式中，、、、分别代表w
m
、c
m,n
、w
n
、w
n+1
的相位，表示第n+1个单元相对于第n个单元的相位，进一步由式（4）可推得：可推得：可推得：可推得：可推得：可见，随着第二天线单元n+1的移相量改变而改变，并且它们之间呈余弦的规律变化。式(6)中的表示整个周期中的最大值，式(7)中的表示整个周期中的最小值。式(9)中的δ
max
表示当时，δ的取值。所以，通过求得δ
max
就可以求得。在通过互耦校准法就可以获得第二天线单元n+1相对于第一天线单元n的通道幅度比值。在此基础上，再通过和互耦校准法相同的递推关系就可以获得所有单元通道激励之间的相对关系，进而对边缘区域20内的天线单元进行校准。
32.实施例2请参照图4，本发明实施例提供一种有源相控阵天线的幅相校准方法系统，其特征在于，包括区域划分模块100：用于对相控阵天线阵面进行区域划分，划分为中间区域10和环绕上述中间区域10的边缘区域20；第一校准模块200：用于针对上述中间区域10的天线单元采用近场扫描法进行校准；第二校准模块300：以校准后的中间区域10内的天线单元为作
为基准单元，用于对上述边缘区域20内的天线单元采用互耦旋转电矢量法进行校准，并采用由内而外的递推路径。
33.本发明实施例所提供的系统可用于执行上述实施例所描述的方法，具体方法步骤见实施例1。在此不作赘述。
34.实施例3本发明实施例提供一种电子设备，包括：至少一个处理器1、至少一个存储器2和数据总线3；其中，上述处理器1与上述存储器2通过上述数据总线3完成相互间的通信；上述存储器2存储有可被上述处理器1执行的程序指令，上述处理器1调用上述程序指令以执行上述实施例中的方法，例如执行：s101、对相控阵天线阵面进行区域划分，划分为中间区域10和环绕上述中间区域10的边缘区域20；s102、针对上述中间区域10的天线单元采用近场扫描法进行校准；s103、以校准后的中间区域10内的天线单元为作为基准单元，对上述边缘区域20内的天线单元采用互耦旋转电矢量法进行校准，并采用由内而外的递推路径。。
35.图5为本技术实施例提供的一种电子设备的一种示意性结构框图。电子设备包括存储器2、处理器1和数据总线3，该存储器2、处理器1和数据总线3相互之间直接或间接地电性连接，以实现数据的传输或交互。例如，这些元件相互之间可通过一条或多条通讯总线或信号线实现电性连接。存储器2可用于存储软件程序及模块，如本技术实施例所提供电子设备对应的程序指令/模块，处理器1通过执行存储在存储器2内的软件程序及模块，从而执行各种功能应用以及数据处理。该数据总线3可用于与其他节点设备进行信令或数据的通信。
36.以上所述的具体实施方式，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施方式而已，并不用于限定本发明的保护范围，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。