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        一種基于魯棒回歸的相控陣天線校準技術

        2018-08-07 08:12:06四川九洲電器集團有限責任公司
        電子世界 2018年14期
        關鍵詞:移相器超平面相控陣

        四川九洲電器集團有限責任公司 張 抒

        1.研究背景

        有源相控陣天線具有波束指向捷變,定向增益高等優(yōu)點,被廣泛應用于各領域。但是相控陣天線的副瓣電平、波束指向、波束寬度和零值深度等重要指標會受到諸如移相器誤差、制造公差、阻抗不匹配、天線熱變形等因素的影響,這些因素最終都反映為各天線通道的饋電幅度和相位的不一致性。因此研究天線校準技術,對提高天線的實際性能至關重要。

        常用的校準方法有逆矩陣法、FFT方法、矢量平均法、旋轉矢量法等[1][2]。上述方法都是通過改變各通道的移相值來構建方程,并反解出每個通道的幅相值,其共同的缺點是移相器精度對最終的校準精度有較大影響[3]。為了解決該問題,本文提供了一種基于魯棒回歸的天線校準方法,采用穩(wěn)健線性回歸方法擬合樣本點,能有效去除樣本中的離群點,減弱了移相器誤差對校準精度的影響。

        2.方法原理

        本文方法可應用于有源相控陣天線接收和發(fā)射通道遠場校準。以接收通道遠場校準為例,在接收天線法線方向放置一個信號源,調(diào)整各接收通道的移相值,接收合成信號將發(fā)生變化,根據(jù)信號變化與各通道的相位關系可以反演每個接收通道的校準值。本文方法主要包括樣本采集、超平面樣本點擬合、超平面參數(shù)推導校準值三個步驟。

        2.1 樣本采集

        圖1給出了有源相控陣天線接收通道校準框圖,包括天線單元、TR組件、和差網(wǎng)絡、接收機及信號源,本文方法在該框架下采集數(shù)據(jù)樣本。具體來說,信源產(chǎn)生信號x,由于信源在天線法線方向,則達到天線端口的信號x幅度相位相同。信號經(jīng)每個天線單元、接收通道和移相器產(chǎn)生不同程度的幅度衰減和相移,設a(i)為第i個通道的幅相偏移,c (i)為第i個通道的移相器值,則第i個通道的輸出信號為:

        上式均為復信號,●為復數(shù)的乘法,s(i)為第i個通道輸出信號。校準工作需要估計i通道幅相偏移值a(i)。由于只關心幅相偏移相對值,也可直接估計,因此為了表述方便可用b(i)替代a(i)●

        x。信號S(i)送至和差網(wǎng)絡,和通道輸出為各路信號合成,接收機檢測得到和通道信號y。

        N為通道數(shù),c (i)為移相器值,y為檢測值。通過反復調(diào)整移相值c (i),并記錄信號y,獲得多組測試數(shù)據(jù)。記cj(i)為第 j 次調(diào)整i路通道的移相值,yj為j次檢測值,定義N+1維向量為第j個樣本。假設采集了M個樣本點,記為。

        圖1 有源相控陣天線接收通道校準框圖

        2.2 超平面樣本點擬合

        把c (i)看作自變量,y看作因變量,則式(2)為一個超平面方程,b (i)固定不變?yōu)槌矫娴膮?shù)。因此可采用線性回歸對樣本進行擬合,估計超平面的參數(shù)b (i ), i= 1, 2, ..., N。

        綜合考慮計算效率和擬合精度,本文采用最小二乘法估計超平面參數(shù),其閉式解。當樣本數(shù)量遠大于通道數(shù)量時,滿足矩陣CTC可逆,可求得的解。

        2.3 超平面參數(shù)推導校準值

        由于每個接收通道的移相器均具有一定移相誤差,各通道的誤差累計將導致合成信號Y 產(chǎn)生誤差,實際的合成信號表示如下:

        其中ε為所有通道累計的誤差值。直接采用最小均方誤差方法擬合樣本易受到噪聲干擾,魯棒性較差。本文進一步對擬合得到的參數(shù)處理,具體步驟如下:

        1)采集L個樣本,并滿足L>M,初始化變量k = 0;

        2)從L個樣本中隨機選取M個樣本,并滿足M>N,k = k +1;

        3)利用最小均方誤差方法擬合選取的M個樣本,估計第k個粗略超平面參數(shù)Bk;

        4)判斷k < K條件是否滿足,如果滿足則返回第2步執(zhí)行,否則執(zhí)行第5步;

        3.仿真結果

        仿真實驗采用均方根誤差衡量幅相校準精度,并比較了幾種方法的校準效果。實驗設計天線通道數(shù)為8,移相器的移相誤差服從[—6°—6°]區(qū)間的均勻分布,表1給出了1000次蒙特卡洛實驗結果。實驗表明存在移相誤差情況下,本文提出的方法具有更高的校準精度。

        表1 幾種方法校準精度的比較

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