一种相控阵接收通道的幅相校准方法

陈少林，吴 昊

（驻783厂军代室，绵阳 621000）

1 引言

相控阵天线是“相位控制阵列”天线的简称，即天线是由多个辐射单元组成阵列[1]。由于相控阵天线阵是通过精确控制各辐射单元的相位、幅度以实现波束合成和控制，因此，各辐射单元的相位、幅度的精度和变化直接影响合成波束的性能（增益、副瓣电平、零深等）。

2 阵列和校准系统的原理及构成

对于均匀线阵，为使天线波束最大值在θB方向，各单元的移相器提供一组波控参数，对应到各单元之间的相位差为

式中，θB为天线波束最大指向的方位值。

在此基础上，假定相控阵天线每个单元的方向图足够宽或者是全向的，那么在直线阵天线波束扫描范围内，直线阵天线的方向图函数F（θ）近似为：

式中，θ为方位角度；an表示阵列天线系统等效到第n个阵元中的幅度和相位误差分量。

波束形成网络中典型内置校准源的闭环校准系统如下图所示。

图1 闭环校准系统结构图

图2 工程试验框图

图中 ，天线阵为N个单元组成的等间距线阵，整个系统由天线阵、有源T/R波束形成网络、接收机、信号处理等组成。其中有源T/R波束形成网络包括T/R组件、移相网络、功分网络，波控计算机、校准源、射频开关等。

射频开关Ki（i=1～2N）用于选通T/R组件处于发射通道或接收通道，端口Si（i=1～N）为波控计算机控制各通道移相器移相值的控制信号，射频开关G用于选择差接收信号或校准源信号，当G选择校准源信号时，此时校准源信号作为参考信号使用。

3 校准方法

校准分两部分进行，即图1系统组成框图的T1段和T2段。每部分的校准工作都在对逐个工作频点和逐个天线主波束对应的波控参数设置条件下进行。

当校准T1段时，信号处理发送校准命令通过波控计算机，由波控计算机控制校准源信号同时通过通路1“校准源—矩阵开关—限幅、低噪放—移相器—功分网络（∑端口）—接收机—信号处理”及通路2“校准源—射频开关G—接收机—信号处理”，在通路中校准信号经过接收机的放大、滤波、混频、A/D等转换成数字中频信号，数字中频信号送入信号处理进行数字变频等处理，得到信号相位信息，由此可得通路1与通路2的相位差，所有N个接收通道的相位差组成的数据就反应各个接收通道T1段之间的相位关系，该数据用于系统正常工作时波控计算机对移相器移相误差及通道不一致性进行补偿。

当校准T2段时，校准信号同时经过通路1“校准源——矩阵开关—限幅、低噪放—移相器—功分网络（∑端口）—接收机—信号处理”及通路3“校准源—矩阵开关—限幅、低噪放—移相器—功分网络（△端口）—射频开关G—接收机—信号处理”，信号处理将录取到通路1和通路3的幅度和相位数据，其幅度差和相位差反应了接收通道T2段即∑/△接收通路的幅相关系。该数据进而用于系统正常工作时波控计算机对∑/△接收通路增益误差进行补偿。

4 工程试验结果

在某型相控阵体制设备的研制过程中，为验证校准前后的效果，采用在微波暗室对相控阵天线方向图进行测试的方式进行验证，工程实验框图如图2所示。相控阵体制设备校准前，控制相控阵体制设备的工作频率、波束指向，由微波信号源通过喇叭天线辐射电磁信号，相控阵体制设备接收后送频谱分析仪，相控阵体制设备随二位转台转动一周，计算机将转台角度、频谱分析仪采集的幅度记录，可得到校准前的天线方向图；控制相控阵体制设备进行校准，校准完成后按同样的控制条件和方法进行测试，可得到校准后的天线方向图。

校准前的某方向图如图3所示，相同条件下校准后的方向图如图4所示。

图4 校准后的方向图

对比校准前后方向图可知，校准后实测波束指向与预期指向更接近，方向图副瓣更低，和差波束覆盖性更好。

5 结束语

本文提出了一种基于波束形成网络自带校准源对接收通道进行幅度相位校准技术和方法。通过校准，较好地控制了接收通道的幅度和相位误差，在利用相控阵天线进行单脉冲测角领域具有很强的实用性。