一种相控阵天线阵元校准及方向图录取方法技术

本发明专利技术提供了一种相控阵天线阵元校准及方向图录取方法，包括获取天线近场非振荡区域对应的垂直间距；根据指定截断电平对应的区域确定二维测试面和双一维测试面，并确定划分双一维测试面的栅格；并计算得到虚拟二维电场矢量；计算得到二维误差；计算等效二维近场；进行校准得到校准后的并生成补偿校准码；加入补偿校准码后再次使用上述方法测量天线中所有阵元的幅度和相位分布，完成所有阵元方向图的录取。本发明专利技术将单个阵元所对应的二维测试面等效为一个正交的一维列向量测试向量，在确保校准精度近似不变的情况下，大幅度降低了天线校准所需的测试量，进而几何级地提升了天线校准的效率，并有效降低一次校准后的剩余误差。并有效降低一次校准后的剩余误差。并有效降低一次校准后的剩余误差。

【技术实现步骤摘要】
一种相控阵天线阵元校准及方向图录取方法


[0001]本专利技术属于雷达
，涉及一种相控阵天线阵元校准及方向图录取方法。

技术介绍

[0002]传统的相控阵校准方法主要包括口径场校准、近场反演口径场校准、单通道单开二维近场校准等方法。
[0003]口径场校准是最传统的校准方式，该方法能够在距离天线极近的区域内采集天线辐射出的所有能量。在保持其余通道工作在负载状态的情况下，依次激励特定通道，获取天线等效辐射功率或小信号增益(口径场)。通过单通道校准，能够快捷获取每个通道的相对幅度和相位分布。通过有限次数的迭代，可以实现相控阵天线的快速校准，实现可接受的剩余误差量级。然而，当探头较大时，由探头与待测天线之间相互反射引起的多径效应明显，常常对天线周围的电(磁)场产生较明显的扰动，引入测试误差；同时，当探头距天线口面距离较近时，天线辐射能量中往往同时包含平行于最大辐射方向矢量的波谱和垂直于最大辐射方向矢量的波谱，使用此类方法进行校准时，高次模将引入一定量级的误差，因此，在校准时往往需要反复调整间距并确认高次模的凋落特性；此外，口径场校准对于一次散射效应考虑不足，即仅考虑当前激励通道在对应阵元上的激励，未能考虑当前通道在其余阵元上激励出的感应电流对空间电磁场分布的影响；最后，口径场校准的基准通常为每个通道在阵元上激励电流对应所有辐射能量的总和，未能充分考虑单个阵元方向图的差异性，当相控阵阵元数量较少或各阵元周围电磁环境差异较大时，将引入误差。
[0004]近场反演口径场(又称为近场诊断)通过对空间内垂直于波矢量的平面进行矩形栅格采样获得近场电场的幅度和相位，进行快速逆傅里叶变换，从而获得针对天线测试面中心的远场复方向图(包含幅度和相位信息)，继而修正测试面中心到天线等效相位中心的位移与辐射方向点积所对应的相位，解析计算得到针对天线相位中心的远场复方向图，后通过快速傅里叶变换，在经过天线相位中心，且垂直于天线法向辐射方向的平面上，获得与近场采样栅格一致的幅度和相位分布，后通过插值获得所有阵元的复激励。此类方法的主要问题在于近远场反演的精度，现阶段影响反演精度的因素较多，主要涉及近场测试环境(主要体现在18项平面近场测试误差项上，包含探头，扫描架，场地，测量系统，仪表等多项因素，NIST
‑
18[6])和数值算法误差上。现阶段各类反演的精度较难突破
±
0.3dB/
±3°
的精度，而在多数情况下，近场的残余误差多控制在优于
±
0.7dB/
±
15
°
的范围内，因此，反演精度的误差不能忽略。今年来，科研工作者使用了各种方法提高反演精度，但上述误差量级始终难以突破。
[0005]单通道二维单开近场校准方法在距离辐射单元3～5波长处依次录取单个天线激励时的不同位置近场的电场耦合结果，从而获取单个天线阵元的等效方向图。单个通道激励时，当距离大于3～10波长时，沿切向传播的分量已得以充分衰减，此组测试数据可视为单通道对应的天线近场测试数据(截断电平与测试区域相关)，通过此方法，配合波束控制链路和矢量网络分析仪的快速切换，实现天线的校准和阵中单元方向图的获取。但是，此方
法的测试面为二维矩形，当天线通道数较多时，单次校准的时间与测试量较长。
[0006]因此，上述方法在大规模相控阵天线校准及天线高精度建模原始数据时均存在一定技术缺陷，如实施时间较长，建模原始数据录取精度有限，适用范围不足以覆盖所有工况等。

技术实现思路

[0007]为解决现有技术存在的难题，本专利技术提供了一种相控阵天线阵元校准及方向图录取方法，包括以下步骤：
[0008]获取天线近场非振荡区域对应的垂直间距，所述天线近场非振荡区域对应的垂直间距具体为，在平面近场暗室，当平面近场中心区域归一化幅度和相位趋于稳定时探头到天线的垂直间距；
[0009]在此垂直间距上，将探头对准天线的某一非边缘阵元的几何中心，记录其电平，随后分别沿方位向和距离向平移探头，根据指定截断电平对应的区域确定二维测试面和双一维测试面，并确定划分双一维测试面的栅格；
[0010]分别录取双一维测试面中每一栅格处非边缘阵元对应的电场矢量，并计算得到虚拟二维电场矢量；
[0011]录取二维测试面中的每一栅格处非边缘阵元对应的实测电场矢量，并计算得到二维误差；
[0012]录取指定截断电平对应的区域中的每一阵元在双一维测试面的栅格处的电场矢量，计算等效二维近场；
[0013]根据实测电场矢量与计算获取的等效二维近场，将天线阵元方向图的相位中心移至二维测试面中心或天线相位中心，进行校准得到校准后的并生成补偿校准码；
[0014]加入补偿校准码后再次使用上述方法测量天线中所有阵元的幅度和相位分布，完成所有阵元方向图的录取。
[0015]进一步地，若指定截断电平对应的区域为M*N个阵元，则所述二维测试面为(M+u)*(N+v)个阵元大小的测试面，将二维测试面均匀划分成若干个栅格，所述双一维测试面的栅格为二维测试面的栅格中选取出的方位向最中间的一列栅格和距离向最中间的一列栅格，其中，u为指定截断电平对应的区域比天线近场非振荡区域在方位向多出的阵元个数，v为指定截断电平对应的区域比天线近场非振荡区域在距离向多出的阵元个数。
[0016]进一步地，所述虚拟二维电场矢量所述的计算公式为：
[0017]E
′
(x
mon
，y
mon
)＝E(x
mon
，0)
×
E(0，y
mon
)
[0018]其中，x
mon
表示非边缘阵元(m，n)的二维测试面的栅格的横坐标，y
mon
表示非边缘阵元(m，n)的二维测试面的栅格的纵坐标，x
mon
和y
mon
所在坐标系的坐标原点为(m，n，d)，其中，(m，n)为某一非边缘阵元的坐标，d为当平面近场中心区域归一化幅度和相位趋于稳定时探头到天线的垂直间距；E
′
(x
mon
，y
mon
)表示栅格(x
mon
，y
mon
)处非边缘阵元(m，n)的虚拟二维电场矢量，E(x
mon
，0)表示栅格(x
mon
，0)处非边缘阵元(m，n)的电场矢量，E(0，y
mon
)表示栅格(0，y
mon
)处非边缘阵元(m，n)的电场矢量。
[0019]进一步地，所述二维误差的计算公式为：
[0020]Eerror(x
mon
，y
mon
)＝E(x
mon
，y
mon
)
‑
E
′
(x
mon
，y
mon
)
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【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种相控阵天线阵元校准及方向图录取方法，其特征在于，包括以下步骤：获取天线近场非振荡区域对应的垂直间距，所述天线近场非振荡区域对应的垂直间距具体为，在平面近场暗室，当平面近场中心区域归一化幅度和相位趋于稳定时探头到天线的垂直间距；在此垂直间距上，将探头对准天线的某一非边缘阵元的几何中心，记录其电平，随后分别沿方位向和距离向平移探头，根据指定截断电平对应的区域确定二维测试面和双一维测试面，并确定划分双一维测试面的栅格；分别录取双一维测试面中每一栅格处非边缘阵元对应的电场矢量，并计算得到虚拟二维电场矢量；录取二维测试面中的每一栅格处非边缘阵元对应的实测电场矢量，并计算得到二维误差；录取指定截断电平对应的区域中的每一阵元在双一维测试面的栅格处的电场矢量，计算等效二维近场；根据实测电场矢量与计算获取的等效二维近场，将天线阵元方向图的相位中心移至二维测试面中心或天线相位中心，进行校准得到校准后的并生成补偿校准码；加入补偿校准码后再次使用上述方法测量天线中所有阵元的幅度和相位分布，完成所有阵元方向图的录取。2.根据权利要求1所述的相控阵天线阵元校准及方向图录取方法，其特征在于，若指定截断电平对应的区域为M*N个阵元，则所述二维测试面为(M+u)*(N+v)个阵元大小的测试面，将二维测试面均匀划分成若干个栅格，所述双一维测试面的栅格为二维测试面的栅格中选取出的方位向最中间的一列栅格和距离向最中间的一列栅格，其中，u为指定截断电平对应的区域比天线近场非振荡区域在方位向多出的阵元个数，v为指定截断电平对应的区域比天线近场非振荡区域在距离向多出的阵元个数。3.根据权利要求2所述的相控阵天线阵元校准及方向图录取方法，其特征在于，所述虚拟二维电场矢量所述的计算公式为：E
′
(x
mon
，y
mon
)＝E(x
mon
，0)
×
E(0，y
mon
)其中，x
mon
表示非边缘阵元(m，n)的二维测试面的栅格的横坐标，y
mon
表示非边缘阵元(m，n)的二维测试面的栅格的纵坐标，x
mon
和y
mon
所在坐标系的坐标原点为(m，n，d)，其中，(m，n)为某一非边缘阵元的坐标，d为当平面近场中心区域归一化幅度和相位趋于稳定时探头到天线的垂直间距；E
′
(x
mon
，y
mon
)表示栅格(x
mon
，y
mon
)处非边缘阵元(m，n)的虚拟二维电场矢量，E(x
mon
，0)表示栅格(x
mon
，0)处非边缘阵元(m，n)的电场矢量，E(0，y
mon
)表示栅格(0，y
mon
)处非边缘阵元(m，n)的电场矢量。4.根据权利要求3所述的相控阵天线阵元校准及方向图录取方法，其特征在于，所述二维误差的计算公式为：Eerror(x
mon
，y
mon
)＝E(x
mon
，y
mon
)
‑
E
’
(x
mon
，y
mon
)其中，E(x
mon
，y
mon
)表示栅格(x
mon
，y

【专利技术属性】
技术研发人员：虞舜华，梁志伟，赵旭昊，邢英，汪智，程岩，
申请(专利权)人：中国电子科技集团公司第十四研究所，
类型：发明
国别省市：