一种分布式阵内耦合并行相控阵天线校准系统与方法与流程

阅读：评论：0

1.本发明涉及相控阵天线技术领域，尤其涉及一种分布式阵内耦合并行相控阵天线校准系统与方法。

背景技术：

2.相控阵天线通过控制天线单元的相位实现波束扫描，在雷达、通信、导航等无线系统应用中发挥着不可替代的作用。目前相控阵天线多采用有源组件。有源相控阵天线组件由于工艺水平、温度变化等因素，不可避免地使得相控阵天线的通道存在一定误差，会影响该相控阵天线的波束合成能力。因此，需要对相控阵天线进行校准，例如，需要对通道的不一致性进行测量和校准。
3.根据实际测试环境情况，相控阵天线校准有外校准和内校准两种方式。外校准方式包括远场校准、中场校准、近场校准，通过外部校准单元对天线辐射场进行采样校准。但是对于大规模阵列天线而言，大规模阵列天线对校准测试环境要求较高、校准时间代价高。常用的内校准方法包括阵面耦合校准法、内校准网络监测方法。内校准网络监测方法需要在每个单元馈电口增加耦合器并布设校准网络，对大规模阵列天线而言，无源网络设计复杂度高。因此，通常可采用阵面耦合校准法对相控阵天线进行校准。但是该校准方法中，校准单元对阵面的电场覆盖不均匀，校准单元的通道耦合电场强度低，造成整个阵面的校准接收信号动态范围大，不利于高精度幅相校正。

技术实现要素：

4.本发明解决的技术问题是：针对现有技术中阵面耦合校准法造成整个阵面的校准接收信号动态范围大，不利于高精度幅相校正，本发明提供了一种分布式阵内耦合并行相控阵天线校准系统及方法。本发明实施例所提供的方案中，在相控阵或相控阵子阵内设置分布式校准单元，使得校准源耦合场对阵面覆盖更加均匀，减小耦合接收通道的信号动态范围，提升阵面校准精度。另外，在相控阵天线校准系统，校准单元的粒度可以是子阵级，每个校准单元内采用独立的伪随机噪声(pseudo-noise，pn)码调制信号作为校准信号，有利于多个相控阵子阵并行校准，从而提升大阵面校准效率；另一方面，避免子阵间耦合信号干扰，保证校准准确性。
5.第一方面，本发明实施例提供一种分布式阵内耦合并行相控阵天线校准系统，该系统包括：辐射阵面、波控单元、子阵校准处理单元、校准信号合路单元以及校准信号功分单元。其中，辐射阵面包括多个天线单元，所述多个天线单元中的部分天线单元用作校准单元。校准单元用于对天线通道的幅度和/或相位进行校准。子阵校准处理单元用于生成校准信号，该校准信号用于对天线子阵的通道的幅度和/或相位进行校准。波控单元用于生成校准指令，该校准指令用于指示子阵校准处理单元对天线通道进行校准。校准信号功分单元在接收校准时用于将校准信号分路馈给分布式校准单元。校准信号合路单元在发射校准时将分布式校准单元的接收信号进行功率合成。
6.可选的，辐射阵面中的多个天线单元形成多个天线子阵，多个天线子阵中任意一个天线子阵的校准单元的个数根据辐射阵面包括的天线子阵的数量、校准系统的灵敏度以及接收机动态范围确定，且每个天线子阵中校准单元满足校准要求，使得每个天线子阵内校准单元阵列近场区均匀覆盖每个天线子阵范围。
7.可选的，子阵校准处理单元包括校准信号产生模块和校准处理模块。其中，校准信号产生模块用于生成基于随机噪声pn码调制的校准信号。校准处理模块用于确定辐射阵面中的各个天线通道的幅度校准值和/或相位校准值。同一天线子阵的校准信号对应的pn码相同，不同天线子阵的校准信号不同。
8.第二方面，本发明实施例提供了一种分布式阵内耦合并行相控阵天线校准方法，该方法应用于如第一方面所述的分布式阵内耦合并行相控阵天线校准系统，所述方法包括：波控单元向子阵校准处理单元发送校准指令，该校准指令用于指示子阵校准处理单元对天线通道进行校准。子阵校准处理单元生成校准信号，并接收经天线子阵阵面耦合的环路信号，根据所生成的校准信号，以及所接收的信号，确定辐射阵面中的各个天线通道的幅度校准值和/或相位校准值。
9.可选的，子阵校准处理单元生成校准信号，包括：通过校准信号产生模块生成随机噪声pn码，该pn码通过调制器调制，再经过数字上变频和数模转换器，生成基于pn码调制后的校准信号。同一天线子阵的校准信号对应的pn码相同，不同天线子阵的编码不同。
10.可选的，发射校准模式下，校准信号经过校准信号合路单元馈入各个发射天线阵元，并经阵面电场耦合激励校准单元。子阵校准处理单元将来自校准单元的接收信号经过模数转换并解调之后，与所生成的pn码进行自相关计算，以确定所述各个发射天线阵元中的各个天线通道的幅度校准值和/或相位校准值。
11.可选的，接收校准模式下，校准信号经过校准信号功分单元馈入各个所述校准单元，并经阵面电场耦合激励接收天线单元。子阵校准处理单元从校准信号合路单元接收所述接收天线单元输出的信号，将来自校准信号合路单元的接收信号经过模数转换并解调之后，与所生成的pn码进行自相关计算，以确定各个接收天线通道的幅度校准值和/或相位校准值。
12.可选的，向子阵校准处理单元发送校准指令之前，所述方法还包括：根据辐射阵面包括的多个天线子阵的个数、系统灵敏度以及系统中的接收机允许接收信号强度的动态范围确定各个天线子阵内的校准单元的个数。
13.可选的，所述方法还包括：根据校准单元的拓扑结构以及各个天线阵列内电磁场分布特性，判断各个天线子阵内的校准单元是否满足校准要求；针对任意一个天线子阵，若所述天线子阵内的校准单元不满足校准要求，增加辅助校准单元，并对校准单元拓扑进行优化；继续判断各个天线子阵内的校准单元耦合信号强度是否满足校准要求，直到各个天线子阵内的校准单元满足校准要求。
附图说明
14.图1为本发明实施例所提供的分布式阵内耦合并行相控阵天线校准系统的结构示意图；
15.图2为本发明实施例所提供的设计分布式阵内耦合并行相控阵天线校准系统中校
准阵列的流程示意图；
16.图3为本发明实施例所提供的天线阵内天线单元复用为校准单元的阵面示意图；
17.图4为本发明实施例所提供的添加辅助校准单元的阵面示意图；
18.图5为本发明实施例所提供的子阵校准处理单元的功能原理图；
19.图6为本发明实施例所提供的分布式阵内耦合并行相控阵天线校准系统中接收天线校准系统示意图；
20.图7为本发明实施例提供的分布式阵内耦合并行相控阵天线校准系统中接收天线校准流程示意图；
21.图8为本发明实施例所提供的分布式阵内耦合并行相控阵天线校准系统中发射天线校准系统示意图；
22.图9为本发明实施例提供的分布式阵内耦合并行相控阵天线校准系统中发射天线校准流程示意图。
23.附图标记：101-辐射阵面；102-分布式校准单元；103-波控单元；104-子阵校准处理单元；105-校准信号功分单元；106-校准信号合路单元；107-有源射频组件；1011-天线单元；1012-天线单元(校准单元)；501-准信号产生模块；502-校准处理模块；5011-pn码产生器；5012-中频调制器；5013-数字上变频器；5014-数模转换器(dac)；110-耦合器；111-下变频器；112-上变频器；113-功分网络；1071-低噪声放大器lna；1072-移相衰减器。
具体实施方式
24.本发明实施例提供的方案中，所描述的实施例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，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例，都属于本发明保护的范围。
25.为了更好的理解上述技术方案，下面通过附图以及具体实施例对本发明技术方案做详细的说明，应当理解本发明实施例以及实施例中的具体特征是对本发明技术方案的详细的说明，而不是对本发明技术方案的限定，在不冲突的情况下，本发明实施例以及实施例中的技术特征可以相互组合。
26.为了更加理解本发明提供的分布式阵内耦合并行相控阵天线校准系统以及方法，下面结合说明书附图对本发明实施例所提供的一种分布式阵内耦合并行相控阵天线校准系统以及方法做进一步详细的说明。
27.请参见图1，为本发明实施例提供的分布式阵内耦合并行相控阵天线校准系统的架构图。如图1所示，该分布式阵内耦合并行相控阵天线校准系统包括辐射阵面101，该辐射阵面101包括多个天线单元1011(如图1所示用细线标识的天线单元)和天线单元1012(如图1所示用粗线标识的天线单元)。这多个天线单元1011可划分为多个天线子阵。天线子阵内的信号单元可复用为可用于对天线通道的幅度和/或相位进行校准的校准单元。即辐射阵面101中的部分天线单元可用作对天线通道的幅度和/或相位进行校准的校准单元，形成分布式校准单元102，例如，图1中，分布式校准单元102可包括多个天线单元1012。在可能的实现方式中，可根据辐射阵面101包括的天线子阵的个数、系统灵敏度以及系统中的接收机允许接收信号强度的动态范围确定各个天线子阵内的校准单元的个数，进而设计分布式校准单元102。
28.请参见图2，为本发明实施例提供的分布式校准单元102设计的流程图，包括如下步骤。
29.s201、确定天线子阵规模、校准测试系统接收灵敏度和动态范围。
30.s202、根据天线子阵规模、校准测试系统接收灵敏度和动态范围，确定各个天线子阵所需的校准单元个数。
31.s203、校准单元拓扑设计。
32.s204、根据校准单元的拓扑以及各个天线阵列内电磁场分布特性，判断各个天线子阵内的校准单元耦合信号强度是否满足校准要求。
33.s205、针对任意一个天线子阵，若所述天线子阵内的校准单元不满足校准要求，增加辅助校准单元。
34.如果所要校准的校准单元耦合信号强度满足校准要求，那么天线子阵范围内校准单元近场区可以均匀覆盖天线子阵范围，使得天线子阵之间不存在校准盲区，可从辐射阵面101中选择部分天线单元1011作为辅助校准单元，也可以认为是增加新的校准单元，即增加辅助校准单元。确定辅助校准单元之后，可以根据校准单元的拓扑结构，设计校准单元的位置，从而确定新的分布式校准单元102。确定新的分布式校准单元102之后，可以继续根据校准单元拓扑以及分布式校准单元102，判断所要校准的校准单元耦合信号强度是否满足校准要求。该过程也可以认为是对分布式校准单元102进行拓扑优化，以使得各个天线子阵内的所有单元耦合信号功率满足校准信号的功率要求。可见，通过本发明实施例设计的分布式校准单元102的拓扑，可使得天线子阵范围内校准单元近场区可以均匀覆盖天线子阵范围，天线子阵之间不存在校准盲区。
35.s206、若所述天线子阵内的校准单元满足校准要求，对校准单元拓扑(分布式校准单元)进行优化。
36.如果各个天线子阵内的校准单元满足校准要求。本发明实施例还可以继续优化分布式校准单元102，以尽量达到校准单元满足小型化和全向化的目的。进一步地，还可以基于辐射阵面101和分布式校准单元102拓扑，确定各个天线的通道的幅度基准值和相位基准值。
37.本发明实施例中，天线子阵内的信号单元可复用为校准单元，无需增加额外的校准天线。具体的，请参见图3，为本发明实施例提供的天线子阵内的天线单元1012复用为校准单元的阵面示意图。本发明实施例可通过在校准单元1013馈电口增加耦合器，再通过校准信号合路单元可将分布式校准单元102并联。
38.另外，当校准单元耦合信号强度不满足校准要求，在天线子阵内嵌入辅助校准单元，如图4所示。图4以辅助校准单元包括多个天线单元1012为例。本发明实施例中，嵌入辅助校准单元之后，继续判断校准单元耦合信号强度是否满足校准要求。最终设计的分布式校准单元102能够满足各个天线子阵所有阵元通道的耦合信号强度达到校准系统的灵敏度，可有效降低校准信号动态范围。且，校准单元嵌入不会影响信号单元辐射性能，从而可以对整个天线阵列的所有通道进行校准，有效保证整阵的方向图合成性能。
39.本发明实施例提供的分布式阵内耦合并行相控阵天线校准系统还包括波控单元103、子阵校准处理单元104、校准信号功分单元105和校准信号合路单元106。
40.波控单元103可生成校准指令，并输出给子阵校准处理单元104。该校准指令用于
指示子阵校准处理单元104对天线通道进行校准。子阵校准处理单元104接收到校准指令之后，生成校准信号。在接收校准时，通过校准信号功分单元105将校准信号分路给分布式校准单元102。在发射校准时，通过校准信号合路单元106将分布式校准单元102的接收信号进行功率合成。校准信号可用于对天线子阵的通道的幅度和/或相位进行校准。
41.在本发明实施例中，波控单元103、校准信号功分单元105、校准信号合路单元106和子阵校准处理单元104，在天线子阵内形成校准环路，可支持多个天线子阵并行校准处理，从而提升天线阵列的校准效率。尤其是对大天线阵列来说，可缩短校准时间，节约了相控阵天线测试的时间成本。
42.可以理解的是，本发明实施例提供的分布式阵内耦合并行相控阵天线校准系统还包括有源射频组件107(例如低噪声放大器lna1071和移相衰减器1072)、信号合路单元和信号功分单元，以及耦合器110、下变频器111、上变频器112、功分网络113，具体将在下文中一一介绍。
43.请参见图5，为子阵校准处理单元104的功能原理图。子阵校准处理单元104包括校准信号产生模块501和校准处理模块502。其中，校准信号产生模块501可包括pn码产生器5011、中频调制器5012、数字上变频器5013、数模转换器(dac)5014。pn码产生器5011在波控单元103的控制下生成pn码，并输出给中频调制器5012和相关运算模块5024。中频调制器5012对所接收的pn码进行调制后，将调制后的pn码输出给数字上变频器5013，再经过数模转换器5014，得到模拟中频的校准信号，即生成基于pn码的校准信号。
44.校准处理模块502可用于计算对天线通道的幅度校准值和相位校准值。校准处理模块502包括模数转换器(adc)5021、数字下变频器5022、解调器5023、相关运算模块5024和幅相比较模块5025。数模转换器5014将得到的模拟中频的校准信号输出给校准处理模块502中的模数转换器5021，依次经过数字下变频器5022、解调器5023后输出给相关运算模块5024。相关运算模块5024根据输入的pn码和接收的信号相关峰分析，获得幅度值和相位值，并输出给幅相比较模块5025。幅相比较模块5025比较输入的幅度值，得到通道的幅度误差，比较输入的相位值，得到相位误差，进而确定幅度校准值和相位校准值，即校准结果。
45.本发明实施例提供的分布式阵内耦合并行相控阵天线校准系统可以对接收天线进行校准，也可以对发射天线进行校准。下面介绍如何对接收天线进行校准和发射天线进行校准。
46.请参见图6，为分布式阵内耦合并行相控阵天线校准系统中接收天线校准系统示意图。接收天线校准系统包括波控单元波控单元103、子阵校准处理单元104、上变频器112、校准信号功分单元105、有源射频组件107、待校准天线、校准单元102、校准信号合路单元106、耦合器110、下变频器111。波控单元103可向子阵校准处理单元104发送校准指令。子阵校准处理单元104根据校准指令生成基于pn码的校准信号，经过上变频器112输出给校准信号功分单元105，由校准信号功分单元105可设置于天线馈电层，将校准信号分馈给分布式校准单元102。由校准信号功分单元105将所接收的校准信号分馈给分布式校准单元102，不会额外增加有源组件。分布式校准单元102接收校准信号之后，经过校准信号合路单元106合成之后经过耦合器，一路馈入下变频器111，经过下变频器111输出给子阵校准处理单元104；另一路信号与其他子阵信号合成，得到阵列合成接收信号。如图5所示，子阵校准处理单元104内，经过adc5021采样、数字下变频器5022、解调器5023后，由相关运算模块5024与
本地pn码进行相关运算，从而得到各个通道的幅度校准值和相位校验值。
47.具体的，请参见图7，为本发明实施例提供的接收天线并行校准流程图。其校准流程为：
48.s701，子阵接收天线启动并进行并行校准。
49.s702，波控单元103生成校准指令，并向子阵校准处理单元104输出校准指令。
50.s703，子阵校准处理单元104接收校准指令，并生成校准信号。
51.具体的，子阵校准处理单元104通过pn码产生器5011产生pn码，经过中频调制器5022得到调制的基带校准信号sj(k)＝s(k)*pnj(k)，pnj(k)为子阵j的校准码，s(k)为通信信号，k表示数字域信号快拍。应理解，在本发明实施例中，不同子阵采用独立的pn码调制，以保证子阵间校准信号的理想正交。
52.s704，基带校准信号sj(k)，经过数字上变频器5023调制到中频，再经过上变频器调制到阵列工作频率之后，输出给校准信号功分单元105。
53.校准信号功分单元105将校准信号分路馈给分布式校准单元102，g
r1，j
·
sj(t)，g
r1，j
表示上变频及校准信号功分单元的总增益，t表示模拟域时间。
54.s705，分布式校准单元102耦合接收校准信号，假设子阵j的第i校准单元增益为g
i，j
，子阵内校准单元对信号单元的耦合稀疏为ci(m，n)，其中，m表示接收阵元的行编号，n表示接收阵元的列编号，i表示第j个子阵内的分布式校准单元编号，信号接收单元增益为g
0，j
(m，n)，则子阵信号单元接收信号可表示为∑
ici
(m，n)g
0，j
(m，n)g
i，jgr1，j
sj(t)*hr(m，n)+n
m，n
(t)，其中hr(m，n)表示第(m，n)天线单元对应t/r组件的接收通道传输函数，n
m，n
(t)为第(m，n)个接收通道引入的随机噪声。
55.s706，分布式校准单元102将耦合后的校准信号输出给校准信号合路单元106。由校准信号合路单元106合成为∑
m，n
∑
ici
(m，n)g
0，j
(m，n)g
i，jgr1，j
sj(t)*hr(m，n)+n
m，n
(t)，之后经过耦合器，一路与其他子阵信号合成，得到阵列合成接收信号馈入下变频器；另一路输出给子阵校准处理单元104，假设g
r3，j
为接收信号合路单元及耦合器、下变频器总增益，则馈入校准处理单元104的信号可表示为g
r3，j
∑
m，n
∑
ici
(m，n)g
0，j
(m，n)g
i，jgr1，j
sj(t)*hr(m，n)+n
m，n
(t)。为了简化，不妨令g
rj
(m，n)＝g
r3，jgi，jgr1，jg0，j
(m，n)
56.s707，在子阵校准处理单元104内，经过adc采样5021、数字下变频器5022、解调器5023后，信号表示为∑
m，ngrj
(m，n)∑
ici
(m，n)s
′j(k)*hr(m，n)+n
′
m，n
(k)，为得到组件通道的传输系数，由相关运算模块5024与本地pn码进行相关运算：
[0057][0058]
根据pn码的良好自相关特性，且信号相关处理后的信号相关峰表示为其中，发射信号s(k)已知，对于分布式校准阵列拓扑，通过全波仿真可以得到阵面互耦系数ci(m，n)、通道增益g
rj
(m，n)；逐个打开待测阵各通道可得到各路接收通道传输系数hr(m，n)。
[0059]
s708，不妨选择(m＝1，n＝1)通道作为参考通道，根据子阵导向矢量，各单元通道
相对于参考通道的空间相位差e
jδφ(m，n)
已知，则自相关处理后的信号相关峰经过相位补偿，通过幅相比较模块5025比较计算得到的幅度值和静态通道幅度值确定幅度校准值，得到各接收通道的校准幅相值
[0060][0061][0062]
即得到各接收通道校准值
[0063]
s709，将幅度校准值和相位校准值反馈给波控单元103。
[0064]
基于此，子阵接收天线并行校准流程完成，过程结束(如图7所示的步骤s710)。
[0065]
如上介绍了对接收天线进行校准，下面介绍对发射天线进行校准。
[0066]
请参见图8，为发射天线并行校准系统示意图。发射天线校准系统包括：波控单元103、子阵校准处理单元104、上变频器112、耦合器110、校准信号功分单元105、有源射频组件107、待校准天线、校准天线单元102、校准校准信号合路单元106、下变频器。波控单元103可向子阵校准处理单元104发送校准指令。子阵校准处理单元104根据校准指令生成校准信号，经过上变频器112和耦合器110输出给校准信号功分单元105，由校准信号功分单元105将校准信号分馈给分布式校准单元102。分布式校准单元102接收校准信号之后，经过校准校准信号合路单元106进行功率合成之后经过下变频器112输出给子阵校准处理单元104。通过引入校准校准信号合路单元106将分布式校准单元102接收信号合成，不会额外增加校准接收通道。在子阵校准处理单元104内，经过adc5021采样、数字下变频器5022、解调器5023后，由相关运算模块5024与本地pn码进行相关运算，从而得到各个通道的幅度校准值和相位校验值。
[0067]
具体的，请参见图9，为本发明实施例提供的子阵发射天线并行校准流程图。其校准流程为：
[0068]
s901，子阵接收天线启动并进行并行校准。
[0069]
s902，波控单元103生成校准指令，并向子阵校准处理单元104输出校准指令。
[0070]
s903，子阵校准处理单元104接收校准指令，并生成校准信号。
[0071]
子阵校准处理单元104通过pn码产生器5011产生pn码，经过中频调制器5022得到调制的基带校准信号sj(k)＝s(k)*pnj(k)，j为子阵编号。应理解，在本发明实施例中，不同子阵采用独立的pn码调制，以保证子阵间校准信号的理想正交。同时，分布式校准单元102在校准指控制下，各子阵开始分布式并行发射校准。
[0072]
s904，校准信号经过上变频器111、耦合器110、校准信号功分单元105，馈给待校准天线的通道，表示为g
0，j
(m，n)g
i，jgt1，j
·
sj(t)*h
t
(m，n)+n
m，n
(t)，其中g
0，j
(m，n)为第j个子阵的第(m，n)信号单元增益，g
i，j
为第j个子阵的第i校准天线单元102增益，g
t1，j
表示上变频、耦合器及发射信号功分网络的总增益，t表示时间，h
t
(m，n)表示第(m，n)天线单元对应t/r组件的发射通道幅相值，m，n表示接收阵元的行、列编号m表示行编号，n表示列编号。
[0073]
s905，经阵面耦合，分布式校准单元102接收校准信号ci(m，n)g
0，j
(m，n)g
i，jgt1，j
·
sj(t)*h
t
(m，n)+n
m，n
(t)，ci(m，n)为第i校准天线单元对第(m，n)信号单元的耦合系数。
[0074]
s906，通过校准信号合路单元106合成，再经过下变频器112，得到g
t3，j
∑
m，n
∑
ici
(m，n)g
0，j
(m，n)g
i，jgt1，j
·
sj(t)*h
t
(m，n)+n
m，n
(t)，其中，g
t3，j
表示校准信号合路网络及耦合器、下变频器总增益，n
m，n
(t)为第(m，n)个接收通道引入的随机噪声。同理，不妨令g
tj
(m，n)＝g
t3，jgi，jgt1，jg0，j
(m，n)，则馈入校准处理单元104的信号可表示为∑
m，ngtj
(m，n)∑
ici
(m，n)
·
sj(t)*h
t
(m，n)+n
m，n
(t)∑
i，m，nsp，j
(t，i，m，n)*h
t
(m，n)+n
m，n
(t)。
[0075]
s907，在子阵校准处理单元104内，经过adc5021采样、数字下变频器5022，得到基带信号∑
m，ngtj
(m，n)∑
ici
(m，n)s
′j(k)*h
t
(m，n)+n
′
m，n
(k)，并与本地pn码相关运算
[0076][0077]
s908，不妨选择(m＝1，n＝1)通道作为参考通道，根据子阵导向矢量，各单元通道相对于参考通道的空间相位差e
jδφ(m，n)
已知，则自相关处理后的信号相关峰经过相位补偿，得到的通道传输系数即表征了通道的校准幅相值
[0078][0079][0080]
即得到各发射通道校准值
[0081]
s909，将幅度校准值和相位校准值返回波控单元103。
[0082]
基于此，子阵接收天线并行校准流程完成，过程结束(如图9所示的步骤s910)。
[0083]
本发明在子阵级相控阵的框架下，增加子阵校准处理单元104，以用于产生和接收校准信号；在天线子阵内增加分布式校准单元102，以调控子阵阵面校准信号源场分布，从而解决了单个校准单元的覆盖盲区问题。相比于传统相控阵校准系统，采用分布式子阵校准架构，在天线子阵内可形成校准环路。该校准环路可以实现多个天线子阵并行校准处理，从而提升天线阵列的校准效率。尤其是对大天线阵列来说，可缩短校准时间，节约了相控阵天线测试的时间成本。
[0084]
本发明实施例提供的相控阵天线校准方法是内校准方式，相比于外校准方式，无需额外的辅助校准源，避免了大阵列外校准对环境的严苛要求，以及空间角度采样带来的时间代价，从而有效降低大阵列天线校准的硬件和时间成本。另外，可在天线上电工作时或者工作过程中周期性地进行自校准标定，提高天线系统的灵活性。
[0085]
本发明实施例提供的相控阵天线校准系统，可优化分布式校准单元102。通过天线校准阵元的子阵内分布式拓扑设计，可实现校准信号对整个天线阵面的均匀覆盖。相比于传统单元式校准天线，可解决校准天线覆盖盲区的问题。另外，还可以有效降低校准信号功率动态范围，有利于提升阵面校准精度。
[0086]
本发明实施例采用的校准信号为pn码调制的信号，同一天线子阵的校准信号对应的pn码可相同，不同天线子阵的校准信号对应的pn码不同。可利用pn码良好的自相关和互相关特性，通过分析子阵级校准环路接收的反馈信号与发射信号的相关特性，得到子阵幅相校正值，并且避免了子阵间校准干扰。
[0087]
基于同一发明构思，本发明实施例提供一种分布式阵内耦合并行相控阵天线校准方法，该方法应用于如本发明实施例提供的分布式阵内耦合并行相控阵天线校准系统，所述方法包括：通过所述波控单元103向子阵校准处理单元104发送校准指令，该校准指令用于指示子阵校准处理单元104对天线通道进行校准。子阵校准处理单元104接收校准指令，生成校准信号，并接收经天线子阵阵面耦合的环路信号，根据所生成的校准信号以及所接收的信号，确定辐射阵面101中的各个天线通道的幅度校准值和/或相位校准值。
[0088]
在一种可能实现的方式中，子阵校准处理单元104生成校准信号，包括：
[0089]
通过校准信号产生模块生成随机噪声pn码，其中，pn码通过调制器调制，再经过数字上变频和数模转换器，获得基于所述pn码的校准信号，同一天线子阵的校准信号对应的pn码相同，不同天线子阵的编码不同。
[0090]
在一种可能实现的方式中，发射校准模式下，校准信号经过校准信号合路单元馈入各个发射天线阵元，并经阵面电场耦合激励校准单元；
[0091]
子阵校准处理单元104将来自校准单元的接收信号经过模数转换并解调之后，与所生成的pn码进行自相关计算，以确定各个发射天线阵元中的各个天线通道的幅度校准值和/或相位校准值。
[0092]
在一种可能实现的方式中，接收校准模式下，校准信号经过校准信号功分单元馈入各个所述校准单元，并经阵面电场耦合激励接收天线单元；
[0093]
子阵校准处理单元104从校准信号合路单元接收所述接收天线单元输出的信号；
[0094]
子阵校准处理单元104将来自校准信号合路单元的接收信号经过模数转换并解调之后，与所生成的pn码进行自相关计算，以确定各个接收天线通道的幅度校准值和/或相位校准值。
[0095]
在一种可能实现的方式中，向子阵校准处理单元104发送校准指令之前，所述方法还包括：
[0096]
根据辐射阵面104包括的多个天线子阵的个数、系统灵敏度以及系统中的接收机允许接收信号强度的动态范围确定各个天线子阵内的校准单元的个数。
[0097]
在一种可能实现的方式中，所述方法还包括：根据待测辐射阵面101的拓扑结构以及各个天线阵列内电磁场分布特性，判断各个天线子阵内的校准单元是否满足校准要求；
[0098]
针对任意一个天线子阵，若天线子阵内的校准单元不满足校准要求，增加辅助校准单元，并对校准单元拓扑进行优化；
[0099]
继续判断各个天线子阵内的校准单元耦合信号强度是否满足校准要求，直到各个天线子阵内的校准单元满足校准要求。
[0100]
显然，本领域的技术人员可以对本发明进行各种改动和变型而不脱离本发明的精神和范围。这样，倘若本发明的这些修改和变型属于本发明权利要求及其等同技术的范围之内，则本发明也意图包含这些改动和变型在内。
[0101]
本发明说明书中未作详细描述内容属于本领域技术人员的公知常识。

技术特征：

1.一种分布式阵内耦合并行相控阵天线校准系统，其特征在于，包括：辐射阵面、波控单元、子阵校准处理单元、校准信号合路单元以及校准信号功分单元；辐射阵面，包括多个天线单元，其中，所述多个天线单元中的部分天线单元用作校准单元，所述校准单元用于对天线通道的幅度和/或相位进行校准；子阵校准处理单元，用于生成校准信号，所述校准信号用于对天线子阵的通道的幅度和/或相位进行校准；波控单元，用于生成校准指令，所述校准指令用于指示所述子阵校准处理单元对天线通道进行校准；校准信号功分单元，在接收校准时用于将校准信号分路馈给分布式校准单元；校准信号合路单元，在发射校准时将分布式校准单元的接收信号进行功率合成。2.如权利要求1所述的系统，其特征在于，所述辐射阵面中的多个天线单元形成多个天线子阵，所述多个天线子阵中任意一个天线子阵的校准单元的个数根据所述辐射阵面包括的天线子阵的数量、所述校准系统的灵敏度以及接收机动态范围确定，且每个天线子阵中校准单元满足校准要求，使得所述每个天线子阵内校准单元阵列近场区均匀覆盖所述每个天线子阵范围。3.如权利要求2所述的系统，其特征在于，所述子阵校准处理单元包括校准信号产生模块和校准处理模块，所述校准信号产生模块用于生成基于随机噪声pn码调制的校准信号，所述校准处理模块用于确定所述辐射阵面中的各个天线通道的幅度校准值和/或相位校准值；其中，同一天线子阵的校准信号对应的pn码相同，不同天线子阵的校准信号不同。4.一种分布式阵内耦合并行相控阵天线校准方法，其特征在于，该方法应用于如权利要求1～3任一项所述的分布式阵内耦合并行相控阵天线校准系统，所述方法包括：所述波控单元向所述子阵校准处理单元发送校准指令，所述校准指令用于指示所述子阵校准处理单元对天线通道进行校准；所述子阵校准处理单元生成校准信号，并接收经天线子阵阵面耦合的环路信号，根据所生成的校准信号以及所接收的信号，确定所述辐射阵面中的各个天线通道的幅度校准值和/或相位校准值。5.如权利要求4所述的方法，其特征在于，所述子阵校准处理单元生成校准信号，包括：通过校准信号产生模块生成随机噪声pn码，其中，所述pn码通过调制器调制，再经过数字上变频和数模转换器，生成基于所述pn码调制后的校准信号；同一天线子阵的校准信号对应的pn码相同，不同天线子阵的编码不同。6.如权利要求5所述的方法，其特征在于，发射校准模式下，所述校准信号经过校准信号合路单元馈入各个发射天线阵元，并经阵面电场耦合激励校准单元；所述子阵校准处理单元将来自校准单元的接收信号经过模数转换并解调之后，与所生成的pn码进行自相关计算，以确定所述各个发射天线阵元中的各个天线通道的幅度校准值和/或相位校准值。7.如权利要求5所述的方法，其特征在于，接收校准模式下，所述校准信号经过校准信号功分单元馈入各个所述校准单元，并经阵面电场耦合激励接收天线单元；所述子阵校准处理单元从校准信号合路单元接收所述接收天线单元输出的信号；所述子阵校准处理单元将来自校准信号合路单元的接收信号经过模数转换并解调之
后，与所生成的pn码进行自相关计算，以确定所述各个接收天线通道的幅度校准值和/或相位校准值。8.如权利要求4～7任一项所述的方法，其特征在于，向所述子阵校准处理单元发送校准指令之前，所述方法还包括：根据辐射阵面包括的多个天线子阵的个数、系统灵敏度以及系统中的接收机允许接收信号强度的动态范围确定各个天线子阵内的校准单元的个数。9.如权利要求8所述的方法，其特征在于，所述方法还包括：根据校准单元的拓扑结构以及各个天线阵列内电磁场分布特性，判断各个天线子阵内的校准单元是否满足校准要求；针对任意一个天线子阵，若所述天线子阵内的校准单元不满足校准要求，增加辅助校准单元，并对校准单元拓扑进行优化；继续判断各个天线子阵内的校准单元耦合信号强度是否满足校准要求，直到各个天线子阵内的校准单元满足校准要求。

技术总结

本发明公开了一种分布式阵内耦合并行相控阵天线校准系统及方法，旨在提高相控阵天线校准效率和校准精度。该校准系统为分布式阵内耦合并行相控阵校准系统，基于该校准系统提供了基于随机噪声(PN)码调制的多子阵并行校准方法。该校准系统以及方法包括接收相控阵校准和发射相控阵校准，适用于对一个子阵或多个子阵构成的收发相控阵进行校准。由于每个子阵构成独立的校准环路，因此可采用并行校准系统架构，实现多个子阵并行校准能力，从而提升相控阵天线校准测试效率。同时，每个子阵内采用多个分布式校准单元并联，使得电磁场均匀分布，从而在较小动态的高信噪比范围内，能够满足高精度相位测量需求，提升相控阵天线校准精度。提升相控阵天线校准精度。提升相控阵天线校准精度。