CN113132029A - 一种基于波束扫描模式相控阵天线初始幅相空口校准*** - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种基于波束扫描模式相控阵天线初始幅相空口校准***，包括吸波暗室，移相器、相控阵天线、探测天线和矢量网络分析仪。校准***采用空口测量的方式，通过确定相控阵天线波束偏转方向，设置移相器的移相，不需要专门的对每个单元进行单独相位调整，移相配置组成波束扫描控制矩阵B；探测天线放置在相控阵平面中心垂直轴线上，距离相控阵天线D位置处。根据阵列波束转向不同位置，通过移相器配置初始激励，通过矢量网络分析仪记录测量S参数；由自由空间传播条件，计算阵列单元与探测天线的耦合系数，完成对校准矩阵C的求解，实现对相控阵天线的校准。

Description

一种基于波束扫描模式相控阵天线初始幅相空口校准***

技术领域

本发明涉及毫米波相控阵天线校准***，具体涉及一种基于波束扫描模式相控阵天线初始幅相空口校准***。

背景技术

数据密集型应用对不断增长的数据速率的需求，激发了人们对毫米波频带及以上的极大兴趣，这些频带提供了巨大的可用带宽。然而毫米波的具有较高的空间传播损耗和较低的信噪比，目前主流的解决方案是天线封装技术，将天线***封装在一起，集成在传输或接受电路中，天线封装技术使毫米波***的低损耗和低成本集成***成为可能。相控阵天线在毫米波频带具有广泛应用。

相控阵天线要求精确控制阵列单元的初始幅度和相位，因此准确知道阵列单元的幅度和相位激励是至关重要的，但是由于环境，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。因此相控阵校准主要是测量阵列单元之间幅度相位的差异，并补偿阵列单元之间的差异。目前的相控阵校准方法有，通过向接收端口配置相同的状态，然后测量所有路径的传递函数，然而，一些相控阵的高度完整性和紧凑的结构，单个单元端口可能无法访问。因此，阵列校准希望在空中辐射模式下进行，即不需要访问天线元件端口。目前工业上较常用的校准方法是，在近场条件下，通过激励单个阵列单元，其他阵列单元关闭的近场扫描从而测出各阵列差异，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，天线首发模块的变换的影响因素。

发明内容

本发明技术解决问题：克服现有技术的不足，提供一种基于波束扫描模式相控阵天线初始幅相空口校准***，测量次数少，在所有相控阵天线的阵列单元开启的情况下，通过不同波束指向进行测量，得出各单元之间的差异性，完成对***的校准，操作简单，测试快速准确。

本发明的构思如下：由于毫米波控阵天线具有较高的传播损耗以及较低的信噪比，主流解决方案是将相控阵天线封装在一个单元中，为了测试操作简单快速，且能够考虑各单元间的耦合的影响，采用空口校准的方式；为了消除阵列单元间的幅度差异，满足远场条件下测试。通过对不同支路的相位设置，测量阵列波束指向不同方向的S参数，测出各支路之间的差异，完成阵列的校准。

本发明采用的技术方案为：一种基于波束扫描模式相控阵天线初始幅相空口校准***，其特征在于，所述***包括多端口数控移相器(1)、相控阵天线(2)、探测天线(3)和矢量网络分析仪(4)；移相器(1)一个端口连接相控阵天线(2)的一个阵列单元，另一端连接矢量网络分析仪(4)，矢量网络分析仪(4)另一个端口连接在探测天线(3)上，探测天线(3)放置于距离相控阵天线(2)的平面中心D位置处，D满足相控阵天线(2)的远场条件；所述整个校准***放置在吸波暗室(8)中进行，将相控阵天线(2)的馈电分成N条支路，每条支路连接一个移相器的一个端口与一个阵列单元，移相器的移相配置总数为Q，Q≥N，相控阵天线(2)有K个波束方向，K＝Q；阵列单元之间距离为d，探测天线(3)距离第n个阵列单元的距离为r_n，所有阵列单元全部处于工作状态；

首先，根据相控阵天线(2)参数确定校准时最小波束扫描范围

和波束扫描方向个数P，N≤P≤K，确定校准所需测量的相控阵的波束指向角度；然后，根据相控阵的波束指向角度，设置每个移相器相移配置，每测量完一个波束角度，N条支路的移相器会得到N个移相器配置，同时矢量网络分析仪会记录一个S参数，扫描完P个方向的波束指向，得到PXN个移相器配置，所述PXN个移相器配置组成波束扫描控制矩阵B，记录P个S参数，记录的S参数组成S参数矩阵s；再根据自由空间传播条件，求得每个阵列单元与探测天线的耦合系数a_n，得到阵列单元与探测天线的自由空间耦合矩阵а；最后，根据波束扫描控制矩阵B，自由空间耦合矩阵а，S参数矩阵s，得出相控阵天线的校准矩阵C，完成相控阵天线的校准。

所述根据相控阵参数确定校准时最小波束扫描范围

如下：

λ为测量的频率对应波长,P为波束扫描方向个数。

根据相控阵天线(2)的波束指向角度对移相器进行配置，由各支路移相器配置由下等式：

b_pn＝exp[-jk(n-1)dsin(ψ_p)]

＝[exp(-jkdsin(ψ_p))]^n-1

＝[exp(-j2πf_p)]^n-1

b_pn表示第p个，p∈[1，P]；波束扫描角度时第n个，n∈[1，N]；阵列单元的移相器的相位配置；k表示波数，即k＝2π/λ,λ所测频率为波长，其中

ψ_p表示第p条支路移相器设置的波束偏置角度，根据实测中的频率，波束偏置角度，相邻阵列单元之间距离求出b_pn，得出波束扫描控制矩阵B：

所述自由空间耦合矩阵а计算如下：第n个阵列单元与探测天线之间的耦合系数用a_n表示，根据自由空间传播条件：

其中

表示第n个阵列单元在

角上的方向图，

表示探测天线在第n个阵列单元的方位角度值，

表示探测天线

角上的方向图，

表示第n个阵列单元在探测天线的方位角度值，

表示自由空间的传播系数，r_n表示探测天线距离第n个阵列单元的距离，k表示波数，通过a_n得到天线耦合矩阵а。

通过等式：s＝B·C·а

得到校准矩阵C的公式：C＝B^-1·s·а^-1

B^-1是波束扫描控制B的逆矩阵，а^-1为自由空间耦合矩阵а的逆矩阵。完成相控阵天线的校准。

本发明与现有技术相比的优点在于：

(1)本发明同时控制所有相控阵天线的阵列单元的移相，完成相控阵天线波束的波束角度扫描控制，不需要对各单元进行单独开关操作，大大简化校准测试操作，减少测试的次数，提高测试效率。

(2)本发明采用的是同时使所有相控阵天线的阵列单元处于工作状态，能够在测量时测出的结果包含各相控阵天线的阵列单元之间的耦合的影响，测量结果更加准确有效。

(3)本发明采用空口测试的方法，能够在不获取每个相控阵天线的阵列单元馈电接口的情况下，就能完成对***的校准测试。

附图说明

图1为本发明基于波束扫描模式相控阵天线初始幅相空口校准***示意图；

图2为本发明具体实施状态示意图。

图中附图标记含义，1为移相器，2为相控阵天线，3为探测天线，4为矢量网络分析仪，5为毫米波相控阵封装天线水平状态，6毫米波相控阵封装天线垂直状态，7为直流电源，8为吸波暗室，9为电脑，D表示探测天线与相控阵天线的距离，d表示阵列单元之间的距离，r_n表示探测天线距离第n个阵列单元的距离，ψ_p表示第p条支路移相器设置的波束偏置角度，

表示探测天线在第n个阵列单元的方位角度值，

表示第n个阵列单元在探测天线的方位角度值。

具体实施方式

下面结合附图以及具体实施方式进一步说明本发明。

如图1所示，基于波束扫描模式相控阵天线初始幅相空口校准***包括，吸波暗室8、移相器1、相控阵天线2、探测天线3和矢量网络分析仪4；整个测量***放置在吸波暗室8中，每个移相器1一端连接一个相控阵天线2的一个阵列单元，另一端连接矢量网络分析仪4，矢量网络分析仪4另一个端口连接在探测天线3上，探测天线3放置于距离相控阵天线D位置处，D满足相控阵天线的远场条件。

整个***在吸波暗室条件下进行，探测天线位置满足相控阵天线的远场条件，将相控阵天线的馈电分成N条支路，每条支路连接一个移相器与一个阵列单元，移相器的移相配置总数为Q，M≥N，相控阵天线的各阵列单元之间距离为d，所有阵列单元全部处于工作状态，通过调节移相器的移相配置，可以改变相控阵天线的波束指向，因此相控阵天线最多可以有K(K＝Q)个波束方向；根据相控阵天线参数确定校准时最小波束扫描范围

和波束扫描方向个数P(N≤P≤K)，确定***校准所需测量的波束指向角度，根据相控阵天线波束指向角度，设置每个移相器相移配置，每扫描完一个波束角度，N条支路的移相器会得到N个移相器配置，扫描完P个方向的波束指向，得到PXN个移相器配置，这些移相器配置组成波束扫描控制矩阵B；探测天线放置于垂直于相控阵天线平面中心轴线上，距离阵列平面D位置处，探测天线距离第n个阵列单元的距离为r_n；根据阵列波束指向不同，移相器配置不同激励，通过矢量网络分析仪记录不同波束指向时的S参数，当测完P个波束扫描方向，记录的P个S参数组成S参数矩阵s；再根据自由空间传播条件，求得每个阵列单元与探测天线的耦合系数a_n，得到阵列单元与探测天线的自由空间耦合矩阵а，根据上述测量结果，得出相控阵天线的校准矩阵C，完成相控阵天线的校准。

如图2所示，本发明具体实施示意图所示一个频率范围在26.5GHz到29.5GHz的4x4的毫米波相控阵封装天线，整个实验是在吸波暗室8中进行，D表示探测天线与毫米波相控阵封装天线的距离，毫米波相控阵封装天线有16个单极化阵列单元，d表示单极化阵列单元之间的距离。每个阵列单元间距为d＝5.45mm，约28GHz的半个波长，每个阵列单元连接一个5位程控衰减器和一个6位程控移相器，可用电脑程序自动控制每一路的衰减器和移相器的设置；一个探测天线3距离毫米波相控阵封装天线的D＝0.7m处，满足毫米波相控阵封装天线的远场条件，其中5表示为毫米波相控阵封装天线水平状态，6表示毫米波相控阵封装天线垂直状态，且探测天线3在毫米波相控阵封装天线的中心轴线上，极化对齐；矢量网络分析仪4连接封装天线的馈电处和探测天线的馈电处，用于测量毫米波相控阵封装天线波束指向不同方向时的S参数由于只能测量单点频率的幅度和相位，选择记录28GHz处的S参数，其中毫米波相控阵封装天线处于接收状态，探测天线处于发送状态。直流电源7为毫米波相控阵封装天线供电，电脑9用于自动控制衰减器及移相器用于自动测量及记录数据。

为了能够评估此校准***的准确程度，首先选择已有的校准方法进行校准，以作为参考，经过综合考虑，选择用旋转矢量法校准作为参考。旋转矢量法仅通过测量幅度进行校准，首先将所有支路设置相同衰减，将一个支路的移相器从0°旋转到360度，其他支路的移相器设置为0°，矢量网络分析仪记录上述测试的复S参数，对每个毫米波相控阵封装天线单元进行上述操作，最终测试中进行16x(26+1)次测量。

在使用波束扫描控制校准时，6位程控移相器最小步进为5.625°，选择在将移相器以5.625°为步进从0°旋转到360°，共有65个不同的波束指向，即P＝65，由最小波束扫描范围公式：

确定测试的扫描角度，因为移相器设置的步进统一为5.625°，所以波束的扫描间隔是非均匀的，最终选定扫描范围是在ψ_p∈[-79.2°，79.2°]有65个不同波束指向。在确定波束指向后，能够确定毫米波相控阵封装天线不同的波束指向时的移相器配置，得到波束扫描控制矩阵B：

因为在测量时本发明测量不同的波束方向的幅度和相位，因此，针对不同波束，将封装天线的相位归一化到第一个均匀线性阵列单元，以保证不同波束导向方向下阵列相位测量的一致性。

毫米波相控阵封装天线的波束每指向一个方向，矢量网络分析仪记录一个S参数S_p，扫描完65个波束指向后，会得到65个S参数，组成S参数矩阵s：

根据自由空间传播条件，及探测天线到各阵列单元的距离和

表示第n个阵列单元在

角上的方向图，

表示探测天线在第n个阵列单元的方位角度值，

表示探测天线

角上的方向图，

表示第n个阵列单元在探测天线的方位角度值，得出自由空间耦合矩阵а：

根据公式s＝B·C·а

C＝B^-1·s·а^-1

这样得出校准矩阵C，完成对毫米波相控阵封装天线天线的校准。

本发明在实验校准验证中与传统的旋转矢量阵列校准方法具有良好的一致性，幅值误差在±0.5dB内，相位误差在±5°内。

Claims (5)

1.一种基于波束扫描模式相控阵天线初始幅相空口校准***，其特征在于，所述***包括移相器(1)、相控阵天线(2)、探测天线(3)和矢量网络分析仪(4)；移相器(1)一个端口连接相控阵天线(2)的一个阵列单元，另一端连接矢量网络分析仪(4)，矢量网络分析仪(4)的另一个端口连接在探测天线(3)上，探测天线(3)放置于距离相控阵天线(2)的平面中心D位置处，D满足相控阵天线(2)的远场条件；所述整个校准***放置在吸波暗室(8)中进行，将相控阵天线(2)的馈电分成N条支路，每条支路连接一个移相器的一个端口与一个阵列单元，移相器的移相配置总数为Q，Q≥N，相控阵天线(2)有K个波束方向，K＝Q；阵列单元之间距离为d，探测天线(3)距离第n个阵列单元的距离为r_n，所有阵列单元全部处于工作状态；

首先，根据相控阵天线(2)参数确定校准时最小波束扫描范围

和波束扫描方向个数P，N≤P≤K，确定校准所需测量的相控阵的波束指向角度；然后，根据相控阵的波束指向角度，设置每个移相器相移配置，每测量一个波束角度，N条支路的移相器会得到N个移相器配置，同时矢量网络分析仪会记录一个S参数，扫描完P个方向的波束指向，得到PXN个移相器配置，所述PXN个移相器配置组成波束扫描控制矩阵B，记录P个S参数，记录的S参数组成S参数矩阵s；再根据自由空间传播条件，求得每个阵列单元与探测天线的耦合系数a_n，得到阵列单元与探测天线的自由空间耦合矩阵а；最后，根据波束扫描控制矩阵B，自由空间耦合矩阵а，S参数矩阵s，得出相控阵天线的校准矩阵C，完成相控阵天线的校准。

2.根据权利要求1提出的一种基于波束扫描模式相控阵天线初始幅相空口校准***，其特性在于：所述根据相控阵参数确定校准时最小波束扫描范围

如下：

λ为测量的频率对应波长，P为波束扫描方向个数。

3.根据权利要求1所述的一种基于波束扫描模式相控阵天线初始幅相空口校准***，其特性在于：根据相控阵天线(2)的波束指向角度对移相器进行配置，各移相器的配置由下等式：

b_pn＝exp[-jk(n-1)dsin(ψ_p)]

＝[exp(-jkdsin(ψ_p))]^n-1

＝[exp(-j2πf_p)]^n-1

b_pn表示第p个，p∈[1，P]；波束扫描角度时第n个，n∈[1，N]；阵列单元的移相器的配置；k表示波数，即k＝2π/λ,λ所测频率为波长，其中

ψ_p表示第p条支路移相器设置的波束偏置角度，根据实测中的频率，波束偏置角度，相邻阵列单元之间距离求出b_pn，得出波束扫描控制矩阵B：

4.根据权利要求1所述的一种基于波束扫描模式相控阵天线初始幅相空口校准***，其特性在于：所述自由空间耦合矩阵а计算如下：第n个阵列单元与探测天线之间的耦合系数用a_n表示，根据自由空间传播条件：

其中

表示第n个阵列单元在

角上的方向图，

表示探测天线在第n个阵列单元的方位角度值，

表示探测天线

角上的方向图，

表示第n个阵列单元在探测天线的方位角度值，

表示自由空间的传播系数，r_n表示探测天线距离第n个阵列单元的距离，k表示波数，通过a_n得到天线耦合矩阵а。

5.根据权利要求1所述的一种基于波束扫描模式相控阵天线初始幅相空口校准***，其特性在于：通过等式：

s＝B·C·а，

校准矩阵C的等式：

C＝B^-1·s·а^-1

其中B^-1是波束扫描控制B的逆矩阵，а^-1为自由空间耦合矩阵а的逆矩阵。

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