有源相控阵天线近场校准方法分析

叶争锋

摘要：为了实现相控阵天线的标定，降低幅度相位误差和阵列故障对天线性能的影响，提出一种考虑因素耦合效应的近场标定方法。在采用近场扫描方法完成逐通道标定的基础上，采用旋转矢量法进行两次时间校准。当应用旋转矢量法（REV）时，为了使测量信号的变化明显，将大型相控阵天线分为中间，对边缘区域进行区域校准。通过二次标定，可以判断阵列元件是否无效，提高相控阵天线的幅相一致性;通过分区校准降低了阵列元件之间相互耦合的影响，并缩短了校准时间。基于此，本篇文章主要阐述了有源相控阵天线的优点，分析了有源相控阵天线近场校准的原理，并且对有源相控阵天线近场校准方法作了初步探讨，以期对相关领域的研究人员起到一定的借鉴作用。

关键词：相控阵天线校准；旋转矢量法；近场扫描法；互耦效应；幅相一致性

一般而言，有源相控阵天线波束的指向较为灵活，并且它的功能性比较强，具有较好的抗干扰性，因此该波束广泛的应用在雷达系统上[1]。相关工作人员在进行天线测试的工作过程中，通过天线测试可以进一步的设计好有源相控阵雷答，因此做好其进场校准工作尤为重要。在相关工作过程中可以利用平面进场测试系统进行繁衍，并且利用计算机辅助校准，得到相关的快速检测方法[2]。

1 有源相控阵天线优点

将有源相控阵天线应用在雷达领域，其具有以下的优点：

第一点，可以分出多波束追踪不同目标，指向性更强，同时也就表示死角更小；

第二点，可以充当多用途天线，包含IFF、数据包、ECM都可以整合进aesa里；

第三点，可以随时变频、变功率让敌人不知道自己被发现或锁定；

第四点，由于没有行波管导波线等所以更为轻巧可靠[3]；

第五点，由于低旁波所以不易被干扰或截获，可以集中波束所以探测距离更远；

第六点，个别T/R模组故障不影响其它模组，可靠度高，一个元件坏了绝对不影响其他的工作；

因为雷达是有波束指向的，而波束宽度往往比较窄，所以以往的机械雷达需要转动天线才能实现对各个方向的覆盖，而相控阵雷达是通过相位加权来实现波束指向的改变，因此响应快。还有就是通过相位加权可以实现对多个目标进行跟踪检测也是相控阵雷优点[4]。

2 有源相控阵天线近场校准原理

对于创建窄波束（波束赋形）并将其动态指向目标方向（波束控制）来说，相控阵天线是一种实用和低成本的方式。这样无需机械运动即可实现波束控制，这应当就是基站和用户设备所使用的毫米波天线的工作原理。相控阵天线是由一组较小的天线单元组成，比如单个贴片或偶极。通过改变施加到各个单元的信号的相对相位和幅度，天线阵列可以 在选定方向上形成和控制一个波束。发射机（Tx） 中的信号分配给多个天线单元。控制移相器调节每个单元所发射的信号的分相，进而支持 以可变角度θ 形成波束。利用叠加原理, 先把整个天线看成是由许许多多的偶极子天线组成, 这些偶极子天线上各段的电流大小和方向并不相同, 然后利用矢量积分求和的方法, 把它们在 xm 产生的场强叠加起来, 就可以得到该点的总场强[5]。

3 有源相控阵天线校准方法分析

3.1 测试系统搭建

相关工作人员在进行无源天线测试方法的过程中，一般可以运用进场测试方法以及原厂测试方法，除此之外还包括紧缩场测试方法，但是在进场测试中一般通过进场测试系统来进行测试这种测试方法通常是在微波暗室中进行的相关工作人员在测试的过程中不会受到电磁波的干扰，并且全天候都可以进行测试，天气不会对测试结果产生一定的影响，在运用新一代的天线测量技术的工作过程中，利用平面近场测试方法具有一定的代表性。相关工作人员可以利用已知性能的探头进行测试，通过采集天线口面的相位信息，并且经过计算机处理获取原厂方向图，这样就可以对天线的各种性能进行诊断。一般来说天线在发射时其状态为脉冲模式，因此相关工作人员在测试的过程中也要运用脉冲进行同步，这样才能采集到相关信息。在发射时一般要保证收发组件处在饱和的工作状态，如果有需要的话可以适时的调整信号强度，在有必要的同时可以将发射链路接入功率较大的放大器，这样才能进一步保证电瓶只能够满足相关的要求。除此之外，对于矢网接收端来说，需要工作人员手动将其接入到衰减器中，并且保证其在接入的过程中仪表和器件不会受到一定的损坏。

3.2方向图测试及补偿

3.2.1 初测

在测试的过程中，相关工作人员利用探头采集好数据以后，精油计算机处理，处理完以后将远场的方向图通过FFT繁衍，得到相关的口面场幅相分布图，保证其幅度的分布是处在同一水平线的，并且保证其与理论分布值相差不大。如果分布偏差较大的话，相关工作人员需要根据实际情况进行进一步的调整和优化。

3.2.2 反演补偿

在进行进场的扫描工作过程中，相关人员可以根据正面的大小或者设置的截断角，来对于采样进行进一步的优化，保证其不大于单元间距。为了进一步的准确获得天线口面厂的相关数据信息，工作人员需要保证在进行采样时，各个采样点能够覆盖到整个天线单元的位置，为了达到这一目的，在进行天线调平的工作过程中，相关人员要准确的找到中心点，并且要保证其扫描平面和天线的正面是处在平行的状态的。工作人员也可以根据截断角的设置范围来进行天线单元和幅相分布的反演。

操作人员要根据理论的幅度分布，对于每个天线通道的幅度相位差值的补偿值进行计算，然后对于每个天线通道进行优化。工作人员也可以进一步的通过播控系统来对于衰减器中的数值进行操作，保证每一个天线单元通道的激励幅度和理论幅度的分布要相差不大，这样才能保证数据的准确性。但是要注意的是衰减器，它只能够实现衰减的功能，如果相关工作人员需要提升数据的幅度的话，那么就不能通过衰减功能进行操作，而是需要将各个单元的幅度进行归一化，保证单元不变的情况下，对于其他单元的幅度进行进一步的调整。在进行相位修正以后，相关工作人员可以利用移相器进行调整，要保证相位的理论值为0，因此在进行调整时，要保证各个单元的相位是处在同一周期的，这样才能保证调整的数据是准确的。

3.2.3 修正后测试

在完成繁衍补偿操作以后，相关工作人员需要对于修正后的数据进行进一步的测试，这样才能达到设计指标的要求。为了进一步的判断相位和幅度是否需要修正相关工作人员，可以利用进场测试系统来对于天线的法向方向和扫描图进行进一步的测试，如果波束指向的精度比0.1度还要小的话，相关工作人员就需要进行修正以后的测试工作，这样才能准确的提升相位幅度的准确值。

4 结束语

综上所述，有源相控阵天线进场测试中，相关工作人员可以利用口面场反演补偿的方法进行有源相控阵天线校准测试的优化。通过多次调整不同组件的幅度向外，从而将天线通道的负向值逐渐调整为理论值，并且达到相关设计要求。通过这种方法使得进展校准测试变得可行，并且进一步的缩短了研制的时间，在一定程度上降低了有源相控阵天线的测试成本，对于有源相控阵天线的未来发展起到了一定的推动作用。

参考文献：

[1]张成. 有源相控阵天线波束赋形与布阵技术研究[D]. 电子科技大学, 2020.

[2]顾叶青, 孙为民, 余觉. 有源相控阵天线结构仿真分析[J]. 机电工程, 2020, 37(1):5.

[3]倪向东, 孔凡泉. 有源相控阵天线迭代补偿方法研究[J]. 科技创新与应用, 2020(23):2.

[4]吴瑞荣, 邹永庆, 龙永刚,等. 基于平面近场的有源相控阵系统G/T值测量方法[J]. 现代信息科技, 2021, 5(1):3.

[5]王金元, 居军. 浅析有源相控阵天线的内监测技术[J]. 现代雷达, 2021.

作者简介：叶争锋，（1988-8-23）汉，四川 宣汉，学历大专，

主要从事天线测试技术方面的工作