一种多波束球面相控阵天线的标校区域相位的标校方法与流程

1.本发明涉及天线技术领域，尤其涉及到一种多波束球面相控阵天线的标校区域相位的标校方法。


背景技术：

2.近年来随着我国航天事业的发展我国在轨运行的卫星数量在急剧增加，据国家航天局的消息2022年我国在轨运行的卫星数量已经超过五百颗，根据国家发展规划在未来十年在轨运行卫星数量可达到数千颗。由此带来的问题是传统测控体制已无法满足这么大数量在轨卫星的测控需求，因此急需对新的测控体制的研制。这其中球面相控阵天线因为其多波束多目标工作方式以及全空域覆盖的技术优势，在近年来航天测控领域的工程应用中越来越受到重视。
3.在多波束球面相控阵天线设计中，对阵面的阵元通道的相位、幅度一致性标校技术是相控阵天线设计的一项关键技术，它决定了相控阵天线是否能形成有效的波束。球面相控阵天线一般采用在相控阵天线外围架设围绕球面天线阵面分布的标校天线并划分球面标校区域。对相控阵天线的相位一致性标校一般采用各个标校天线通道相位的自校正与相控阵天线的各个标校区域的阵元通道相位标校两个步骤完成，从而达到波束合成的最大增益。其中标校天线自校正的目的是为了各个标校区域相位一致。但是，由于受到标校天线自校正精度及标校天线与标校区域夹角等各种因素的影响，采用标校天线自校正技术得到的各个标校区域的波束合成往往达不到相控阵天线的波束的最大合成增益。


技术实现要素：

4.本发明的主要目的在于提供一种多波束球面相控阵天线的标校区域相位的标校方法，旨在解决目前采用标校天线自校正得到的各个标校区域的波束合成往往不是最大增益合成，进而导致标校天线自校正精度不高的技术问题。
5.为实现上述目的，本发明提供一种多波束球面相控阵天线的标校区域相位的标校方法，所述方法包括以下步骤：s1：将球面阵的子阵按标校天线分布在全阵面划分对应的标校区域；s2：各个标校区域对应的标校天线完成该标校区域内的阵元通道的上行相位和下行相位的标定，获取每个标校区域上行或下行的相位标校数据；s3：按照预设传递顺序，对两个相邻的标校区域进行标校区域相位传递，获取两个相邻标校区域上行或下行的标校区域传递相位；s4：根据每个标校区域上行或下行的相位标校数据和相邻标校区域上行或下行的标校区域传递相位，获得各个标校区域相位的修正值；s5：基于各个标校区域相位的修正值，按照波束合成修正算法合成波束。
6.可选的，所述步骤s1中，标校区域包括分别设置于顶部的标校区域a、第一圈层的标校区域a1、b1、c1、d1、e1、f1和第二圈层的标校区域a2、b2、c2、d2、e2、f2。
7.可选的，所述步骤s3中，预设传递顺序为设置于顶部的标校区域向设置于第一圈层的标校区域传递或设置于第一圈层的标校区域向设置于第二圈层的标校区域传递；其中，顶部、第一圈层和第二圈层对应的标校区域的传递关系为：按照a—a1—a2、a—b1—b2、a—c1—c2、a—d1—d2、a—e1—e2、a—f1—f2的顺序进行标校区域间相位传递。
8.可选的，所述步骤s3中，具体包括：用两个标校区域的相邻子阵对同一标校天线做波束合成，再分别测量两个标校区域的波束合成的上行合成信号的相位差与下行合成信号的相位差，获得两个标校区域的上行或下行的标校区域传递相位。
9.可选的，标校区域相位传递的传递过程为：由第一标校区域向第二标校区域做相位传递；其中第一标校区域和第二标校区域的选择如下：在标校区域传递链a—a1—a2中，在标校区域a—a1的传递关系中，标校区域a为第一标校区域，标校区域a1为第二标校区域；在标校区域a1—a2的传递关系中，标校区域a1为第一标校区域，校区域a2为第二标校区域；其余标校区域传递链a—b1—b2、a—c1—c2、a—d1—d2、a—e1—e2、a—f1—f2与此类似。
10.可选的，所述第一标校区域的上行相位与下行相位按照最大波束合成增益的方法得到，具体包括：用第一标校区域中与第二标校区域相邻的子阵对标校天线进行上行波束合成与下行波束合成；将波束合成后的上行合成信号与下行合成信号送通道相位标校设备，得到第一次波束合成的上行相位ф
第一标校区域上行相位
与下行相位ф
第一标校区域下行相位
；其中，对标校天线进行上行波束合成与下行波束合成的阵元通道相位加权值表达式，具体为：
ø
上行波束合成的阵元通道相位加权值
=
ꢀø
阵元通道上行相位
ꢀø
阵元到标校天线的上行信号空间相位
；
ø
下行波束合成的阵元通道相位加权值
=
ꢀø
阵元通道下行相位
ꢀø
阵元到标校天线的下行信号空间相位
；
ø
阵元到标校天线的上行信号空间相位
=(阵元到标校天线的空间距离/上行信号波长)
取余数
×
360o;
ø
阵元到标校天线的下行信号空间相位
=(阵元到标校天线的空间距离/下行信号波长)
取余数
×
360o。
11.可选的，所述第二标校区域的上行相位与下行相位按照最大波束合成增益的方法得到，具体包括：用第二标校区域中与第一标校区域相邻的子阵对标校天线进行上行波束合成与下行波束合成；将波束合成后的上行合成信号与下行合成信号送通道相位标校设备，得到第二次波束合成的上行相位ф
第二标校区域上行相位
与下行相位ф
第二标校区域下行相位
；其中，对标校天线进行上行波束合成与下行波束合成的阵元通道相位加权值表达式，具体为：
ø
上行波束合成的阵元通道相位加权值
=
ꢀø
阵元通道上行相位
ꢀø
阵元到标校天线的上行信号空间相位
；
ø
下行波束合成的阵元通道相位加权值
=
ꢀø
阵元通道下行相位
ꢀø
阵元到标校天线的下行信号空间相位
；
ø
阵元到标校天线的上行信号空间相位
=(阵元到标校天线的空间距离/上行信号波长)
取余数
×
360o;
ø
阵元到标校天线的下行信号空间相位
=(阵元到标校天线的空间距离/下行信号波长)
取余数
×
360o。
12.可选的，所述获得两个标校区域的上行或下行的标校区域传递相位，具体包括：用两次波束合成的相位值的差得到第一标校区域向第二标校区域的传递相位ф
第一标校区域到第二标校区域的上行传递相位
、ф
第一标校区域到第二标校区域的下行传递相位
；其中：
ф
第一标校区域到第二标校区域的上行传递相位
=ф
第二标校区域上行相位-ф
第一标校区域上行相位
；ф
第一标校区域到第二标校区域的下行传递相位
=ф
第二标校区域下行相位-ф
第一标校区域下行相位
。
13.可选的，所述步骤s4，具体为：利用相邻标校区域上行或下行的标校区域传递相位对每个标校区域上行或下行的相位标校数据进行修正，获得各个标校区域的相位修正值；其中，所述对每个标校区域上行或下行的相位标校数据进行修正的表达式，具体为：
ø
第二标校区域的区域上行相位
=ф
第一标校区域到第二标校区域的上行传递相位

ꢀø
第一标校区域的区域上行相位
；
ø
第二标校区域的区域下行相位
=ф
第一标校区域到第二标校区域的下行传递相位

ꢀø
第一标校区域的区域下行相位
；其中，当第一标校区域位于顶部时，ф
第一标校区域上行相位
=0，ф
第一标校区域下行相位
=0。
14.可选的，所述步骤s5中，波束合成修正时，对目标的上行和下行波束合成的阵元通道相位加权值的表达式，具体为：
ø
对目标的上行波束合成的阵元通道相位加权值
=
ø
阵元通道上行相位

ø
阵元到目标的上行信号空间相位

ø
标校区域的区域上行相位
；
ø
对目标的下行波束合成的阵元通道相位加权值
=
ø
阵元通道下行相位

ø
阵元到目标的下行信号空间相位

ø
标校区域的区域下行相位
；
ø
阵元到目标的上行信号空间相位
=(阵元到目标的远场等效空间距离/上行信号波长)
取余数
×
360o；
ø
阵元到目标的下行信号空间相位
=(阵元到目标的远场等效空间距离/下行信号波长)
取余数
×
360o；其中，
ø
标校区域的区域上行相位
为该阵元通道所属于标校区域的区域上行相位，
ø
标校区域的区域下行相位
为该阵元通道所属于标校区域的区域下行相位。
15.本发明的有益效果是：提高了球面相控阵天线波束合成的性能。本发明采用对两个相邻标校区域的相邻子阵指向同一标校天线做波束合成的方法，得到两个相邻标校区域的最大波束合成增益的传递相位，再通过标校区域相位计算方法得到各个标校区域的相位值，利用得到的标校区域相位，采用修正的波束合成算法可以得到球面相控阵天线对目的的最大合成增益的波束波束合成。解决了球面相控阵天线系统设计中的一个关键问题。
16.实现简单、资源占用较少，降低系统设计成本。利用本发明不需要复杂电路，实现方法比较简单。本发明不需要增加硬件设施，仅依靠原有的标校天线采用软件算法的方法实现完成最大合成增益的标校区域相位标校，降低了系统设计成本。
17.本发明操作简便快捷，便于系统的自动化设计。本发明操作流程简单，并给出具体操作步骤与计算方法，便于在在球面相控阵天线设计时实现自动化设计。
附图说明
18.图1为多波束球面相控阵天线的标校区域相位的标校方法的流程示意图；图2为球面相控阵天线的标校区域划分的示意图；图3为球面相控阵天线两个相邻标校区域的相位传递的原理框图；图4为球面相控阵天线标校区域的相位传递关系的示意图。
19.本发明目的的实现、功能特点及优点将结合实施例，参照附图做进一步说明。
具体实施方式
20.应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
21.本发明实施例提供了一种多波束球面相控阵天线的标校区域相位的标校方法，如
图1所示，图1为本发明多波束球面相控阵天线的标校区域相位的标校方法实施例的流程示意图。
22.本实施例中，所述多波束球面相控阵天线的标校区域相位的标校方法包括以下步骤：s1：将球面阵的子阵按标校天线分布在全阵面划分对应的标校区域。
23.需要说明的是，标校区域可包括分别设置于顶部、第一圈层和第二圈层的标校区域。
24.在本实施例中，如图2所示，通常在顶部设置一个标校区域a，顶部以下分圈层设置标校区域，图2中在顶部标校区域a以下分两个圈层设置标校区域，每个圈层上均匀分布六个标校区域，它们分别是第一圈的a1、b1、c1、d1、e1、f1和第二圈的a2、b2、c2、d2、e2、f2。
25.s2：各个标校区域对应的标校天线完成该标校区域内的阵元通道的上行相位和下行相位的标定，获取每个标校区域上行或下行的相位标校数据。
26.需要说明的是，球面相控阵天线的相位标校分为标校区域内的阵元通道的相位标校和标校区域间的区域间相位标校两个步骤进行。
27.本实施例中，对于标校区域内阵元通道的相位标校，是以各个标校区域对应于各自的标校天线完成该标校区域内的阵元通道的上行相位或下行相位的标定，并将各个标校区域的区域内阵元通道上行相位标校数据
ø
阵元通道上行相位
和下行相位标校数据
ø
阵元通道下行相位
装订进系统。
28.s3：按照预设传递顺序，对两个相邻的标校区域进行标校区域相位传递，获取两个相邻标校区域上行或下行的标校区域传递相位。
29.需要说明的是，预设传递顺序为设置于顶部的标校区域向设置于第一圈层的标校区域传递或设置于第一圈层的标校区域向设置于第二圈层的标校区域传递。
30.在此基础上，校区域传递相位可以采用：第一标校区域向第二标校区域的相位传递和第二标校区域向第一标校区域的相位传递；其中，所述第一标校区域为设置于顶部或第一圈层的标校区域，所述第二标校区域为设置于第一圈层或第二圈层的标校区域。
31.本实施例中，对于标校区域间相位标校，是以顶部标校区域a为起点，分为独立的6个组按照：a—a1—a2、a—b1—b2、a—c1—c2、a—d1—d2、a—e1—e2、a—f1—f2的顺序进行标校区域间相位标校。
32.本实施例中，标校区域相位传递的传递过程为：由第一标校区域向第二标校区域做相位传递或由第二标校区域向第一标校区域做相位传递；其中第一标校区域和第二标校区域的选择如下：在标校区域传递链a—a1—a2中，在标校区域a—a1的传递关系中，标校区域a为第一标校区域，标校区域a1为第二标校区域；在标校区域a1—a2的传递关系中，标校区域a1为第一标校区域，校区域a2为第二标校区域；其余标校区域传递链a—b1—b2、a—c1—c2、a—d1—d2、a—e1—e2、a—f1—f2与此类似。
33.本实施例中，对两个相邻的标校区域进行标校区域相位传递，获取两个相邻标校区域上行或下行的标校区域传递相位，具体为：用两个标校区域的相邻子阵对同一标校天线做波束合成，再分别测量两个标校区域的波束合成的上行合成信号的相位差与下行合成信号的相位差，获得两个标校区域的上行或下行的标校区域传递相位。
34.第一标校区域的上行相位与下行相位按照最大波束合成增益的方法得到，具体包
括：用第一标校区域中与第二标校区域相邻的子阵对标校天线进行上行波束合成与下行波束合成；将波束合成后的上行合成信号与下行合成信号送通道相位标校设备，得到第一次波束合成的上行相位ф
第一标校区域上行相位
与下行相位ф
第一标校区域下行相位
；其中，对标校天线进行上行波束合成与下行波束合成的阵元通道相位加权值表达式，具体为：
ø
上行波束合成的阵元通道相位加权值
=
ꢀø
阵元通道上行相位
ꢀø
阵元到标校天线的上行信号空间相位
；
ø
下行波束合成的阵元通道相位加权值
=
ꢀø
阵元通道下行相位
ꢀø
阵元到标校天线的下行信号空间相位
；
ø
阵元到标校天线的上行信号空间相位
=(阵元到标校天线的空间距离/上行信号波长)
取余数
×
360o；
ø
阵元到标校天线的下行信号空间相位
=(阵元到标校天线的空间距离/下行信号波长)
取余数
×
360o。
35.第二标校区域的上行相位与下行相位按照最大波束合成增益的方法得到，具体包括：用第二标校区域中与第一标校区域相邻的子阵对标校天线进行上行波束合成与下行波束合成；将波束合成后的上行合成信号与下行合成信号送通道相位标校设备，得到第二次波束合成的上行相位ф
第二标校区域上行相位
与下行相位ф
第二标校区域下行相位
；其中，对标校天线进行上行波束合成与下行波束合成的阵元通道相位加权值表达式，具体为：
ø
上行波束合成的阵元通道相位加权值
=
ꢀø
阵元通道上行相位
ꢀø
阵元到标校天线的上行信号空间相位
；
ø
下行波束合成的阵元通道相位加权值
=
ꢀø
阵元通道下行相位
ꢀø
阵元到标校天线的下行信号空间相位
；
ø
阵元到标校天线的上行信号空间相位
=(阵元到标校天线的空间距离/上行信号波长)
取余数
×
360o；
ø
阵元到标校天线的下行信号空间相位
=(阵元到标校天线的空间距离/下行信号波长)
取余数
×
360o。
36.进一步的，用两次波束合成的相位值的差得到第一标校区域向第二标校区域的传递相位ф
第一标校区域到第二标校区域的上行传递相位
、ф
第一标校区域到第二标校区域的下行传递相位
；其中：ф
第一标校区域到第二标校区域的上行传递相位
=ф
第二标校区域上行相位-ф
第一标校区域上行相位
；ф
第一标校区域到第二标校区域的下行传递相位
=ф
第二标校区域下行相位-ф
第一标校区域下行相位
。
37.在本实施例中，如图3所示，标校区域间的相位标校首先要按照上述给定的区域间相位标校顺序，按照以下步骤，得到两个相邻标校区域的上行标校区域传递相位和下行标校区域传递相位。
38.本实施例采用最大合成增益的方法，即用两个邻标校区域的相邻子阵对同一个标校天线分别做波束合成，再分别测量两标校区域的波束合成的上行合成信号的相位差与下行合成信号的相位差，得到这两个标校区域的标校区域上行传递相位和标校区域下行传递相位。具体实现方法如下：标校区域a向标校区域a1传递分为两次波束合成，并分别测量两次波束合成的相位值。
39.首先用标校区域a中的与标校区域a1相邻的子阵：子阵1、子阵2、子阵3、子阵4对标校天线w进行上行波束合成与下行波束合成，波束合成的阵元通道相位加权值计算方法如下：
ø
上行波束合成的阵元通道相位加权值
=
ꢀø
阵元通道上行相位
ꢀø
阵元到标校天线w的上行信号空间相位
ø
下行波束合成的阵元通道相位加权值
=
ꢀø
阵元通道下行相位
ꢀø
阵元到标校天线w的下行信号空间相位
其中：
ø
阵元到标校天线w的上行信号空间相位
=(阵元到标校天线w的空间距离/上行信号波长)
取余数
×
360o;
ø
阵元到标校天线w的下行信号空间相位
=(阵元到标校天线w的空间距离/下行信号波长)
取余数
×
360o;将波束合成后的上行合成信号与下行合成信号送通道相位标校设备，得到第一次波束合成的上行相位ф
a上行相位
与下行相位ф
a下行相位
。
40.然后再进行第二次传递，即用标校区域a1中与标校区域a相邻的子阵：子阵5、子阵6、子阵7、子阵8对标校天线w进行波束合成，波束合成的阵元通道相位加权值计算方法如上。分别将合成后的上行合成信号与下行合成信号送通道相位标校设备，得到第二次波束合成的上行相位ф
a1上行相位
与下行相位ф
a1下行相位
。最终用两次传递的相位值得差得到标校区域a向标校区域a1传递的传递相位ф
标校区域a-a1上行传递相位
、ф
标校区域a-a1下行传递相位
：ф
标校区域a-a1上行传递相位
=ф
a1上行相位-ф
a上行相位 ；ф
标校区域a-a1下行传递相位
=ф
a1下行相位-ф
a下行相位 ；容易理解的，按同样的方法可得到其他的标校区域的上行传递相位与下行传递相位。
41.s4：根据每个标校区域上行或下行的相位标校数据和相邻标校区域上行或下行的标校区域传递相位，获得各个标校区域相位的修正值。
42.需要说明的是，根据每个标校区域上行或下行的相位标校数据和相邻标校区域上行或下行的标校区域传递相位，获得各个标校区域相位的修正值，具体为：利用相邻标校区域上行或下行的标校区域传递相位对每个标校区域上行或下行的相位标校数据进行修正，获得各个标校区域的相位修正值；其中，所述对每个标校区域上行或下行的相位标校数据进行修正的表达式，具体为：
ø
第二标校区域的区域上行相位
=ф
第一标校区域到第二标校区域的上行传递相位

ꢀø
第一标校区域的区域上行相位
；
ø
第二标校区域的区域下行相位
=ф
第一标校区域到第二标校区域的下行传递相位

ꢀø
第一标校区域的区域下行相位
。
43.在本实施例中，如图4所示，球面阵各个标校区域的标校区域相位修正值按如下算法确定：标校区域传递的起点，顶部标校区域a的上行标校区域相位与下行标校区域相位值为0，即
ø
标校区域a的区域上行相位
=0、
ø
标校区域a的区域下行相位
=0；在a—a1—a2的标校区域传递中标校区域a1与a2的标校区域相位按如下算法计算：
ø
标校区域a1的区域上行相位
=ф
标校区域a-a1上行传递相位

ꢀø
标校区域a的区域上行相位
；
ø
标校区域a1的区域下行相位
=ф
标校区域a-a1下行传递相位

ꢀø
标校区域a的区域下行相位
；
ø
标校区域a2的区域上行相位
=ф
标校区域a1-a2上行传递相位

ꢀø
标校区域a1的区域上行相位
；
ø
标校区域a2的区域下行相位
=ф
标校区域a1-a2下行传递相位

ꢀø
标校区域a1的区域下行相位
；其他的标校区域的标校区域相位修正值按同样的递推方式得到。
44.s5：基于各个标校区域相位的修正值，进行波束合成修正获得合成波束。
45.需要说明的是，波束合成修正时，对目标的上行和下行波束合成的阵元通道相位加权值的表达式，具体为：
ø
对目标的上行波束合成的阵元通道相位加权值
=
ø
阵元通道上行相位

ø
阵元到目标的上行信号空间相位

ø
标校区域的区域上行相位
；
ø
对目标的下行波束合成的阵元通道相位加权值
=
ø
阵元通道下行相位

ø
阵元到目标的下行信号空间相位

ø
标校区域的区域下行相位
；
ø
阵元到目标的上行信号空间相位
=(阵元到目标的远场等效空间距离/上行信号波长)
取余数
×
360o；
ø
阵元到目标的下行信号空间相位
=(阵元到目标的远场等效空间距离/下行信号波长)
取余数
×
360o；其中，
ø
标校区域的区域上行相位
为该阵元通道所属于标校区域的区域上行相位，
ø
标校区域的区域下行相位
为该阵元通道所属于标校区域的区域下行相位。
46.在本实施例中，按照标校区域相位修正值自校正流程，在标校区域相位修正值自校正开始后。先根据标校频点下发标校设备控制命令，再按照标校文件给定的标校区域顺序进行顺序标校区域标校。在两个标校区域进行标校区域相位传递时，通过这两个标校区域的相邻子阵对同一个标校天线的波束合成，并按照给定传递算法计算标校区域传递相位。根据给出标校区域相位修正值的算法，计算各个标校区域相位修正值。最终将标校区域相位修正值导入系统，并按照波束合成修正算法合成波束。
47.球面相控阵天线对目标的上行或下行的波束合成的阵元通道相位加权值计算算法如下：
ø
对目标的上行波束合成的阵元通道相位加权值
=
ø
阵元通道上行相位

ꢀø
阵元到标校天线w的上行信号空间相位

ꢀø
标校区域的区域上行相位
ø
对目标的下行波束合成的阵元通道相位加权值
=
ø
阵元通道下行相位

ꢀø
阵元到标校天线w的下行信号空间相位

ꢀø
标校区域的区域下行相位
其中：
ø
阵元到目标的上行信号空间相位
=(阵元到目标的远场等效空间距离/上行信号波长)
取余数
×
360o;
ø
阵元到目标的下行信号空间相位
=(阵元到目标的远场等效空间距离/下行信号波长)
取余数
×
360o;
ø
标校区域的区域上行相位
与
ø
标校区域的区域下行相位
为该阵元通道所属于标校区域的区域上行相位和区域下行相位。
48.本实施例提供了一种多波束球面相控阵天线的标校区域相位的标校方法，该方法通过对两个相邻标校区域的相邻子阵指向同一标校天线做波束合成，得到两个相邻标校区域的最大波束合成增益的传递相位，再通过标校区域相位计算方法得到各个标校区域的相位值，利用得到的标校区域相位，采用波束合成修正可以得到球面相控阵天线对目标的最大合成增益的波束合成，解决了目前采用标校天线自校正得到的各个标校区域的波束合成往往不是最大增益合成，进而导致标校天线自校正精度不高的技术问题。
49.以上仅为发明的优选实施例，并非因此限制发明的专利范围，凡是利用发明说明书及附图内容所作的等效结构或等效流程变换，或直接或间接运用在其他相关的技术领域，均同理包括在发明的专利保护范围内。