1.本发明是有关一种相位阵列天线校正方法，特别是一种关于一种应用于波束偏转相位阵列的校正方法。
背景技术：
：：2.相位阵列天线的的辐射波束是通过射频(radiofrequency，rf)波束形成电路(beamformingnetwork,bfn)产生，构成射频波束形成电路的元件包括有源增益控制单元(即，功率放大器(poweramplifier，pa)、低噪声放大器(lownoiseamplifier，lna)、衰减器等)、数字移相器(digitalphaseshifter，dps)以及射频传输线路。对有源增益控制单元以及数字移相器操作以产生激发振幅以及相位，用以激发天线阵列。由于波束形成电路所操作应用的频段变得非常高。因此，波束形成电路以及天线元素的制造，可能容易在波束形成电路以及天线元素用于激发阵列天线的输出中，招致相位以及振幅误差，且导致辐射波束的图案以及方向缺损。于是，需要繁复过程的方法校正相位阵列天线以获取良好的辐射波束。技术实现要素：3.为解决上述问题，本发明提出一种有效率的校正方法，应用于相位阵列天线。此校正方法是基于波束形成电路中数字移相器的二元操作，以在天线辐射中形成离散傅立叶转换(discretefouriertransformation,dft)的格式，其中天线辐射是在单一场点观测所量测，且单一场点观测是定义为相位阵列天线的辐射瞄准点。校正过程导致射频装置和数字移相器的振幅和相位的重新定义，以将波束形成电路中的振幅和相位的误差，嵌入到用于波束偏转操作的射频装置和数字移相器的二元离散振幅和相位状态的新表中。4.本发明的目标之一是搜索振幅和相位中的激发误差，其中激发误差是由于制造差异而从波束形成电路和天线元素输出。在相位阵列天线的操作期间，通过增益控制单元和数字移相器以相等振幅和相位激发，在所选择的固定测量位置上辐射最大方向性的波束，能够补偿这些误差。5.在一实施例中，相位阵列天线的元件分布在符合常见的应用设计之下可以是相对任意的。因此，相位阵列天线的天线元素的分布可以是周期性的(periodic)或非周期性的(aperiodic)，并且可以是共形的(conformal)或平面的(planar)。相位阵列天线不限于任何一维(1-d)、二维(2-d)或三维(3-d)空间阵列配置。在校准过程中，通过重新排序其天线元素的标号(index)，将各种空间配置的相位阵列天线视为一维相位阵列天线。6.本发明提出一种相位阵列天线的校正方法，其中上述相位阵列天线具有n个天线元素，其分解成具有m个天线元素的g个子阵列。m是通过数字移相器提供的可用相位状态的数目所确定。若是n≠gm，则对剩馀的子阵列执行补零动作(zeropadding)，以确保符合条件n＝gm。校正方法包含下列步骤：7.步骤a:输入具有二元离散输出状态(即，波束形成电路中的有源增益控制单元以及数字移相器的输出状态)的一组数字控制码至射频装置，以相对上述g个子阵列的一序列操作次序中的第r个步骤，产生来自波束形成电路中的射频装置及数字移相器的一组激发振幅以及相位，且在所选择的一固定位置量测m个天线元素的辐射，以产生一组m个场信号；8.步骤b:相对g个子阵列的序列操作次序中的第r个步骤，在一个固定位置量测m个天线元素的辐射的m个场信号，以相对数字移相器的二元操作产生一离散傅立叶转换关系；9.步骤c:对应序列操作次序中的操作步骤次序r从1至g，重复步骤a至步骤b，以产生来自波束形成电路中的射频装置及数字移相器的激发，且从固定位置的m个天线元素的辐射获取m个场信号。10.更具体的说，所述相位阵列天线为一维、二维或三维阵列天线。11.更具体的说，所述相位阵列天线的形状是共形的或平面的。12.更具体的说，所述相位阵列天线是周期性的或非周期性的。13.更具体的说，所述相位阵列天线校正方法，更包含下列步骤：14.步骤d:输入另一组数字控制码至射频装置，以在所选择的固定位置上，由上述g个子阵列的m个天线元素产生另一组的m个场信号；15.步骤e:重复步骤a至步骤d量测m次，产生n个场信号(n＝gm)及找出与波束形成电路中的射频路径相关的n个天线误差校正信号。16.更具体的说，所述相位阵列天线校正方法，更包含下列步骤：17.步骤f:输入上述n个天线对应的激发的振幅信号。18.更具体的说，所述步骤f的上述输入上述n个天线对应的激发的振幅信号是由ap,g所表示，其中p表示m个天线元素的标号，其中m为整数，g表示g个子阵列的标号。因制造所造成的激发的振幅误差以及在所选择的固定位置上量测的的天线元素的辐射皆合并于ap,g中。19.更具体的说，在所述步骤b中，对应上述g个子阵列的m个天线元素，用于产生离散傅立叶转换信号的数字移相器操作的输出相量以表示，其中p＝1～m整数，表示m个天线元素的标号，且q＝1～m为在所选择的固定位置上量测的辐射信号的标号。20.更具体的说，在所述步骤(c)中，对应对g个子阵列的序列操作中的步骤r，用于产生离散傅立叶转换信号的数字移相器操作的输出相量以exp(-i(r-1)(g-1)λ)表示，其中g表示g个子阵列的标号(g为整数)，λ表示上述g个子阵列的相邻子矩阵之间的相位差，而λ＝(m/2-1)δ，δ＝2π/m。21.更具体的说，用于产生n个离散傅立叶转换信号的数字移相器操作的完整输出相量为其中q＝1～m且r＝1～g，以量测n个离散傅立叶转换信号。22.更具体的说，在所述步骤(e)中，上述g个子阵列误差校正信号的相量以表示，其中p表示m个天线元素的标号，g为g个子阵列的标号。23.更具体的说，在所述步骤(d)中，在一个固定位置量测上述n个天线元素的对应操作步骤r的n个离散傅立叶转换信号以fco(q,r)表示。离散傅立叶转换关系参酌以下所建立：24.附图说明25.[图1]是本发明相位阵列天线校正方法的流程示意图。[0026][图2]是本发明相位阵列天线校正方法的扫描波束相位阵列天线示意图。[0027][图3]是本发明相位阵列天线校正方法的相位阵列天线分解成子阵列校正方法示意图。[0028][图4]是本发明相位阵列天线校正方法的校正方法过程流程图。[0029][图5]是本发明相位阵列天线校正方法的一维相位阵列天线校正方法于第一实施例的振幅及相位校正值(即，所萃取的误差校正信号)与预设值(即，既存误差)比较结果。[0030][图6]是本发明相位阵列天线校正方法的第一实施例校正前后的辐射场型比较结果。[0031][图7]是本发明相位阵列天线校正方法的一维相位阵列天线校正方法于第二实施例的振幅及相位校正值(即，所萃取的误差校正信号)与预设值(即，既存误差)比较结果。[0032][图8]是本发明相位阵列天线校正方法的第二实施例校正前后的辐射场型比较结果。[0033][图9]是本发明相位阵列天线校正方法的二维相位阵列天线校正方法于第三实施例的振幅及相位校正值(即，所萃取的误差校正信号)与预设值(即，既存误差)比较结果。[0034][图10a-图10b]是本发明相位阵列天线校正方法的dps不同比特(bit)的误差界(errorbound)对相位和振幅误差的影响比较结果。[0035][图11a-图11b]是本发明相位阵列天线校正方法的增加步阶数和天线元素数对精确度的影响结果。[0036][图12]是本发明相位阵列天线校正方法的数字移相器和天线阵列的实体图。[0037][图13]是本发明相位阵列天线校正方法的单场观测量测的追踪振幅和相位。[0038][图14]是本发明相位阵列天线校正方法的校正前后的辐射场型比较图。具体实施方式[0039]为了能进一步了解本发明为达成预定目的所采取之技术、手段及功效，请参阅以下有关本发明的详细说明及附图。本发明的目的、特征或特点，当可由此得到一深入且具体了解，然而所附图式仅提供参考与说明用，并非用以对本发明加以限制。[0040]如图1所示，本发明之校正方法步骤为：[0041]步骤101:输入具有二元离散输出状态(即，波束形成电路中的有源增益控制单元以及数字移相器的输出状态)的一组数字控制码至射频装置，以相对上述g个子阵列的一序列操作次序中的第r个步骤，产生来自波束形成电路中的射频装置及数字移相器的一组激发振幅以及相位，且在所选择的一固定位置量测m个天线元素的辐射，以产生一组m个场信号(例如，单点观测场信号)；[0042]步骤102:相对g个子阵列的序列操作次序中的第r个步骤，在一个固定位置m个天线元素的辐射的m个场信号(其可为远场信号或近场信号)，以相对数字移相器的二元操作产生一离散傅立叶转换关系；[0043]步骤103:对应序列操作次序中的操作步骤次序r从1至g，重复步骤101至步骤102，以来自波束形成电路中的射频装置及数字移相器的激发，且从固定位置的m个天线元素的辐射获取m个场信号；[0044]步骤104:输入另一组数字控制码至上述射频装置，以在所选择的固定位置上，由上述g个子阵列的每一者的上述m个天线元素产生另一组m个场信号，其中上述m个天线元素可互为相同或不同；[0045]步骤105:重复步骤101至步骤104量测m次，产生n个场信号及找出与与波束形成电路中的射频路径相关的n个天线误差校正信号；[0046]步骤106:输入上述n个天线对应的振幅信号，其中上述n个天线元素可互为相同或不同。[0047]如图2所示，本发明之校正方法应用于产生扫描波束的n个相位阵列天线，其通过有源波束形成电路10激发用以辐射指向性或轮廓性(directional/contour)波束，该有源波束形成电路包含发射器、射频功率放大器、数字移相器、衰减器、功率分配器(未图示)及天线单元ant。[0048]以下先说明一维(1-d)相位阵列天线的校正原理(请注意，一维相位阵列天线可以是相位阵列天线、可以是周期阵列天线(periodicarrayantenna)，共形天线(conformalantenna)或平面天线(planarantenna))，单点观测场辐射场形以公式(1)所表示。[0049][0050]其中位于球面坐标系统中。在公式(1)中，in以及表示激发的振幅与相位，其中激发是由波束形成电路的元件激发第n个天线元素所产生的。波束形成电路的元件包括射频装置、数字移相器以及射频传输线。场形函数表示来自第n个天线元素的辐射贡献。在阵列天线的远区(far-zone)中，表示如下：[0051][0052]上述表示传播的波向量，表示第n个天线元素的位置向量，为第n个天线元素位于的辐射场型。对于在所选择的量测位置，量测场辐射场型如下所示：[0053][0054]是共极化方向(co-polarization)的极化向量，in也包括波束形成电路中的射频路径的通道不匹配引起的振幅误差，其中通道不匹配是相对于均匀振幅激发而言。其中αn为通道不匹配引起的相位误差，表示波束形成电路中的射频路径的通道不匹配引起的相位误差，ωn表示为数字移相器ps产生的每个天线元素的相位。相位误差包括制造误差。[0055]数字移相器ps通过b-digit数字码产生相邻步阶大小为δ＝2π/m的数字相位移转，其中m＝2b为数字移相器的相位状态数，数字相位可以表示成ωn,m＝-2πnm/m。在所选择的固定位置上所量测的场辐射场型如下所示：[0056][0057]其中为并入激发振幅、天线元素辐射场型以及波束形成电路的射频路径的振幅误差的振幅项。[0058]当m＝n，数字移相器ps连续切换时，公式(3)中量测值fco(m)和n个天线的振幅项an形成离散傅立叶转换关系式。[0059]一般的情况下，数字移相器ps的相位状态数m≠天线元素数n，当n《m时，退化系数如下所示，[0060][0061]其中mγ是数字移相器的新定义的相位状态数。数字移相器ps在新相位状态数为mγ的情况下，以低比特(bit)数b-γ切换，通过如此操作，量化误差可以最小化。在阵列末端加入零元素(nullelement)以满足离散傅立叶转换的关系式，其等效于施加离散傅立叶转换前的补零动作(zeropadding)。然而当n》m时，即阵列天线的天线元素的数目大于可用的相位状态的数目。相位状态的数目无法满足提供用于校正n个场信号，是比较复杂的状况。于是，对n个元素的阵列执行子阵列分解，分解为各具有m个天线元素的g个子阵列。一种同时对g个子阵列执行而无须关闭(shutdown)任何天线元素的校正方法由此而生。[0062]如图3所示，为本发明重新组织天线元素的标号后的一维相位阵列天线校正方法示意图，该相位阵列天线具有n个天线元素，分解成g个子阵列，每一个子阵列具有m个天线元素。如果n≠gm，通过以增加虚拟天线元素所执行的补零动作，而能确保n＝gm。[0063]该校正过程总共需要在一序列次序中操作g次(r＝1～g)，每次校正过程提供m个量测值，以提供在所选位置上量测的n＝gm个场信号。当第一次操作时(r＝1)，每一个子阵列的天线元素以其相位ωp,g(下标g表示g个子阵列的标号，下标p表示子阵列中m个天线元素的标号)激发辐射，以在n个天线元素以及n个辐射场信号之间产生离散傅立叶转换项。在所选的固定位置量测得出加总每一个子阵列的离散傅立叶变换复数信号。当第二次操作时(r＝2)，gth子阵列以将上相位ωp,g，加上数字移相器ps产生对应相位移转(g-1)λ激发。上述过程是对所有从1至g的r所执行的。由离散傅立叶转换的线性特质得知，第r次操作时，以下列公式表示量测信号fco(q,r)相对在固定位置上的激发的关系：[0064][0065]其中[0066][0067]根据公式(4)所解出的每一个子阵列的第p个天线元素的振幅以及相位误差可通过以下公式求解，[0068][0069]其中[0070][0071]本案所提校正方法精确度和复杂度取决于校正环境和数字移相器ps量化误差，前者所产生误差相当不可预测，因此在高品质的电波暗室是较佳的校正环境，否则将会需要后校正过程降低环境杂散信号，后者所产生的误差正是本发明的主要的目的，数字移相器ps的量化误差时常特征化为均方值(rms)误差，这些误差可以模型化为离散傅立叶转换的微扰项(perturbation)，[0072][0073]其中假设相位偏差[0074]δpq～u[-δmax,δmax][0075]是平均分布在误差界限δmax，因此当执行逆离散傅立叶转换(inversediscretefouriertransformation，idft)，第p追踪值值，也就是公式(8)的逆离散傅立叶转换，如公式(9)所表示，[0076][0077]cpq为从逆离散傅立叶转换所获得的耦合系数。当δmax趋近于0时，并且p＝q时，cpq趋近于1，而p≠q时，cpq趋近于0，这就化简为理想数字移相器，然而当数字移相器量化误差存在时，cpq≠0，每一个波束形成电路的射频路径的通道互相耦合，其他射频路径的通道的贡献无法省略，当子阵列天线元素数目增加时，其精确度会降低。可由以下所表示的方程式来解释。[0078][0079]这可显示出随机变数xpq和ypq并不是均匀分布而是反正弦分布，因此当离散傅立叶转换矩阵增加时误差亦随之累积，这就是为什么退化系数(degenerationcoefficient)在相位阵列天线的天线元素数目n小于数字移向器所提供的相位状态的数目m时的校正中是必要的理由，然而，这并不是一个大问题，如果有大数目m的校正步阶，相对应的rms相位误差通常是非常小，另一方面，当相位阵列天线的天线元素数目n大于m的校正中，分解相位阵列天线造成的误差会随着天线元素数目n增加而增加。[0080]本发明校正方法的计算复杂度来自于解阵列天线分解成子阵列量测值的逆离散傅立叶转换对所量测的场信号的操作及其公式(6)的反矩阵，为执行逆离散傅立叶转换可以利用快速傅立叶转换演算法降低其计算复杂度的秩(orderofcomplexity)，从原本的复杂度降低至o(gmdlog2md)，而公式(6)为范德蒙德(vandermonde)矩阵，当阵列为一维(1-d)时，d＝1，而阵列为二维(2-d)时，d＝2，当分解阵列时，需要解m次反矩阵引起额外计算复杂度为o(g2m)，其矩阵亦为范德蒙德矩阵。[0081]相位阵列天线的校正流程图如图4所示，一开始相位阵列天线的特征当作校正编码，其包括天线元素数n，数字移相器ps的校正步阶数m，单一天线元素的辐射场型等参数，然后校正程式将会根据天线元素数n与数字相位移转的相位状态数m的关系决定是否执行分解阵列或是退化的数字相位移转，这些都是校正过程的预设值，当完成上述预设值之后，产生数字控制码的一个选择表(selectiontable)用以产生来控制射频装置，且用于指示各种量测执行的状态，当所有量测都完成时，离散傅立叶转换数据都已经收集，其包括在单一位置量测所有的相位以及振幅。[0082]因此，在数字移相器的初始零状态下得到每一个阵列元素的激发振幅和相位。这些激发振幅和相位的萃取值视为用于波束形成电路的射频装置的错误校正信号，其中错误校正信号是相对于在所选量测位置上阵列天线辐射的均匀振幅的理想状态以及用于最大方向性的零相位下。因此，经过校正之后，产生一个新的振幅以及相位选择表用于波束形成电路中的射频装置以及数字移相器，以在他们被操作以辐射方向性波束前进行补偿。从另一角度来说，在表中的相位能够在校正过程中以其零状态作为数字相仪器的新的初始状态。这些零状态已经纳入波束形成电路中每一射频路径通道的相位误差，包括在量测位置(一般而言，会选择在阵列天线的瞄准线(boresight)上)的天线元素的辐射的效应，其等同于瞄准线辐射(boresightradiation)的相位分布。在表中的振幅视为在波束形成电路中的射频装置在其设定状态的振幅。于是，可以利用新产生选择表做进一步的辐射场型最佳化。[0083]除了其在波束形成电路中恢复相对于用于波束形成电路中的射频装置和数字移相器的初始状态的振幅和相位误差的能力之外，该过程还可以用于通过在每个状态下考虑相同的偏移来校准波束形成电路中的射频装置和数字移相器的二元离散化的输出状态。为了实现针对波束形成电路中的射频装置和数字移相器的输出状态的这一校准，通过将一组新的初始状态设置为下一级别来重新执行校准过程，以恢复新的一组振幅和相位。此序列化的校准因此用于具有与固定制造误差相同的偏移的射频装置以及数字移相器，以恢复射频装置以及数字移相器的所有振幅和相位状态。[0084]图5为本发明一维相位阵列天线校正方法于第一实施例的振幅及相位校正值(即，错误校正信号)与预设值比较，该实施例为一维相位阵列天线包含8个天线元素，配备6比特(即，64相位状态)数字输出相位离散化，其天线元素数目n＝8小于数字移相器的状态数目m＝64(即，所有状态数目)，根据图4校正流程图，执行退化数字移相器校正，其模拟结果如图5、图6所示，图5显示相位及振幅的校正计算结果与预设值相符，经过虚拟校正后，产生一个新的选择表并且天线元素都校正至接近等相位，图6为第一实施例校正前后的辐射场型比较，在校正前由射频通道的相位误差导致相位阵列天线有较高的旁波束电平(sidelobelevel,sll)并且主波束方向稍微偏离瞄准线，但是经校正后符合理论上理想状态。[0085]图7为本发明一维相位阵列天线校正方法于第二实施例的振幅及相位校正值与预设值比较，图8为第二实施例校正前后的辐射场型比较，该实施例为一维相位阵列天线包含12个天线元素，配备3比特(即，提供8个相位状态)数字移相器，其天线元素数n＝12大于数字移相器的状态数目m＝8(即，相位状态数目)，根据图4校正流程图，执行分解相位阵列天线校正。[0086]图9为本发明二维相位阵列天线校正方法于第三实施例的相位振幅模拟结果，该二维相位阵列天线包含12×12天线元素，配备3比特(即，提供8个相位状态)数字移相器的模拟结果。请注意，二维相位阵列天线可以是相位阵列天线可以是周期阵列天线(periodicarrayantenna)、共形天线(conformalantenna)或平面天线(planarantenna)[0087]数字移相器的量化误差对校正精确度是非常重要的，图10a-图10b为当数字移相器的相位状态以不同比特离散化时，相位误差和振幅误差相对误差界(errorbound)的曲线图。校正方法是使用64个天线元素的一维相位阵列天线进行测试。一维相位阵列天线由3、4、5、6、7或8比特数字移相器所激发。每一个测试都执行10,000次模拟，平均最大振幅误差及相位误差都是通过计算校正值和计算值差的绝对值得出，可以观察出具有线性趋势，当数字移相器的误差界减少时，其校正结果误差亦跟着减少，当数字移相器的误差界减少接近零时，并且在环境校正因素忽略的条件下，其接近理想数字移相器，而校正结果误差亦跟着减少接近零。[0088]有一个有趣观察是当数字移相器误差界固定时，以3比特数字移相器所激发的阵列有相对低于以4比特数字移相器所激发的阵列的平均振幅与相位误差，所以在这些参数和精确度之间的取舍是必须考虑的。[0089]如图10a-图10b所示，当数字移相器的比特(bit)数高过6时，误差曲线几乎都重叠，因为数字移相器的退化，mγ＝n＝64。如下面表1所示，当数字移相器的误差界δmax＝5(度)，不同参数数字移相器的平均振幅相位误差。[0090]比特数npsg平均振幅误差平均相位误差3880.12209.1252°41640.150310.6356°53220.10957.9586°66410.10357.6452°[0091]表1[0092]如图11a、图11b分别显示增加相位状态数和天线元素数对精确度的影响，这些结果都是模拟10,000次后取平均所得出，在图11a是在数字移相器比特数固定为3比特及误差界δmax＝5(度)的条件下，天线元素数从8变化至64，从模拟结果可以看出校正的误差界随天线元素数增加而增加，显示未符合的来自数字移相器的相位解析度以操作阵列天线。在图11b中，固定群组数为1时，并且相位状态数目为m，数字移相器的比特数从20变化至12，和前面情况相反的，误差和比特数有一线性关系。[0093]图12为数字移相器和天线阵列的实体图。[0094]图13为单场观测量测的追踪振幅和相位。[0095]图14为校正前后的辐射场型比较图。[0096]本发明所提供之相位阵列天线校正方法，与其他现有技术相互比较时，其优点如下：[0097](1)本发明特别是用在数字移相器的操作。数字移相器的输出相位经过数字化以提供相同相位步阶(stepsize)。利用单点观测场辐射的数据和天线元素的激发数据满足傅立叶转换关系式，因此离散傅立叶转换可用以校正天线阵列使得共极化(co-polarization)远场观测的辐射源在在所选择的量测位置的瞄准线(boresight)方向具有等相位。于是，由此数字移相器将该误差校正相位储存作为扫描波束的参考值。[0098](2)本发明的优点在于利用电子波束扫描的处理速度比机械式探针扫描快很多。[0099](3)本发明目的提出一种应用于扫描波束的相位阵列天线，通过分解为子阵列的快速傅立叶转换演算法可以同时校正多个天线，并且降低计算相位误差的复杂度。[0100]本发明已通过上述之实施例揭露如上，然其并非用以限定本发明，任何熟悉此一
技术领域：
：具有通常知识者，在了解本发明前述的技术特征及实施例，并在不脱离本发明之精神和范围内，可作些许之更动与润饰，因此本发明之专利保护范围须视本说明书所附之权利要求书所界定者为准。当前第1页12当前第1页12
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：：2.相位阵列天线的的辐射波束是通过射频(radiofrequency，rf)波束形成电路(beamformingnetwork,bfn)产生，构成射频波束形成电路的元件包括有源增益控制单元(即，功率放大器(poweramplifier，pa)、低噪声放大器(lownoiseamplifier，lna)、衰减器等)、数字移相器(digitalphaseshifter，dps)以及射频传输线路。对有源增益控制单元以及数字移相器操作以产生激发振幅以及相位，用以激发天线阵列。由于波束形成电路所操作应用的频段变得非常高。因此，波束形成电路以及天线元素的制造，可能容易在波束形成电路以及天线元素用于激发阵列天线的输出中，招致相位以及振幅误差，且导致辐射波束的图案以及方向缺损。于是，需要繁复过程的方法校正相位阵列天线以获取良好的辐射波束。技术实现要素：3.为解决上述问题，本发明提出一种有效率的校正方法，应用于相位阵列天线。此校正方法是基于波束形成电路中数字移相器的二元操作，以在天线辐射中形成离散傅立叶转换(discretefouriertransformation,dft)的格式，其中天线辐射是在单一场点观测所量测，且单一场点观测是定义为相位阵列天线的辐射瞄准点。校正过程导致射频装置和数字移相器的振幅和相位的重新定义，以将波束形成电路中的振幅和相位的误差，嵌入到用于波束偏转操作的射频装置和数字移相器的二元离散振幅和相位状态的新表中。4.本发明的目标之一是搜索振幅和相位中的激发误差，其中激发误差是由于制造差异而从波束形成电路和天线元素输出。在相位阵列天线的操作期间，通过增益控制单元和数字移相器以相等振幅和相位激发，在所选择的固定测量位置上辐射最大方向性的波束，能够补偿这些误差。5.在一实施例中，相位阵列天线的元件分布在符合常见的应用设计之下可以是相对任意的。因此，相位阵列天线的天线元素的分布可以是周期性的(periodic)或非周期性的(aperiodic)，并且可以是共形的(conformal)或平面的(planar)。相位阵列天线不限于任何一维(1-d)、二维(2-d)或三维(3-d)空间阵列配置。在校准过程中，通过重新排序其天线元素的标号(index)，将各种空间配置的相位阵列天线视为一维相位阵列天线。6.本发明提出一种相位阵列天线的校正方法，其中上述相位阵列天线具有n个天线元素，其分解成具有m个天线元素的g个子阵列。m是通过数字移相器提供的可用相位状态的数目所确定。若是n≠gm，则对剩馀的子阵列执行补零动作(zeropadding)，以确保符合条件n＝gm。校正方法包含下列步骤：7.步骤a:输入具有二元离散输出状态(即，波束形成电路中的有源增益控制单元以及数字移相器的输出状态)的一组数字控制码至射频装置，以相对上述g个子阵列的一序列操作次序中的第r个步骤，产生来自波束形成电路中的射频装置及数字移相器的一组激发振幅以及相位，且在所选择的一固定位置量测m个天线元素的辐射，以产生一组m个场信号；8.步骤b:相对g个子阵列的序列操作次序中的第r个步骤，在一个固定位置量测m个天线元素的辐射的m个场信号，以相对数字移相器的二元操作产生一离散傅立叶转换关系；9.步骤c:对应序列操作次序中的操作步骤次序r从1至g，重复步骤a至步骤b，以产生来自波束形成电路中的射频装置及数字移相器的激发，且从固定位置的m个天线元素的辐射获取m个场信号。10.更具体的说，所述相位阵列天线为一维、二维或三维阵列天线。11.更具体的说，所述相位阵列天线的形状是共形的或平面的。12.更具体的说，所述相位阵列天线是周期性的或非周期性的。13.更具体的说，所述相位阵列天线校正方法，更包含下列步骤：14.步骤d:输入另一组数字控制码至射频装置，以在所选择的固定位置上，由上述g个子阵列的m个天线元素产生另一组的m个场信号；15.步骤e:重复步骤a至步骤d量测m次，产生n个场信号(n＝gm)及找出与波束形成电路中的射频路径相关的n个天线误差校正信号。16.更具体的说，所述相位阵列天线校正方法，更包含下列步骤：17.步骤f:输入上述n个天线对应的激发的振幅信号。18.更具体的说，所述步骤f的上述输入上述n个天线对应的激发的振幅信号是由ap,g所表示，其中p表示m个天线元素的标号，其中m为整数，g表示g个子阵列的标号。因制造所造成的激发的振幅误差以及在所选择的固定位置上量测的的天线元素的辐射皆合并于ap,g中。19.更具体的说，在所述步骤b中，对应上述g个子阵列的m个天线元素，用于产生离散傅立叶转换信号的数字移相器操作的输出相量以表示，其中p＝1～m整数，表示m个天线元素的标号，且q＝1～m为在所选择的固定位置上量测的辐射信号的标号。20.更具体的说，在所述步骤(c)中，对应对g个子阵列的序列操作中的步骤r，用于产生离散傅立叶转换信号的数字移相器操作的输出相量以exp(-i(r-1)(g-1)λ)表示，其中g表示g个子阵列的标号(g为整数)，λ表示上述g个子阵列的相邻子矩阵之间的相位差，而λ＝(m/2-1)δ，δ＝2π/m。21.更具体的说，用于产生n个离散傅立叶转换信号的数字移相器操作的完整输出相量为其中q＝1～m且r＝1～g，以量测n个离散傅立叶转换信号。22.更具体的说，在所述步骤(e)中，上述g个子阵列误差校正信号的相量以表示，其中p表示m个天线元素的标号，g为g个子阵列的标号。23.更具体的说，在所述步骤(d)中，在一个固定位置量测上述n个天线元素的对应操作步骤r的n个离散傅立叶转换信号以fco(q,r)表示。离散傅立叶转换关系参酌以下所建立：24.附图说明25.[图1]是本发明相位阵列天线校正方法的流程示意图。[0026][图2]是本发明相位阵列天线校正方法的扫描波束相位阵列天线示意图。[0027][图3]是本发明相位阵列天线校正方法的相位阵列天线分解成子阵列校正方法示意图。[0028][图4]是本发明相位阵列天线校正方法的校正方法过程流程图。[0029][图5]是本发明相位阵列天线校正方法的一维相位阵列天线校正方法于第一实施例的振幅及相位校正值(即，所萃取的误差校正信号)与预设值(即，既存误差)比较结果。[0030][图6]是本发明相位阵列天线校正方法的第一实施例校正前后的辐射场型比较结果。[0031][图7]是本发明相位阵列天线校正方法的一维相位阵列天线校正方法于第二实施例的振幅及相位校正值(即，所萃取的误差校正信号)与预设值(即，既存误差)比较结果。[0032][图8]是本发明相位阵列天线校正方法的第二实施例校正前后的辐射场型比较结果。[0033][图9]是本发明相位阵列天线校正方法的二维相位阵列天线校正方法于第三实施例的振幅及相位校正值(即，所萃取的误差校正信号)与预设值(即，既存误差)比较结果。[0034][图10a-图10b]是本发明相位阵列天线校正方法的dps不同比特(bit)的误差界(errorbound)对相位和振幅误差的影响比较结果。[0035][图11a-图11b]是本发明相位阵列天线校正方法的增加步阶数和天线元素数对精确度的影响结果。[0036][图12]是本发明相位阵列天线校正方法的数字移相器和天线阵列的实体图。[0037][图13]是本发明相位阵列天线校正方法的单场观测量测的追踪振幅和相位。[0038][图14]是本发明相位阵列天线校正方法的校正前后的辐射场型比较图。具体实施方式[0039]为了能进一步了解本发明为达成预定目的所采取之技术、手段及功效，请参阅以下有关本发明的详细说明及附图。本发明的目的、特征或特点，当可由此得到一深入且具体了解，然而所附图式仅提供参考与说明用，并非用以对本发明加以限制。[0040]如图1所示，本发明之校正方法步骤为：[0041]步骤101:输入具有二元离散输出状态(即，波束形成电路中的有源增益控制单元以及数字移相器的输出状态)的一组数字控制码至射频装置，以相对上述g个子阵列的一序列操作次序中的第r个步骤，产生来自波束形成电路中的射频装置及数字移相器的一组激发振幅以及相位，且在所选择的一固定位置量测m个天线元素的辐射，以产生一组m个场信号(例如，单点观测场信号)；[0042]步骤102:相对g个子阵列的序列操作次序中的第r个步骤，在一个固定位置m个天线元素的辐射的m个场信号(其可为远场信号或近场信号)，以相对数字移相器的二元操作产生一离散傅立叶转换关系；[0043]步骤103:对应序列操作次序中的操作步骤次序r从1至g，重复步骤101至步骤102，以来自波束形成电路中的射频装置及数字移相器的激发，且从固定位置的m个天线元素的辐射获取m个场信号；[0044]步骤104:输入另一组数字控制码至上述射频装置，以在所选择的固定位置上，由上述g个子阵列的每一者的上述m个天线元素产生另一组m个场信号，其中上述m个天线元素可互为相同或不同；[0045]步骤105:重复步骤101至步骤104量测m次，产生n个场信号及找出与与波束形成电路中的射频路径相关的n个天线误差校正信号；[0046]步骤106:输入上述n个天线对应的振幅信号，其中上述n个天线元素可互为相同或不同。[0047]如图2所示，本发明之校正方法应用于产生扫描波束的n个相位阵列天线，其通过有源波束形成电路10激发用以辐射指向性或轮廓性(directional/contour)波束，该有源波束形成电路包含发射器、射频功率放大器、数字移相器、衰减器、功率分配器(未图示)及天线单元ant。[0048]以下先说明一维(1-d)相位阵列天线的校正原理(请注意，一维相位阵列天线可以是相位阵列天线、可以是周期阵列天线(periodicarrayantenna)，共形天线(conformalantenna)或平面天线(planarantenna))，单点观测场辐射场形以公式(1)所表示。[0049][0050]其中位于球面坐标系统中。在公式(1)中，in以及表示激发的振幅与相位，其中激发是由波束形成电路的元件激发第n个天线元素所产生的。波束形成电路的元件包括射频装置、数字移相器以及射频传输线。场形函数表示来自第n个天线元素的辐射贡献。在阵列天线的远区(far-zone)中，表示如下：[0051][0052]上述表示传播的波向量，表示第n个天线元素的位置向量，为第n个天线元素位于的辐射场型。对于在所选择的量测位置，量测场辐射场型如下所示：[0053][0054]是共极化方向(co-polarization)的极化向量，in也包括波束形成电路中的射频路径的通道不匹配引起的振幅误差，其中通道不匹配是相对于均匀振幅激发而言。其中αn为通道不匹配引起的相位误差，表示波束形成电路中的射频路径的通道不匹配引起的相位误差，ωn表示为数字移相器ps产生的每个天线元素的相位。相位误差包括制造误差。[0055]数字移相器ps通过b-digit数字码产生相邻步阶大小为δ＝2π/m的数字相位移转，其中m＝2b为数字移相器的相位状态数，数字相位可以表示成ωn,m＝-2πnm/m。在所选择的固定位置上所量测的场辐射场型如下所示：[0056][0057]其中为并入激发振幅、天线元素辐射场型以及波束形成电路的射频路径的振幅误差的振幅项。[0058]当m＝n，数字移相器ps连续切换时，公式(3)中量测值fco(m)和n个天线的振幅项an形成离散傅立叶转换关系式。[0059]一般的情况下，数字移相器ps的相位状态数m≠天线元素数n，当n《m时，退化系数如下所示，[0060][0061]其中mγ是数字移相器的新定义的相位状态数。数字移相器ps在新相位状态数为mγ的情况下，以低比特(bit)数b-γ切换，通过如此操作，量化误差可以最小化。在阵列末端加入零元素(nullelement)以满足离散傅立叶转换的关系式，其等效于施加离散傅立叶转换前的补零动作(zeropadding)。然而当n》m时，即阵列天线的天线元素的数目大于可用的相位状态的数目。相位状态的数目无法满足提供用于校正n个场信号，是比较复杂的状况。于是，对n个元素的阵列执行子阵列分解，分解为各具有m个天线元素的g个子阵列。一种同时对g个子阵列执行而无须关闭(shutdown)任何天线元素的校正方法由此而生。[0062]如图3所示，为本发明重新组织天线元素的标号后的一维相位阵列天线校正方法示意图，该相位阵列天线具有n个天线元素，分解成g个子阵列，每一个子阵列具有m个天线元素。如果n≠gm，通过以增加虚拟天线元素所执行的补零动作，而能确保n＝gm。[0063]该校正过程总共需要在一序列次序中操作g次(r＝1～g)，每次校正过程提供m个量测值，以提供在所选位置上量测的n＝gm个场信号。当第一次操作时(r＝1)，每一个子阵列的天线元素以其相位ωp,g(下标g表示g个子阵列的标号，下标p表示子阵列中m个天线元素的标号)激发辐射，以在n个天线元素以及n个辐射场信号之间产生离散傅立叶转换项。在所选的固定位置量测得出加总每一个子阵列的离散傅立叶变换复数信号。当第二次操作时(r＝2)，gth子阵列以将上相位ωp,g，加上数字移相器ps产生对应相位移转(g-1)λ激发。上述过程是对所有从1至g的r所执行的。由离散傅立叶转换的线性特质得知，第r次操作时，以下列公式表示量测信号fco(q,r)相对在固定位置上的激发的关系：[0064][0065]其中[0066][0067]根据公式(4)所解出的每一个子阵列的第p个天线元素的振幅以及相位误差可通过以下公式求解，[0068][0069]其中[0070][0071]本案所提校正方法精确度和复杂度取决于校正环境和数字移相器ps量化误差，前者所产生误差相当不可预测，因此在高品质的电波暗室是较佳的校正环境，否则将会需要后校正过程降低环境杂散信号，后者所产生的误差正是本发明的主要的目的，数字移相器ps的量化误差时常特征化为均方值(rms)误差，这些误差可以模型化为离散傅立叶转换的微扰项(perturbation)，[0072][0073]其中假设相位偏差[0074]δpq～u[-δmax,δmax][0075]是平均分布在误差界限δmax，因此当执行逆离散傅立叶转换(inversediscretefouriertransformation，idft)，第p追踪值值，也就是公式(8)的逆离散傅立叶转换，如公式(9)所表示，[0076][0077]cpq为从逆离散傅立叶转换所获得的耦合系数。当δmax趋近于0时，并且p＝q时，cpq趋近于1，而p≠q时，cpq趋近于0，这就化简为理想数字移相器，然而当数字移相器量化误差存在时，cpq≠0，每一个波束形成电路的射频路径的通道互相耦合，其他射频路径的通道的贡献无法省略，当子阵列天线元素数目增加时，其精确度会降低。可由以下所表示的方程式来解释。[0078][0079]这可显示出随机变数xpq和ypq并不是均匀分布而是反正弦分布，因此当离散傅立叶转换矩阵增加时误差亦随之累积，这就是为什么退化系数(degenerationcoefficient)在相位阵列天线的天线元素数目n小于数字移向器所提供的相位状态的数目m时的校正中是必要的理由，然而，这并不是一个大问题，如果有大数目m的校正步阶，相对应的rms相位误差通常是非常小，另一方面，当相位阵列天线的天线元素数目n大于m的校正中，分解相位阵列天线造成的误差会随着天线元素数目n增加而增加。[0080]本发明校正方法的计算复杂度来自于解阵列天线分解成子阵列量测值的逆离散傅立叶转换对所量测的场信号的操作及其公式(6)的反矩阵，为执行逆离散傅立叶转换可以利用快速傅立叶转换演算法降低其计算复杂度的秩(orderofcomplexity)，从原本的复杂度降低至o(gmdlog2md)，而公式(6)为范德蒙德(vandermonde)矩阵，当阵列为一维(1-d)时，d＝1，而阵列为二维(2-d)时，d＝2，当分解阵列时，需要解m次反矩阵引起额外计算复杂度为o(g2m)，其矩阵亦为范德蒙德矩阵。[0081]相位阵列天线的校正流程图如图4所示，一开始相位阵列天线的特征当作校正编码，其包括天线元素数n，数字移相器ps的校正步阶数m，单一天线元素的辐射场型等参数，然后校正程式将会根据天线元素数n与数字相位移转的相位状态数m的关系决定是否执行分解阵列或是退化的数字相位移转，这些都是校正过程的预设值，当完成上述预设值之后，产生数字控制码的一个选择表(selectiontable)用以产生来控制射频装置，且用于指示各种量测执行的状态，当所有量测都完成时，离散傅立叶转换数据都已经收集，其包括在单一位置量测所有的相位以及振幅。[0082]因此，在数字移相器的初始零状态下得到每一个阵列元素的激发振幅和相位。这些激发振幅和相位的萃取值视为用于波束形成电路的射频装置的错误校正信号，其中错误校正信号是相对于在所选量测位置上阵列天线辐射的均匀振幅的理想状态以及用于最大方向性的零相位下。因此，经过校正之后，产生一个新的振幅以及相位选择表用于波束形成电路中的射频装置以及数字移相器，以在他们被操作以辐射方向性波束前进行补偿。从另一角度来说，在表中的相位能够在校正过程中以其零状态作为数字相仪器的新的初始状态。这些零状态已经纳入波束形成电路中每一射频路径通道的相位误差，包括在量测位置(一般而言，会选择在阵列天线的瞄准线(boresight)上)的天线元素的辐射的效应，其等同于瞄准线辐射(boresightradiation)的相位分布。在表中的振幅视为在波束形成电路中的射频装置在其设定状态的振幅。于是，可以利用新产生选择表做进一步的辐射场型最佳化。[0083]除了其在波束形成电路中恢复相对于用于波束形成电路中的射频装置和数字移相器的初始状态的振幅和相位误差的能力之外，该过程还可以用于通过在每个状态下考虑相同的偏移来校准波束形成电路中的射频装置和数字移相器的二元离散化的输出状态。为了实现针对波束形成电路中的射频装置和数字移相器的输出状态的这一校准，通过将一组新的初始状态设置为下一级别来重新执行校准过程，以恢复新的一组振幅和相位。此序列化的校准因此用于具有与固定制造误差相同的偏移的射频装置以及数字移相器，以恢复射频装置以及数字移相器的所有振幅和相位状态。[0084]图5为本发明一维相位阵列天线校正方法于第一实施例的振幅及相位校正值(即，错误校正信号)与预设值比较，该实施例为一维相位阵列天线包含8个天线元素，配备6比特(即，64相位状态)数字输出相位离散化，其天线元素数目n＝8小于数字移相器的状态数目m＝64(即，所有状态数目)，根据图4校正流程图，执行退化数字移相器校正，其模拟结果如图5、图6所示，图5显示相位及振幅的校正计算结果与预设值相符，经过虚拟校正后，产生一个新的选择表并且天线元素都校正至接近等相位，图6为第一实施例校正前后的辐射场型比较，在校正前由射频通道的相位误差导致相位阵列天线有较高的旁波束电平(sidelobelevel,sll)并且主波束方向稍微偏离瞄准线，但是经校正后符合理论上理想状态。[0085]图7为本发明一维相位阵列天线校正方法于第二实施例的振幅及相位校正值与预设值比较，图8为第二实施例校正前后的辐射场型比较，该实施例为一维相位阵列天线包含12个天线元素，配备3比特(即，提供8个相位状态)数字移相器，其天线元素数n＝12大于数字移相器的状态数目m＝8(即，相位状态数目)，根据图4校正流程图，执行分解相位阵列天线校正。[0086]图9为本发明二维相位阵列天线校正方法于第三实施例的相位振幅模拟结果，该二维相位阵列天线包含12×12天线元素，配备3比特(即，提供8个相位状态)数字移相器的模拟结果。请注意，二维相位阵列天线可以是相位阵列天线可以是周期阵列天线(periodicarrayantenna)、共形天线(conformalantenna)或平面天线(planarantenna)[0087]数字移相器的量化误差对校正精确度是非常重要的，图10a-图10b为当数字移相器的相位状态以不同比特离散化时，相位误差和振幅误差相对误差界(errorbound)的曲线图。校正方法是使用64个天线元素的一维相位阵列天线进行测试。一维相位阵列天线由3、4、5、6、7或8比特数字移相器所激发。每一个测试都执行10,000次模拟，平均最大振幅误差及相位误差都是通过计算校正值和计算值差的绝对值得出，可以观察出具有线性趋势，当数字移相器的误差界减少时，其校正结果误差亦跟着减少，当数字移相器的误差界减少接近零时，并且在环境校正因素忽略的条件下，其接近理想数字移相器，而校正结果误差亦跟着减少接近零。[0088]有一个有趣观察是当数字移相器误差界固定时，以3比特数字移相器所激发的阵列有相对低于以4比特数字移相器所激发的阵列的平均振幅与相位误差，所以在这些参数和精确度之间的取舍是必须考虑的。[0089]如图10a-图10b所示，当数字移相器的比特(bit)数高过6时，误差曲线几乎都重叠，因为数字移相器的退化，mγ＝n＝64。如下面表1所示，当数字移相器的误差界δmax＝5(度)，不同参数数字移相器的平均振幅相位误差。[0090]比特数npsg平均振幅误差平均相位误差3880.12209.1252°41640.150310.6356°53220.10957.9586°66410.10357.6452°[0091]表1[0092]如图11a、图11b分别显示增加相位状态数和天线元素数对精确度的影响，这些结果都是模拟10,000次后取平均所得出，在图11a是在数字移相器比特数固定为3比特及误差界δmax＝5(度)的条件下，天线元素数从8变化至64，从模拟结果可以看出校正的误差界随天线元素数增加而增加，显示未符合的来自数字移相器的相位解析度以操作阵列天线。在图11b中，固定群组数为1时，并且相位状态数目为m，数字移相器的比特数从20变化至12，和前面情况相反的，误差和比特数有一线性关系。[0093]图12为数字移相器和天线阵列的实体图。[0094]图13为单场观测量测的追踪振幅和相位。[0095]图14为校正前后的辐射场型比较图。[0096]本发明所提供之相位阵列天线校正方法，与其他现有技术相互比较时，其优点如下：[0097](1)本发明特别是用在数字移相器的操作。数字移相器的输出相位经过数字化以提供相同相位步阶(stepsize)。利用单点观测场辐射的数据和天线元素的激发数据满足傅立叶转换关系式，因此离散傅立叶转换可用以校正天线阵列使得共极化(co-polarization)远场观测的辐射源在在所选择的量测位置的瞄准线(boresight)方向具有等相位。于是，由此数字移相器将该误差校正相位储存作为扫描波束的参考值。[0098](2)本发明的优点在于利用电子波束扫描的处理速度比机械式探针扫描快很多。[0099](3)本发明目的提出一种应用于扫描波束的相位阵列天线，通过分解为子阵列的快速傅立叶转换演算法可以同时校正多个天线，并且降低计算相位误差的复杂度。[0100]本发明已通过上述之实施例揭露如上，然其并非用以限定本发明，任何熟悉此一
技术领域：
：具有通常知识者，在了解本发明前述的技术特征及实施例，并在不脱离本发明之精神和范围内，可作些许之更动与润饰，因此本发明之专利保护范围须视本说明书所附之权利要求书所界定者为准。当前第1页12当前第1页12
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