多组阵列天线相位校准方法

蔺占中，路志勇

(中国电子科技集团公司第五十四研究所，河北 石家庄 050081)

多组阵列天线相位校准方法

蔺占中，路志勇

(中国电子科技集团公司第五十四研究所，河北 石家庄 050081)

提出了利用多次幅度测量实现多组阵列天线相位校准的方法，解决了多组阵列在天线辐射方向需要同相位合成的难题，保证了多组阵列实现高效率合成。介绍了校准方法的工作原理，给出了多组阵列天线进行相位校准的工作过程。对校准前后的天线测试结果进行对比分析，得出校准精度符合工程设计要求，且无需调试，易于实现远场自动校准，适用于多组阵列天线研制过程中的相位校准工作。

多组阵列天线；相位校准；自动校准

0 引言

传统的地面测控系统主要是固定站，地面天线采用各种口径的反射面天线，口径从几分米至十几米。但是随着测控系统的发展和技术水平的提高，各种移动载体也有了安装测控系统的需求和条件。由固定站设备改变为移动站设备，主要难点之一就是测控天线的设计[1]。

车载等移动平台上，反射面形式天线几乎无法安装，只能安装低轮廓天线。由于阵列天线在结构上可以设计成任意形状，故成为低轮廓天线的一种重要形式[2]。而采用多组阵列形式的低轮廓天线，可以进一步降低天线高度，更便于安装在车载测控系统中。

多组阵列天线的难题之一是为了实现高效率阵列合成，须在各种仰角下实现多组阵列之间的同相合成。因此，相位校准问题成为该天线研制的一项重要内容[3-4]。根据微差变频移相原理进行射频校准的方法[5]，用于多组阵列天线的相位校准中，可保证校准精度，但测量工作量较大[6-7]。因此提出了一种利用幅度测试实现相位校准的方法，与常规的相位校准方法相比，更易于实现远场自动校准，且不需要直接相位测量，省去了矢量测量设备。

1 多组阵列天线校准原理

多组阵列天线由多组天线阵列组成，如图1所示。

图1 多组天线阵列组成框图

与普通机械转动天线方位转动方式相同，但俯仰转动时每组阵列可独自控制俯仰方向[8]，亦可采用联动方式同时转动。优点为天线的高度是其中一组阵列的高度，实现了低轮廓设计。缺点为低仰角工作时有遮挡，效率降低。

天线工作时，每组阵列指向同一个仰角，当仰角不同时，前后阵列之间的间距不同，故需要进行相位补偿。频率不同时，相同间距的阵列，相位补偿也不同。校准工作就是要把不同工作仰角、不同频率所对应的相位补偿值进行准确测量并实施补偿，以实现多组阵列之间同相合成。

多组阵列天线，实际上是多通道天线。多通道天线的校准，通常是各路的移相器工作在不同移相状态下，通过位置固定在相控阵天线附近(近区场/远区场)的探头测量天线阵总合场的结果[9]，即可求解各通道相位/幅度特性。目前已知有MTE法[10](measurement of two elements)和REV法[11](The rotating element electric field vector method),2种方法都不需要相位测量设备，但都基于多次幅度测量的调试性方法，工作速度较低。为提高速度，下面介绍一种新的基于多次幅度测量的校准方法，不需要调试过程，通过计算可直接得到结果。

对于N个频率为f的相干信号，在每路信号里含有一个移相器，每路信号表示为：

(1)

式中，An为第n路未知的信号幅度，Φn为未知的信号相位，Hn为已知相位设置，可通过设置第n路移相器工作状态来改变。将n=1的通道信号认定为基准信号，即Φ1=0，此时Φn为H1= 0且Hn= 0时第n路信号与基准信号通道的相位差。

N路信号总功率由式(2)所示[12]：

(2)

式中，有2N-1个未知量，包括N个幅度和N-1个相位差。为求解2N-1个未知量，必须有2N-1个未知方程。如测量出对应于移相器各工作状态的信号总功率的2N-1个值P∑m(m=1,2,…2N-1)即可得到这些方程组，如式(3)所示：

(3)

式中，(Hn)l是第n通道中移相器第(=1,2,…L)个状态下的移相值。

一般情况下，只能使用数值方法求解这样的方程组，而且，这个解对于误差(Hn)是不稳定的，并要用大量时间在计算机上求解。为获得稳定解，必须增加方程式的数量，意味着要求增加功率的测量次数。

当L=4时，利用移相器的4种工作状态(Hn)1=0、(Hn)2=π/2 、(Hn)3=π和(Hn)4=3π/2 (n=1,2…N)，则M=4(N-1)时，方程组的解如下形式：Ф2=

Ф3=

Фi=

ФN=

(4)

显然，移相器在0、π/2、π和3π/2状态时的设置精度影响到Φi的精度。对影响到Φi精度的因素进行模拟精度分析得出：在设置移相器状态精度在0°～5°的范围时测量的功率精度为2%，相位差精度为2°～6°。

2 多组阵列天线校准系统设计

对于多组阵列天线，由于在不同仰角状态下和不同的工作频率下，各组阵列之间的位置关系不断变化，故在每个仰角和频率都要进行校准，工作量非常大。基于上述校准原理，可设计自动化校准系统，用于快速完成多组阵列天线校准工作[13]。

下面介绍利用幅度测量的方法实现相位校准的设备组成和工作过程。

2.1 接收校准设备

接收天线校准系统由控制计算机、发射设备(或用信号源代替)和校准接收机组成[14]。这里的校准接收机只需要提供幅度信息，测出在不同移相状态下的幅度值，并记录在计算机中，通过数据处理计算出各路的相位差。接收校准设备组成框图及其与相控阵天线系统的控制及信号关系如图2所示。工作过程为：

① 控制计算机通过波束控制电路改变射频通道中的移相器值；

② 合路并下变频后的信号送入校准接收机；

③ 校准接收机把检测到的幅度信息送入控制计算机；

④ 反复执行过程① 到③ ；

⑤ 通过计算得到各路的相位差。

图2 接收校准设备组成框图

2.2 发射校准设备

发射校准设备组成框图如图3所示，由控制计算机、发射设备(或用信号源代替)和校准接收机组成[15]。与接收校准设备类似，只是控制计算机需要控制发射射频通道中的移相器。

图3 发射校准设备组成框图

2.3 工程实验验证

设计了一款k波段相控阵天线，采用多次幅度测量的相位校准方法对各个子阵单元端口进行了相位校准，校准前与校准后的方向图对比如图4所示。

(a) 19.6 GHz波段

(b) 20.4 GHz波段

(c) 21.2 GHz波段图4 校准前后天线测试方向图对比结果

图4中，实线为相位校准前的方向图曲线，虚线为相位校准后的方向图曲线，根据结果对比，相位校准后增益提高了3～5 dB，效率提高了一倍以上，且校准后的测试结果满足项目技术指标要求。

3 结束语

根据多次幅度测量实现相位校准的工作方法，利用计算机控制实现了自动化的校准系统，可用于多组阵列天线研制过程中，使得繁琐的校准工作变得快速简便。该方法不需要矢量测试设备，可降低校准系统的成本。经过工程实践验证，具有校准精度高、工作效率高等特点，适用于多组阵列天线研制过程中的相位校准工作。

[1] 单福悦,凡 嵩,于春朋,等.测控系统自动化运行标校流程优化研究[J].无线电工程,2015,45(5)：31-33.

[2] 张光义,赵玉洁.相控阵雷达[M].北京：电子工业出版社，2006.

[3] 见 伟,张 玉,韩名权.阵列天线通道误差对波束性能的影响分析[J].无线电工程,2014,44(11)：45-48.

[4] 张申科,邓遥林.天线架设方式对天线测试的影响浅析[J].移动通信,2015,39(14)：45-48.

[5] 陈 瑛.一种改进的射频相位校准方法[J].电讯技术，2007，47(4)：190-193.

[6] 郭万禄.基于阵列天线测量装备的标校方法研究[J].无线电工程,2012,42(9)：57-60.

[7] 郑晓冬,周 益,易卿武.利用同步卫星测量天线远场增益技术分析[J].无线电工程,2012,42(10)：36-37,64.

[8] 牛传峰,耿欣蕊.Ku频段双极化平板波导阵列天线的结构设计[J].无线电工程,2013,43(9)：38-40.

[9] 李树国,张永辉.低仰角多目标测量系统能力分析与对策[J].无线电工程,2013,43(6)：47-49.

[10] Dan D.Analysis of Array Antenna Patterns During Test [J].Microwave Journal，1978,21(2)：67-70.

[11] 李海涛,李 燕,张建忠.微波定向天线对准实现方法[J].无线电工程,2011,41(3)：44-46.

[12] 赵 楠,武 伟,刘 昕,等.一种基于信号幅度测量的相位校准方法分析[J].无线电工程，2010，40(9)：62-64.

[13] 高 山,刘桂生,李天宝,等.Ka频段设备自动校相模型优化[J].无线电工程,2014,44(10)：77-80.

[14] 崔玉鑫.多通道数字式干涉仪测向接收机相位校准系统设计[J].舰船电子对抗,2010(1)：44-46.

[15] 陈多芳,陈伯孝,刘春波,等.岸-舰双基地综合脉冲孔径雷达的初始相位校准及误差分析[J].电子与信息学报,2008,30(2)：302-305.

Method of Adjusting Phases of Multi-array Antenna

LIN Zhan-zhong,LU Zhi-yong

(The 54th Research Institute of CETC,Shijiazhuang Hebei 050081,China)

A method of adjusting phases of multi-array antenna by repetitious amplitude measurement is proposed.Also,radiation patterns of multi-array antennas with same phase incorporating is resolved,so as to conduce the incorporating of multi-array antennas with high efficiency.The theory of adjusting method is introduced,and then an example of adjusting phases of multi-array antennas is proposed to illustrate the process.By analyzing measurement results of adjusted antennas between unadjusted antennas,the adjusting precision could accord with demand of the project design.Also,this method is convenient to implementauto-adjusting,without debugging.Hence,it can be applied to phases adjusting in the multi-array antenna design.

multi-array antennas;phase adjusting;auto-adjusting

10.3969/j.issn.1003-3114.2017.02.18

蔺占中，路志勇.多组阵列天线相位校准方法[J].无线电通信技术，2017，43(2)：71-73,93.

2016-12-25

河北省应用基础研究计划重点基础研究项目(16960404D)

蔺占中(1984—)，男，工程师，主要研究方向：天线理论研究与设计。路志勇(1974—)，男，研究员,博士后，主要研究方向：天线理论研究与设计。

TN911.7

A

1003-3114(2017)02-71-3