劉 曉,敦書波，姜海玲

(中國電子科技集團(tuán)公司第五十四研究所，河北 石家莊 050081)

0 引言

相控陣天線[1]由于種種原因無法將各通道的幅值與相位做到完全一致，特別是相位的高度一致更難滿足，而這又直接關(guān)乎其波束合成效率[2]。因此對相控陣的校準(zhǔn)顯得尤為重要。目前主流的校準(zhǔn)方法[3]主要有以下幾種：

內(nèi)場校準(zhǔn)法[4]：該方法通過在有源組件和天線單元之間加入耦合器，通過測量耦合出的能量得到各通道間的幅相差值[5]。其主要缺點(diǎn)是設(shè)備量巨大，不經(jīng)濟(jì)，而且無法對陣面變形以及陣元安裝精度進(jìn)行校準(zhǔn)。

近場校準(zhǔn)法[6]：該方法通過掃描架的探頭對陣列閉合面上的電場進(jìn)行采樣，經(jīng)過精密的數(shù)值計算得到各陣元的遠(yuǎn)場方向圖和各通道的幅相分布。該方法雖然測量精度高，但是對于大型相控陣來說，對暗室空間、掃描儀器的同步性要求很高，掃描時間長、效率低的同時并不適用于對相控陣進(jìn)行實(shí)時監(jiān)測校準(zhǔn)[7-8]。而對于長期處于室外應(yīng)用環(huán)境中的相控陣天線，其通道的可靠性、穩(wěn)定性是很難保證的，這就需要定期對其進(jìn)行標(biāo)校，此時近場校準(zhǔn)的實(shí)用性及經(jīng)濟(jì)性大大降低。

耦合校準(zhǔn)法[9]：該方法基于陣列當(dāng)中相鄰單元互耦系數(shù)相同的前提，通過相鄰單元的收發(fā)測試得到各通道的幅相信息，進(jìn)而得到通道間的幅相差值[10]。該方法雖然無需另外架設(shè)天線，但其僅適用于收發(fā)共口面的相控陣，同時該方法對陣元方向圖的對稱性上要求極其苛刻，幾乎很難滿足要求。

遠(yuǎn)場校準(zhǔn)法[11]：該方法常用的有旋轉(zhuǎn)矢量法，通過在遠(yuǎn)場架設(shè)校準(zhǔn)天線測量整陣的和信號隨單個通道相位變化的曲線，通過特定算法得到各通道間的幅相值[12]。該方法的主要問題在于對大型相控陣來說單個通道的相位變化很難引起整陣和信號的明顯變化，由此帶來的測量誤差是很明顯的。對于所有遠(yuǎn)場校準(zhǔn)方法，要滿足大型相控陣的陣列遠(yuǎn)場條件需要很遠(yuǎn)的距離[13]，對于很多應(yīng)用環(huán)境十分不便。

綜上所述，對于大型相控陣的校準(zhǔn)工作需要一種更加有效、快速、便捷且經(jīng)濟(jì)的校準(zhǔn)方法。

1 中場校準(zhǔn)原理

鑒于上述原因，本文提出了一種中場校準(zhǔn)方法。該方法無需在陣列遠(yuǎn)場架設(shè)校準(zhǔn)天線[14]，也對陣元的方向圖無特殊要求，僅需在距離陣面一定距離處架設(shè)校準(zhǔn)天線即可，需要注意的是架設(shè)距離以及校準(zhǔn)天線的位置需保證校準(zhǔn)天線位于所有天線陣單元的主波束內(nèi)。

以待校準(zhǔn)相控陣為接收陣加以說明。距離陣面一定距離架設(shè)發(fā)射校準(zhǔn)天線，并盡量保證其正對陣面中心，有利于校準(zhǔn)天線在較短的距離處位于所有陣元的主波束內(nèi)。校準(zhǔn)時將待測子陣接通，其他子陣處于負(fù)載態(tài)。校準(zhǔn)天線發(fā)射電磁波，待測子陣接收并將其經(jīng)饋電網(wǎng)絡(luò)及組件等傳遞給校準(zhǔn)接收機(jī)。接收機(jī)收到的相位值可表示為：

(1)

式中，i為子陣編號；li為校準(zhǔn)天線到待測子陣的空間路徑；λ為自由空間中的波長；PΔi為各通道的相位差。根據(jù)式(1)通過求得校準(zhǔn)天線到待測子陣的空間路徑li，可得到各通道的相位差：

(2)

建立相關(guān)坐標(biāo)系，將子陣及校準(zhǔn)天線的位置用坐標(biāo)進(jìn)行表示。將陣面定義為XOY面，子陣的位置可以表示成(Xi，Yi，0)，校準(zhǔn)天線的位置可以表示成(X0，Y0，Z0)。但對于移動平臺上的在線校準(zhǔn)，通常由于振動、陣面收折和校準(zhǔn)天線安裝等因素會使校準(zhǔn)天線每次使用時，其實(shí)際準(zhǔn)確位置是未知的，將其表示為(X0+Δx，Y0+Δy，Z0+Δz)，此時校準(zhǔn)天線到每個陣元的路徑長度可以表示為：

(3)

對于頻率較高的相控陣，位置的少許偏差將會對校準(zhǔn)結(jié)果產(chǎn)生顯著的影響。對校準(zhǔn)天線準(zhǔn)確位置的求解也是本方法的核心。

本文闡述的校準(zhǔn)思路是以校準(zhǔn)天線的最初位置(X0，Y0，Z0)為基準(zhǔn)點(diǎn)，通過在一定范圍內(nèi)不斷地搜尋，找到校準(zhǔn)天線的實(shí)際準(zhǔn)確位置，進(jìn)而求得實(shí)際的li，最終求得PΔi。

根據(jù)實(shí)際工程經(jīng)驗，對于大型相控陣天線，其通道數(shù)足夠多，此時通道間的相位一致性的數(shù)學(xué)期望是歸于零的，這是搜索校準(zhǔn)天線準(zhǔn)確位置的判據(jù),即：

(4)

式中，n為通道數(shù)；δ為很小的量，作為搜索收斂的依據(jù)，該值一般取值在1以內(nèi)，可在實(shí)際工程應(yīng)用中進(jìn)行適度修正。該值的選擇主要與通道數(shù)規(guī)模有關(guān)，通道數(shù)越多，該值取值越小，最終得到的結(jié)果越精確，由于篇幅有限，不再對其取值及其對應(yīng)的收斂速度及精度進(jìn)行闡述。

2 實(shí)驗驗證及分析

針對上述校準(zhǔn)原理，實(shí)驗驗證以實(shí)際項目為背景，陣列為Ku頻段一維掃描相控陣天線。陣列規(guī)模為10×160共1 600個單元，陣列尺寸為4.8 m×4.8 m。

2.1 校準(zhǔn)天線位置求解

校準(zhǔn)天線實(shí)際位置求解及驗證過程如下：

① 賦予1 600個通道相位初值，該值在一定范圍內(nèi)隨機(jī)分布，其期望值接近0；

② 賦予校準(zhǔn)天線初始位置，并將其偏離初始位置一定距離；

③ 在校準(zhǔn)天線實(shí)際位置附近搜尋，每次賦予一個新的位置坐標(biāo)，計算校準(zhǔn)天線與各陣元的路徑li；

④ 根據(jù)式(2)求解通道相位初值PΔi；

⑤ 設(shè)定門限值，根據(jù)式(4)判斷收斂與否，利用計算得到的校準(zhǔn)天線位置，根據(jù)式(2)反推各通道相位初值PΔi′與一開始賦予的初值PΔi進(jìn)行比對。

仿真驗證，仍然以上文介紹的4.8 m×4.8 m陣列為例，1 600個通道初始相位值在±20°內(nèi)隨機(jī)分布。校準(zhǔn)天線距離陣面150 m(該距離可保證校準(zhǔn)天線位于所有陣元主波束內(nèi)，又遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于陣列遠(yuǎn)場距離)，人為將校準(zhǔn)天線分別在X，Y，Z三個方向上偏離一定距離。經(jīng)迭代運(yùn)算得到PΔi′，PΔi′-PΔi誤差示意如圖1所示。

由圖1可以看出，該方法可以將校準(zhǔn)天線的位置準(zhǔn)確地求解出來，通過求解出的校準(zhǔn)天線實(shí)際位置反推得到通道相位初值PΔi′與實(shí)際初值具有很好的吻合性，驗證了算法的有效性。

圖1 誤差示意Fig.1 Error schematic diagram

2.2 校準(zhǔn)流程

整個校準(zhǔn)系統(tǒng)由校準(zhǔn)接收機(jī)、校準(zhǔn)天線、電纜組件等與待校準(zhǔn)陣列共同組成，組成及原理框圖如圖2和圖3所示。

圖2 校準(zhǔn)系統(tǒng)組成框圖Fig.2 Block diagram of calibration system composition

圖3 原理框圖Fig.3 Functional block diagram

校準(zhǔn)接收機(jī)內(nèi)部工作流程：主板接收上級指令，根據(jù)指令通過2選2開關(guān)完成發(fā)射路及接收路的切換。若校準(zhǔn)陣列為接收狀態(tài)，則將其輸出端接通到校準(zhǔn)天線，輸入端接通到待測陣列；若校準(zhǔn)陣列為發(fā)射狀態(tài)，則將其輸出端接通到待測陣列，輸入端接通到校準(zhǔn)天線。同時控制微波自校源完成自校信號的輸出，控制采樣處理單元完成2路信道的中頻采樣，并將采樣結(jié)果進(jìn)行處理回傳上級。

以陣列為接收陣加以說明，在實(shí)際校準(zhǔn)過程中基本步驟如下：

① 待測有源子陣中收發(fā)組件切換為接收狀態(tài)，并將其他通道切換成負(fù)載態(tài)；

② 校準(zhǔn)接收機(jī)通過內(nèi)部的2選2開關(guān)將其輸出端接通對應(yīng)校準(zhǔn)天線，輸入端接通到待測陣列；

③ 校準(zhǔn)接收機(jī)通過校準(zhǔn)天線發(fā)射待測頻段信號，同時讀取待校準(zhǔn)子陣接收到的信號相位Pi；

④ 切換下一個待測有源子陣，重復(fù)③，直到測得所有子陣的相位值；

⑤ 按照上一節(jié)的校準(zhǔn)思路，通過校準(zhǔn)接收機(jī)內(nèi)置算法對測試數(shù)據(jù)進(jìn)行處理得到整個陣列各單元的相位差值。

2.3 結(jié)果驗證

以現(xiàn)有相控陣進(jìn)行實(shí)測驗證，測試場景如圖4所示。該相控陣為Ku頻段一維相控陣，利用上述步驟對該陣列進(jìn)行測試校準(zhǔn)，校準(zhǔn)前后的方向圖對比如圖5所示。

圖4 實(shí)測場景Fig.4 Actual measurement scene

圖5 方向圖對比Fig.5 Patterns Comparison

3 結(jié)束語

該校準(zhǔn)方法為中場校準(zhǔn)，避免了遠(yuǎn)場校準(zhǔn)不夠便捷的同時，也不用像耦合校準(zhǔn)一樣對陣元方向圖的對稱性有嚴(yán)格要求[15-16]。該校準(zhǔn)方法無需對組件進(jìn)行頻繁操作，只需接通待測通道的同時將其他通道切換成負(fù)載態(tài)即可測得通道整個頻段的相位信息，具有很高的測試效率。

該校準(zhǔn)方法適用于大型平面相控陣系統(tǒng)[17]，由于校準(zhǔn)天線處于子陣主波束內(nèi)，處于子陣的遠(yuǎn)場距離，故其對不同子陣的極化及軸比差異可忽略。本文僅針對固定波束做了相應(yīng)驗證，波束指向精度的研究有待進(jìn)一步開展。