數(shù)字多波束天線的校準(zhǔn)測(cè)試方法

尹繼凱，蔚保國(guó)，徐文娟

(1.河北省衛(wèi)星導(dǎo)航技術(shù)與裝備工程技術(shù)研究中心，河北石家莊050081;2.中國(guó)人民解放軍沈陽炮兵學(xué)院，遼寧沈陽110867)

0 引言

數(shù)字多波束天線是陣列天線技術(shù)與數(shù)字信號(hào)處理技術(shù)相結(jié)合的產(chǎn)物，同時(shí)具有陣列天線的波束掃描和數(shù)字信號(hào)高精度靈活處理的優(yōu)點(diǎn)。隨著電子技術(shù)的發(fā)展，數(shù)字多波束天線以其獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)在航天測(cè)控和衛(wèi)星導(dǎo)航等領(lǐng)域得到越來越廣泛的應(yīng)用。

數(shù)字多波束天線的波束形成和調(diào)制解調(diào)處理均在數(shù)字域?qū)崿F(xiàn)，且可同時(shí)產(chǎn)生多個(gè)波束，其設(shè)備組成、工作原理、工作模式與傳統(tǒng)天線相比有顯著區(qū)別，對(duì)測(cè)試方法也提出了新的要求。上面結(jié)合數(shù)字多波束天線的工作原理和常規(guī)的天線測(cè)試手段，研究多波束立體方向圖測(cè)試、陣列校準(zhǔn)、波束補(bǔ)償和相位中心修正方面的測(cè)試方法。

1 數(shù)字多波束天線工作原理

數(shù)字多波束天線由發(fā)射和接收2個(gè)部分組成，原理框圖如圖1所示。

圖1 數(shù)字多波束天線原理

接收數(shù)字多波束天線主要由接收天線單元、接收通道(包括低噪聲放大器和下變頻器)、A/D轉(zhuǎn)換器和接收處理設(shè)備(包括波束形成器、波束控制器和解擴(kuò)解調(diào)器)等部分組成。天線陣各陣元接收的射頻信號(hào)經(jīng)過放大、下變頻和采樣處理后，各通道信號(hào)的幅度和相位信息被轉(zhuǎn)移到基帶信號(hào)中，利用DSP在數(shù)字域?qū)崿F(xiàn)對(duì)陣列信號(hào)的加權(quán)處理實(shí)現(xiàn)多波束形成，數(shù)字化的波束信號(hào)再進(jìn)行后續(xù)的解擴(kuò)、解調(diào)和測(cè)量處理。

發(fā)射數(shù)字多波束天線主要由發(fā)射天線單元、發(fā)射通道(包括功放和上變頻器)、D/A轉(zhuǎn)換器和發(fā)射多波束處理設(shè)備(包括波束形成器、波束控制器、編碼調(diào)制器)等部分組成。各波束信號(hào)在波束控制器的控制下，經(jīng)波束形成器產(chǎn)生指向各目標(biāo)的陣列信號(hào)，多個(gè)波束的陣列信號(hào)在波束形成器中疊加，經(jīng)D/A轉(zhuǎn)換為模擬信號(hào)，再經(jīng)上變頻、功率放大，由天線陣元輻射到空間。

由數(shù)字多波束天線的原理和使用要求可知，與常規(guī)天線相比，在實(shí)際的測(cè)試工作中需要重點(diǎn)解決如下幾個(gè)方面的技術(shù)問題:

①多波束天線在作用空域內(nèi)的波束掃描，除了主波束性能之外，對(duì)旁瓣電平及其分布等細(xì)節(jié)更加關(guān)注;

②由于同時(shí)生成多個(gè)波束，需要考察多個(gè)波束之間的相互影響;

③有源部件的采用，使收發(fā)波束的測(cè)量不再有互易性;

④數(shù)字多波束天線自身具有信號(hào)處理功能，因此需要與測(cè)試系統(tǒng)之間協(xié)調(diào)測(cè)試信號(hào)相位關(guān)系;

⑤對(duì)于精密測(cè)量應(yīng)用領(lǐng)域，還應(yīng)著重考慮指向精度、相位中心對(duì)測(cè)量精度的影響。

數(shù)字多波束天線的測(cè)試項(xiàng)目一般包括:天線方向圖、方向性、旁瓣電平、波束寬度、指向精度、波束掃描范圍、等效全向輻射功率(EIRP)和相位中心等指標(biāo)。

2 校準(zhǔn)測(cè)試方法

2.1 陣列校準(zhǔn)

陣列天線形成高質(zhì)量波束的前提是要控制多通道輻射或接收信號(hào)之間的誤差，保持通道間的幅度相位一致性。由于單元天線、有源部件和內(nèi)部電纜等各分機(jī)在生產(chǎn)和裝配時(shí)都存在一定的誤差，單元天線之間也不可避免地存在互耦效應(yīng)，這些誤差因素造成通道間幅度和相位的不一致性，對(duì)系統(tǒng)的天線增益、旁瓣電平和指向精度等性能造成影響。

將這些誤差測(cè)量出來并通過信號(hào)處理加以校準(zhǔn)，可有效降低對(duì)系統(tǒng)的影響。校準(zhǔn)是數(shù)字多波束天線工作的必要條件，也是測(cè)試之前的首要工作，數(shù)字多波束天線的校準(zhǔn)可分為遠(yuǎn)場(chǎng)校準(zhǔn)和近場(chǎng)校準(zhǔn)2類。

2.1.1 遠(yuǎn)場(chǎng)校準(zhǔn)

遠(yuǎn)場(chǎng)校準(zhǔn)方法在距陣列天線遠(yuǎn)場(chǎng)處設(shè)立信標(biāo)，對(duì)于接收陣列天線，使接收信標(biāo)天線發(fā)射校準(zhǔn)信號(hào)，根據(jù)被測(cè)天線和信標(biāo)之間的幾何關(guān)系，計(jì)算各單元通道接收信號(hào)實(shí)測(cè)值和理論值之間的差異，獲得相位偏差和幅度偏差的校準(zhǔn)量。對(duì)于發(fā)射天線陣列，則控制各單元通道分時(shí)發(fā)射信號(hào)，使用信標(biāo)天線測(cè)量各天線的幅度偏差和相位偏差校準(zhǔn)量。

由于測(cè)試場(chǎng)地的遠(yuǎn)場(chǎng)條件一般不容易滿足，被測(cè)天線與信標(biāo)之間幾何關(guān)系的高精度測(cè)量也比較復(fù)雜，并且開放場(chǎng)地存在多徑效應(yīng)和外部干擾的影響，因此遠(yuǎn)場(chǎng)校準(zhǔn)的精度較難提高。

2.1.2 近場(chǎng)校準(zhǔn)

近場(chǎng)校準(zhǔn)方法是在陣列天線近場(chǎng)區(qū)域設(shè)立信標(biāo)，將信標(biāo)分時(shí)置于單元天線前端饋入或采集信號(hào)。接收陣列天線校準(zhǔn)時(shí)，信標(biāo)天線發(fā)射校準(zhǔn)信號(hào)，由接收機(jī)處理得到對(duì)應(yīng)通道的幅度和相位誤差。發(fā)射陣列天線校準(zhǔn)時(shí)，控制對(duì)應(yīng)通道發(fā)射校準(zhǔn)信號(hào)，由矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀或?qū)Ｓ脺y(cè)試設(shè)備處理信標(biāo)天線接收的校準(zhǔn)信號(hào)，得到通道的幅度和相位誤差。

近場(chǎng)校準(zhǔn)的環(huán)境條件易于控制，測(cè)試精度較高，是一種適于工程應(yīng)用的校準(zhǔn)方法。在微波暗室內(nèi)使用平面近場(chǎng)測(cè)試系統(tǒng)對(duì)平面陣列天線進(jìn)行校準(zhǔn)是一種精度好、效率高的校準(zhǔn)方法。以發(fā)射多波束系統(tǒng)為例，近場(chǎng)校準(zhǔn)方法的原理框圖如圖2所示。

圖2 近場(chǎng)校準(zhǔn)原理

調(diào)整天線陣面與近場(chǎng)掃描平面平行，并設(shè)置所有通道為相同的權(quán)值，將陣列天線的輸出信號(hào)提供給近場(chǎng)測(cè)試系統(tǒng)作為參考信號(hào)，控制近場(chǎng)探頭依次對(duì)準(zhǔn)每個(gè)天線單元，測(cè)量每個(gè)單元輻射信號(hào)與參考信號(hào)的矢量誤差，從而得到所有陣元之間歸一化的幅度和相位關(guān)系ci=aiejθi，i=1，2…，N，取其倒數(shù)1/ci作為波束權(quán)值的修正系數(shù)，即可實(shí)現(xiàn)對(duì)陣列各通道的校準(zhǔn)。

2.2 立體方向圖測(cè)試

2.2.1 遠(yuǎn)場(chǎng)測(cè)試法

為減小周圍環(huán)境的影響，遠(yuǎn)場(chǎng)測(cè)試通常選在地形平坦的自由空間測(cè)試場(chǎng)，利用三軸測(cè)試轉(zhuǎn)臺(tái)和信標(biāo)天線完成多波束天線立體方向圖的測(cè)試。被測(cè)天線與信標(biāo)天線之間的距離要滿足遠(yuǎn)場(chǎng)最小測(cè)試距離條件，即測(cè)試距離R＞2D2/λ(其中D為天線口徑，λ為工作波長(zhǎng))。為實(shí)現(xiàn)三維立體方向圖測(cè)試，需要建立高精度的三軸測(cè)試轉(zhuǎn)臺(tái)。三軸測(cè)試轉(zhuǎn)臺(tái)除包括傳統(tǒng)轉(zhuǎn)臺(tái)的方位軸、俯仰軸外，還需在俯仰軸上方增加一個(gè)上方位軸(或稱極化軸)，且三軸必須同心。

在測(cè)試過程中，首先使陣列天線的法線方向與信標(biāo)天線對(duì)準(zhǔn)，從信標(biāo)天線接收并記錄信號(hào)的幅度數(shù)據(jù)，旋轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)臺(tái)即可獲得一個(gè)切面的方向圖信息，旋轉(zhuǎn)極化軸后重復(fù)上述測(cè)試過程，即可獲得不同切面的方向圖數(shù)據(jù)，經(jīng)事后數(shù)據(jù)處理即可得到多波束天線的三維立體方向圖[3]。

2.2.2 近場(chǎng)測(cè)試法

近場(chǎng)測(cè)試包括平面近場(chǎng)、柱面近場(chǎng)和球面近場(chǎng)3種方法，對(duì)于平面陣列天線，最方便的方法是采用平面近場(chǎng)測(cè)量系統(tǒng)測(cè)量立體方向圖。在暗室內(nèi)使用平面掃描系統(tǒng)采集天線口面近場(chǎng)的幅度和相位分布數(shù)據(jù)，然后用基于FFT的近場(chǎng)—遠(yuǎn)場(chǎng)變換方法來計(jì)算天線的遠(yuǎn)場(chǎng)輻射特性。

該方法由于具有外部環(huán)境干擾少、測(cè)試數(shù)據(jù)精度高、工作效率高和不受天氣條件限制等優(yōu)點(diǎn)，獲得越來越廣泛的應(yīng)用。近場(chǎng)測(cè)試技術(shù)除可以直接得到三維立體方向圖外，還可以提供遠(yuǎn)場(chǎng)測(cè)試無法提供的信息，例如，利用近場(chǎng)數(shù)據(jù)來檢查和分析天線設(shè)計(jì)中的問題，使用快速傅里葉逆變換技術(shù)實(shí)現(xiàn)天線單元通道的故障診斷等等。

在多波束天線的近場(chǎng)測(cè)試過程中，要注意設(shè)置探頭的掃描區(qū)域d大于波束的掃描范圍，d＞D+2s*tan(θ)，D為陣列天線的口徑，s為探頭與陣列天線之間的距離，θ為波束的最大掃描角。探頭掃描范圍d與波束掃描角θ之間關(guān)系的示意圖如圖3所示。

圖3 探頭掃描范圍與波束掃描角的關(guān)系

由于收發(fā)波束測(cè)量方法的非互易性，接收數(shù)字多波束天線的測(cè)試需要利用系統(tǒng)中具備幅相測(cè)量功能的波束形成接收機(jī)參與完成，測(cè)試過程比發(fā)射天線要復(fù)雜一些[5]。

3 波束修正和電平補(bǔ)償

由于單元天線在作用空域的輻射特性并不是等增益的，波束形成處理也存在量化誤差和校準(zhǔn)誤差，這些誤差會(huì)影響不同掃描角度波束的指向和電平的精度。在工程上，希望將工作空域中任意方向波束的指向誤差和電平誤差限制在一定的指標(biāo)范圍之內(nèi)，就需要進(jìn)行波束指向誤差的修正和電平補(bǔ)償。

3.1 指向誤差修正

根據(jù)波束指向的實(shí)測(cè)結(jié)果，可以獲得波束設(shè)置指向(A，E)與實(shí)際指向(A'，E')之間的對(duì)應(yīng)關(guān)系。將數(shù)字多波束天線作用空域內(nèi)以一定間隔(比如1°)網(wǎng)格化，構(gòu)建一個(gè)關(guān)于波束設(shè)置指向和實(shí)測(cè)指向的修正表，在波束形成權(quán)值計(jì)算時(shí)通過查表過程實(shí)現(xiàn)對(duì)波束指向的修正。修正表的采樣間隔可以根據(jù)天線指向精度的指標(biāo)要求、波束的掃描范圍和實(shí)測(cè)結(jié)果的偏差程度確定，對(duì)于網(wǎng)格點(diǎn)之間的波束指向修正數(shù)據(jù)可以通過內(nèi)插方法計(jì)算得到。

3.2 相位中心修正

在波束掃描時(shí)，陣列天線的相位中心的位置會(huì)隨著波束指向發(fā)生改變，對(duì)于精密測(cè)量應(yīng)用領(lǐng)域，這種影響是不容忽視的，相位中心的修正同樣可以采用構(gòu)建修正表的方法完成。

在測(cè)試階段，對(duì)系統(tǒng)的測(cè)量精度進(jìn)行整體標(biāo)定，利用測(cè)得的相位中心隨波束指向的偏差數(shù)據(jù)構(gòu)建相位中心修正表。在系統(tǒng)工作時(shí)，根據(jù)波束的指向?qū)崟r(shí)查表計(jì)算得到相位中心的修正數(shù)據(jù)，提供給系統(tǒng)的數(shù)據(jù)處理程序使用，減小相位中心變化對(duì)測(cè)量結(jié)果影響，從而提高了系統(tǒng)的測(cè)量精度。

3.3 波束電平補(bǔ)償

與指向誤差的修正方法類似，波束電平的補(bǔ)償也可以通過構(gòu)建修正表的方法來實(shí)現(xiàn)，對(duì)每一個(gè)網(wǎng)格點(diǎn)，事先測(cè)得波束電平的誤差值，通過波束形成器對(duì)相應(yīng)指向的波束電平進(jìn)行補(bǔ)償，使波束在掃描范圍內(nèi)的輻射功率(或接收電平)一致。

圖4 近場(chǎng)立體方向圖

4 校準(zhǔn)測(cè)試方法驗(yàn)證

圖4是數(shù)字多波束天線三維立體方向圖的近場(chǎng)測(cè)試結(jié)果，由立體方向圖可以檢驗(yàn)多個(gè)波束之間的相互干擾情況。

圖5是5個(gè)波束在同一切面時(shí)的方向圖遠(yuǎn)場(chǎng)測(cè)試結(jié)果，可以看出，通過對(duì)波束指向的修正和電平的補(bǔ)償，高、低仰角波束的指向精度和電平具有很好的一致性。圖6是數(shù)字多波束天線相位中心的修正數(shù)據(jù)，修正后測(cè)量數(shù)據(jù)的精度可達(dá)到1 ns以內(nèi)。

圖5 多波束修正和補(bǔ)償后方向圖

圖6 相位中心修正數(shù)據(jù)

5 結(jié)束語

上述研究了數(shù)字多波束天線的校準(zhǔn)和測(cè)試技術(shù)，探討了對(duì)數(shù)字多波束天線的陣列校準(zhǔn)、立體方向圖測(cè)試、波束指向修正與電平補(bǔ)償和相位中心修方法，并結(jié)合實(shí)際系統(tǒng)進(jìn)行了試驗(yàn)驗(yàn)證。試驗(yàn)結(jié)果表明:該測(cè)試和校準(zhǔn)方法可高效率完成數(shù)字多波束天線系統(tǒng)的校準(zhǔn)和測(cè)試工作，并有效提高系統(tǒng)的測(cè)量精度，具有很強(qiáng)的實(shí)用價(jià)值。目前該技術(shù)已經(jīng)在工程上采用并獲得了良好的效果。

[1]蔚保國(guó)，姚奇松.基于數(shù)字多波束天線的多星測(cè)控系統(tǒng)[J].飛行器測(cè)控學(xué)報(bào)，2004，23(3):55 －59.

[2]尹繼凱.發(fā)射數(shù)字多波束天線技術(shù)研究[J].無線電工程，2005，35(5):39 －40.

[3]郝青儒.有源多波束天線方向圖測(cè)試方法研究[J].無線電工程，2008，34(5):39 －42.

[4]秦順友，許德森.衛(wèi)星通信地球站天線工程測(cè)量技術(shù)[M].北京:人民郵電出版社，2006:48－85.

[5]李 勇，傅德民，李焱明，等.DBF天線的近場(chǎng)測(cè)量與模擬分析[J].電子測(cè)量技術(shù)，2009，32(5):141 －144.

[6]TAKAHASHIT， KONISHIY， MAKINO S. Fast Measurement Technique for Phased Array Calibration[J].IEEE Transactions on Antennas and Propagation，2008，56(7):1 888－1 898.