电大尺寸平面数字相控阵外场通道校准测试方法.pdf
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1、第 44 卷第 5 期2023 年 9 月Vol.44,No.5Sept.2023遥 测 遥 控Journal of Telemetry,Tracking and CommandWebsite:电大尺寸平面数字相控阵外场通道校准测试方法刘首岚1,朱忠福2,陈剑1,赵波1,赵强1(1 北京遥测技术研究所 北京 100076;2 中国人民解放军95875部队 酒泉 735018)摘要:电大尺寸平面数字相控阵通道校准测试对暗室规模和质量要求极高,扫描架探针移动速度受限导致通道校准的暗室测试时间长达数小时,且长时间测试引起的温度变化会造成通道相位漂移从而导致测试结果不准确。针对存在的问题,提出了一种外
2、场通道校准测试方法,整个阵面中所有通道单次校准测试仅需几分钟,可有效解决由于长时间测试引起的温度变化进而造成的通道相位漂移问题,并通过引入基准通道来解决外场通道校准测试中存在的收发不同源问题。测试方法可有效缩短电大尺寸平面数字相控阵的通道校准时间,提高测试准确性,降低天线测试过程中的时间成本和暗室硬件建造成本。最后,通过某Ka频段电大尺寸平面数字相控阵测控系统的外场测试,验证了方法的可行性和正确性。关键词:电大尺寸;相控阵;通道校准;外场测试中图分类号:TN821+.8;TN98 文献标志码:A 文章编号:2095-1000(2023)05-0035-06DOI:10.12347/j.ycyk
3、.20230525001引用格式:刘首岚,朱忠福,陈剑,等.电大尺寸平面数字相控阵外场通道校准测试方法 J.遥测遥控,2023,44(5):3540.A testing method of channel calibration for electrically large planar digital phased array in outdoorLIU Shoulan1,ZHU Zhongfu2,CHEN Jian1,ZHAO Bo1,ZHAO Qiang1(1.Beijing Research Institute of Telemetry,Beijing 100076,China;2.9
4、5875 Command of the Peoples Liberation Army,Jiuquan 735018,China)Abstract:Channel calibration testing of electrically large planar digital phased array has extremely high requirements for the scale and quality of the microwave anechoic chamber.The limited speed of the scanning probe results in chann
5、el calibration tests conducted in microwave anechoic chamber lasting several hours.Further more,the temperature changes caused by prolonged testing can cause channel phased drift,leading to accurate test results.In response to the existing problems,this paper proposed an outdoor channel calibration
6、testing method,and single calibration of all channels in the entire array only takes a few minutes,which can effectively solve the problem of channel phased drift caused by temperature changes caused by prolonged testing.By introducing a reference channel,the problem of receiving and transmitting di
7、fference in sources in outdoor calibration testing can be solved.This method not only effectively shortens the channel calibration time of electrically large planar digital phased arrays and improve the accuracy in test,but also reduces the time cost and microwave anechoic chamber hardware construct
8、ion cost in the testing process.Finally,the feasibility and correctness of this method were verified through the Field test results of an electrically large planar digital phased array measurement and control system in Ka-band.Keywords:Electrically large size;Phased array;Channel calibration;Freld t
9、estCitation:LIU Shoulan,ZHU Zhongfu,CHEN Jian,et al.A testing method of channel calibration for electrically large planar digital phased array in outdoorJ.Journal of Telemetry,Tracking and Command,2023,44(5):3540.基金项目:科技173基金项目(2021-JCJQ-JJ-0854)收稿日期:2023-05-25 修回日期:2023-07-21第 44 卷第 5 期刘首岚等,电大尺寸平面数
10、字相控阵外场通道校准测试方法引 言相控阵天线具有波束扫描速度快、波束多、可靠性高等特点16。近年来,随着相控阵天线的迅速发展,测控系统对电大尺寸数字相控阵的需求越来越多7,8。由于相控阵天线系统相对复杂,传统的暗室调试环节使得系统从装配到调试完成的交付周期很长。如何可靠地缩短调试测试时间是亟待解决的问题。文献9提出了一种用于小型相控阵天线快速测量的方法;文献10介绍了一种针对近场暗室测试的多频点多波束的自动化测试系统;文献11提出了一种天线阵面中场、近场自动测试的高效联试方法;文献12介绍了数字化相控阵的远场测试方法;文献13介绍了一种有源相控阵天线近场测试的调试优化方法;文献14至文献18介
11、绍了相控阵天线的自动化测试方法。上述测试方法均受暗室测试环境的局限性影响。文献19至文献21介绍了在外场中利用无人机对天线进行测试的方法,但此方法并不适用相控阵天线的通道校准。文献22中介绍了相控阵天线T/R组件幅相在外场的测试方法,但该方法限制了中场的测试距离,没有详细介绍配合测试的喇叭天线如何放置,并且没有给出当测试距离较远无法保证测试系统收发信号同源时的解决办法。针对电大尺寸平面数字相控阵,本文提出了一种外场通道校准测试方法,该方法利用上位机快速控制天线单元射频链路通道开关,使天线所有单元通道在短时间内完成远场信标机微波信号的接收,解决了外场测试时收发信号不同源的问题。该方法具有单次通道
12、校准时间短、可靠性高、成本低的特点。1天线空间场划分天线空间的场区分为感应近区和辐射场区域。辐射场区又分为菲涅尔近场辐射区(Fresnel区)和夫琅禾费远场辐射区(Fraunhofer区)。实际上各个区域之间的边界并不是突变的。在感应近区中,区域内的每个对象实际上都是天线的一部分,都会影响其周围的场。但是辐射场区域中的每个物体都不影响天线周围的场。图1所示为天线场的划分示意图,夫琅禾费远场辐射区的范围是:2D2r(1)式中,D为天线的口径,为天线工作波长。夫琅禾费远场辐射区是天线实际使用的区域。在此区域,场的幅度与离开天线的距离成反比。场的角分布(天线方向图)与离开天线的距离无关,天线方向图的
13、主瓣、副瓣和零点都已形成。菲涅尔近场辐射区的范围是:0.62(D3)0.5r2D2(2)菲涅尔近场辐射区的差异会极大地影响天线的辐射场方向图的形状,进而影响其方向性。此时天线辐射场方向图取决于离天线的距离。在感应场区域中,场分布与辐射源的关系更大,甚至无法识别最终的辐射图形状;在辐射近场辐射方向图的形状开始分化;在辐射远场区域边界之后,辐射方向图随距离几乎不变,且与无限远处的辐射方向图非常相似。天线平面近场测试是用一个特性已知的探头在距离待测天线几个波长(310)的某一平面上进行扫描,测量天线在该平面离散点的幅度与相位分布,近场与远场是傅里叶变换的关系,通过严格的数学变换确定被测天线的远场区辐
14、射特性进而确定天线的远场方向图。远场测试需要满足最小测试距离,当仅知道被测天线口径尺寸为D时,最小测试距离为:rmin=2D2(3)为保证远场测试精度,需要满足横向幅度测试条件,即被测天线口径边缘处入射场的幅度相图1天线场的划分示意图Fig.1The sketch map of antenna field divison362023 年 9 月遥 测 遥 控对中心不得低于某个值,这样就要求被测天线口径对发射天线中心张角应远小于发射波瓣宽度。2电大尺寸平面数字相控阵在暗室中的通道校准常规相控阵通道校准一般在微波暗室中进行。测试系统通过读取单元坐标文件来控制扫描架移动位置,同时上位机通过读取对应的
15、开关文件来控制单元通道射频链路的开或者关。对于电大尺寸平面数字相控阵,暗室中的测试有诸多缺点及不便。2.1耗时长且相位温漂不可控受扫描架探针移动速度的制约,综合考虑探针移动的过程以及采集数据停留的时间,平均单通道测试所需时间约为8 s。以某电大尺寸平面数字相控阵测控系统为例,该相控阵测控系统的阵面单元通道数约为3 700个(单流工作时),完成整个阵面中所有通道的幅度相位数据采集工作所需时间约为8.25 h,若系统双流工作,则通道校准时间增加一倍。由此看来,电大尺寸相控阵暗室通道校准所需的工作时间长,很大程度上制约了电大尺寸数字相控阵天线系统的测试速度。同时,测试时间跨度长会导致天线阵面各个子阵
16、在不同时刻由于温度不同而产生相位漂移的现象,所需的补偿机制十分复杂,相位漂移无法准确量化,因此影响通道相位数据测试结果的准确性。2.2调平操作难且误差大常规电尺寸平面阵会通过三坐标标定将阵面法向与扫描架探针轴向之间的角度误差控制在0.01之内。而对于电大尺寸平面阵,由于阵面尺寸过大,其机械安装面与棱镜的距离超出常规三坐标标定试验台探针所能移动的范围。若将天线的伺服系统搬入暗室,则对暗室的尺寸要求增大,测试成本升高。人工调平电大尺寸平面阵的操作十分复杂,且误差较大,会造成阵面电轴与阵面法向之间的偏差。2.3软件工作量大在暗室中采用平面近场方法测试电大尺寸相控阵的方向图对接收机的动态需求比较大,在
17、通道校准模式和任务模式之外,中心机软件需要根据近场测试模式流程进行二次编制才能实现方向图合成,电大尺寸阵面通道数量多导致软件工作量增加。3外场单通道幅度相位校准测试3.1外场校准流程电大尺寸平面数字相控阵外场通道校准测试的主要流程如图2所示。首先对整个系统进行三轴标定,将天线系统的机械轴、光轴和电轴统一,将天线阵面水平调平;然后通过调整伺服系统的方位角和俯仰角,利用微光电视和望远镜将阵面的几何中心对准高处的信标机;信标机发射微波信号,系统上位机遍历所有通道采集幅度相位数据,信标机和天线在整个数据采集过程中无需移动;判断采集到的幅度数据是否处于合理区间,若过低或者饱和则调整信标机功放后重新采集阵
18、面通道的幅相数据,直至幅度数据满足要求;最后将采集到的相位数据进行后处理,再进行波控码的计算与生成。对于“通道遍历”以及“相位数据后处理”进行详细的解释与分析:平面数字相控阵在暗室中进行通道校准时,扫描架上探针的源发射信号图2外场通道校准主要流程Fig.2Main process of channel calibration in outdoor37第 44 卷第 5 期刘首岚等,电大尺寸平面数字相控阵外场通道校准测试方法由系统中的数字波束合成(Digital Beam Forming,DBF)产生,发出的源信号经由探针发送给不同的通道,再经由阵面接收回来,可实现信号收发同源。外场测试中相控阵
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