一种大阵面相控阵天线系统及其校准方法
阅读说明：本技术 一种大阵面相控阵天线系统及其校准方法 (Large array plane phased array antenna system and calibration method thereof ) 是由 王德斌 胡斌 刘聪 于 2021-11-23 设计创作，主要内容包括：本发明公开了一种大阵面相控阵天线系统及其校准方法,其中所述校准方法包括：分别计算各个子阵与基准子阵之间的相位差,记为第一相位差；利用光纤延迟线对所述第一相位差进行补偿；分别计算各个子阵内部的相位差,记为第二相位差；利用矢量合成器对所述第二相位差进行补偿；分别计算利用光纤延迟线进行第一相位差补偿后各子阵的实际相位与理论相位之间的相位差,记为第三相位差；利用矢量合成器对所述第三相位差进行补偿。本发明使得光纤延迟线与矢量合成器的最终相位与理论相位贴合,使得大阵面相控阵天线系统大角度扫描时,仍能够保证很好的波束宽度和波束指向。(The invention discloses a large-array-surface phased array antenna system and a calibration method thereof, wherein the calibration method comprises the following steps: respectively calculating the phase difference between each subarray and the reference subarray, and recording the phase difference as a first phase difference; compensating the first phase difference by using a fiber delay line; respectively calculating the phase difference inside each subarray and recording the phase difference as a second phase difference; compensating the second phase difference by using a vector synthesizer; respectively calculating the phase difference between the actual phase and the theoretical phase of each sub-array after the first phase difference compensation is carried out by using the optical fiber delay line, and recording the phase difference as a third phase difference; and compensating the third phase difference by using a vector synthesizer. The invention leads the final phase of the optical fiber delay line and the vector synthesizer to be jointed with the theoretical phase, and can still ensure good beam width and beam pointing when the large array face phased array antenna system scans at a large angle.)
技术领域
本发明涉及相控阵天线技术领域，特别是涉及一种大阵面相控阵天线系统及其校准方法。
背景技术
近来，相控阵天线因其波束指向精度高，波束形成速度快等特点，在雷达、通信等领域得到了广泛应用。由相控阵天线波束宽度计算公式θBW=k·λ/（N·d·cosθ0）可知，当取3dB带宽（k=0.886）时，对于已知波长λ，如果要实现天线窄波束波束扫描，就要增大线性阵元数N，或者增加阵元间距d。又由于阵元间距需要考虑栅瓣问题，d一般需要小于0.54倍的λ，所以一般采用增大线性阵元数N的方式实现。因此，为实现窄波束设计，相控阵天线就需要增加线性阵元，选择使用大阵面设计。
随着对天线波束指向精度和波束宽度的要求不断提高，大阵面天线在各领域得到了越来越多的关注。目前大多使用分布式天线组阵实现大阵面，其中各子阵独立工作。但由于各子阵在安装完成后，相对于目标的空间位置是不同的，需要补偿每个子阵输出信号的延时差,使各子阵信号实现同相叠加，从而进一步提高信号的信噪比。
传统的相控阵天线大多使用单一的数控移相器或矢量合成器完成波束控制，这种控制方式不仅使得瞬时带宽受到限制，也提高了各子阵间的相位校准难度。因此，光纤延迟线（以下简称延迟线）也越来越多的被使用在大阵面相控阵天线中。但又由于延迟线成本较高的原因，一般不考虑在每一个阵元上使用延迟线，而是在子阵间使用延迟线控制，子阵内使用数控移相器或矢量合成器完成波束控制。但尽管如此，大阵面大角度扫描时仍然会导致各子阵相位差较大，使得整个天线面的波束无法完全合成，波束宽度和副瓣等指标发生明显劣化。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术的一项或多项不足，提供一种大阵面相控阵天线系统及其校准方法。
本发明的目的是通过以下技术方案来实现的：一种大阵面相控阵天线系统，包括多个子阵，其中一个子阵为基准子阵；
所述子阵设有用于补偿第一相位差的光纤延迟线，所述第一相位差为所述子阵与基准子阵之间的相位差；
所述子阵设有用于补偿第二相位差和第三相位差的矢量合成器，所述第二相位差为所述子阵内部的相位差，所述第三相位差为利用光纤延迟线进行第一相位差补偿后各子阵的实际相位与理论相位之间的相位差。
优选的，所述第一相位差的计算公式为：
Δφ=360°*24*d*sinθ/λ
式中，Δφ为第一相位差，d为阵元间距，λ为波长，θ为天线波束指向与天线阵面法向的夹角。
一种校准方法，应用于上述大阵面相控阵天线系统，所述校准方法包括：
分别计算各个子阵与基准子阵之间的相位差，记为第一相位差；
利用光纤延迟线对所述第一相位差进行补偿；
分别计算各个子阵内部的相位差，记为第二相位差；
利用矢量合成器对所述第二相位差进行补偿；
分别计算利用光纤延迟线进行第一相位差补偿后各子阵的实际相位与理论相位之间的相位差，记为第三相位差；
利用矢量合成器对所述第三相位差进行补偿。
优选的，所述第一相位差的计算公式为：
Δφ=360°*24*d*sinθ/λ
式中，Δφ为第一相位差，d为阵元间距，λ为波长。
本发明的有益效果是：
（1）本发明利用矢量合成器对子阵内部的相位差进行补偿，利用光纤延迟线对子阵间的相位差进行补偿，从而完成整个大阵面相控阵天线系统的波束控制，在实现高精度窄波束控制的同时，也保留了较大瞬时带宽；
（2）本发明通过对利用光纤延迟线进行第一相位差补偿后各子阵的实际相位与理论相位之间的相位差进行补偿，使得光纤延迟线与矢量合成器的最终相位与理论相位贴合，使得大阵面相控阵天线系统大角度扫描时，仍能够保证很好的波束宽度和波束指向。
附图说明
图1为本发明中校准方法的一种流程图；
图2为四个子阵交界处由于光纤延迟线的精度所产生的相位差的一个示意图；
图3为四个子阵交界处由于光纤延迟线的精度所产生的相位差的又一个示意图；
图4为四个子阵交界处由于光纤延迟线的精度所产生的相位差的又一个示意图。
具体实施方式
下面将结合实施例，对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域技术人员在没有付出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
参阅图1-图4，本实施例提供了一种大阵面相控阵天线系统及其校准方法：
实施例一
一种大阵面相控阵天线系统，包括多个子阵，其中一个子阵为基准子阵。所述子阵设有用于补偿第一相位差的光纤延迟线，所述第一相位差为所述子阵与基准子阵之间的相位差。所述子阵设有用于补偿第二相位差和第三相位差的矢量合成器，所述第二相位差为所述子阵内部的相位差，所述第三相位差为利用光纤延迟线进行第一相位差补偿后各子阵的实际相位与理论相位之间的相位差。
一般的，根据相控阵天线基本原理，天线阵面在使用时，需要形成与天线波束指向垂直的等相位面，即各天线单元需要根据指向产生出固定相位差。本实施例中，将大阵面相控阵天线的整个阵面分为多个子阵，每个子阵内部使用矢量合成器控制天线单元的相位差，每个子阵间使用光纤延迟线控制因子阵中心坐标差异产生的相位差。
具体的，所述第一相位差的计算公式为：
Δφ=360°*24*d*sinθ/λ
式中，Δφ为第一相位差，d为阵元间距，λ为波长，θ为天线波束指向与天线阵面法向的夹角，以一维阵为例，θ即方位角，取值范围为-180~180度。
上述第一相位差的计算公式的推导过程为：Δφ=360°*f*Δt为不考虑指向，只考虑间隔时间所造成的相位差；Δφ=360°*24*d*sinθ/λ是实际情况下，将角度和子阵间间距带入后的相位差。其中，λ为波长，λ=c/f，c为光速（即电磁波在空间传播速度），Δt为电磁波通过过24个阵元间隔所耗费的时间。因此Δφ=360°*f*Δt=360°*（c/λ）*Δt=360°*c*Δt/λ=Δφ=360°*24*d*sinθ/λ。
本实施例中利用矢量合成器对子阵内部的相位差进行补偿，利用光纤延迟线对子阵间的相位差进行补偿，从而完成整个大阵面相控阵天线系统的波束控制，在实现高精度窄波束控制的同时，也保留了较大瞬时带宽。同时，通过对利用光纤延迟线进行第一相位差补偿后各子阵的实际相位与理论相位之间的相位差进行补偿，使得光纤延迟线与矢量合成器的最终相位与理论相位贴合，使得大阵面相控阵天线系统大角度扫描时，仍能够保证很好的波束宽度和波束指向。
实施例二
如图1所示，一种校准方法，应用于实施例一所述的大阵面相控阵天线系统，所述校准方法包括：
S1.分别计算各个子阵与基准子阵之间的相位差，记为第一相位差。
S2.利用光纤延迟线对所述第一相位差进行补偿。
S3.分别计算各个子阵内部的相位差，记为第二相位差。
S4.利用矢量合成器对所述第二相位差进行补偿。
S5.分别计算利用光纤延迟线进行第一相位差补偿后各子阵的实际相位与理论相位之间的相位差，记为第三相位差。
S6.利用矢量合成器对所述第三相位差进行补偿。
需要说明的是编号S1、S2、S3、S4、S5、S6不应理解为对各步骤先后顺序的限制，可以根据实际情况确定每步的先后顺序。例如，S3和S4可以先于S1和S2执行。
所述第一相位差的计算公式为：
Δφ=360°*24*d*sinθ/λ
式中，Δφ为第一相位差，d为阵元间距，λ为波长，θ为天线波束指向与天线阵面法向的夹角，以一维阵为例，θ即方位角，取值范围为-180~180度。
本实施例中利用矢量合成器对子阵内部的相位差进行补偿，利用光纤延迟线对子阵间的相位差进行补偿，从而完成整个大阵面相控阵天线系统的波束控制，在实现高精度窄波束控制的同时，也保留了较大瞬时带宽。同时，通过对利用光纤延迟线进行第一相位差补偿后各子阵的实际相位与理论相位之间的相位差进行补偿，使得光纤延迟线与矢量合成器的最终相位与理论相位贴合，使得大阵面相控阵天线系统大角度扫描时，仍能够保证很好的波束宽度和波束指向。
下面举例对本实施例的方案进行说明。
以线性阵元数N=96为例，相控阵天线中心频率f0为16.3GHz，瞬时带宽为500MHz，单元间距为10.4mm，最大扫描角度为30°。使用6位光纤延迟线，最小步进为10ps，由公式Δφ=360°*f*Δt（f是指天线工作频率，此处带入值为天线中心频率f0；Δt是为间隔时间，此处带入Δt=10ps，Δt取决于光纤延迟线的精度）可知，当Δt=10ps=10*10^(-12)s，f=16.3GHz=16.3*10^9Hz时，相位差Δφ=58.68°，即光纤延迟线最小步进对应的相位为58.68°。
当扫描角度为30°，每个子阵独立波束控制时，子阵间距为24个阵元间距，各子阵间光纤延迟线相位差为Δφ=360°*24*d*sinθ/λ=2441.088°。将每个子阵第一个阵元的相位称为特征相位，则四个子阵的特征相位分别为0°、2441.088°、4882.176°、7323.264°。此时，通过实测可知，子阵的光纤延迟线对应相位加实际子阵阵元相位并不等于理论相位，主要体现在子阵交界部分，存在明显的相位差，说明此时天线阵面各子阵间相位并未完全补平，四个子阵交界处由于光纤延迟线的精度所产生的相位差如图2、图3和图4所示。
这个现象的原因是因为光纤延迟线对应相位最小步进为58.68°，因此，四个子阵延迟线实际对应相位分别为0°、2405.88°（41*58.68）、4870.44°（83*58.68）、7276.32°（124*58.68），因此，使用光纤延迟线进行子阵相位补偿后，最终相位与理论相位之间会出现0°、35.208°、11.736°、46.944°的误差，即“余数”（第三相位差）。
因此，为了保证整个天线阵的相位平面性，在矢量合成器上将“余数”做补偿，即在各阵元相位上分别加上所属子阵的“余数”。完成“余数”补偿后，整个阵面理论相位与最终相位完全一致。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当理解本发明并非局限于本文所披露的形式，不应看作是对其他实施例的排除，而可用于各种其他组合、修改和环境，并能够在本文所述构想范围内，通过上述教导或相关领域的技术或知识进行改动。而本领域人员所进行的改动和变化不脱离本发明的精神和范围，则都应在本发明所附权利要求的保护范围内。
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