[发明专利]一种相控阵多维高效率远场校准测试方法

说明书

本发明公开了一种相控阵多维高效率远场校准测试方法，发射通道校准包括：S1、初始化m＝1；S2、将测试天线放置到测试角度β_m上；S3、打开通道1，测量远场辐射功率；S4、初始化n＝2；S5、校准通道n；S6、n＝n+1，若n≤N则返回S5；S7、对相控阵天线的各通道进行校准；S8、m＝m+1，若m≤M则返回S2，否则结束校准。接收通道校准包括：S9、打开通道1，测量采样信号幅度的最大值；S10、初始化n＝2；S11、校准通道n；S12、n＝n+1，若n≤N则返回S11；S13、对相控阵天线的接收通道进行校准。本发明实现了相控阵天线校准过程的自动化，减小了人员操作的难度以及操作误差，提高了测试精度和测试效率。

技术领域

本发明属于相控阵天线校准技术领域，涉及实现相控阵天线快速校准的理论和方法，特别是相控阵多维高效率远场校准测试方法。

背景技术

相控阵天线是由许多天线单元按一定排列规律组成的阵列天线，通过特定的馈电方式改变每个单元的激励信号从而达到波束扫描的功能，随着相控阵雷达技术的发展，不同形式及规模的相控阵天线不断发展与应用。

然而，在实际应用中，如图1所示，由于人员操作误差、天线制造公差、传输路径误差、通道长度误差和天线单元排列位置的误差会改变天线的相位分布，从而影响方向图的形成。相控阵天线采用电子控制和移相器实现波束扫描，阵列通道的相位是波束扫描最重要的因素。因此，校准相控阵天线各通道的激励相位是至关重要的。

目前相控阵天线的校准方法主要有以下四种：

方法一是旋转电矢量法，该方法基于远场叠加原理，首先测量阵列在初始相位分布时远区的辐射场的幅度和相位，接着改变其中一个天线单元的激励相位，使其从0～2π依次改变，改变一次相位就测量一次阵列的总功率，最后得到一条功率曲线，由功率曲线反推出该单元的初始激励幅度和相位。该方法只需要测量辐射场的幅度，对设备要求不高，但使用该方法测量时每个天线单元的激励相位都需要从0～2π依次测量，测量的次数和时间会增加，同时根据测量结果反推阵列单元的初始激励幅度和相位的解具有二义性，降低了测量精度。

方法二是换相测量法，该方法通过测量阵列在不同配相状态下探头的接收信号、相控阵天线和探头之间的传输系数来确定阵列各通道的复振幅，接着根据复振幅来复原相控阵天线的辐射特性。该方法能根据一次试验结果确定相控阵天线在所有配相下的远场辐射方向图，相对于远场、近场的扫描测试能大大提高效率。但该方法测量方程阶数大，通常为非满秩，由于测量方程的系数矩阵的秩总不充分，必须求解其伪逆矩阵，又由于伪逆矩阵和测量矢量相乘求得的系数和真值差一个任意固定数，造成了解的多值性，求解时必须求出多值性的特性，并找出消除多值性所必须的补充信息。

方法三是互耦校准法，这种方法利用阵列单元之间的互耦来实现通道校准，该方法主要适用于有源相控阵，需要各阵列通道能够实现独立的收发功能。使用该方法时不需要额外的天线探头和远场测试环境，只需利用阵列本身即可实现阵列的校准和测量。但该方法需要同时测量电场的幅度和相位，对于阵列天线的校准非常不方便，同时该方法要求被测相控阵天线具有圆极化方向图，且发射通道与周围的校准通道之间的距离相同以保证获得相同的耦合系数，限制了其使用范围。

方法四是近场校准技术，这种方法通过探头对靠近天线表面的场分布进行采样，从而取得幅度和相位数据，再通过远近场变换计算远场方向图，该方法可以连续全天候测量且不受来自外部环境的影响，测量精度高，可用于各种体制阵列天线的测量。但该方法的测试系统复杂，只能在微波暗室进行测量，对测量仪器同步性要求高，扫描时间长，数据量大，适用于相控阵天线研制阶段的工厂级测试，不适用于相控阵天线的校准阶段。另外，该方法对采样的精度和和采样数据的实时性要求很高。

综上所述，目前国内与国际上研究相控阵天线校准的技术存在效率低、难度大、复杂度高、求解困难的问题，使得在实际应用中使用以上方法时存在困难。

发明内容