劉魁星，王金華，高　帥，王茂磊

(北京衛(wèi)星導(dǎo)航中心，北京 100094)

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基于偽距比對的數(shù)字多波束天線相位中心標(biāo)定方法

劉魁星，王金華，高帥，王茂磊

(北京衛(wèi)星導(dǎo)航中心，北京 100094)

在星地時(shí)間同步系統(tǒng)中，天線的相位中心成為影響同步精度的重要因素。研究了數(shù)字多波束天線原理及相位中心概念，針對其特有的工作方式設(shè)計(jì)了一種偽距比對標(biāo)定法，通過比對參考波束的偽距值以較小代價(jià)實(shí)現(xiàn)數(shù)字多波束天線的相位中心標(biāo)定。利用該方法對數(shù)字多波束天線相位中心進(jìn)行了標(biāo)定，結(jié)果表明偽距比對標(biāo)定法不需要暗室和專用測量系統(tǒng)，提高了數(shù)字多波束天線相位中心的可測試性。

數(shù)字多波束天線；相位中心標(biāo)定；偽距比對

0　引言

在衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)中，需要進(jìn)行高精度的星地時(shí)間同步，用于確保地面和衛(wèi)星時(shí)間的嚴(yán)格同步[1]。此時(shí)，星地時(shí)間同步設(shè)備的天線相位中心的誤差不可忽略，需要對天線相位中心進(jìn)行標(biāo)定，修正觀測值[2]。在以往導(dǎo)航系統(tǒng)的工程實(shí)踐中，均采用桁架式或轉(zhuǎn)臺(tái)式反射面天線進(jìn)行星地?zé)o線電雙向時(shí)間比對，但無法以較小代價(jià)實(shí)現(xiàn)同時(shí)多星星地時(shí)間同步。數(shù)字多波束天線系統(tǒng)作為新興的時(shí)間同步設(shè)備很好地解決了該問題，但其相位中心的標(biāo)定成為工程實(shí)現(xiàn)的難點(diǎn)。傳統(tǒng)相位中心標(biāo)定多使用微波暗室標(biāo)定方法[3]。在具體標(biāo)定過程中，利用旋轉(zhuǎn)天線法繪制待測天線的相對相位方向圖[4]，以此來測定相位中心。當(dāng)數(shù)字多波束天線陣元數(shù)目較多時(shí)，數(shù)字多波束天線尺寸較大，標(biāo)定所需的微波暗室尺寸也隨之變大，在微波暗室尺寸無法滿足標(biāo)定需求時(shí)，還需要配備專門的高精度近場測量系統(tǒng)，造價(jià)巨大，在工程中往往無法找到合適的暗室或者近場測量系統(tǒng)[5]。在文獻(xiàn)[5]中雖給出了大型相控陣天線性能的測試方法，但未給出高精度相位中心的測試方法。本文提出一種數(shù)字多波束天線相位中心標(biāo)定方法，并利用該方案對某型號(hào)數(shù)字多波束天線相位中心進(jìn)行了標(biāo)定，使在無合適的微波暗室和近場測量系統(tǒng)時(shí)仍能有效地標(biāo)定大型數(shù)字多波束天線相位中心。

1　數(shù)字多波束天線原理及相位中心概念

1.1數(shù)字多波束天線原理

數(shù)字多波束天線是在相控陣天線波束形成原理基礎(chǔ)上，使用數(shù)字信號(hào)處理方法，調(diào)整各個(gè)陣元的相位使在指定方向上信號(hào)能量最大，從而達(dá)到形成波束的目的[6]，其原理如圖1所示。當(dāng)需要生成一個(gè)指向角度為a的波束時(shí)，由于陣元1，2，…N的布局關(guān)系，若陣元輸出的是等相位信號(hào)，信號(hào)在a方向相位將不一致，使得疊加后的信號(hào)能量大為減弱，無法獲得預(yù)定指向的信號(hào)。因此，為了在a方向得到一個(gè)能量較強(qiáng)的信號(hào)，應(yīng)該使陣元在a方向上信號(hào)相位一致，即信號(hào)被陣元發(fā)射出來時(shí)就存在著相位差異，但是相位差異恰好能夠和N個(gè)信號(hào)由于傳輸距離不一致造成的傳輸距離差異抵消，即若陣元1、2、…、N的發(fā)射信號(hào)相位分別為φ1、φ2、…、φN，應(yīng)有φ1+P1=φ2+P2=φN，由此就可達(dá)到在a方向上獲得合成效果最佳的信號(hào)。某些應(yīng)用條件下，為了獲得某種指標(biāo)最優(yōu)(如旁瓣最低、主瓣能量最大等)，還需要對信號(hào)的幅度進(jìn)行控制。

圖1　數(shù)字多波束天線工作原理

1.2天線相位中心概念

天線的相位中心點(diǎn)是指天線的輻射場分量等效地由該點(diǎn)輻射出去，輻射波為一球面，是信號(hào)在空間傳輸和天線傳輸?shù)姆纸琰c(diǎn)[7]。理想天線存在唯一的相位中心，其等相面為球面，因此接收不同方向的衛(wèi)星信號(hào)時(shí)不會(huì)因?yàn)樘炀€本身產(chǎn)生額外的相位差而造成定位測量結(jié)果的偏差。在工程實(shí)踐中，天線可能有相心，亦可能沒有相心，亦可能不是一個(gè)球面波，這完全取決于天線形式。在整個(gè)空間，具有唯一相位中心的天線實(shí)際上是不多的，而絕大多數(shù)天線只在主瓣某一范圍內(nèi)或是以某點(diǎn)為參考點(diǎn)時(shí)，天線的相位保持恒定，由這部分等相位面求出的相位中心，叫做天線的視在相位中心[8]。對于數(shù)字多波束天線而言，區(qū)別于傳統(tǒng)天線的饋源相位中心，其輻射特性是由多饋源系統(tǒng)合成的，而從觀察點(diǎn)來定義數(shù)字多波束天線的相位中心則與傳統(tǒng)天線是一致的，因此為了準(zhǔn)確地描述數(shù)字多波束天線的相位中心，可以將視在相位中心作為數(shù)字多波束天線的相位中心。

由于數(shù)字多波束天線的工作原理和波束形成方式區(qū)別于傳統(tǒng)的天線，對不同空域的信號(hào)收發(fā)是由形成多個(gè)不同指向的離散波束來完成的，即在不同工作區(qū)域內(nèi)其工作波束相互之間是獨(dú)立的，從這個(gè)意義上講，數(shù)字多波束天線存在無數(shù)個(gè)工作波束，每個(gè)工作波束都有自己的視在相位中心。視在相位中心是一個(gè)與波束指向相關(guān)的變量，選取一個(gè)參考波束(最好是法線波束)作為基準(zhǔn)，把其余指向波束的相位中心與參考波束相位中心的差值用p(A,E)來表示，其中(A,E)代表波束的方位和俯仰角度。

2　相位中心標(biāo)定方案

2.1標(biāo)定原理

在數(shù)字多波束天線在形成發(fā)射(接收)波束時(shí)，已實(shí)現(xiàn)了對多通道進(jìn)行相位一致性的校準(zhǔn)[9]。由于數(shù)字多波束天線信道部分的設(shè)備時(shí)延可認(rèn)為是一致的，其相位中心的變化將體現(xiàn)在發(fā)射/接收設(shè)備時(shí)延上。數(shù)字多波束天線相位中心標(biāo)定原理圖如圖2所示。

圖2　數(shù)字多波束天線相位中心標(biāo)定原理

按照圖2所示，分別在距離數(shù)字多波束天線中心點(diǎn)等距離處架設(shè)幾個(gè)性能一致的接收目標(biāo)，當(dāng)數(shù)字多波束天線工作時(shí)，可分別生成不同指向的波束用以指向各個(gè)接收目標(biāo)。則在接收端各個(gè)目標(biāo)的測量偽距包含如下結(jié)果：

ρ(A,E)=η+p(A,E)+λi+μ。

(1)

式中，(A,E)分別指波束指向的方位角A和俯仰角E，由數(shù)字多波束天線的工作范圍確定；η為數(shù)字多波束天線發(fā)射通道時(shí)延；p(A,E)為數(shù)字多波束天線相位中心(以(A,E)為參數(shù)的變化量)；λi為不同方向相位中心至目標(biāo)點(diǎn)距離，其中λ0指天線法線方向相位中心至目標(biāo)點(diǎn)距離，在工作距離較遠(yuǎn)時(shí)，滿足λi≈λ0；μ為接收設(shè)備時(shí)延。

而在實(shí)際測試過程中，受限于場地測試環(huán)境，難以架設(shè)多個(gè)接收目標(biāo)，此時(shí)一般采用固定目標(biāo)，采用轉(zhuǎn)動(dòng)天線的方法模擬對不同目標(biāo)的信號(hào)跟蹤效果，則在此情況下接收端測量偽距ρ將由以下幾部分組成：

ρ(A,E)=η+p(A,E)+Δl(A,E)+λ0+μ。

(2)

式中，Δl(A,E)為轉(zhuǎn)臺(tái)轉(zhuǎn)動(dòng)帶來的空間距離變化(以(A,E)為參數(shù)的變化量)；在波束不同指向時(shí)，η、λ0和μ可認(rèn)為是不變的，ρ、p和Δl則是以波束指向方位A、俯仰E為參數(shù)的變量。為獲得其他波束指向時(shí)相對于參考波束(一般選用法線波束(-，90)°，在波束指向90°時(shí)，方位角可代表任意角度)的相位中心修正量，以ρ(-,90)為基準(zhǔn)，其它方向測距值減去ρ(-,90)的偽距測量值便可得到p(A,E)和Δl(A,E)的修正量，如

ρ(A,E)-ρ(-,90)=p(A,E)-p(-,90)+Δl(A,E)-Δl(-,90)。

(3)

式中，p(A,E)-p(-,90)是期望得到的修正量；Δl(A,E)-Δl(-,90)可通過轉(zhuǎn)臺(tái)自身轉(zhuǎn)動(dòng)的幾何關(guān)系得出，因此對式(3)做進(jìn)一步變換，便可得到數(shù)字多波束天線相位中心修正量的計(jì)算關(guān)系，如

(4)

通過式(4)就可以獲得各個(gè)方向波束與法線方向波束的相位中心差異，若事先獲得對法線波束的相位中心的標(biāo)定結(jié)果，就可根據(jù)式(4)，并結(jié)合波束指向來獲得其余指向的波束相位中心，然后通過曲面擬合的方法獲得整個(gè)數(shù)字多波束天線的相位中心曲面。

而對法線波束的相位中心可以采取偽距比對法或者暗室標(biāo)定法完成。偽距比對法是先將數(shù)字多波束天線所有通道相位標(biāo)定為一致，可將中心發(fā)射通道作為參考通道，中心陣元天線具有實(shí)際的相位中心，可在暗室內(nèi)精確測量，通過比對中心陣元和法線波束在接收端的測量偽距即可獲得法線波束的相位中心。

2.2優(yōu)缺點(diǎn)分析

相對于微波暗室標(biāo)定法，偽距比對標(biāo)定法實(shí)現(xiàn)環(huán)境簡單，不需要專門建設(shè)測試環(huán)境或者采用專用的測試設(shè)備和儀器，能夠大大降低測試成本，簡化測試步驟，提供工作效率。同樣，該方法也存在一定不足，歸納起來主要有以下兩點(diǎn)：

① 測試結(jié)果僅得到各方向視在相位中心投影到參考方向的投影點(diǎn)與參考方向視在相位中心之間的距離差值，并不能直接獲得各方向的相位中心，還需要根據(jù)波束指向與參考方向之間的夾角進(jìn)行歸算；

② 由于采用外場無線測試環(huán)境，存在一定的外部空間干擾，使得標(biāo)定精度存在一定的損失[10]，此外，偽隨機(jī)碼碼片長度一般大于載波相位周期，此時(shí)偽距測量精度要低于相位測量精度。因此，在整體測量精度上，偽距比對間接標(biāo)定法標(biāo)定精度一般低于微波暗室直接標(biāo)定法的標(biāo)定精度。

對于問題①，只需進(jìn)行歸算即可解決；對于問題②，可以根據(jù)電子測量中測試結(jié)果的算術(shù)平均原理，當(dāng)測量次數(shù)為無窮大時(shí)，隨機(jī)誤差的算術(shù)平均值將趨于零。實(shí)際操作過程中，可進(jìn)行多次測量，當(dāng)測量精度小于測試指標(biāo)要求時(shí)，就可以認(rèn)為測試次數(shù)已經(jīng)足夠。

3　相位中心標(biāo)定實(shí)例分析

3.1標(biāo)定環(huán)境實(shí)現(xiàn)

使用上述數(shù)字多波束天線相位中心標(biāo)定方法，對某型號(hào)數(shù)字多波束天線相位中心展開標(biāo)定，連接實(shí)現(xiàn)圖如圖3所示。

圖3　偽距比對法標(biāo)定天線相位中心實(shí)現(xiàn)

按圖3連接測試系統(tǒng)，調(diào)整待測天線和發(fā)射天線之間的距離滿足遠(yuǎn)場條件，將發(fā)射數(shù)字多波束天線放置于三軸轉(zhuǎn)臺(tái)上，其余設(shè)備放置在轉(zhuǎn)臺(tái)旁邊的設(shè)備機(jī)房，由轉(zhuǎn)臺(tái)控制計(jì)算機(jī)控制轉(zhuǎn)臺(tái)轉(zhuǎn)動(dòng)，接收信標(biāo)天線放置在信標(biāo)塔上，接收信號(hào)經(jīng)過低噪放LNA后，由低損長電纜將信號(hào)送回至設(shè)備機(jī)房，為了調(diào)整接收電平，需要在設(shè)備機(jī)房內(nèi)放置一臺(tái)頻譜儀作為電平校準(zhǔn)設(shè)備。測試系統(tǒng)開始工作之前，需要對轉(zhuǎn)臺(tái)旋轉(zhuǎn)中心至接收信標(biāo)天線中心進(jìn)行定標(biāo)，使得數(shù)字多波束天線法線中心與轉(zhuǎn)臺(tái)三軸中心、接收信標(biāo)中心三點(diǎn)在一條直線上。

上述工作完成后，需要根據(jù)轉(zhuǎn)臺(tái)轉(zhuǎn)臂長度計(jì)算Δl(A,E)-Δl(-,90)的關(guān)系，圖3中所采用的轉(zhuǎn)臺(tái)為三軸轉(zhuǎn)臺(tái)，在轉(zhuǎn)臺(tái)轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，被測數(shù)字多波束天線與信標(biāo)天線幾何關(guān)系示意圖如圖4所示。

圖4　相位中心測量幾何關(guān)系示意

圖4中，轉(zhuǎn)臺(tái)旋轉(zhuǎn)中心為A，信標(biāo)天線相心為C，被測天線在對準(zhǔn)信標(biāo)天線時(shí)幾何中心為O，旋轉(zhuǎn)后為O′，O′到AC的投影點(diǎn)為B。

經(jīng)光學(xué)幾何測量，dAO=1.6 m，dAC=278 m，在E=0°時(shí)，∠O′CO最大值為：

則dO′C≈dBC(誤差<0.005 m)，由此得到如下計(jì)算公式：

dOB=dAO-dAB=1.6×(1-sinE)(m)=

3.3×1.6×(1-sinE)(ns)。

(5)

而dOB=Δl(A,E)-Δl(-,90)，即該值轉(zhuǎn)臺(tái)轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)引起的空間距離變化，將要在測量偽距差中進(jìn)行修正。

3.2測試結(jié)果分析

在數(shù)字多波束天線相位中心進(jìn)行標(biāo)定時(shí)，對其工作空域按照一定間隔的方位和俯仰進(jìn)行區(qū)域劃分，在每個(gè)區(qū)域可得到其相對參考波束的相位中心變化。發(fā)射天線相位中心的部分測試結(jié)果如表1所示。對于數(shù)字多波束天線接收天線的相位中心標(biāo)定原理與數(shù)字多波束天線發(fā)射天線相同，所不同的是，需要在滿足接收遠(yuǎn)場條件下設(shè)置一臺(tái)發(fā)射信號(hào)模擬源，接收天線對該信號(hào)進(jìn)行測距，同樣在消除轉(zhuǎn)臺(tái)帶來的空間距離變化后，得到對數(shù)字多波束天線接收天線相位中心的修正量。

表1　發(fā)射天線相位中心實(shí)際標(biāo)定結(jié)果

4　結(jié)束語

本文通過數(shù)字多波束天線各方向波束與參考波束偽距值的比較，得出其各方向的相位中心，從而實(shí)現(xiàn)數(shù)字多波束天線相位中心的標(biāo)定。對某型數(shù)字多波束天線相位中心實(shí)測，把整空域按照一定間隔劃分，得出每塊區(qū)域相對法線方向(參考波束方向)的偽距，獲得數(shù)字多波束天線的相位中心。使用該方法得出的相位中心數(shù)據(jù)合理且精度較高，已在實(shí)際工程中得到應(yīng)用。該方法對類似天線相位中心標(biāo)定也具有現(xiàn)實(shí)指導(dǎo)意義。

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劉魁星男，(1983—)，碩士，工程師。主要研究方向：衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)時(shí)間同步技術(shù)。

王金華男，(1977—)，碩士，工程師。主要研究方向：衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)工程。

Method of Calibrating Phase Center for Digital Multi-beam Antenna Based on Pseudo-range Comparison

LIU Kui-xing,WANG Jin-hua,GAO Shuai,WANG Mao-lei

(BeijingSatelliteNavigationCenter,Beijing100094,China)

The antenna phase center is an important factor in satellite-ground time synchronization system.This paper studies the principle of digital multi-beam antenna and the concept of phase center,proposes the method of calibrating phase center for digital multi-beam antenna based on pseudo-range comparison,realizes calibrating phase center for digital multi-beam antenna through comparing with pseudo-range of reference beam with less cost and finally analyzes the examples that uses the method for calibrating phase center of digital multi-beam antenna.The results show that the method of pseudo-range comparison can improve testability of calibrating phase center for digital multi-beam antenna without anechoic chamber and special measuring system for calibrating phase center.

digital multi-beam antenna;calibrating phase center;pseudo-range comparison

10.3969/j.issn.1003-3106.2016.10.15

2016-06-20

國家部委基金資助項(xiàng)目。

TM945.17

A

1003-3106(2016)10-0061-04

引用格式：劉魁星，王金華，高帥，等.基于偽距比對的數(shù)字多波束天線相位中心標(biāo)定方法[J].無線電工程,2016,46(10):61-64.