基于互耦测试的相控阵天线系统校准研究

芦海年等：基于互耦测试的相控阵天线系统校准研究27基于互耦测试的相控阵天线系统校准研究
芦海平吕涛罗建
(四川九洲空管科技有限责任公司，剛绵阳621000)
摘要:本文针对大型相控阵天线系统需要维护和不定期校准的问题，基于相控阵天线振子之间的互耦特性设计了一种通用的校准方法。

相对于互耦校准法，文章解决了天线阵面的异形结构和介电常数的不一致性引起的校准偏差，具有更好的通用性;相对于其他方法不需要增加硬
件适配，具有更简单的系统复杂度和更好的成本优势。

文章通过理论分析和数学推导为该方法提供了支撑，并经过多阵面，多频点验证了该方法的有效性。

该方法适用于大多数均匀直线相控阵天线系统，并可推广到平面阵列。

关键词:相控阵;互耦；自校准;外校准
中图分类号:TB9 文献标识码:A 国家标准学科分类代码：10. 55
DOI：1Q.15988/j. cnki. 1004 -6941.2018.08.008
Calibration of Phased - Array Antenna System Based on Mutual Coupling Test
Lu Haiping Lv Tao Luo Jian
Abstract：In this paper,a universal calibration method is designed based on the mutual coupling between the oscil­lators of the phased-array pared with the method of mutual coupling calibration,this paper solves the calibration bias caused by the heterostructure of antenna array and the inconsistency of dielectric constant，which is more pared with other methods,hardware adaptation does not need to be increased,which has simpler system complexity and better cost advantage.The method is supported by theoretical analysis and math­ematical derivation，and the validity of the method is verified by multi-array and multi-frequency points.This method is applicable to most of the uniform linear phased array antenna systems and can be extended to planar arrays. Keywords ：phased array；mutual coupling；self-calibration；external calibration
0引言
相控阵雷达是一种新型的电扫描多功能雷达，通过电子的方式实现天线波束扫描，广泛应用于车载、机载、舰载等平台。

相控阵天线是相控阵雷达的重要部件，由许多单元通道构成的天线阵列，每个通道包含天线振子与T R组件。

相控阵天线的校准是相控阵天线研制的必要环节，通过校准以保证各单 元幅度、相位特性一致。

由于相控阵天线各组件存在机械加工差异、装配误差等影响，使得天线各单元存在较大幅相误差，需要用采样架对各单元依次进行校准，使天线性能达到预期设计要求，通常这种校准被称之为外校准，该部分工作主要在暗室完成;脱离暗室测试环境后，利用设备自带的校准程序或功能进行溯源的活动通常称为内校准或自校准。

相控阵天线的主要校准方法有互耦法、近场测 试校准法、矢量平均等诸多校准方法。

目前，较多单 位基于上述方法开展了相控阵天线的外校准。

但在实际外场使用过程中，由于T R损坏、更换等原因，造成单元内的天线振子与T R组件不再配套，则外校准状态发生改变，理论上需再次进行各单元的外校准，但此过程需微在暗室进行，并且过程校准过 程复杂、耗时。

本文针对上述问题开展了相控阵天线的自校准技术研究，提出一种基于互耦理论的相共阵天线内 校准技术，该校准过程只需要改变各单元的收发状 态，即可获得一组校准方程，在保证天线物理特性不发生改变的情况下，通过引人外校准与自校准之间
收稿日期：018-06-05
28《针量与测试技术》2018年第45卷第8期
外校准结果如图2所示。

理论上，在相控阵单 元结构与连接状态不改变的情况下外校准参数 \為，一直适用。

2相控阵天线内校准理论分析 2.1自校准系统的构成
相控阵天线完成外校准后，在使用过程中经常 出现T /R 组件损坏、更换电缆等情况，将严重影响 天线振子的性能，因此有必要开展相控阵天线自校 准技术研究，以修正单元内组件变化引入的误差。

相控阵天线自校准系统组成如图3所示。

每个 单元包均含天线振子及T /R 组件两部分结构。

根 据传输矩阵特性，可得到单元的传输参数与天线振 子子R 组件传输参数的关系。

^total = ^pole X ^rf
(
2 )
式中「外校准测得的整体传输参数（包含 幅度相位）‘le —天线振子本身具有的传输参数。

^一射频组件本身具有的传输参数。

自校准过程就是求解/_l (下文自校准的 发射通道参数;自校准的接收通道麵），以此来 溯源使相控阵天线系统达到与坎一样的校准效果。

图3被测天线组成示意图（以3个通道举例）
2.2接收模块校准
本文基于相邻单元之间的互耦原理展开接收通 道与发射通道的传输参数校准。

文中使用的相控阵天线是均勻直线阵，在接收
通道校准时，相控阵的单元2作为发射单元（T/R 组件切换至发射组件），相邻单元1与单元3作为接 收单元(T /R 组件切换至接收组件），如图4所示。

图中，仏和43—通道1和通道3在接收射频信 号时的传输参数;；2—通道2在发射射频信号时的 传输参数;H
一2通道发射，1通道作为接收通道
时接收到的幅相;％_3一通道发射，3通道作为接 收通道接收到的幅相;八—在真空状态下，天线振子
的修正系数，BP 可完成新状态下的校准，同时不需要 增加硬件适配，该校准方法具有较好的通用性，为相
控阵天线后期的维护、T R 组件更换等提供方便。

1
相控阵天线的外校准
根据相控阵天线的工作原理，对于均勻直线阵， 天线阵列的方向图函数F ⑷可以表示为：
F () ^a /，—
(1)
i =0式中:at -个单元幅相加权系数;A —波长;d — 振子间距。

对于相控阵天线而言，A 和d 均为常数，
因此
一
套成品天线阵列的性能直接取决于a ,。

外校
准过程就是得到^的补偿向量，用这些补偿向量对 天线系统的幅相进行补偿以达到幅相一致的状态。

相控阵天线外校准示意图，如图1所示。

相控 阵天线作为发射天线，固定在发射端，并保持发射幅 度不变，依次将波导探头对准各个天线单元，测得一
组发射参数'(几=1，2，3，4...);改变波导探头与 天线单元的收发状态可得到各接收单元外校准参数
=1，2,3，…）。

对于采集得到的~和和 可用其倒数对天线系统进行补偿，进而可使随机分 布的a ,达到幅相一
致状态。

图
1
外校准示意图
Amplitude Performance of Channels Before/After Outer-Calibrate
i — — Transmit(befor ’
1 」-
’T 'i ! Reoeive(before Transmit(before)
Reoeive(before)1 〇 Transmit(after) O Receive(after)
5 10 15 20 25 30 35 40
number of antenna-channel
Phase Performance of Channels Before/After Outer-Calibrate
Transmit(before)Reoeive(before)Transmit(after)Receive(after)15 20 25 30
number of antenna-channel
图2
校准前后结果的对比
(a p )/§P A
S U H d l s
(3M S 3Q )
/
芦海年等：基于互耦测试的相控阵天线系统校准研究29
间距必4则有如下表示：
4=^x e^x2n)(3)
4一振子之间真空中的插损。

I a I a
图4各单元接收模块校准示意图
根据空间电磁场传播理论，可得到^，心3，，2，抓2-1，抓2-3，有如下下系：
=W2-l
{(4)
\J t2I a I r3=W2-3
解之可得：
L R i2-1
'2-
()
图5通过自校准得到接收传输系数步骤2
改变三组单元之间的收发状态，单元1发射，单 元2和单元3接收，如图5所示。

&一1通道发射时的传输参数，42和43-2,3通道接收时的传输参数;W i f i通道发射，2通道作为接收通道时接收到的幅度相位;Wi-3-1通道发射，3通道作为接收通道时接收到的幅度相位。

此时&、42、43^1-2、W1-3、、i有如下关系：
f^T1^R2=W1-2
1IT1l2A7R3=W1-3(
进而可得:
IR3
w1-3I r2
---x~T
W1-2IA
()综合上述式（）与式（7)，同时令^=1x#，即々（=2,3)相对于仏归一化，可求出仏=1，/r2, I r3。

以此类推可以求出其他接收通道^，（=1，，3，...《)的传输参数：
i r,
W{n-1)-n
W{n-1)-(i-2)X I r(-2)，n=4，5，6，7 (8)
2.3发射模块校准
发射模块的校准与传输模块校准类似，单元1 和单元3发射，单元2接收，得到方程如式⑷所示;改变发射状态，单元1和单元2发射，单元3接收，得到方程如式（10)所示。

IT3
^3-2
W1-2
-IT1() IT1
W1-31
W x y
W2-3IA
(10)
同时令I。

=1x e70，即1^(=2,3)相对于于，可求出I t^U t^。

以此类推可以求出其他接收通道1^，（=1，2,3，••…）的传输参数：
n-(n-1)
^(n-2)-(n-3)
:lT(_2),n=4,5,6,7..-(1)求解得到4…和^后，自校准过程完成。

后续对相控阵系统补偿时只需将4…和I t…的倒数补偿进相应的加权系数即可。

但参考文献中的应用环境过 于舰化，在实际使用中通常无法得到较好的校准结果(如图6所示），因此本文在外校准和自校准的基础上引入修正因子（用和来对自校准结
果进行修正。

2.4引入修正因子
理想情况下，自校准结果应该和外校准结果一致（即々=\)，但是在实际情况下两者不相等，因齡W=SRn，尺表7表示正因子。

在外校准时，通过用S r…的倒数来补偿相控阵系统来达到天线端口的幅相一致（即：S r…S r-1= 1，），于是可得：
^r…I r…S r_…1=S r…S r_…1=1e〇(⑵
则可得：
f^T…=fiT…/I T…
|^r=S r/I r
n n n
(3)
在本相控阵系统的使用过程中，若需更换T/
R
30《针量与测试技术》2018年第45卷第8期
■ Bn transmit calculate Bn receive calculate transmit calibrated receive calibrated
0 5 10 15 20 25 30 35 40 45
图7校准的最终结果
4
结论
本文为阵面结构较为复杂，覆盖介质不均勻的 大型相控阵天线系统，如大型飞机、舰艇、卫星等返
场测试成本非常高的项目提供了自校准的工程实现 可行性和经济性的解决方案。

在保证测试有效性的 条件下，解决了大型相控阵天线系统在日常维护后 的校准、检修后状态恢复等问题。

无需额外校准分 机或其他系统硬件支持，无需多加控制环节，校准状 态和平时相控阵天线的使用状态无任何区别，只需 通过软件控制，采集数据，后端运算即可生成校准结 果。

只要天线阵列在使用过程中不产生形变（碰 撞、生锈、天线内部结构件位移）则校准结果始终有 效，途中更换T /R 组件、射频线缆均不影响校准的 有效性。

文中所提及的均勻直线阵是相控阵天线系统中 比较简单的一种，此方法还可以推广到各种平面阵列 的校准上。

但由于项目限，未对平面阵列作验证。

(下转第33页)
各个天线单元的幅相。

由图7可知:经过校准后，发射通道的均值大约 在41. 2dB (相对幅度），差异小于0. 5dB ;接收通道 幅度均值为40. 7dB ，差异小于0. 5dB ;相位之间的差异也小于1°。

在运算过程中，有些通道因为超过 了 T /R 发射功率的上限，而为保持通道整体的一
致
性降低整体功率（其他振子功率做了一些牺牲）。

同时，相位之间的差异也放大了 1°，另外由于8位
A D 采样位宽限制，相位误差也放大到1°。

1°的相
位误差已不会对天线方向图造成影响，该校准应被 认为有效。

Performence Of Amplitude Calibrated with Bn _____________
组件或更换破损线缆、接头等，可执行自校准程序，
得到，乂、乂，进而通过式（12)求出万、、、?乂，然后 再将的倒数补偿至相应的加权系数即可 完成该系统的校准。

3相控阵天线校准实验分析及验证
3.1相控阵天线校准实验
引入修正因子前，接收通道校准结果如图6所 水，图中self calibrnt —自校准的幅相；outer cali ­
brate —外校賴到的幅相;difference in value - o -—
两者差异。

从图6中可见，两者在左半部分基本吻合，大概 能反应出通道一致性;然而，由于阵面结构差异，振 子间距^虽然相等，但是阵面覆盖介质中嵌入了其 他波段的金属贴片天线阵列，因此，排序靠后的振子 这种影响自校准得到的效果较差。

为使该相控阵系 统校准结果可用，则需引入修正因子、心…。

receive amplitude calibration
self-calibrate _
outer-calibrate —O- difference in value
i i i T
i i ) 5 10
15 20 25 30 35 40
4：
number of antenna-channel
receive phase calibration
—
self-calibrate
outer-calibrate --O- difference in value
5 20 25 30
35
number of antenna-channel
图6接收自校准幅相与外校准幅相的对比
3.2校准性能验证
完成前文所述校准和参数求取过程后，需向系
统注入变量以验证校准过程是否有效。

本文通过交 换T /R 组件顺序以达到变量注入的目的。

在新状态下，重复自校准过程求得和/'心;将其 带A 式(12。

，已知修正因子子、&
求得得;然
后用用，、的倒数对该相控阵系统进行补偿。

注意到在求解过程中出现的式（13。

(14)
B , T n =KTjr T n =BT n IT
最终结果如图7所示。

图中“- + -”曲线一校 准前依次将波导探头对准各个天线单元采集得到的 幅相;“ -〇 - ”曲线—校准后通过波导探头采集的
I - 3 2 1 C
1-4
4 44(CQ P ) /
CD "D
3!
l d E co (D >
l
CD
a 3
J
申釗光：分布式光歼测温系统的自校准技术研究33
0 20 40 60 80 100 120 140 160 180 200
测温距离
/m
(b )60°C 时DTS 测温结果
94
92
88
860
20
40
60
80
100 120
140
160
180
200
测温距离
/m
()90°C 时DTS 测温结果
图3带自校准系统的DTS 温度测试结果由图3可以看出，在通过对D TS 增加自校准系 统，利用小波变换去噪算法和累加平均去噪算法对 信号进行去噪处理，采用双高精度传感器提高参考34
28
26
20
40
60
80
100
120
140
160
180
200
测温距离
/m
(a )30°C 时DTS 测温结果
温度测量精度等一系列措施后，分布式光纤测温系
统的测量精度明显提高，在30°C 、60°C 和90C 等温 度测试环境下，测量误差均在± 1C 以内，具有较好 的工程应用价值和前景。

3结论
本文通过在D T S 中增加了自校准环节，运用小
波去噪算法和累加平均去噪算法对系统采集到的 Anti - stokes 光Stokes 光的功率信号进行去噪处理， 以及采用了双数字高精度传感器取平均值的方法得 到高精度的参考温度等一系列措施，使得分布式光 纤测温系统的测量精度明显提高，实验数据表明，该 方法能够将测量误差降低到± 1C 以内，可靠性高， 适用于监测煤矿、隧道等特殊工作环境的温度场分 布，具有较好的工程实用性。

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作者简介：申剑光，男，工程师。

工作单位:临汾市质量技术监督检验 测试所。

(上接第30页）
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作者简介:芦海平，男，工程师。

工作单位:四川九洲空管科技有限责
任公司。

吕涛，
罗建，空军驻绵阳地区军事代表室（绵阳621000)。

4 2 0
6
6 6U O /
M。