一种基于紧缩场的毫米波相控阵天线幅相校准系统及方法技术方案

本发明专利技术涉及一种基于紧缩场的毫米波相控阵天线幅相校准系统及方法，包括多单元的待测相控阵天线，反射面、转台系统，直漏挡板、馈源天线，矢量网络分析仪、直流稳压电源、控制计算机以及测量暗室；校准系统通过紧缩场形成静区，待测相控阵天线位于静区内，该发明专利技术通过预先将相控阵天线以n个单元划分为一个子阵，并对相控阵天线每个子阵进行幅相调控，从而得到相控阵天线不同子阵的远场接收幅相信息，并根据得到的子阵幅相信息对每个子阵进行补偿，然后重复上述步骤对补偿后的相控阵天线进行二次校准，确定最终的校准数据。本发明专利技术能够在有效提高校准精度的同时，保证校准测试效率。保证校准测试效率。保证校准测试效率。

【技术实现步骤摘要】
一种基于紧缩场的毫米波相控阵天线幅相校准系统及方法


[0001]本专利技术涉及毫米波测量和天线的
，具体涉及一种基于紧缩场的毫米波相控阵天线幅相校准系统及方法。

技术介绍

[0002]目前，随着5G、雷达以及卫星技术的发展，阵列天线和相控阵天线被大家广泛关注和研究。相控阵天线可以通过控制每个辐射单元的馈电相位来改变方向图形状，从而不需要物理转动即可实现天线阵列不同波束指向，因此可以实现探测，搜索、识别、跟踪和制导等目的。然而天线设计完成后由于各种工艺误差，环境，射频链路差异以及幅相调控网络的不确定误差的影响，相控阵天线的各阵列单元的初始复激励是有差异性的，需要将每个单元的初始幅相校准到同一水平才能实现最佳的性能。因此相控阵校准技术成为相控阵测试的热点问题，随着对相控阵天线性能要求的不断提高，相控阵校准技术也在不断发展。尤其针对大型相控阵，单元数过多，需要高精度校准的同时兼顾高效率。
[0003]主要的校准方法有近场扫描测量法、中场校准方法、旋转矢量法(REV)、线性矩阵求逆法、互耦校准法、正交编码校准法、换相法等。目前工业上较常用的校准方法是近场扫描测量法，但是此校准方法需要对整列单元进行大量的开关操作，同时需要准确的位置信息和封装天线结构，此种测试每次只测单个阵列单元，测试结果未考虑阵列单元间的耦合，其余校准方法也都无法在测试精度和效率上做到最佳。

技术实现思路

[0004]本专利技术的技术解决问题：克服现有技术的不足，提供一种基于紧缩场的毫米波相控阵天线幅相校准系统及方法，该校准系统能显著提高毫米波相控阵天线的校准效率和校准精度。
[0005]本专利技术的构思如下：由于毫米波在空间中传输损耗大，各单元之间存在互耦作用，并且对大型毫米波相控阵来说，校准需要耗费大量时间，一般的校准方法难以保证校准效率和校准精度。本专利技术针对上述技术限制，提出了一种基于紧缩场的毫米波相控阵天线幅相校准系统及方法，通过紧缩场来提供远场环境，从而减小空间损耗，提高测试动态范围，远场条件下能够考虑各单元之间的耦合影响，提高了校准精度；通过预先将相控阵将若干单元划分为一个子阵，同时改变子阵内每个单元的馈电幅相，并对所有子阵进行遍历，从而得到相控阵天线不同子阵的远场幅相信息，并根据得到的子阵幅相信息对每个子阵进行补偿，然后重复上述步骤进行二次校准，第二次得到相控阵天线不同子阵的远场幅相信息，从而确定最终的各子阵间幅相误差，相对于传统的一次校准方法，二次校准可以进一步减小单元间互耦影响，提高了测试精度的同时，保证了校准效率。
[0006]根据上述的专利技术的构思，本专利技术采用如下技术方案：一种基于紧缩场的毫米波相控阵天线幅相校准系统，所述系统位于微波暗室(9)内，以屏蔽其他外界信号的干扰，所述系统包括：多单元的待测相控阵天线(1)、抛物反射面(2)、转台系统(3)，直漏挡板(4)、馈源
天线(5)、矢量网络分析仪(6)、直流稳压电源(7)和控制计算机(8)；具有N个单元的待测相控阵天线(1)，调控相控阵天线中每个单元的幅相，使每个单元具备M种幅度状态及L种相位状态，或对每个单元独立进行电源通断；抛物反射面(2)、转台系统(3)、直漏挡板(4)、馈源天线(5)和矢量网络分析仪(6)共同组成一个紧缩场系统，馈源天线位于抛物反射面的焦点位置，保证高精度远场测试环境；所述直漏挡板架设在馈源天线上方一定距离，相对馈源天线口径向外延伸一定距离；所述转台系统进行方位、俯仰旋转以及平移，或对具有不同方向波束相控阵进行校准，转台系统中心位于距离抛物反射面焦距位置，矢量网络分析仪收发端口连接馈源天线和转台系统上的待测相控阵天线，紧缩场系统为相控阵校准提供远场测试环境，即静区，并具有更小的路损(与远场相比)，提高了测量动态范围；
[0007]测量时，由矢量网络分析仪提供射频信号，直流稳压电源为相控阵天线供电，相控阵天线作为发射端；相控阵天线以电源通断法或者旋转矢量法进行校准；
[0008]当待测相控阵天线和馈源天线间距满足远场距离条件时，相控阵天线幅相校准系统的数学模型为AX＝B，A，B均为能够通过预设、测量得知的矩阵，而X为相控阵校准所要求的传输矩阵和幅相误差。当相控阵天线以电源通断法进行校准时，根据以n个单元为一个子阵同时进行电源通断，其中N为n的整数倍，矢量网络分析仪采集到系统链路的S参数，根据系统链路的S参数反演出每组的幅相误差，由控制计算机对数据进行实时存储和处理，并以系统链路的S参数中幅度最小值为基准，对相控阵天线每个单元或子阵进行自动补偿，然后对补偿后的相控阵天线进行二次校准，相对于传统的一次校准方法，二次校准进一步减小单元间互耦的影响；二次校准以m个单元为一个子阵同时进行电源通断，其中N为m的整数倍，n和m的值可以相同，也可不同；矢量网络分析仪再次采集系统链路的S参数，根据系统链路的S参数反演出不同单元的幅相误差，并由控制计算机存储和处理，两次校准均以测得的S参数最小值为基准进行补偿，最终校准数据为两次校准数据之和；
[0009]当相控阵天线以旋转矢量法校准时，以n个单元为一个子阵同时进行旋转矢量，旋转矢量按照一定的步进对待校准子阵进行相位的0
°
～360
°
旋转，并在远场测量旋转过程中的测量探头的幅度变化，遍历每个子阵，最终通过曲线拟合后处理方式解算处每个子阵之间的幅相误差，并以每个子阵中的幅度最小值为基准，对相控阵天线每个单元或子阵进行自动补偿，然后对补偿后的相控阵天线进行二次校准，二次校准以m个单元为一个子阵同时进行第一次校准步骤，其中N为m的整数倍，n和m的值可以相同，也可不同，两次校准均以测得的S参数最小值为基准进行补偿，最终校准数据为两次校准数据之和。
[0010]所述抛物反射面为单旋转抛物面，测量可覆盖整个微波频段。
[0011]所述转台系统中心位于距离抛物反射面1～3倍焦距位置。
[0012]所述馈源天线采用正交线极化馈电或椭圆极化或圆极化馈电方式，正交线极化馈电包括单极化、双极化。
[0013]所述直漏挡板位于馈源天线(5)上方5～10个波长位置，直漏挡板上下表面均铺上尖锥吸波材料，降低馈源直漏信号对校准精度的影响。
[0014]当待测相控阵天线和馈源天线间距满足远场距离条件时，建立的相控阵天线幅相校准系统的数学模型AX＝B中：
[0015][0016]A表示DUT馈电系数矩阵,表示每个单元的馈电系数；；
[0017]X表示DUT到馈源天线的传输矩阵和幅相误差,为每个单元馈电系数，S
i
为每个单元传输系数，
[0018]B表示馈源天线的接收数据，b(i)表示第i个单元对应的馈源天线接收数据，
[0019]在远场条件下，直接近似得到：
[0020][0021]S
i
为每个单元传输系数，
[0022]通过电源通断的方法实现并且避开调幅调相网络的量化误差，单元间耦合误差因素，实现具有N个通道的阵列幅相校准。
[0023]所述二次校准采用子阵电源通断方本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种基于紧缩场的毫米波相控阵天线幅相校准系统，所述系统位于微波暗室(9)内，以屏蔽其他外界信号的干扰，其特征在于，包括：多单元的待测相控阵天线(1)、抛物反射面(2)、转台系统(3)，直漏挡板(4)、馈源天线(5)、矢量网络分析仪(6)、直流稳压电源(7)和控制计算机(8)；具有N个单元的待测相控阵天线(1)，调控相控阵天线中每个单元的幅相，使每个单元具备M种幅度状态及L种相位状态，或对每个单元独立进行电源通断；抛物反射面(2)、转台系统(3)、直漏挡板(4)、馈源天线(5)和矢量网络分析仪(6)共同组成一个紧缩场系统，馈源天线位于抛物反射面的焦点位置，保证高精度远场测试环境；所述直漏挡板架设在馈源天线上方一定距离，相对馈源天线口径向外延伸一定距离；所述转台系统进行方位、俯仰旋转以及平移，或对具有不同方向波束相控阵进行校准，转台系统中心位于距离抛物反射面焦距位置，矢量网络分析仪收发端口连接馈源天线和转台系统上的待测相控阵天线，紧缩场系统为相控阵校准提供远场测试环境，即静区，并具有更小的路损(与远场相比)，提高了测量动态范围；测量时，由矢量网络分析仪提供射频信号，直流稳压电源为相控阵天线供电，相控阵天线作为发射端；相控阵天线以电源通断法或者旋转矢量法进行校准；当待测相控阵天线和馈源天线间距满足远场距离条件时，相控阵天线幅相校准系统的数学模型为AX＝B，A，B均为能够通过预设、测量得知的矩阵，X为相控阵校准所要求的传输矩阵和幅相误差；当相控阵天线以电源通断法进行校准时，根据以n个单元为一个子阵同时进行电源通断，其中N为n的整数倍，矢量网络分析仪采集到系统链路的S参数，根据系统链路的S参数反演出每组的幅相误差，由控制计算机对数据进行实时存储和处理，并以系统链路的S参数中幅度最小值为基准，对相控阵天线每个单元或子阵进行自动补偿，然后对补偿后的相控阵天线进行二次校准；二次校准以m个单元为一个子阵同时进行电源通断，其中N为m的整数倍，n和m的值可以相同，也可不同；矢量网络分析仪再次采集系统链路的S参数，根据系统链路的S参数反演出不同单元的幅相误差，并由控制计算机存储和处理，两次校准均以测得的S参数最小值为基准进行补偿，最终校准数据为两次校准数据之和；当相控阵天线以旋转矢量法校准时，以n个单元为一个子阵同时进行旋转矢量，旋转矢量按照一定的步进对待校准子阵进行相位的0
°
～360
°
旋转，并在远场测量旋转过程中的测量探头的幅度变化，遍历每个子阵，最终通过曲线拟合后处理方式解算处每个子阵之间的幅相误差，并以每个子阵中的幅度最小值为基准，对相控阵天线每个单元或子阵进行自动补偿，然后对补偿后的相控阵天线进行二次校准，二次校准以m个单元为一个子阵同时进行第一次...

【专利技术属性】
技术研发人员：宁宗贺，陈海波，王昕旸，
申请(专利权)人：北京中测国宇科技有限公司，
类型：发明
国别省市：