一种接收相控阵天线校准系统及方法

技术领域

本发明涉及微波阵列天线领域中的一种接收相控阵天线校准系统及方法，适用于接收相控阵天线校准，特别适用于因阵列规模、带宽较大或需要更快校准速度和校准精确度需求较高等情况。

背景技术

目前相控阵天线校准主要有以下几种方法，在实现途径上虽各有特点，但均存在某种不足。

1、旋转矢量法，该方法首先构建通道移相矩阵并测量得到接收/发射得到的合成信号电平，通过构建移相矩阵与合成信号电平方程组求解得到阵列中每个通道幅相误差。该方法带入计算的移相矩阵为理想情况下的通道移相值，而实际由于移相器移相误差和移相与幅度之间的相互影响引入额外通道幅相误差，因此方程组求解结果存在一定误差甚至无解。

2、最大幅值法，该方法通过遍历所有通道移相态，当合成信号电平最大时的通道移相值即为通道相位校准值，该方法校准时间较长且不适用于大阵，因其校准过程中在线单元数较多时，单元移相产生的合成信号幅度变化会淹没在系统噪声中导致精度大幅降低，并且该方法不能直接得到单元幅度信息。

3、中场校准方法，在中场距离通过对所测到的耦合幅相值进行一系列的修正，利用这些修正后的幅相值对天线单元进行配幅配相，这种方法受边缘效应影响而引入一定误差。

4、互耦校准法，天线具备独立的工作与标定通道，在天线的使用过程中利用互耦系数对通道幅相变化进行修正，天线系统复杂且需要其他外场校准方法支持。

5、近场校准方法，这种方法基于近场测量技术需要在特定的近场暗室中进行，该方法受限于天线尺寸、设备精度和工作频段，随工作频率增加对设备精度和近远场变换精度要求大幅提升，系统复杂且普适性较低。

发明内容

本发明的目的是避免上述背景技术中的不足之处而提出一种稳健、通用性强的接收相控阵快速精确校准系统及方法，在该设计中，该系统及方法基于远场校准环境通过变频后利用模数转换在数字域进行处理，校准信号为子带划分后的宽带信号，频域上利用比幅比相得到被校准天线通道相对于基准通道的精确幅相信息，通过遍历所有子带和通道即可完成天线整个频带的校准工作。

为解决以上问题，本发明采用的技术方案为：

一种接收相控阵天线校准系统，包括：信号源、发射喇叭天线、校准基准天线、被校准相控阵天线阵列、下变频模块、校准处理与控制模块、相控阵天线波控与上位机；其中，被校准相控阵天线阵列包括多个被校准相控阵天线单元，校准基准天线法向方向与被校准相控阵天线阵列垂直；

信号源用于发射覆盖被校准相控阵天线阵列工作带宽的校准信号；

发射喇叭天线用于将校准信号转换为电磁波信号，并经过远场到达校准基准天线和被校准相控阵天线单元；

相控阵天线波控用于控制下变频模块与被校准相控阵天线单元对应TR组件与通道工作；

校准基准天线和被校准相控阵天线单元分别用于接收电磁波信号，并发送至下变频模块；

下变频模块用于将接收的两路信号转换为中频信号，并发送至校准处理与控制模块；

上位机用于根据校准带宽及校准处理与控制模块中模数转换的采样率进行频谱规划，分为若干校准频率子带，并根据天线使用需求及重点频率配置校准处理与控制模块中每个校准频率子带的校准频点数量及频率；

校准处理与控制模块用于控制信号源发射对应频率子带的宽带校准信号，并向相控阵天线波控下发TR组件和通道控制信号；还用于逐一单独打开待校准通道，并根据上位机的配置遍历每个校准频率子带，在每个校准频率子带对接收的两路中频信号进行幅相解算与幅相差求解，得到被校准通道相对于基准通道的幅相补偿值。

进一步的，校准基准天线与一个被校准相控阵天线单元共用，或独立安装于被校准相控阵天线阵列之上，与被校准相控阵天线阵列极化相同且工作频率覆盖被校准相控阵天线阵列工作频率。

进一步的，上位机根据校准带宽及校准处理与控制模块中模数转换的采样率进行频谱规划，分为若干校准频率子带，具体过程为：

上位机根据天线带宽将子带划分为N个子带，使得变频后的校准信号落在ADC采样后归一化频谱的IF

一种接收相控阵天线校准方法，基于上述系统实现，具体步骤包括：

(1)将接收相控阵天线校准系统置于满足远场条件的暗室或远场环境中；

(2)信号源发射覆盖被校准相控阵天线阵列工作带宽的校准信号，并通过发射喇叭天线转换为电磁波信号，经过远场到达校准基准天线和被校准相控阵天线单元；

(3)电磁波信号分别通过校准基准天线以及被校准相控阵天线单元对应TR组件和通道后进入下变频模块转换为中频信号，然后到达校准处理与控制模块；

(4)上位机根据校准带宽及校准处理与控制模块中模数转换的采样率进行频谱规划，分为若干校准频率子带，并根据天线使用需求及重点频率配置校准处理与控制模块中每个校准频率子带的校准频点数量及频率；

(5)校准处理与控制模块逐一单独打开待校准通道并遍历每个校准频率子带，在每个校准频率子带对被校准通道和基准通道进行幅相解算与幅相差求解；

(6)所有被校准通道的所有校准频率子带解算完成后形成通道幅相补偿矩阵，即校准值矩阵，校准处理与控制模块将校准值矩阵下发至相控阵天线波控存储后完成校准过程。

进一步的，步骤(4)中上位机根据校准带宽及校准处理与控制模块中模数转换的采样率进行频谱规划，分为若干校准频率子带，具体过程为：

上位机根据天线带宽将子带划分为N个子带，使得变频后的校准信号落在ADC采样后归一化频谱的IF

本发明相比背景技术有如下优点：

1、本发明校准系统具有校准速度快的特性，每个天线及通道标定仅需一次TR组件开关控制与一次两路中频信号的幅相解算与对比即完成该通道的幅度与相位在规划的频率子带的标定，不需要遍历每个组件的多个移相态，同时通过遍历数量较少的频率子带的幅相求解过程即可完成整个天线工作带宽的校准过程，校准主要过程放在数字域处理，大大提高了校准速度，尤其是在天线规模较大、校准角度较多和校准带宽较大的情况下可以极大程度缩短校准时间。

2、本发明校准系统具有校准结果精确的特性，该方法直接在数字频域进行高精度幅相求解，同时排除了其他方法需要遍历多个组件移相态而引入的幅相误差。

3、本发明校准系统具有通用、易集成的特性，校准方法使用子带划分的宽带信号进行标校，该方法利用频率子带划分及ADC多个采样域进行采样结合校准信号特性，使得校准系统对ADC采样率等主要参数并不敏感，大大提升了该校准方法的通用性，同时在相控阵天线日益朝着多功能与智能化发展的今天，校准处理与控制模块容易集成在相控阵天线波控板上进行自动校准。

附图说明

图1是本发明校准系统组成。

图2是本发明校准控制流与信号流。

图3是本发明校准方法工作流程。

具体实施方式

参照图1至图3，本发明所设计的一种接收相控阵天线校准系统及方法的实施方式如下所示。包括：信号源、发射喇叭天线、校准基准天线、被校准相控阵天线阵列、下变频模块、校准处理与控制模块、相控阵天线波控与上位机；其中，被校准相控阵天线阵列包括多个被校准相控阵天线单元，校准基准天线法向方向与被校准相控阵天线阵列垂直；

按图1连接接收相控阵天线校准系统，系统的搭建需要满足远场环境，将信号源与发射喇叭天线置于暗室或外场相对于被校准相控阵天线远场条件处，且发射喇叭天线与被校准相控阵天线正对放置。校准基准天线(辅助校准天线)与被校准相控阵天线处于同一平面并正对发射喇叭天线。校准基准天线与一个被校准相控阵天线单元共用，或独立安装于被校准相控阵天线阵列之上，与被校准相控阵天线阵列极化相同且工作频率覆盖被校准相控阵天线阵列工作频率。

校准控制流与信号流如图2所示。

信号源用于发射覆盖被校准相控阵天线阵列工作带宽的校准信号；

发射喇叭天线用于将校准信号转换为电磁波信号，并经过远场到达校准基准天线和被校准相控阵天线单元；校准信号的电磁波经过远场到达被校准相控阵天线阵列的每个天线单元为等相平面波，保证了每个天线单元接收到的初始校准信号相位相等且到达每个被校准相控阵天线单元与校准基准天线的相差恒定；

相控阵天线波控用于控制下变频模块与被校准相控阵天线单元对应TR组件与通道工作；

校准基准天线和被校准相控阵天线单元分别用于接收电磁波信号，并发送至下变频模块；

下变频模块用于将接收的两路信号转换为中频信号，并发送至校准处理与控制模块；

上位机用于根据校准带宽及校准处理与控制模块中模数转换的采样率进行频谱规划，分为若干校准频率子带，并根据天线使用需求及重点频率配置校准处理与控制模块中每个校准频率子带的校准频点数量及频率；

校准处理与控制模块用于控制信号源发射对应频率子带的宽带校准信号，并向相控阵天线波控下发TR组件和通道控制信号；还用于逐一单独打开待校准通道，并根据上位机的配置遍历每个校准频率子带，在每个校准频率子带对接收的两路中频信号进行幅相解算与幅相差求解，得到被校准通道相对于基准通道的幅相补偿值。

校准处理与控制模块在天线校准模式下判断所有通道是否校准完成，如果完成则对校准幅相值进行补偿生成校准数据矩阵并下发给相控阵天线波控进行存储，最后结束校准过程，如果未完成则切换进行下一个校准通道的校准，切换后通过TR组件内开关控制相应通道打开并关闭其他通道，切换后进行所有频率子带校准完成判定，如果所有频率子带均校准完成则重新进行所有通道校准完成判定，如果未完成则向信号源发送相应频率设置指令并进行下一个频率子带校准工作，频率子带校准过程中校准处理与控制模块进行两路中频信号频域幅相解算，两路频域幅相向量通过计算得到待校准通道与基准通道的幅相差值，直至该校准通道的所有频点校准完成，校准处理与控制模块生成校准数据矩阵并存储，完成以上流程后校准结束。

如图3所示，另一实施例一种接收相控阵天线校准方法，基于上述系统实现，具体步骤包括：

(1)将接收相控阵天线校准系统置于满足远场条件的暗室或远场环境中。

(2)信号源发射覆盖被校准相控阵天线阵列工作带宽的校准信号，并通过发射喇叭天线转换为电磁波信号，经过远场到达校准基准天线和被校准相控阵天线单元。

(3)电磁波信号分别通过校准基准天线以及被校准相控阵天线单元对应TR组件和通道后进入下变频模块转换为中频信号，两路中频信号具有恒定幅度差与相差，然后到达校准处理与控制模块。

(4)上位机根据校准带宽及校准处理与控制模块中模数转换的采样率进行频谱规划，分为若干校准频率子带，并根据天线使用需求及重点频率配置校准处理与控制模块中每个校准频率子带的校准频点数量及频率；

其中，位机根据校准带宽及校准处理与控制模块中模数转换的采样率进行频谱规划，分为若干校准频率子带，具体过程为：

上位机根据天线带宽将子带划分为N个子带，使得变频后的校准信号落在ADC采样后归一化频谱的IF

(5)校准处理与控制模块逐一单独打开待校准通道并遍历每个校准频率子带，在每个校准频率子带对被校准通道和基准通道进行幅相解算与幅相差求解；具体过程为：

校准处理与控制模块对两路数字中频校准信号进行FFT变换得到校准信号的频域复数向量，根据上位机所设置的频点对每个频点的基准通道与待校准通道的频域复矢量进行暂存，通过每个频点复数幅度与角度计算分别得到两路数字信号在每个校准频点的幅度和相位，对比两复数幅度即可得到被校准通道相对于校准基准通道的幅度差；对比两通道角度即可得到被校准通道相对于校准基准通道的相位差，遍历所有频率子带后即可得到该通道整个天线工作带宽的校准数据。

(6)所有被校准通道的所有校准频率子带解算完成后形成通道幅相补偿矩阵，即校准值矩阵，校准处理与控制模块将校准值矩阵下发至相控阵天线波控存储后完成校准过程。具体过程为：

校准处理与控制模块通过遍历所有通道进行单独打开并保持其他通道关闭即可求得所有通道相对于校准基准通道的幅相差，校准处理与控制模块根据各通道相对于校准基准通道的幅相值进行补偿构建校准数据矩阵，最后进行校准数据矩阵的下发与存储并结束校准过程，即可快速、精确地实现相控阵天线整阵的校准。