数字多波束天线的校准测试方法

尹继凯，蔚保国，徐文娟

(1.河北省卫星导航技术与装备工程技术研究中心，河北石家庄050081;2.中国人民解放军沈阳炮兵学院，辽宁沈阳110867)

0 引言

数字多波束天线是阵列天线技术与数字信号处理技术相结合的产物，同时具有阵列天线的波束扫描和数字信号高精度灵活处理的优点。随着电子技术的发展，数字多波束天线以其独特的优势在航天测控和卫星导航等领域得到越来越广泛的应用。

数字多波束天线的波束形成和调制解调处理均在数字域实现，且可同时产生多个波束，其设备组成、工作原理、工作模式与传统天线相比有显著区别，对测试方法也提出了新的要求。上面结合数字多波束天线的工作原理和常规的天线测试手段，研究多波束立体方向图测试、阵列校准、波束补偿和相位中心修正方面的测试方法。

1 数字多波束天线工作原理

数字多波束天线由发射和接收2个部分组成，原理框图如图1所示。

图1 数字多波束天线原理

接收数字多波束天线主要由接收天线单元、接收通道(包括低噪声放大器和下变频器)、A/D转换器和接收处理设备(包括波束形成器、波束控制器和解扩解调器)等部分组成。天线阵各阵元接收的射频信号经过放大、下变频和采样处理后，各通道信号的幅度和相位信息被转移到基带信号中，利用DSP在数字域实现对阵列信号的加权处理实现多波束形成，数字化的波束信号再进行后续的解扩、解调和测量处理。

发射数字多波束天线主要由发射天线单元、发射通道(包括功放和上变频器)、D/A转换器和发射多波束处理设备(包括波束形成器、波束控制器、编码调制器)等部分组成。各波束信号在波束控制器的控制下，经波束形成器产生指向各目标的阵列信号，多个波束的阵列信号在波束形成器中叠加，经D/A转换为模拟信号，再经上变频、功率放大，由天线阵元辐射到空间。

由数字多波束天线的原理和使用要求可知，与常规天线相比，在实际的测试工作中需要重点解决如下几个方面的技术问题:

①多波束天线在作用空域内的波束扫描，除了主波束性能之外，对旁瓣电平及其分布等细节更加关注;

②由于同时生成多个波束，需要考察多个波束之间的相互影响;

③有源部件的采用，使收发波束的测量不再有互易性;

④数字多波束天线自身具有信号处理功能，因此需要与测试系统之间协调测试信号相位关系;

⑤对于精密测量应用领域，还应着重考虑指向精度、相位中心对测量精度的影响。

数字多波束天线的测试项目一般包括:天线方向图、方向性、旁瓣电平、波束宽度、指向精度、波束扫描范围、等效全向辐射功率(EIRP)和相位中心等指标。

2 校准测试方法

2.1 阵列校准

阵列天线形成高质量波束的前提是要控制多通道辐射或接收信号之间的误差，保持通道间的幅度相位一致性。由于单元天线、有源部件和内部电缆等各分机在生产和装配时都存在一定的误差，单元天线之间也不可避免地存在互耦效应，这些误差因素造成通道间幅度和相位的不一致性，对系统的天线增益、旁瓣电平和指向精度等性能造成影响。

将这些误差测量出来并通过信号处理加以校准，可有效降低对系统的影响。校准是数字多波束天线工作的必要条件，也是测试之前的首要工作，数字多波束天线的校准可分为远场校准和近场校准2类。

2.1.1 远场校准

远场校准方法在距阵列天线远场处设立信标，对于接收阵列天线，使接收信标天线发射校准信号，根据被测天线和信标之间的几何关系，计算各单元通道接收信号实测值和理论值之间的差异，获得相位偏差和幅度偏差的校准量。对于发射天线阵列，则控制各单元通道分时发射信号，使用信标天线测量各天线的幅度偏差和相位偏差校准量。

由于测试场地的远场条件一般不容易满足，被测天线与信标之间几何关系的高精度测量也比较复杂，并且开放场地存在多径效应和外部干扰的影响，因此远场校准的精度较难提高。

2.1.2 近场校准

近场校准方法是在阵列天线近场区域设立信标，将信标分时置于单元天线前端馈入或采集信号。接收阵列天线校准时，信标天线发射校准信号，由接收机处理得到对应通道的幅度和相位误差。发射阵列天线校准时，控制对应通道发射校准信号，由矢量网络分析仪或专用测试设备处理信标天线接收的校准信号，得到通道的幅度和相位误差。

近场校准的环境条件易于控制，测试精度较高，是一种适于工程应用的校准方法。在微波暗室内使用平面近场测试系统对平面阵列天线进行校准是一种精度好、效率高的校准方法。以发射多波束系统为例，近场校准方法的原理框图如图2所示。

图2 近场校准原理

调整天线阵面与近场扫描平面平行，并设置所有通道为相同的权值，将阵列天线的输出信号提供给近场测试系统作为参考信号，控制近场探头依次对准每个天线单元，测量每个单元辐射信号与参考信号的矢量误差，从而得到所有阵元之间归一化的幅度和相位关系ci=aiejθi，i=1，2…，N，取其倒数1/ci作为波束权值的修正系数，即可实现对阵列各通道的校准。

2.2 立体方向图测试

2.2.1 远场测试法

为减小周围环境的影响，远场测试通常选在地形平坦的自由空间测试场，利用三轴测试转台和信标天线完成多波束天线立体方向图的测试。被测天线与信标天线之间的距离要满足远场最小测试距离条件，即测试距离R＞2D2/λ(其中D为天线口径，λ为工作波长)。为实现三维立体方向图测试，需要建立高精度的三轴测试转台。三轴测试转台除包括传统转台的方位轴、俯仰轴外，还需在俯仰轴上方增加一个上方位轴(或称极化轴)，且三轴必须同心。

在测试过程中，首先使阵列天线的法线方向与信标天线对准，从信标天线接收并记录信号的幅度数据，旋转转台即可获得一个切面的方向图信息，旋转极化轴后重复上述测试过程，即可获得不同切面的方向图数据，经事后数据处理即可得到多波束天线的三维立体方向图[3]。

2.2.2 近场测试法

近场测试包括平面近场、柱面近场和球面近场3种方法，对于平面阵列天线，最方便的方法是采用平面近场测量系统测量立体方向图。在暗室内使用平面扫描系统采集天线口面近场的幅度和相位分布数据，然后用基于FFT的近场—远场变换方法来计算天线的远场辐射特性。

该方法由于具有外部环境干扰少、测试数据精度高、工作效率高和不受天气条件限制等优点，获得越来越广泛的应用。近场测试技术除可以直接得到三维立体方向图外，还可以提供远场测试无法提供的信息，例如，利用近场数据来检查和分析天线设计中的问题，使用快速傅里叶逆变换技术实现天线单元通道的故障诊断等等。

在多波束天线的近场测试过程中，要注意设置探头的扫描区域d大于波束的扫描范围，d＞D+2s*tan(θ)，D为阵列天线的口径，s为探头与阵列天线之间的距离，θ为波束的最大扫描角。探头扫描范围d与波束扫描角θ之间关系的示意图如图3所示。

图3 探头扫描范围与波束扫描角的关系

由于收发波束测量方法的非互易性，接收数字多波束天线的测试需要利用系统中具备幅相测量功能的波束形成接收机参与完成，测试过程比发射天线要复杂一些[5]。

3 波束修正和电平补偿

由于单元天线在作用空域的辐射特性并不是等增益的，波束形成处理也存在量化误差和校准误差，这些误差会影响不同扫描角度波束的指向和电平的精度。在工程上，希望将工作空域中任意方向波束的指向误差和电平误差限制在一定的指标范围之内，就需要进行波束指向误差的修正和电平补偿。

3.1 指向误差修正

根据波束指向的实测结果，可以获得波束设置指向(A，E)与实际指向(A'，E')之间的对应关系。将数字多波束天线作用空域内以一定间隔(比如1°)网格化，构建一个关于波束设置指向和实测指向的修正表，在波束形成权值计算时通过查表过程实现对波束指向的修正。修正表的采样间隔可以根据天线指向精度的指标要求、波束的扫描范围和实测结果的偏差程度确定，对于网格点之间的波束指向修正数据可以通过内插方法计算得到。

3.2 相位中心修正

在波束扫描时，阵列天线的相位中心的位置会随着波束指向发生改变，对于精密测量应用领域，这种影响是不容忽视的，相位中心的修正同样可以采用构建修正表的方法完成。

在测试阶段，对系统的测量精度进行整体标定，利用测得的相位中心随波束指向的偏差数据构建相位中心修正表。在系统工作时，根据波束的指向实时查表计算得到相位中心的修正数据，提供给系统的数据处理程序使用，减小相位中心变化对测量结果影响，从而提高了系统的测量精度。

3.3 波束电平补偿

与指向误差的修正方法类似，波束电平的补偿也可以通过构建修正表的方法来实现，对每一个网格点，事先测得波束电平的误差值，通过波束形成器对相应指向的波束电平进行补偿，使波束在扫描范围内的辐射功率(或接收电平)一致。

图4 近场立体方向图

4 校准测试方法验证

图4是数字多波束天线三维立体方向图的近场测试结果，由立体方向图可以检验多个波束之间的相互干扰情况。

图5是5个波束在同一切面时的方向图远场测试结果，可以看出，通过对波束指向的修正和电平的补偿，高、低仰角波束的指向精度和电平具有很好的一致性。图6是数字多波束天线相位中心的修正数据，修正后测量数据的精度可达到1 ns以内。

图5 多波束修正和补偿后方向图

图6 相位中心修正数据

5 结束语

上述研究了数字多波束天线的校准和测试技术，探讨了对数字多波束天线的阵列校准、立体方向图测试、波束指向修正与电平补偿和相位中心修方法，并结合实际系统进行了试验验证。试验结果表明:该测试和校准方法可高效率完成数字多波束天线系统的校准和测试工作，并有效提高系统的测量精度，具有很强的实用价值。目前该技术已经在工程上采用并获得了良好的效果。

[1]蔚保国，姚奇松.基于数字多波束天线的多星测控系统[J].飞行器测控学报，2004，23(3):55 －59.

[2]尹继凯.发射数字多波束天线技术研究[J].无线电工程，2005，35(5):39 －40.

[3]郝青儒.有源多波束天线方向图测试方法研究[J].无线电工程，2008，34(5):39 －42.

[4]秦顺友，许德森.卫星通信地球站天线工程测量技术[M].北京:人民邮电出版社，2006:48－85.

[5]李 勇，傅德民，李焱明，等.DBF天线的近场测量与模拟分析[J].电子测量技术，2009，32(5):141 －144.

[6]TAKAHASHIT， KONISHIY， MAKINO S. Fast Measurement Technique for Phased Array Calibration[J].IEEE Transactions on Antennas and Propagation，2008，56(7):1 888－1 898.