基于近场测试的毫米波相控阵面通道幅相校正方法

段国文，孟超普，王秀锦

(1.海军装备部，北京 100071；2.中国船舶重工集团公司第七二三研究所，江苏 扬州 225101)

0 引 言

相控阵天线是相控阵干扰机的主要组成部分。相控阵天线装配好之后，为了获得较理想的发射和接收特性，必须给每路馈电通道设置合适的幅度和相位值。毫米波相控阵面由于工作频段高、波长短，各组成部件的微小差异、机械加工误差、装配误差等因素都会导致各单元通道的初始幅相产生很大差异，因此必须对相控阵面进行校准[1]。

相控阵天线辐射特性的测量主要分为3个类别：近场扫描、中场校正及远场测量技术[2]。与室外远场测试系统相比，室内近场测试系统对多径和电磁环境干扰有很好的抑制，只要有效控制和修正测试误差，利用近场测试系统就能获得更高的测试精度和更完整的辐射天线信息[3]。因此，相控阵阵面的通道幅相校正以及方向图测试通常借助于近场测试系统。针对某毫米波相控阵平台，本文利用平面近场测试系统，采用近场逐点幅相测量法，对阵面各通道的幅相进行自动测试并进行幅度相位校正。

1 通道幅相测试

1.1 测试环境搭建

1.1.1 探头位置校准

对相控阵面通道进行幅度相位近场测试时，需确保扫描探头在空间上与相应测试通道对准。校准时打开安装于阵面上方的激光照射仪，控制扫描架在平行于阵面的平面内(x轴、y轴)移动，使激光中心与扫描架探头中心重合，设置此时扫描架位置为零点。

根据阵面结构尺寸，计算激光中心与相控阵第1行第1列的相对位置，并记为(x0,y0)，设阵面阵元的水平和垂直间距分别为Δx和Δy，则对第i行第j列进行通道幅相测试时扫描探头的位置为(x0+(i-1)·Δx，y0+(j-1)·Δy)。

完成阵面平面位置校准后，控制扫描架在垂直于阵面的方向(z轴)移动，确保通道测试时阵面接收链路处于线性区。

1.1.2 测试系统连接

某型毫米波相控阵阵面兼具对毫米波威胁雷达信号的接收与干扰功能，该阵面采用模拟和差波束体制进行威胁信号测频与测向。阵面组成示意如图1所示，设备接收到的毫米波威胁信号经一级下变频为厘米波段射频信号后进行和差波束形成。

图1 某型毫米波相控阵阵面组成示意图

本文在对阵面进行接收通道校正时，选择发射/接收(TR)中的接收通道+后级接收下变频通道进行链路级校正；进行发射通道校正时，选择上变频通道+TR发射通道进行链路级校正。接收通道校正和发射通道校正时设备连接图分别如图2、图3所示。

图2 接收通道校正系统连接框图

图3 发射通道校正系统连接框图

1.2 通道幅相测量参数设置

某型设备采用的TR组件接收通道可分别进行链路幅度衰减控制和移相控制，故接收通道校正时对链路幅度和链路相位均需进行校正；发射通道为链路饱和输出，故进行发射通道校正时仅需链路相位校正。通道幅相测量参数设置步骤如下：

(1) 通过主控软件进行矢网网络连接，并进行初始化设置(起始频率，终止频率，频率间隔)；

(2) 人工对矢网进行设置，包括发射端口功率值、接收中频带宽；

(3) 完成矢网连接与设置后，在测试主控机上通过主控软件进行通道测试参数设置，包括幅度码衰减值设置(仅接收通道)、移相码设置、是否带表设置、测试通道行设置、测试通道列设置、测试频率范围、测试结果保存位置及格式设置等。

1.3 通道测试

主控测试软件完成通道测试参数设置下发后，在扫描架控制软件下发开始测试命令，设备开始进入通道测试流程。通道测试流程如图4所示。

图4 发射/接收通道测试流程

2 通道幅相校正

由于某型设备TR组件接收通道校正时对链路幅度和链路相位均需进行校正，而发射通道校正时仅需链路相位校正，其相位校正方法与接收通道相位校正方法相同，因此本文仅对接收通道的幅度和相位校正方法进行描述。

2.1 基准通道选取

TR组件在交付使用后可能存在通道故障现象，因此选取基准通道前需先将故障通道进行剔除。对故障剔除后的阵面各通道，选取幅度基态、相位基态时幅度测量值的最小值所对应的通道为基准通道。

2.2 通道校正码的计算

幅度校正码和相位校正码计算过程如下。

2.2.1 幅度校正码的计算

(1) 计算单通道在固定移相码时，不同衰减码相对于幅度基态的实际衰减值；

(2) 计算某一幅相校正态幅度测量值与以基准通道幅度基态、相位基态为基准的校正态理论衰减量的幅度差值；

(3) 基于最小偏差准则查表计算幅度校正码；

(4) 更改幅度衰减码和移相码取值，完成所有移相和衰减态幅度校正码计算；

(5) 更改通道号和频点，完成所有通道全频带幅度校正码计算。

2.2.2 相位校正码计算

(1) 计算单通道在固定衰减码时，不同移相码相对于相位基态的实际相移量；

(2) 计算某一幅相校正态相位测量值与以基准通道幅度基态、相位基态为基准的校正态理论相移量的相位差值；

(3) 基于最小偏差准则查表计算相位校正码；

(4) 更改移相码和幅度衰减码取值，完成所有移相和衰减态相位校正码计算；

(5) 更改通道号和频点，完成所有通道全频带相位校正码计算。

3 校正后通道幅相测试

完成全阵面所有通道幅度、相位校正后，对校正后的阵面各通道进行幅度、相位采集，测试结果分别如图5和图6所示。其中图5为全阵面通道校正后幅度一致性测试结果，图6为全阵面通道校正后相位一致性测试结果。除个别故障通道外，全阵面通道幅度一致性和相位一致性满足要求。

图6 全阵面通道校正后相位一致性测试结果

4 全阵面方向图测试

基于上述阵面通道校正结果，使用近场测试系统对毫米波相控阵面发射方向图及接收和差方向图进行了测试。

发射方向图采用等幅分布，频点为f1时阵面中心波束及边波束的方位发射方向图和俯仰发射方向图分别如图7和图8所示。

图7 频点f1时方位发射方向图

图8 频点f1时俯仰发射方向图

为降低副瓣，接收方向图采用30 dB泰勒加权。频点为f1时的接收方位和波束、接收方位差方向图分别如图9和图10所示，接收俯仰和波束、接收俯仰差方向图分别如图11和图12所示。

图9 频点f1时接收方位和波束方向图

图10 频点f1时接收方位差波束方向图

图11 频点f1时接收俯仰和波束方向图

图12 频点f1时接收俯仰差波束方向图

5 结束语

针对某型毫米波相控阵面，本文给出了一种适用于工程应用的基于近场测试的阵面通道校正方法，对通道幅相测试环境搭建、通道测试流程进行了阐述，给出了一种基于最小偏差准则的通道幅相校正方法。采用上述方法进行通道幅相校正后，对全阵面进行了发射方向图和接收和差方向图测试，测试结果满足某型设备使用要求。