基于数字矢网的数字相控阵校准和测试方法

1.本发明是一种针对数字相控阵的校准和测试方法，属于数字相控阵技术领域，特别涉及一种基于数字矢网的数字相控阵校准和测试方法。


背景技术：

2.随着半导体微电子技术的快速发展，数字波束合成(dbf)技术在相控阵系统中得到应用，数字相控阵成为一种新型相控阵。不同于传统相控阵采用衰减器、移相器等实现对波束的控制，数字相控阵采用数字信号处理技术对阵列通道信号进行幅度加权和相位调控，实现了更加准确的波束指向和灵活的波束赋形，且具有更易实现同时多波束、更高的网络吞吐量和更低的网络发现时间等优势，因此，数字相控阵在雷达探测、卫星通信、移动基站通信等军用和商用领域中发展前景广阔。
3.由于阵列各通道间器件性能差异、时钟和同步信号传输路径差异、阵列天线单元的实际位置误差以及阵列天线单元间的互耦效应等因素的影响，阵列通道之间的初始相位和幅度具有不一致性，会造成阵列波束方向图发生畸变，因而数字相控阵对通道一致性提出了较高的要求。数字相控阵在使用之前需要通过阵列通道校准改善阵列通道间的一致性，校准精度在很大程度上将影响数字相控阵的系统性能。
4.目前，国内外大多数相控阵校准方法都是针对模拟相控阵实现的，主要有以下三种方法：
5.方法一是旋转电矢量法，通过逐一改变每一个通道的相位，测量整个阵列在特定波束指向上的远场功率变化曲线，得到每个通道在每个波束指向上的激励幅度和相位。此方法只需测量天线阵列的辐射功率，对测试设备要求不高。但是此方法校准每一个通道每个波束方向都需要测量多次，且随着通道数量的增多，校准效率低；
6.方法二是利用天线之间的电磁耦合效应，通过配置一个通道为发射状态，另一个通道为接收状态，完成信号从发射天线到接收天线的辐射，获得通道之间的幅度和相位差异。此方法对于天线之间耦合系数不一致、规模较大的阵列来说，需要非常复杂的算法来获取精确的幅相差异，校准精度和校准效率低；
7.方法三是在暗室内通过模拟矢网进行校准，这是目前较通用手段，具体方法为：模拟矢网产生模拟信号送入测试天线，相控阵接收模拟信号，通过改变接收的通道，比较不同接收通道间的信号差异来实现接收通道的校准；然后，模拟矢网产生模拟信号送入相控阵的不同发射通道，测试天线接收到信号后送入模拟矢网，比较模拟矢网接收的来自不同发射通道的信号差异来实现发射通道的校准。此方法校准速度快、校准精度高。然而，由于数字相控阵自身将会实现数字收发信号与模拟收发信号的转换，其阵列收发接口信号都是数字信号，而模拟矢网的输入输出信号都是模拟信号，因此传统模拟矢网不适用于数字相控阵的校准。
8.综上所述，目前国内外相控阵的校准方法存在效率低、校准精度低、不适用于数字相控阵校准等问题。


技术实现要素：

9.本发明针对数字相控阵通道间初始相位和幅度需要高度一致性的问题，克服了现有校准技术中存在的效率低、校准精度低、不适用于数字相控阵校准等问题，提出了一种校准精度高、校准效率高、校准过程自动化程度高的基于数字矢网的数字相控阵校准和测试方法。
10.本发明的目的是通过以下技术方案来实现的：基于数字矢网的数字相控阵校准和测试方法，通过数字矢网和控制系统来完成数字相控阵的校准和测试；数字矢网，即数字矢量网络分析仪，包括模拟域处理部分和数字域处理部分，数字矢网的模拟域端口连接矢网天线，数字矢网的数字域端口与数字相控阵相连；通过控制系统控制数字矢网、机械臂和数字相控阵，机械臂用于操控矢网天线的位置；
11.所述数字矢网的功能包括产生模拟域发射信号、接收模拟域信号并完成信号采样、产生数字域发射信号和接收数字域信号；
12.数字矢网在模拟域和数字域上包括以下几种工作模式：模拟域发送模式，简称“at”模式；模拟域接收模式，简称“ar”模式；数字域发送模式，简称“dt”模式；数字域接收模式，简称“dr”模式；
13.所述控制系统的功能包括控制数字矢网的模拟域、数字域工作模式，控制数字相控阵的通道开关，调控数字相控阵通道的相位，控制机械臂使矢网天线移动到指定位置，以及保存历史数据。
14.进一步地，包括以下步骤：
15.s1、进行数字相控阵发射通道的校准，具体如下：
16.s11、控制系统向数字矢网发送“dt”、“ar”指令以及数字信号的相位和幅度a0信息，即将数字矢网的模拟域端口配置为接收信号模式，将数字矢网的数字域端口配置为发射信号模式，并使数字矢网产生相位为幅度为a0的数字基准信号发送到数字相控阵；
17.s12、控制系统控制机械臂移动位置，使矢网天线对准数字相控阵第n个发射天线位置，矢网天线接收信号；
18.s13、控制系统打开数字相控阵的第n个发射通道，其他通道关闭，并命令数字相控阵将数字基准信号转换为模拟信号，通过该发射通道的天线将模拟信号发射出去；
19.s14、数字矢网的模拟域得到矢网天线接收信号的相位和幅度an，因此数字相控阵第n个发射通道的校准相位为校准幅度为a
txn
＝a0/an；
20.s15、控制系统存储第n个发射通道chn的校准相位和校准幅度a
txn
，并关闭数字相控阵chn发射通道；
21.s16、重复s12～s15，直至得到数字相控阵所有发射通道的校准相位和校准幅度；
22.s2、进行数字相控阵接收通道的校准，具体如下：
23.s21、控制系统向数字矢网发送“dr”、“at”指令以及模拟信号的相位β0和幅度b0，即将数字矢网的数字域端口配置为接收信号模式，将数字矢网的模拟域端口配置为发射信号模式，并使数字矢网产生相位为β0幅度为b0的模拟信号发送到矢网天线，通过矢网天线发射出去；
24.s22、控制系统控制机械臂移动位置，使矢网天线对准数字相控阵的第n个接收天线位置；
25.s23、控制系统打开数字相控阵的第n个接收通道接收信号，其他通道关闭，数字相控阵将接收信号转换为数字信号，并发送到数字矢网；
26.s24、数字矢网的数字域得到数字相控阵第n个通道接收信号的相位βn和幅度bn，因此数字相控阵第n个接收通道的校准相位为β
rxn
＝β
n-β0，校准幅度为b
rxn
＝b0/bn；
27.s25、控制系统存储第n个接收通道的校准相位β
rxn
和校准幅度b
rxn
，并关闭数字相控阵第n个接收通道；
28.s26、重复s22～s25，直至得到数字相控阵所有接收通道的校准相位和校准幅度；
29.s3、进行数字相控阵发射方向图的测试，具体如下：
30.s31、控制系统配置数字矢网的工作模式和数字相控阵的工作状态；
31.s32、控制系统控制机械臂在规定电场扫描范围内移动，同时矢网天线接收信号，并将信号发送到数字矢网的模拟域端口，数字矢网得到矢网天线接收信号的电平，控制系统保存该电平；
32.s33、通过电场转换方法的计算，得到数字相控阵的发射方向图；
33.s4、进行数字相控阵接收方向图的测试，具体如下：
34.s41、控制系统配置数字矢网的工作模式和数字相控阵的工作状态；
35.s42、控制系统控制机械臂在规定电场扫描范围内移动，同时数字相控阵所有接收天线同时接收信号，并将接收的模拟信号转换为数字信号，发送给数字矢网的数字域端口；
36.s43、数字矢网的数字域处理得到每个通道接收信号的相位和幅度，并将每个通道的接收信号相位减去接收信号幅度乘以b
rxn
，然后将接收信号的数据发送给控制系统；
37.s44、控制系统保存数字相控阵每一个接收通道的信号电平值，通过电场转换方法的计算，得到数字相控阵的接收方向图。
38.进一步地，所述步骤s31中，数字矢网工作模式为：控制系统向数字矢网发送“ar”指令，使矢网天线的模拟域端口为接收模式；
39.数字相控阵的工作状态为：控制系统打开数字相控阵的全部发射通道，并配置每个通道的相位为初始相位减去幅度为初始幅度值乘以a
txn
，n代表第n个发射通道，配置完以后数字相控阵所有发射天线同时发射信号。
40.进一步地，所述步骤s41中，数字矢网工作模式为：控制系统向数字矢网发送“at”指令和测试信号的初始相位和初始幅度信息，使矢网天线在模拟域产生该初始相位和初始幅度的测试信号，并通过矢网天线发射该测试信号；
41.数字相控阵的工作状态为：控制系统打开数字相控阵的全部接收通道。
42.本发明的有益效果是：本发明通过数字矢网能够自动完成数字相控阵发射通道和接收通道的相位校准和幅度校准，以及数字相控阵发射方向图和接收方向图的测试。实现了数字相控阵的高精度、高效率和高度自动化的校准和测试，并使数字相控阵的校准和测试过程方便、快捷。本发明的校准过程和测试过程可完全由控制系统进行远程控制，且校准数据和测试数据皆可保存下来，便于观察和分析，同时减少了人工工作量，大大提高了校准效率、校准精度和测试效率。
附图说明
43.图1为数字相控阵校准和测试装置的结构示意图；
44.图2为本发明进行数字相控阵发射通道的校准的流程图；
45.图3为本发明进行数字相控阵接收通道的校准的流程图；
46.图4为本发明进行数字相控阵发射方向图和接收方向图的测试的流程图。
具体实施方式
47.下面结合附图进一步说明本发明的技术方案。
48.如图1所示，本发明的一种基于数字矢网的数字相控阵校准和测试方法，通过数字矢网和控制系统来完成数字相控阵的校准和测试；数字矢网，即数字矢量网络分析仪，包括模拟域处理部分和数字域处理部分，数字矢网的模拟域端口连接矢网天线，数字矢网的数字域端口与数字相控阵相连；通过控制系统控制数字矢网、机械臂和数字相控阵，机械臂用于操控矢网天线的位置；
49.所述数字矢网的功能包括产生模拟域发射信号、接收模拟域信号并完成信号采样、产生数字域发射信号和接收数字域信号；
50.数字矢网在模拟域和数字域上包括以下几种工作模式：模拟域发送模式，简称“at”模式；模拟域接收模式，简称“ar”模式；数字域发送模式，简称“dt”模式；数字域接收模式，简称“dr”模式；
51.本发明通过基于数字矢网的控制系统来完成整个数字相控阵的校准和方向图测试，控制系统的功能包括控制数字矢网的模拟域(a)、数字域(d)工作模式，控制数字相控阵的通道开关，调控数字相控阵通道的相位，控制机械臂使矢网天线移动到指定位置，以及保存历史数据。
52.在标准和测试数字相控阵之前，因为数字矢网模拟域端口与矢网天线之间通过一段导线连接，模拟信号在导线中会产生一定的相位偏差和电平损耗，以及数字矢网内部存在系统误差，而这些误差并不是数字相控阵通道间引起的，因此需要提前在数字矢网中处理，即使用数字矢网内的标准件进行系统误差校准。标准件校准系统误差的具体方法：单独使用数字矢网和导线，将使用的导线两端连接在数字矢网的模拟域接口上，数字矢网设置其中一个模拟域接口为信号发射端，另一个模拟域接口为信号接收端，数字矢网的信号从信号发射端口经过导线传送至信号接收端口，因此，数字矢网在模拟域得到相位偏差和幅度偏差a
l
，保存在数字矢网，并在数字矢网正式操作时，测试的相位自动减去测试的幅度自动乘以a
l
。然后连接好校准与测试数字相控阵的装置，如图1所示，控制系统连接数字矢网、数字相控阵、机械臂；导线一端连接在数字矢网模拟域端口，一端连接在矢网天线；数字矢网的数字域端口与数字相控阵相连接。
53.在测试数字相控阵之前，对数字相控阵的发射通道和接收通道进行校准，两种校准不分先后。校准数字相控阵发射通道，使各通道的初始相位和初始幅度相同，基本原理为：数字矢网产生一个数字基准信号，通过数字相控阵的待校准发射通道将数字信号转换为模拟信号发射出去，矢网天线进行接收，接收的信号发送给数字矢网的模拟域端口，因此，在数字矢网内，比较接收信号和产生的数字基准信号的相位和幅度，得到数字相控阵发射通道内产生的校准相位和校准幅度。校准数字相控阵接收通道使各通道在接收信号前的
初始相位和初始幅度相同的基本原理为：数字矢网产生一个模拟信号，通过矢网天线发射出去，数字相控阵的待校准接收通道接收信号，并将接收的模拟信号转换为数字信号发送给数字矢网的数字域端口，因此，在数字矢网内，比较待校准接收通道接收信号与模拟信号的相位和幅度，得到数字相控阵接收通道内产生的校准相位和校准幅度。
54.所述数字相控阵校准包括接收通道校准和发射通道校准；在进行接收通道校准时，数字矢网产生模拟发射信号，通过矢网天线将信号辐射至数字相控阵阵面，数字相控阵的不同接收通道完成接收信号的采样后，将数字接收信号送入数字矢网，通过比较不同接收通道的信号与数字矢网的发射信号差异，来实现接收通道的校准；在进行发射通道校准时，数字矢网产生数字发射信号并送入数字相控阵的不同发射通道，数字相控阵的不同发射通道将数字信号转换为模拟信号后发射出去，矢网天线接收模拟信号并返回给数字矢网，通过比较数字矢网产生的信号与不同发射通道对应的数字矢网接收信号差异，来实现发射通道的校准。
55.所述数字相控阵测试包括接收方向图测试和发射方向图测试，在进行接收方向图测试时，矢网天线发射数字矢网产生的模拟信号，打开数字相控阵全部接收通道进行接收，全部接收通道将模拟信号转换为数字信号，并发送到数字矢网，来实现接收方向图的测试；在进行发射方向图测试时，数字矢网产生数字信号送入数字相控阵，打开数字相控阵全部发射通道，将数字信号转换为模拟信号发射出去，矢网天线进行信号接收并返回给数字矢网进行信号采样，来实现发射方向图的测试。
56.本发明的基于数字矢网的数字相控阵校准和测试方法，具体包括以下步骤：
57.s1、进行数字相控阵发射通道的校准，如图2所示，具体如下：
58.s11、控制系统向数字矢网发送“dt”、“ar”指令以及数字信号的相位和幅度a0信息，即将数字矢网的模拟域端口配置为接收信号模式，将数字矢网的数字域端口配置为发射信号模式，并使数字矢网产生相位为幅度为a0的数字基准信号发送到数字相控阵，f为信号频率；
59.s12、控制系统控制机械臂移动位置，使矢网天线对准数字相控阵第n个发射天线位置，矢网天线接收信号；
60.s13、控制系统打开数字相控阵的第n个发射通道，其他通道关闭，并命令数字相控阵将数字基准信号转换为模拟信号，通过该发射通道的天线将模拟信号发射出去；
61.s14、数字矢网的模拟域得到矢网天线接收信号的相位和幅度an，并将信号发送给控制系统保存，因此数字相控阵第n个发射通道的校准相位为校准幅度为a
txn
＝a0/an；
62.s15、控制系统存储第n个发射通道chn的校准相位和校准幅度a
txn
，并关闭数字相控阵chn发射通道；
63.s16、重复s12～s15，直至得到数字相控阵所有发射通道的校准相位和校准幅度；
64.s2、进行数字相控阵接收通道的校准，如图3所示，具体如下：
65.s21、控制系统向数字矢网发送“dr”、“at”指令以及模拟信号的相位β0和幅度b0，即将数字矢网的数字域端口配置为接收信号模式，将数字矢网的模拟域端口配置为发射信号模式，并使数字矢网产生相位为β0幅度为b0的模拟信号b0cos(2πft β0)发送到矢网天线，通
过矢网天线发射出去；
66.s22、控制系统控制机械臂移动位置，使矢网天线对准数字相控阵的第n个接收天线位置；
67.s23、控制系统打开数字相控阵的第n个接收通道接收信号，其他通道关闭，数字相控阵将接收信号转换为数字信号，并发送到数字矢网；
68.s24、数字矢网的数字域得到数字相控阵第n个通道接收信号的相位βn和幅度bn，并将信号b
n cos(2πft βn)发送给控制系统保存因此数字相控阵第n个接收通道的校准相位为β
rxn
＝β
n-β0，校准幅度为b
rxn
＝b0/bn；
69.s25、控制系统存储第n个接收通道的校准相位β
rxn
和校准幅度b
rxn
，并关闭数字相控阵第n个接收通道；
70.s26、重复s22～s25，直至得到数字相控阵所有接收通道的校准相位和校准幅度；
71.校准完数字相控阵所有发射通道和接收通道，不改动任何装置，使用同样装置来测试数字相控阵的发射方向图和接收方向图，两种测试不分先后。
72.s3、进行数字相控阵发射方向图的测试，如图4所示，具体如下：
73.s31、控制系统配置数字矢网的工作模式和数字相控阵的工作状态；
74.所述数字矢网工作模式为：控制系统向数字矢网发送“ar”指令，使矢网天线的模拟域端口为接收模式，数字矢网的模拟域处理接收信号；
75.数字相控阵的工作状态为：控制系统打开数字相控阵的全部发射通道，并配置每个通道的相位为初始相位减去幅度为初始幅度值乘以a
txn
，n代表第n个发射通道，配置完以后数字相控阵所有发射天线同时发射信号；本实施例中设置测试信号为a0cos(2πft)，则每个发射通道的发射信号为
76.s32、控制系统控制机械臂在规定电场扫描范围内移动，本实施例中设置测试的发射方向图的扫描位置d＝5米、扫描范围s＝(2
×
2)m2，扫描格点间距d＝0.2米，首先控制机械臂使矢网天线移动到扫描范围顶点位置，同时矢网天线接收信号，并将信号发送到数字矢网的模拟域端口，数字矢网得到矢网天线接收信号的电平，控制系统保存该电平；同时发送一个应答信号给控制系统，控制系统控制机械臂使矢网天线移动到扫描范围的下一个格点位置，然后重复信号发射和接收操作；重复上述矢网天线移动和信号收发的操作，直到扫描范围内的所有格点都接收完数字相控阵的信号；
77.s33、通过近场推远场或近场推球场等各种电场转换方法的计算，得到数字相控阵的发射方向图；
78.s4、进行数字相控阵接收方向图的测试，如图4所示，具体如下：
79.s41、控制系统配置数字矢网的工作模式和数字相控阵的工作状态；
80.数字矢网工作模式为：控制系统向数字矢网发送“at”指令和测试信号的初始相位和初始幅度信息，使矢网天线在模拟域产生该初始相位和初始幅度的测试信号b0cos(2πft)，并通过矢网天线发射该测试信号；
81.数字相控阵的工作状态为：控制系统打开数字相控阵的全部接收通道。
82.s42、控制系统控制机械臂在规定电场扫描范围内移动，本实施例中设置接收方向图的扫描位置d＝5米、扫描范围s＝(2
×
2)m2，扫描格点间距d＝0.2米，首先控制机械臂使矢网天线移动到扫描范围顶点位置，同时数字相控阵所有接收天线同时接收信号，并将接
收的模拟信号转换为数字信号，按顺序发送给数字矢网的数字域端口；然后控制系统控制机械臂使矢网天线移动到扫描范围的下一个格点位置，重复信号发射和接收操作；重复上述矢网天线移动和信号收发的操作，直到扫描范围内的所有格点都接收完数字相控阵的信号；
83.s43、数字矢网的数字域处理得到每个通道接收信号的相位和幅度，并将每个通道的接收信号相位减去接收信号幅度乘以b
rxn
，然后将接收信号的数据发送给控制系统；若数字矢网测得第n个接收天线的信号为b
n cos(2πft βn)，则控制系统得到第n个接收天线的实际信号为b
nbrxn cos(2πft (β
n-β
rxn
))；
84.s44、控制系统保存数字相控阵每一个接收通道的信号电平值，通过近场推远场或近场推球场等电场转换方法的计算，得到数字相控阵的接收方向图。
85.本领域的普通技术人员将会意识到，这里所述的实施例是为了帮助读者理解本发明的原理，应被理解为本发明的保护范围并不局限于这样的特别陈述和实施例。本领域的普通技术人员可以根据本发明公开的这些技术启示做出各种不脱离本发明实质的其它各种具体变形和组合，这些变形和组合仍然在本发明的保护范围内。