大型相控阵天线阵面远场校正方法*

杜 艳

（中国西南电子技术研究所，四川 成都 610036）

0 引 言

随着相控阵天线技术的发展，不同形式、不同波段以及各种规模的相控阵天线不断开发与应用，与之相适应的各种校准和测量方法也在不断发展。对于校准精度要求特别高的天线，通常采用内校准方式或是近场测量方式进行校准[1]。但是，内校准方式大多只能测到TR校准系数，无法做到阵面补偿[2-3]，而近场测量对测试系统要求较高，对大型天线的测试建设成本高，计算时间也较长。通常认为，阵面等部件属于无源器件，具有一致性好、性能稳定等特点，一般不进行校准。而在天线装配、测试和使用等实际使用过程中，因生产工艺及装配连接器等的差异，未作校准将会影响天线阵面的一致性，从而影响天线性能。对于远场测量技术，当前已经发展得相对成熟，可以直接测量方向图。但是，当需要分析相控阵天线各通道间的差异时，需要获得完整的三维方向图。这对于远场测量特别是大型天线的远场测量，实现非常困难。因此，本文提出一种新的测试方法，可以通过远场测量的方式得到每个阵元通道的幅度相位分布，进而实现天线阵面校正。

1 基本理论

1.1 矢量平均算法

矢量平均算法是通过改变各个馈电支路的相位构成方程，计算得到被测支路的幅度相位分布。在对馈电支路配相时，除被测支路外，其他支路相位保持不变，旋转被测支路的相位，如式（1）所示：

其中，K为测试次数，Ak为第k次测量和端口得到的幅相分布，i为通道编号，N为通道总数量，k为第k次测量，Si为第i路通道的空间传输参数，ai第i路通道的传输参数，包括阵面、TR等。

对天线进行K次测试，得到相应的方程组。对方程组按照反向旋转的过程进行合成，即：如公式2所示。

在实际配相中，需选择尽量小的配相精度。

1.2 远场测量结合矢量平均算法校准

远场测量技术发展成熟，可以直接测量方向图。但是，当需要分析相控阵天线各通道间的差异时，需要获得完整的三维方向图。这对于远场测量特别是大型天线的远场测量，实现非常困难。与矢量平均算法结合，利用远场测量技术的成熟，可以准确得到每个阵元通道的幅度相位分布。

远场测试系统搭建如图1所示。

图1 实验框

以阵列天线远场方向图为例，其方向图函数为：

其中， E (θ ,φ)为阵列天线方向图， f (θ , φ)为天线单元方向图，阵列天线方向图等于天线单元方向图与阵因子的乘积[4-5]。

将式（3）中的天线方向简化为一维方向图函数，以线阵天线为例，简化后天线方向图函数为：

显然，将简化后天线方向图函数带入矢量平均结合算法易得天线单元方向图：

将天线扫描角度设置为法向，得到天线单元法向方向图[6]，即：

对得到的天线单元方向图进行修正，即可得到理想方向图。

2 实验验证

为了验证本测试方法的正确性，进行了一次验证实验。具体地，以一个实际天线为例，给出了校准结果。图2为理论方向图，实线为和方向图，虚线为差方向图。

图2 理论方向图

图3为校准前实测方向图，实线为和方向图，虚线为差方向图。

图3 校准前实测方向图

图4 为校准后方向图，实线为和方向图，虚线为差方向图。

图4 校准后方向图

易见，校准有效修正了方向图的对称性、副瓣电平等指标。具体的误差比较结果，如表1所示。

表1 天线远场校正结果比较表

3 结 语

远场测量结合矢量平均算法校准，简单易行，校准结果精度高，可有效修正天线方向图。

参考文献：

[1] 杨雷明,李强,孙广俊.阵列天线近场校准方法及在波束形成中的应用[J].火控雷达技术,2014,43(02)：92-103.YANG Lei-ming,LI Qiang,SUN Guang-jun.The Near Field Calibration of Array Antenna and Its Application to Beamforming[J].Earthquake Control Technology,2014,43(02)：92-103.

[2] Charles S,Don W.Mutual Coupling Based Calibration of Phased Array Antennas[C].IEEE International Conference on Phased Array System &Technology,2000：529-532.

[3] Benjamin R,Alexander S,Esam H,et al.A Circularly Polarized Antenna Array with Integrated Calibration Probes[C].Proceeding of Asia-Pacific Microwave Confer ence,2014(TH1E-2)：462-464.

[4] 郭崇贤.相控阵雷达接收机技术[M].北京：国防工业出版社,2009：17-40.GUO Chong-xian.Phased Array Radar Receiver Technology[M].Beijing：National Defense Industry Press,2009：17-40．

[5] 董树义.近代微波测量技术[M].北京：电子工业出版社 ,1995：121-128.DONG Shu-yi.Modern Microwave Measurement Technique[M].Beijing：Publishing House of Electronics Industry,1995：121-128.

[6] 高铁,王金元.大型有源相控阵校准的MCM法及其误差分析[J].微波学报,2002(18)：1,6-10.GAO Tie,WANG Jin-yuan.MCM of Large Active Phased Array Calibrationand Tolerance Analysis[J].Journal of Microwares,2002(18)：1,6-10.