用于毫米波相控阵天线的指向精度修正方法与相关技术

电子信息对抗技术Electronic Information Warfare Technology2019,34(2) 中图分类号:TN821.8 文献标志码:A 文章编号:1674-2230(2019)02-0048-04收稿日期:2018-07-02;修回日期:2018-08-06作者简介:谭炽州(1980 ),男,硕士,高级工程师㊂毫米波阵列近场校准技术谭炽州,郑　轩,周昌杰(电子信息控制重点实验室,成都610036)摘要:毫米波阵列天线由于其阵元间距小,装配和生产过程带来的误差对通道的初始幅相带来较大的影响,因此必须对其进行校准㊂介绍了一种基于Phase toggle 算法的近场校准方法,该方法不仅能够提高相控阵天线通道间幅相一致性,同时也能减少阵元间互耦的影响㊂试验结果表明,该校准方法稳定可靠,可有效地实现毫米波阵面的校准,具有广泛的工程适用性㊂关键词:毫米波相控阵;近场校准;互耦效应;Phase toggle 算法DOI :10.3969/j.issn.1674-2230.2019.02.012Near -field Calibration Research of Millimeter Wave Phased ArrayTAN Chi-zhou,ZHENG Xuan,ZHOU Chang-jie(Science and Technology on Electronic Information Control Laboratory,Chengdu 610036,China)Abstract :Because of small element spacing of millimeter wave array antenna,errors caused by assembly and production process have a great influence on the initial amplitude and phase of the channel.A near -field calibration method base on Phase toggle Algorithm is presented.This method not only improves the phased array antenna’s amplitude-phase consistency,but also di⁃minishes the effect of the mutual coupling.The test results show that this method has a good sta⁃bilization and effective realization of millimeter wave array calibration.This technique has a wide range of engineering applicability.Key words :millimeter wave phased array;near-field calibration;mutual coupling effect;phasetoggle algorithm1　引言从相控阵天线的工作原理[1]可知,通过配置阵列通道内衰减器和移相器的不同参数可实现阵列方向图的扫描,特定角域的高副瓣抑制等功能㊂因此,相控阵天线通道间的幅相一致性对于最终阵列能力的生成有至关重要的影响㊂毫米波阵列天线阵元间距小(<10mm),通道内元器件多,同时由于加工㊁装配带来的误差都会对通道间的幅相一致性带来影响㊂因此需要对其进行校准,使天线性能达到设计要求㊂常用的天线校准方法快速傅里叶变换法[2]㊁矩阵求逆法[3]㊁近场扫描法[4]㊁旋转矢量法[5]㊁互耦校准法[6]㊁换相法[7]等㊂近场校准测量技术近年来广泛应用于毫米波阵列天线的校准过程中㊂近场测量技术利用探头在天线口面上做二维机械扫描,测试每个通道辐射的幅度和相位㊂本文在近场扫描的基础上,通过Phase toggle 算法处理采集到的幅相数据信息进行去耦处理,从而得到精确的通道幅相初始值,进而实现通道校准和阵列系统的精确控制㊂84电子信息对抗技术·第34卷2019年3月第2期谭炽州,郑　轩,周昌杰毫米波阵列近场校准技术2　基本原理2.1　平面近场基本原理在离开被测体3~5个工作波长的距离上,用一个已知电特性的电小天线(天线的几何尺寸远小于工作波长)或称为探头(Probe)的探测器扫描抽样(按照取样定理进行抽样)一个平面或曲面上被测体近区电磁场的幅度和相位数据,再经过严格的数学变换(快速傅立叶变换,Fast Fourier Transform,简写为FFT)计算出天线远区场的电特性,这一技术称之为近场测量技术,如图1所示㊂图1　平面近场原理框图2.2　Phase toggle 校准算法由于校准数据采集链路中各种因素的影响而对通道真实幅相会产生干扰,需要通过某种方式解除,这个过程叫做解耦㊂一般采用的解耦算法叫做Phase Toggle 算法,算法原理如下:我们把某个频率的射频信号以向量的形式描述,通道真实信号为r ,环境扰动为ξ,实测信号为r′,如图2所示㊂图2　信号向量示意图基本算法是控制当前通道进行0度㊁180度移相,通过相加㊁相消解耦计算出当前通道的真实幅度和相位㊂结合图2具体解算公式如下:r ⇀0=12(r ⇀′0-r ⇀′180)(1)tan(ϕ)=|r ⇀′0|㊃sin(θ0)-|r ⇀′180|㊃sin(θ180)|r ⇀′0|㊃cos(θ0)-|r ⇀′180|㊃cos(θ180)(2)ϕ=arctan |r ⇀′0|㊃sin(θ0)-|r ⇀′180|㊃sin(θ180)|r ⇀′0|㊃cos(θ0)-|r ⇀′180|㊃cos(θ180æèçöø÷)(3)A =|ξ|=|r ⇀′0|2+|r ⇀′180|2-2|r ⇀′0||r ⇀′180|cos(θ0-ϕ)(4)2.3　阵因子公式相对于阵列基准点(x ,y ,z )处单馈源在空间M 点(对应波矢量k )处的能量方程:E =A 馈源幅度㊃e j θ馈源相位㊃e-j k ㊃r其中,k =2π/λ*(cos φsin θ,sin φsin θ,cos φ),r =(x ,y ,z )阵元辐射示意图如图3所示㊂图3　信号向量示意图因此对于有N 个馈源的阵列在空间M 处的能量为每个阵元在M 处的能量总和,其合成方程:E M =∑Ni =1A 第i 个馈源幅度㊃e j θ第i 个馈源相位㊃e -j k ㊃r上式即为阵因子合成公式㊂2.4　平面近场校准流程如图4所示,校准的流程如下:(1)通过调整近场扫描架探头,使其与阵列单元天线的距离不大于3~5个波长㊂(2)通过控制每个通道相位处于0°和180°,并对通道的幅度相位信息进行提取㊂如果是圆极化天线还需要分别提取H 面和V 面的信息㊂(3)按照公式(1~4)的计算方式,分别计算出当前通道真实的相位值和幅度值㊂94谭炽州,郑　轩,周昌杰毫米波阵列近场校准技术投稿邮箱:dzxxdkjs@(4)通过波控配置通道的移相器和衰减器,使得当前通道相位处于0°和0dB 衰减状态㊂(5)按法向辐射对全阵进行幅相配置,并再次提取通道的幅相信息㊂并按阵因子合成公式合成方向图,如方向图达到设计预期,则保存此次校准数据㊂图4　校准工作流程示意图3　试验验证 试验验证采用8×8二维阵列进行验证,其实物模型如图5所示㊂该阵列单元采用喇叭天线形式,工作频段为K 波段,右旋圆极化㊂图5　8×8阵面实物图按照2.4节的校准流程对天线阵面进行校准数据采集,并通过Phase Toggle 算法提取阵面的真实幅相信息㊂经测试对比(见图6),校准以后,其远场方向图接近仿真值,证明该校准方式有效㊂图7为扫描空域(±60°)范围内的方向图测试数据,从图7可以看出,经过校准以后,阵列在其扫描空域范围内方向图均可正常形成,该校准方法有效地抑制了单元天线间的互耦效应及元器件等对通道幅相一致性带来的影响㊂图6　校准前后方向图对比图7　阵面扫描方向图4　结束语 本文以近场扫描法为基础,采用了Phase tog⁃gle 去耦算法对相控阵通道的幅相进行校准㊂采用本方法提高了通道间的幅相一致性,并能有效地补偿由于毫米波阵列阵元间距小而带来的互耦效应影响㊂由实际工程实践可以看出,采用该方法可有效地实现通道的校准,所形成的方向图与设计值基本吻合,具有很好的工程实用价值㊂参考文献:[1]　张光义.相控阵雷达原理[M].北京:国防工业出5电子信息对抗技术㊃第34卷2019年3月第2期谭炽州,郑　轩,周昌杰毫米波阵列近场校准技术版社,2009.[2]　AUMANN H M,FENN A J,WILLWERTH F G.Phased Array Antenna Calibration and Prediction Using Mutual Coupling Measurements [J].IEEE Transac⁃tions on AP,1989,37(7):844-850.[3]　CHARLES S,DON W.Mutual Coupling-based Cali⁃bration of Phased Array Antenna [C]//IEEE Interna⁃tional Conference on Phased Array System &Technolo⁃gy,California:IEEE Service Center,2000:529-532.[4]　高铁,王金元.大型有源相控阵校准的MCM 法及其误差分析[J].微波学报,2002,18(1):6-10.[5]　韦哲,黄世钊.相控阵天线测量校准方法分析与比较[J].四川兵工学报,2014,35(1):119-122.[6]　崔晓莲,关德新.天线阵通道不一致的有源校正[J].测控技术,2003,22(10):17-18.[7]　王晓鹏,赵海明,张远航.基于近场测试的相控阵天线自动化校准与阵面监测方法[J].微波学报,2012,12(3):229-232.(上接第44页)(b)空间位置参数图6　估计出的第二组目标参数信息导引头按照优先顺序估计出两组目标参数信息㊂第一组目标的极化特性㊁空间位置参数如图5所示,极化分量A ㊁B 分别对应表示垂直极化分量和水平极化分量,跟踪目标位置分布于雷达附近,为雷达目标,极化信息显示雷达副瓣极化特性随时间变化较快㊂第二组目标的极化特性㊁空间位置信息如图6所示,跟踪目标位置分布于3个诱饵附近,为有源诱饵,极化信息显示诱饵天线主瓣极化特性相对稳定㊂试验中由于3个诱饵相对于导引头的张角远小于1°,小于导引头的空间分辨角,无法分辨3个诱饵辐射源,将3个诱饵分辨为一个目标辐射源㊂极化识别被动雷达导引头按照优先级将跟踪到的第一组目标送反辐射导弹控制系统,引导导弹攻击雷达目标㊂导引头能够根据雷达和诱饵信号极化特性的差异,完成对雷达目标识别㊁跟踪,达到抗诱偏的目的㊂4摇结束语 本文针对有源诱偏技术特点分析㊁研究了利用雷达同诱饵信号极化特性差异对雷达目标进行识别的抗诱偏技术㊂并对比分析了常规被动雷达导引头和极化识别被动雷达导引头的抗诱偏效果,显示了极化识别被动雷达导引头的良好抗诱偏性能,为被动雷达导引头抗诱偏技术提供了技术思路㊂参考文献:[1]　杜镇奇,姜永华,段鲁生,等.被动导引头寻的技术[J].战术导弹技术,2007(6):64-67.[2]　李臣,许涛,杨军,等.反辐射导引头脉内信号检测抗诱偏技术研究[J].计算机测量与控制,2014,22(8):2488-2490.[3]　王琴,李振卿.有源诱偏系统抗反辐射导弹原理及实现重点[J].电子工程,2009(4):13-16.[4]　周颖,甘德云,许宝民,等.反辐射武器攻防对抗理论与试验[M].北京:电子工业出版社,2012.[5]　李俊超,程家胜.基于空间谱估计的反辐射导弹抗诱偏技术[J].现代电子技术,2014,37(13):39-42.[6]　张亮.被动雷达导引头极化抗诱偏关键技术研究[D].长沙:国防科学技术大学,2013.[7]　莫特㊃H.天线和雷达中的极化[M].林昌禄译.成都:电子科技大学出版社,1989.15。

专利名称：一种相控阵天线快速校准方法及校准系统专利类型：发明专利
发明人：孙厚军,王焕菊,郑沛
申请号：CN201510246261.6
申请日：20150514
公开号：CN104953283A
公开日：
20150930
专利内容由知识产权出版社提供
摘要：本发明公开了一种相控阵天线快速校准方法及校准系统，通过测量和信号随天线单元相位变化4(N-1)次(N为相控阵天线单元个数)的和信号功率值，经过算法演算，就可计算出每个天线单元的相位；改变参考信道，再次测量和信号随天线单元相位变化4(N-1)次的功率值，经过算法演算，就可计算出天线单元的幅度。

该方法测量次数少，运算量较小，整个校准过程占用系统的时间开销小，因此该方法具有快速性；整个过程无需进行相位的直接测量，工程实现简单，且功率测量相对于相位测量更加稳定可靠，因此该方法具有稳健性；当相控阵天线的某些通道发生故障时，通过该校准方法获得的其它通道的相位差和幅度值依然有效，不会发生故障扩散，因此该校准方法具有鲁棒性。

申请人：北京理工大学
地址：100081 北京市海淀区中关村南大街5号
国籍：CN
代理机构：北京理工大学专利中心
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专利名称：一种适用于毫米波车载雷达领域的阵列天线误差校正方法
专利类型：发明专利
发明人：黄永明,李杨,宋依欣,毛子焕,刘晨文,邵文韬
申请号：CN202010349563.7
申请日：20200428
公开号：CN111537966A
公开日：
20200814
专利内容由知识产权出版社提供
摘要：本发明公开了一种适用于毫米波车载雷达领域的阵列天线误差自校正方法，其包括以下步骤：首先将建立阵列天线误差模型，将其分为馈线长度误差和天线间距误差两大类，其次设置两个位置信息已知的目标，通过其对应的特定距离‑多普勒单元上的相位信息，计算出阵列天线相对理想位置偏差估计距离以及阵列天线固定相位误差估计角度，完成天线阵列的自校正，最后通过天线相对理想位置偏差以及阵列天线固定相位误差估计来修正相位补偿方案和空域导向矢量，完成阵列天线的误差校正，大大提高了后续参数估计的准确性。

申请人：东南大学
地址：210000 江苏省南京市玄武区四牌楼2号
国籍：CN
代理机构：南京经纬专利商标代理有限公司
代理人：罗运红
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相控阵天线波束指向精度研究相控阵天线是一种重要的无线通信技术，具有高灵活性、高定向性和高抗干扰能力等优点。

波束指向精度是相控阵天线性能的关键参数之一，直接影响到天线的方向性和通信质量。

因此，对相控阵天线波束指向精度的研究具有重要意义。

在相控阵天线中，波束指向精度通常受到多种因素的影响，包括天线单元的电气性能、阵列几何结构、信号处理算法等。

为了提高波束指向精度，需要综合考虑这些因素并进行优化设计。

近年来，随着信号处理和图像处理等技术的不断发展，越来越多的研究者开始从这些角度出发，探索提高相控阵天线波束指向精度的新方法。

例如，基于机器学习的波束指向精度优化方法，以及基于稀疏表示的波束指向估计方法等。

为了研究相控阵天线波束指向精度的优化方法，本文采用了数字仿真和实验测试相结合的方式。

通过数字仿真分析各种因素对波束指向精度的影响，找出优化的重点和难点。

然后，根据数字仿真的结果，设计并制作了相控阵天线实验样机，进行实验测试以验证优化方法的可行性和有效性。

实验结果表明，通过综合考虑天线单元的电气性能、阵列几何结构和信号处理算法等因素，可以有效提高相控阵天线的波束指向精度。

同时，基于机器学习和稀疏表示的波束指向估计方法，也为提高波束指向精度提供了新的思路和途径。

相控阵天线波束指向精度的研究具有重要的理论和实践价值。

本文通过数字仿真和实验测试相结合的方式，验证了优化方法的可行性和有效性。

然而，仍然存在许多影响波束指向精度的因素需要进一步研究和优化，例如天线单元的物理尺寸、阵列规模和信号处理算法等。

未来研究方向可以是：探索更有效的优化算法：随着机器学习和人工智能等技术的不断发展，可以进一步探索更有效的优化算法，以实现波束指向精度的实时动态优化。

考虑物理实现限制：在优化过程中，需要考虑实际制作和装配过程中可能带来的误差和限制，例如天线单元之间的耦合效应、制造公差等问题。

扩展到多频段和多模态：目前的研究主要集中在单一频段和单一模态的情况，然而在实际应用中，往往需要同时处理多个频段和多个模态的情况。