相控阵列天线的准确自校准制造技术

公开了一种方法和装置，其能够现场检验相控阵列天线系统的单个相控阵列模块的健康度、校准和完整性，并且在一定情况下，通过使用波束控制计算机使所述相控阵列天线系统能够克服元件失效。本发明专利技术提供在天线阵列中或与其相邻的测试探针或ＲＦ辐射器，用于提供和接收测试和校准信号。

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】
本专利技术一般地涉及相控阵列天线，更具体地说，涉及用来校准直接辐射电子可控制相控阵列天线(ESA)的装置和方法。。
技术介绍
直接辐射电子可控制相控阵列天线(ESA)通常由在平坦或弯曲的表面上以格点图样间隔的多个单个天线元件组成，单个元件的组合能量形成天线。通过以下方法来完成天线的控制：以如下这种方式来电子式调整单个元件的时延或相位偏移，例如，由每一元件在选定的方向上从平面波接收到的能量相干组合，而在其他方向上的能量不组合。这个过程(通常称为波束形成)对于ESA概念是根本基础。瞄准精度是获得所期望的波束形状的能力和抑制旁瓣(在不希望方向上的增益响应)的能力，其高度依赖于每一元件中电子受控的时延或移相设备的精确度和准确度。每一天线元件的增益响应必须是精确和准确可控的，并且在宽带应用中也必须匹配频率响应特性以实现最佳结果。随着工作频率的增加，机械和电气容限变得严格，使得制造具有实现可接受的性能所需的过程控制的程度的天线变得不实际。对于工作在微波频率的天线尤其是这样。用在制造相控阵列中的一个方法是将小的发送或接收元件放在每一元件的近场中，并且使用它来测量每一单个元件的增益和相位或时延特性。接着可以产生补偿表并且用来调整控制电压的幅度以纠正单个元件的增益和相位误差。这个过程耗费时间，并且典型地仅在进行校准测量的频率和周围温度下有效。其他现有技术示例使用甚至更复杂的设计，其提供具有耦合的改进的专用集成电路(ASIC)或单片微波集成电路。进一步的发展使用这些现有技术的设计的组合。参见例如美国专利6,163,296、美国专利6,208,287、美国专利6,252,542、美国专利6,480,153。
技术实现思路
为了克服现有技术的不足，本专利技术提供了一种用于相控阵列天线的内建测试(BIT)和校准的方法和装置，所述方法和装置能够检验单个相控阵列模块的健康度和完整性，在许多情况下，通过使用波束控制计算机来计算帮助保持所期望的波束分布的修正的元件相位和幅度参数，使所述相控阵列天线能够克服元件失效。本专利技术提供以RF辐射器形式的、以通常对如何制造所述相控阵列天线不具有不利影响的方式部署在所述阵列内部的一个或多个测试探针。更具体地说，本专利技术的一个方面提供一种具有内建测试能力的相控阵列天线。所述装置通常由相控阵列天线系统、校准探针和波束控制计算机组成。所述相控阵列天线系统具有多个单个天线元件和用于每一单个天线元件的控制电路，所述元件形成波束形成网络；所述校准探针优选的是能够发送或接收从输入源提供的已调信号的单极辐射器，或对具有发送能力和接收能力两者的阵列而言，可以使用一个或多个阵列元件代替辐射器。其他实施例包括用于产生重复伪随机编码序列的伪随机噪声产生器、用于将所述伪随机编码-->序列的相同的副本发送到所述输入源调制器和可编程延迟电路的功分器、检测电路、至少一个模拟/数字转换器以及在所述校准系统中不同点处处理所述信号所需的各种滤波器。在另一方面，本专利技术提供一种用于校准相控阵列天线系统的方法，其中所述相控阵列天线系统包括多个天线元件和波束控制计算机。根据在此公开的用于接收阵列校准的方法，与所述单个天线元件相邻安装的校准探针辐射已知信号。优选的调制所述已知信号并且用伪随机编码序列对其进行编码，以能够准确地测量所述时延。所述编码序列被同时发送到可编程延迟电路。由单个天线元件接收来自所述校准探针的信号并且将其发送到检测电路。所述波束控制计算机比较所述输出信号和来自所述可编程延迟电路的编码序列，为所述单个天线元件中的每一个调整所述可编程延迟电路。对于发送阵列校准，从单个天线元件发送所述已知信号并且由所述校准测试探针接收。这个校准方法可以快速完成，提供单个阵列元件的准确的健康度分析。更具体地说，在一个方面，本专利技术提供了一种用于相控阵列天线系统的接收阵列校准的方法，其中所述相控阵列天线系统包括多个天线元件、波束控制计算机和校准探针，所述方法包括以下步骤：(a)产生宽带、双相调制的输入信号；(b)用所述输入信号激励所述校准探针；(c)将所述多个天线元件中的一个设置为接收；(d)在被设置为接收的所述天线元件处接收从所述校准探针辐射的所述输入信号；(e)对所述接收到的信号进行解调并且用所述波束控制计算机来分析它以确定所述天线元件的健康度；以及(f)对于每一剩余的天线元件，重复所述步骤(c)-(e)。在另一方面，本专利技术提供一种用于相控阵列天线系统的发送阵列校准的方法，其中所述相控阵列天线系统包括多个天线元件、波束控制计算机和校准探针，所述方法包括以下步骤：(a)产生宽带、双相调制的输入信号；(b)将所述多个天线元件中的一个设置为发送；(c)用所述输入信号激励被设置为发送的所述天线元件；(d)在所述校准探针处接收从被设置为发送的所述天线元件辐射的所述输入信号；(e)对所述接收到的信号进行解调并且用所述波束控制计算机来分析它以确定所述天线元件的健康度；以及(f)对于每一剩余的天线元件，重复所述步骤(c)-(e)。可以在本专利技术的各种实施例中独立地实现已经讨论的特征、功能和优势，或可以在又其他实施例中组合已经讨论的特征、功能和优势，可以参照下述描述和附图看出其进一步细节。附图说明可以在本专利技术的各种实施例中独立地实现已经讨论的特征、功能和优势，或可以-->在其他实施例中组合已经讨论的特征、功能和优势，可以参照下述描述和附图看出其进一步细节，其中相同的标号描绘相同的部分，并且其中：图1和2是示出了根据本专利技术的实施例的、分别被配置为用于发送阵列或接收阵列校准的相控阵列天线的方框图。图3a和3b是示出了校准根据本专利技术的相控阵列天线的流程方框图。图4是根据本专利技术的一个实施例的、具有内建测试能力的相控阵列天线的分解图；图5是图4的完全组装的相控阵列天线的图示；图6示出了根据图4和5的实施例的有用的探针的细节；图7和8是根据本专利技术的另一实施例的、具有三维堆叠架构和内建测试能力的相控阵列天线的前视图和后视图；以及图9是根据图7和8的实施例的有用的探针的图示。具体实施方式在下述描述中对附图进行引用，所述附图形成所述描述的一部分，并且在其中出于说明，示出了本专利技术的各种实施例。本专利技术提供了相控阵列天线，其具有以RF辐射器形式的、被部署在阵列内部或与其相邻的测试探针。测试探针RF辐射器独立于阵列工作，提供和接收测试和校准信号。在一个实施例中，测试探针包括形成RF或单极辐射器的部分钻孔的同轴电缆，通过延伸到相控阵列天线的内部或与其相邻的通孔安装所述同轴电缆。不同于如现有技术所建议的，从元件到元件顺序步进近场参考源或接收设备，而是一个公共的辐射或接收源名义上位于接收或辐射元件的格点的中心。由于我们知道中心源和接收元件之间的距离，并且由于无线电信号的传播速度是恒定的，因此我们可以计算到每一天线元件的确切的无线电波传播延迟。通过减去这个延迟，我们可以以我们用近场参考设备校准它的相同的方式来校准每一元件。虽然这个方法对于许多应用是足够的，但是随着工作带宽的增加或温度的改变，单个天线元件的特性也改变，使单个频率、单个温度校准变得不准确。为了克服这些问题，我们使用将宽带信号与在启动和工作期间两者所允许的地方的周期校准相组合。宽带信号更代表典型地由相控阵列发送或接收的信号的类型，因此在一本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种用于相控阵列天线系统（１００，５００）的接收阵列校准的方法，其中所述相控阵列天线系统包括多个天线元件（Φ１到Φｎ）、波束导向计算机（４５）和校准探针（４０，６１５），所述方法包括以下步骤：（ａ）产生宽带、双相调制的输入信号；（ｂ）用所述输入信号激励所述校准探针；（ｃ）将所述多个天线元件中的一个设置为接收；（ｄ）在被设置为接收的所述天线元件处接收从所述校准探针辐射的所述输入信号；（ｅ）对所接收到的信号进行解调并且用所述波束导向计算机来分析所接收到的信号以确定所述天线元件的健康度；以及（ｆ）对于每一个剩余的天线元件，重复步骤（ｃ）－（ｅ）。

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】US 2007-12-17 11/958,1771.一种用于相控阵列天线系统(100，500)的接收阵列校准的方法，其中所述相控阵列天线系统包括多个天线元件(Φ1到Φn)、波束导向计算机(45)和校准探针(40，615)，所述方法包括以下步骤：(a)产生宽带、双相调制的输入信号；(b)用所述输入信号激励所述校准探针；(c)将所述多个天线元件中的一个设置为接收；(d)在被设置为接收的所述天线元件处接收从所述校准探针辐射的所述输入信号；(e)对所接收到的信号进行解调并且用所述波束导向计算机来分析所接收到的信号以确定所述天线元件的健康度；以及(f)对于每一个剩余的天线元件，重复步骤(c)-(e)。2.根据权利要求1所述的方法，其中所述相控阵列天线系统还包括多个独立元件控制电路，其中所述独立元件控制电路中的每一个针对相位状态和衰减器状态控制所述多个天线元件中的一个，并且其中被设置为接收的每一个天线元件被循环于每个相位状态和每个衰减器状态。3.根据权利要求1所述的方法，还包括下述步骤：控制所述天线元件以补偿由所述波束导向计算机确定的健康度缺乏。4.根据权利要求1所述的方法，其中所述输入信号是连续波信号、宽带信号和正交相位信号中的一种。5.根据权利要求1所述的方法，其中由数字最大长度序列产生器产生的重复伪随机序列中的至少一个被用来对已知信号进行编码，并且将完全相同的重复伪随机序列通过可编程延迟电路发送到所述波束导向计算机，以有助于所述天线元件的健康度的分析。6.一种用于相控阵列天线系统(100，500)的发送阵列校准的方法，其中所述相控阵列天线系统包括多个天线元件(Φ1到Φn)、波束导向计算机(45)和校准探针(40，615)，所述方法包括以下步骤：(a)产生宽带、双相调制的输入信号；(...

【专利技术属性】
技术研发人员：JA纳瓦罗，RN博斯特威克，K斯科特，P诺里斯，J布莱尔，
申请(专利权)人：波音公司，
类型：发明
国别省市：US