一种外测法的相控阵合成功率标定和相位校准方法

技术领域

本发明涉及到相控阵功率合成及相位校准测试技术领域，特别涉及一种基于外场条件，利用频谱仪对大功率相控阵天线合成功率进行标定和相位校准方法。

背景技术

目前，随着相控阵天线技术的快速发展，大功率的相控阵装备在电子战中的应用越发普遍，而对装备的功率合成效率及相位校准需求也越来突出。虽然射频T/R组件工艺和耦合信号采集精度不断提升，但射频前端天线及信号源各通路稳定性和内部信号传输线缆因工艺误差等因素会造成不同的相位误差，容易给各通道相位校准带来困难，甚至难以得出趋于理论的合成效率。传统的基于矢量网络信号分析仪的相位标定方法，需要闭合通路进行收发连接，也难以对信号源和前端天线的相位延迟标定；另外受限于矢量网络信号分析仪连接的射频线缆长度和接收功率大小，也无法开展远场条件的标定测试。

发明内容

有鉴于此，本发明的目的在于提供一种基于频谱仪外测方式的相控阵合成功率标定和相位校准方法，适用于各通道单元相位可手动调整和参数保存的相控阵装备。该方法拓展了相控阵合成功率标定和相位校准领域，是对矢量网络分析仪相位校准和自身耦合信号相位校准的技术补充。

为了实现上述目的，本发明所采取的技术方案为：

基于相控阵通道测试软件，开展一种外测法的相控阵合成功率标定和相位校准方法，具体包括以下步骤：

步骤1，在外场远场测试条件下，将标准喇叭天线设置于相控阵天线的法线方向，并将频谱仪、相控阵设备终端、加载通道测试软件的控制计算机接入同一个网络；

步骤2，遍历测试得到所有通道阵子单元的实际辐射功率，根据前述实际辐射功率核算子阵理论合成功率、子阵间理论合成功率和整阵理论合成功率；

步骤3，设定相位校准的遍历范围和间隔，遍历测试得到各子阵的相位校准结果；

步骤4，根据步骤2核算的子阵间理论合成功率，对单个横向阵列各相邻子阵间进行相位校准；

步骤5，根据步骤2核算的子阵间理论合成功率，对单个纵向阵列各相邻子阵间进行相位校准；然后再对纵向子阵所在横向阵列的其余子阵进行相位校准；

步骤6，完成所有子阵间的相位校准后，以左右相邻子阵合阵、上下相邻子阵合阵、四分之一横阵、四分之一列阵、上半阵、下半阵、整阵进行多样化功率合成检核。

进一步的，所述步骤1中设置标准喇叭天线于相控阵天线的法线方向，具体包括：

(101)开启相控阵靠近中心位置的通道阵子单元功放，观察记录频谱仪信号电平读数；

(102)控制相控阵伺服机构进行水平方向旋转，获取信号电平最大读数位置的水平角度；

(103)控制相控阵伺服机构进行俯仰方向旋转，获取信号电平最大读数位置的俯仰角度。

进一步的，所述步骤2具体为：

(201)单个通道阵子单元功放最大辐射功率测试参数设置；

(202)频谱仪对每个通道阵子单元功放测试的信号电平自动读数，并进行数据记录；

(203)以单个通道阵子功放信号电平的实测结果，核算相控阵子阵理论合成功率、子阵间理论合成功率和整阵理论合成功率(该结果是指导后续对子阵间合成的参考数据)。

进一步的，所述步骤3具体为：

(301)对各子阵内的起始通道阵子单元进行相位校准；

(302)依次各子阵内的剩余阵子单元进行相位校准：测试时，对子阵内的剩余阵子单元功放依次开启，待信号电平稳定后，采用粗测+精测方法，先按相位间隔90°、相位范围360°(-180°，180°)进行粗搜索，然后以粗搜获结果按相位间隔10°、相位范围90°(-45°，45°)进行精搜索；

(303)对各子阵相位校准后的最大辐射功率进行测试，并与步骤(203)核算的子阵理论合成功率进行对比，若低于子阵理论合成功率超过0.5dB，则可考虑进一步缩短校准的相位间隔，重复步骤(302)。

进一步的，所述步骤4中单个横向阵列各相邻子阵间的相位校准，具体包括：

(401)确定单个横向阵列的起始子阵A1；

(402)同时开启起始子阵A1和相邻子阵B1的通道功放，待频谱仪信号电平读数稳定后，查看读数结果与步骤(203)核算的子阵间理论合成功率是否一致，若低于子阵间理论合成功率且相差幅度超过0.5dB，对相邻子阵B1整体相位进行手动调整，相应的调整方法可参照(302)中的粗测+精测方法实施；

(403)参照步骤(402)，开启相邻子阵B1和下一个横向相邻子阵C1的通道功放，对子阵C1进行整体相位校准，直至完成单个横向阵列所有子阵的相位校准。

进一步的，所述步骤5中单个纵向阵列各相邻子阵间的相位校准时，以上一个横向阵列中的起始子阵A1作为参考，平滑递推式对纵向相邻子阵A2相位进行校准，测试方法同步骤(402)和(403)；再对每个纵向子阵所在横向阵列的其余子阵进行校准，方法同步骤(401)、(402)、(403)。

本发明采取上述技术方案所产生的有益效果在于：

1、本发明可以通过有效利用频谱仪，从信号能量域，也是大功率相控阵实际指标需求的角度，直接对相控阵各通道单元进行相位校准和功率合成测试，测试结果更加直观精准。

2、本发明对相位校准步骤进行了模范化，便于软件流程式自动校准测试，减少人力物力，且可根据子阵理论合成功率、子阵间理论合成功率、整阵理论合成功率，对各环节的相位校准结果进行检核，进一步增加一次相位校准成功率。

3、本发明通过简易网络连通，基于远场测试条件对相控阵功率合成进行标定，其相位校准结果可直接应用于实际需求，且提出粗搜索+精搜索相结合手段提升了搜索效率，该测试方法可应用于其他大体量、功能单一化的相控阵功率合成标定场景中。

附图说明

图1为本发明实施例中基于频谱仪外测方式，采用子阵单元相位校准方法对相控阵合成功率进行标定的原理框图。

图2为本发明实施例中基于频谱仪外测方式，采用2阵子滑动相位校准方法对相控阵合成功率进行标定的原理框图。

具体实施方式

下面，结合附图和具体实施方式对本发明做进一步的说明。

为了更清楚地说明本发明两个实施例的技术方案，下面将对实施例的附图作简单地介绍。显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

实施例1：一种基于子阵单元的相位校准功率合成测试方法，是将阵面平均划分为N个子阵，每个子阵有M(M>2)个阵子，按N个子阵内相位校准和子阵间相位校准的流程进行功率合成测试。整个过程均由通道测试软件进行自动化测试。

该方法基于如图1所示的方法原理框图，具体包括以下步骤：

步骤1.在外场环境，根据相控阵工作频率范围和天线尺寸计算远场测试条件，并将标准喇叭天线设置于相控阵天线的法线方向，利用无线网桥和网络交换机将频谱仪、相控阵设备终端与加载通道测试软件的控制计算机接入到同一个网络；

步骤2.通过通道测试软件的通道功率测试功能，对相控阵所有通道阵子单元的等效辐射功率进行测试，得到各阵子单元的实际辐射功率；

步骤3.通过通道测试软件的子阵相位校准测试功能，设定相位校准的遍历范围和间隔，对相控阵所有子阵内的阵子单元进行相位校准，得到各子阵的相位校准结果；

步骤4.通过通道测试软件的子阵整体相位手动调相功能，对单个横向阵列各相邻子阵间进行相位校准；

步骤5.完成单个横向阵列各相邻子阵间的相位校准后，继续通过通道测试软件的子阵整体相位手动调相功能，对单个纵向阵列各相邻子阵间进行相位校准；然后再对每个纵向子阵所在横向阵列的其余子阵进行相位校准；

步骤6.完成所有子阵间的相位校准后，以四分之一横阵、四分之一列阵、上半阵、下半阵、整阵进行多样化功率合成检核。

前述步骤1-6中，相位校准用于判断进行功率合成的结果是否满足理论合成值，等同于图1、图2中记载的“功率合成检核”。

进一步的，所述步骤1中设置标准喇叭天线于相控阵天线的法线方向，具体包括：

(101)开启相控阵靠近中心位置的通道阵子功放，观察频谱仪信号电平读数，并实时记录；

(102)控制相控阵伺服机构进行水平方向旋转，同步观察记录频谱仪信号电平的最大读数，并取最大读数位置为伺服水平方向角度位置；

(103)控制相控阵伺服机构进行俯仰方向旋转，同步观察记录频谱仪信号电平的最大读数，并取最大读数位置为伺服俯仰方向角度位置。

进一步的，所述步骤2具体为：

(201)依次开闭各个通道阵子单元功放，频谱仪自动读数记录信号电平(该信号电平即为单个通道阵子单元功放的辐射功率)。当单个通道阵子单元功放的辐射功率达到最大值(该最大值为整阵满功率时的单通道阵子单元功放信号电平)，关闭该通道阵子功放，再开启下一个通道阵子功放；

(202)读取每个通道阵子功放测试的频谱仪信号电平数据，计算功放稳定后的平均信号电平；

(203)根据相控阵子阵划分区域，结合以上单个通道阵子功放信号电平的实测结果(即单个通道阵子单元功放的实际辐射功率)，核算子阵理论合成功率、子阵间理论合成功率和整阵理论合成功率(该结果是指导后续对子阵间合成的参考数据)，相应的核算过程为本领域技术人员公知的现有技术，不再详述。

进一步的，所述步骤3具体为：

(301)先对各子阵的起始通道阵子单元进行相位校准。具体可通过勾选对应的子阵起始通道阵子单元，按子阵相位校准测试方法进行功率合成测试；

(302)依次对各子阵内的剩余阵子单元的相位进行校准测试。测试时，对子阵内的剩余阵子单元功放依次开启，待信号电平稳定后，采用粗测+精测相位校准方法，先按相位间隔90°、相位范围360°(-180°，180°)进行粗搜索，然后以粗搜获结果按相位间隔10°、相位范围90°(-45°，45°)进行精搜索。完成子阵内所有阵子单元的相位校准测试后，关闭该子阵内所有阵子单元，然后按照步骤(301)和(302)再对下个子阵进行校准测试；

(303)按单通道阵子单元功放以最大信号电平开启，对各子阵相位校准后的最大等效辐射功率进行测试，并与步骤(203)核算的子阵理论合成功率进行对比，若低于子阵理论合成功率且相差幅度超过0.5dB，则可考虑进一步缩短校准的相位间隔，重复步骤(302)；若步骤(302)中阵子单元功放开启电平为最大信号电平，则步骤(303)可不用测试。

进一步的，所述步骤4中单个横向阵列各相邻子阵间的相位校准，具体包括：

(401)选定单个横向阵列中的一个子阵为起始子阵A1，依次平滑递推式对横向相邻子阵B1的相位进行整体校准；

(402)同时开启起始子阵A1和相邻子阵B1通道信号电平，待频谱仪信号电平读数稳定后，查看读数结果与步骤(203)核算的子阵间理论合成功率是否一致；若低于子阵间理论合成功率且相差幅度超过0.5dB，对相邻子阵B1整体相位进行手动调整，具体的调整方法可参照步骤(302)中的粗测+精测相位校准方法实施；

(403)相邻子阵B1相位校准后，对相邻子阵B1的下一个横向相邻子阵C1进行校准，方法同步骤(402)，直至完成子阵A1所在的单个横向阵列所有子阵的相位校准。

进一步的，所述步骤5中单个纵向阵列各相邻子阵间进行相位校准时，以上一个横向阵列中的起始子阵A1作为参考，平滑递推式对纵向相邻子阵A2相位进行校准，测试方法同步骤(402)和(403)，直至完成子阵A1所在的单个纵向阵列所有子阵的相位校准；再逐个对相邻子阵A2、A3、A4、···所在横向阵列的其余子阵进行校准，方法同步骤4中(401)、(402)、(403)，直至完成每个纵向子阵所在横向阵列的其余子阵校准。

进一步的，所述步骤6是对相位校准后结果的充分检核，尤其在整阵不具备远场测试条件时，可通过左右相邻子阵合阵、上下相邻子阵合阵、四分之一横阵、四分之一列阵、上半阵、下半阵等进行多样化功率合成检核。若具备整阵远场测试条件，则可进一步对整阵功率合成测试结果进行检核。若存在实际测试合成功率与通道单推实测功率的理论合成功率相差幅度大于0.5dB，则对具体的子阵单元进一步相位合成校准检验。

实施例2：一种基于2阵子平滑的相位校准功率合成测试方法，是基于两个相邻阵子，以一个为滑动窗口进行功率合成测试，依次完成所有阵子的相位校准。整个过程均由通道测试软件进行自动化测试。

该方法基于如图2所示的方法原理框图，具体包括以下步骤：

步骤1.在外场环境，根据相控阵工作频率范围和天线尺寸计算远场测试条件，并将标准喇叭天线安置于相控阵天线的法线方向，利用无线网桥和网络交换机将频谱仪、相控阵设备终端与加载通道测试软件的控制计算机接入到同一个网络；

步骤2.通过通道测试软件的通道功率测试功能，对相控阵所有通道阵子单元的等效辐射功率进行测试，得到各阵子单元的实际辐射功率；

步骤3.通过通道测试软件的2阵子相位校准测试功能，设定相位校准的遍历范围和间隔，对相控阵所有阵子单元进行2阵子滑动相位校准；

步骤4.通过通道测试软件的子阵整体相位手动调相功能，对单个横向阵列各相邻子阵间进行相位校准；

步骤5.完成单个横向阵列各相邻子阵间的相位校准后，继续通过通道测试软件的子阵整体相位手动调相功能，对单个纵向阵列各相邻子阵间进行相位校准；然后再对纵向子阵所在横向阵列的其余子阵间进行相位校准；

步骤6.完成所有子阵间的相位校准后，以四分之一横阵、四分之一列阵、上半阵、下半阵、整阵进一步多样化功率合成检核。

进一步的，所述步骤1中设置标准喇叭天线于相控阵天线的法线方向，具体包括：

(101)开启相控阵靠近中心位置的通道信号，观察频谱仪信号电平读数，并实时记录；

(102)控制相控阵伺服机构进行水平方向旋转，同步观察记录频谱仪信号电平的最大读数，并取最大读数位置为伺服水平方向角度位置；

(103)控制相控阵伺服机构进行俯仰方向旋转，同步观察记录频谱仪信号电平的最大读数，并取最大读数位置为伺服俯仰方向角度位置。

进一步的，所述步骤2具体为：

(201)依次开闭各个通道阵子单元功放，频谱仪自动读数记录。当单个通道阵子单元功放的辐射功率达到最大值(该最大值为整阵满功率时的单通道阵子功放信号电平)，关闭该通道阵子单元功放，再开启下一个通道阵子单元功放；

(202)读取每个通道阵子单元功放测试的频谱仪信号电平数据，计算功放稳定后的平均信号电平；

(203)根据相控阵子阵划分区域，结合以上单通道阵子单元功放信号电平的实测结果，核算子阵理论合成功率、子阵间理论合成功率和整阵理论合成功率(该结果是指导后续对子阵间合成的参考数据)。

进一步的，所述步骤3中2阵子滑动相位校准过程具体为：

(301)根据阵面阵子相邻排列关系，按A-B，B-C，C-D等含1个相同阵子的滑动方式对2阵子进行功率合成测试；

(302)先开启阵子单元A功放，待A信号电平稳定后，开启阵子单元B功放。待B信号电平稳定后，采用粗测+精测相位校准方法，先按相位间隔90°、相位范围360°(-180°，180°)进行粗搜索，然后以粗搜获结果按相位间隔10°、相位范围90°(-45°，45°)进行精搜索。完成A-B阵子单元功率合成测试后，关闭阵子单元A功放，开启阵子单元C功放，待C信号电平稳定后，同样按阵子单元B的相位校准过程对阵子单元C进行相位校准，并依此滑动递推；

(303)按单通道阵子单元功放以最大信号电平开启，对2阵子相位校准后的子阵最大等效辐射功率进行测试，并与步骤(203)核算的子阵理论合成功率进行对比，若低于子阵理论合成功率且相差幅度超过0.5dB，则可考虑进一步缩短校准的相位间隔，重复步骤(302)；若步骤(302)中阵子单元功放开启电平为最大信号电平，则步骤(303)可不用测试。

进一步的，所述步骤4中检核单个横向阵列各相邻子阵间的功率合成(即单个横向阵列各相邻子阵间的相位校准)时，以步骤(203)中通道单推实测功率的理论合成功率为依据，若相差幅度大于0.5dB，则对单个横向阵列各相邻子阵间的相位进行手动校准，具体包括：

(401)选定单个横向阵列中的一个子阵为起始子阵A1，依次平滑递推式对横向相邻子阵B1的相位进行整体校准；

(402)同时开启起始子阵A1和相邻子阵B1通道信号电平，待频谱仪信号电平读数稳定后，查看读数结果与步骤(203)核算的子阵间理论合成功率是否一致；若低于子阵间理论合成功率且相差幅度超过0.5dB，对相邻子阵B1的整体相位进行手动调整，方法可参照步骤(302)中的粗测+精测方法实施；

(403)相邻子阵B1相位校准后，对相邻子阵B1的下一个横向相邻子阵C1进行校准，方法同步骤(402)，直至完成子阵A1所在的单个横向阵列所有子阵的相位校准。

进一步的，所述步骤5中检核单个纵向阵列各相邻子阵间的功率合成时，以上一个横向阵列中的起始子阵A1作为参考，平滑递推式对纵向相邻子阵A2进行功率合成检核，功率合成检核的具体过程参见步骤(402)；相邻子阵A2相位校准后，对相邻子阵A2的下一个纵向相邻子阵A3进行校准，方法同步骤(402)，直至完成子阵A1所在的单个纵向阵列所有子阵的相位校准；然后再对每个纵向子阵所在横向阵列的其余子阵进行校准，方法同步骤4中(401)、(402)、(403)。

进一步的，所述步骤6是对相位校准后结果的充分检核，尤其在整阵不具备远场测试条件时，可通过四分之一横阵、四分之一列阵、上半阵、下半阵等进行多样化功率合成检核。若具备整阵远场测试条件，则可进一步对整阵功率合成测试结果进行检核。若存在实际测试合成功率与通道单推实测功率的理论合成功率相差幅度大于0.5dB，则对具体的子阵单元进一步相位合成校准检验。

除上述实施例外，本发明还可以有其它实施方式，凡采用等同替换或等效替换形式的技术方案，均落在本发明要求的保护范围。