有源相控阵天线监测与校准研究

2017-03-13中航工业雷华电子技术研究所

电子世界 2017年4期

关键词：幅相相控阵天线

中航工业雷华电子技术研究所罗琦

有源相控阵天线监测与校准研究

中航工业雷华电子技术研究所罗琦

相控阵天线在越来越多的领域得到了广泛的应用，本文在分析相控阵天线监测与校准的特点的基础上，分别探讨其监测过程与校准过程。

相控阵天线；监测过程；校准过程

1 引言

有源相控阵天线是近年来方兴未艾的一种技术，具有多样化的功能和更加满意的性能，因此是下一代雷达的主要发展趋势之一。相控阵雷达最为核心的单元便是相控阵天线，当天线在雷达上安装完毕，每一个天线组成单元均应该工作在合适的幅度以及合理的相位值上。但是因为不同的天线无论在组成部件方面还是设备装配方面均有所不同，导致不同通道的幅度与相位均存在一定的差异，必须进行测试与校准，从而获得更高的特性。

2 相控阵天线监测与校准的特点分析

由于相控阵天线的构成原理和一些特殊的性质，一旦出现误差便会对其性能造成较大的影响，因此必须对天线进行定期的监测与校准。天线的一些主要参数，不但在设计和制造时应该满足标准的要求，在使用过程中同样应该使其维持在一个可接受的水平之上。相控阵天线监测与校准具有一些与常规天线不同之处，总结如下：

首先是监测与校准的工作量较多。由于相控阵天线的工作模式属于数字化模式，因此能够与数字技术和信息技术结合起来，实现更加快速高效的设置管理。在计算机的控制下，天线的波束指向为互相独立，同时也能够结合时分原理，采取搜索与跟踪同步进行的方式进行工作。因此对于相控阵天线的监测和校准，涉及到各种工作方式，各种频段以及各种扇形区的测量，涉及到较多的参数，工作量较多。

其次是测试方法较为复杂。因为相控阵天线能够结合多个辐射单元实现大功率的信号跟踪，同时也可以灵活地对主瓣增益进行配置，能够结合不同方向的需求对发射能量进行动态配置等，这些多样化的功能也决定了对其监测和校准的复杂度。

第三是要求具有一定的精度。当代雷达的使用领域很广，往往需要可以探测三千千米之外的目标，因此天线的功率高，副瓣低，从而使之能够抗干扰，只有保证足够的监测与校准精度，才能真正使天线工作在较高的性能之下。

3 相控阵天线的监测

对于相控阵天线的监测涉及到多个方面的理论和实践，因此属于系统工程，关系到较为复杂的技术与学科。天线监测系统为了对测量目标进行精确的数据获取，就必须能够实时高效地得到原始参数，并能够对测量到得数据进行合理的预处理，去除冗余数据并存储有用的信息。当涉及到复数多参数的监测时，还必须能够实时收集大量的测试数据，并对这些数据进行合理的处理和存储，由此可知监测系统的数据处理能力和测量效率均应保持一定的水平，从而实现相控阵天线的实时监测。

当前使用比较广泛的监测系统包括近场监测与远场监测，二者的共同点包括：必须实时处理大量的监测数据；必须能够在短时间内实现数据的处理，从而有效校准天线；在进行全套监测时还涉及到对移动单元的控制。为了满足以上的需求，本研究所给出的天线监测系统，能够满足全套自动化的监测需求，且实现与操作均较为简单。图1所示为监测系统的构成。

图1 监测系统的构成

由图1可知，信息功率的路径为：信号源的功率经由通道传输至耦合器，再经过耦合器传输至参考通道。测量通道的组成包括天线单元、传输部分、功分单元、探头部分以及移相器单元，参考通道的组成包括传输部分与衰减单元。信号来自测量及参考通道，然后传输至幅度与相位的测试机。对天线信号进行移相处理，通过移相单元进行，本系统采用了波控机。对以上各类信号的处理全部由信息系统中内置的算法进行，得到所有的测试信息后，其后期的处理也由信息系统的进行存储和分析。

基于以上的信息架构进行有源相控阵天线的测量，通常是在天线静态时进行。在一个完整的测试周期之中，应精确获取在不一样的相位时天线的探头信号。显然这个过程中产生的数据量很多，而选择在静态式进行测量的目的是增强测量数据的准确度。由信息系统分析得出配相代码，将分析结果传输至移相器，从而为其提供合适的建立参数。当配相不同的时候，在幅相仪所获取的信号，会在预处理之后传输至系统的数据库相关的表文件中，同时传输至运行着处理算法的终端进行实时分析计算。这种测量模式的效率比较高，近似于测试时长与天线拥有的通道数量之比，因此系统的整体效率是由以下几个因素决定的：一是幅相仪本身的特性、二是移相器的准确度，三是计算机本身的运算性能。目前在雷达应用的相控阵天线有很多类别，波束扫描的效率是配相效率的重要因素，通常这个时间范围能够控制在，0.1毫秒至10毫秒。由于技术的持续发展，目前的幅相仪已经能够具备较高的运算处理速度，进行单次测量的时候耗时在毫秒的级别，还能够直接连接到控制终端单元。在控制终端的选择上，应该满足具有较快的信息处理速度以及算法执行的效率，从而使设备控制和数据处理的效率足够高，可以在测量周期之内完成。所以，本研究所构建的系统的天线监测所需时间，以单个通道来计算，约在1毫秒与10毫秒之间。在测量天线增益的时候使用较为成熟的比较测量法，需要获取每一个通道的传输数据，而对通道进行测试时主要涉及到天线与微波等功能单元。当开始使用比较法进行测量的时候，本文推荐使用图中所示的功分单元以及移相单元。假若移相单元当前的状态显示与天线移相器的显示数据基本一致，则能够把被测的天线视为辅助通道之一，如果以上的条件可以满足，则可以通过联合的方式来设置在天线与移相单元，因此只要通道增益接近于相控阵天线，其天线单元便是合格的。天线的极化数据也是进行监测的重要方面，在实际操作时，将2个极化探头来进行正交测量。而其极化特性则结合相控阵天线的各个通道的特性来共同设置。假若两个通道拥有一致的极化特性，则可以得出相控阵天线极化特性合格的结论。

4 相控阵天线的校准

相控阵天线在测试之后需要进行校准，以维持其信号处理的精度。在这个过程中需要的仪器包括：（1）矢量分析仪，本文推荐使用安捷伦设备，可以通过天线的幅度和相位关系，得出其当前的参数性能状态；（2）伺服控制单元：可以在测试区域之内使探头自如移动；（3）相控阵波控单元：能够对天线所有的通道进行单独的相位调节和幅度调节。以上的仪器均在工控机的控制之下自动进行。

结合测量结果对天线进行校准，校准操作的时候应该保证探头测试面和相控阵天线面的彼此之间的平行关系，从而使探头和测试模块之间的距离为恒定。如果平行条件不满足，则测试与校准结果的准确率会大幅度下降。在测试距离的选择上也应注意，假如距离太小，很容易导致测试探头和相控阵天线间产生明显的互耦，从而造成测试结果的偏差。而假如其间的距离太大，很容易对周围的测试单元产生影响，同样导致测试结果的不精确。结合笔者的实践，一般将选择为3λ左右。结合这些条件，本文假设相控阵天线由N个单元构成，则天线幅相可以通过下面的式子表示：

结合这个方法，可以得到天线幅相的初值，表示为下面的式子：

在完成幅相校准之后，可知天线合理的幅相值可以表示为下面的式子：

从类别划分来看，可以将相控阵天线的校准划分成内校准与外校准。由于技术实现等因素，内校准的情况下需要更多的仪器设备。再综合考虑到天线的制造采购成本、以及技术实现的难度、系统的稳定度等综合因素，本文推荐以外校准的模式来实现天线的校准。假设相控阵天线的阵元共计N个，则以阵逐点法校准值可以表示为下面的式子：