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测向天线阵幅相一致性

2025-05-23

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测向天线阵幅相一致性是指天线阵列中各天线单元在接收或发射信号时,幅度和相位的一致性程度。以下从其重要性、影响因素、测量方法、校正策略几个方面进行介绍:

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重要性

  • 测向精度:测向天线阵通过测量信号到达不同天线单元的相位差来确定信号来波方向,幅相一致性直接影响相位差测量的准确性,进而影响测向精度。若各天线单元的幅度和相位不一致,会导致相位差测量出现误差,使测向结果偏离真实方向。
  • 波束形成质量:在相控阵天线等应用中,通过控制各天线单元的幅度和相位来形成特定方向的波束。幅相不一致会导致波束形状畸变、主瓣增益降低、副瓣电平升高等问题,影响波束形成的质量和性能。

影响因素

  • 天线单元特性差异:不同天线单元在制造过程中可能存在工艺偏差,导致其电气特性(如增益、相位中心等)存在差异,进而影响幅相一致性。
  • 天线阵元间互耦:当天线阵元间距离较近时,阵元之间会相互引入电压,影响天线阵元的幅相特性,引起天线阵列方向图的畸变。
  • 通道不平衡:测向系统大多使用多通道数字接收机作为信号处理设备,通道内器件参数不一致会引起幅相误差,影响幅相一致性。
  • 环境因素:温度变化会导致天线材料的物理特性(如热膨胀系数)发生变化,从而影响天线单元的尺寸和位置,进而影响幅相一致性。湿度、气压等环境因素也可能对天线的性能产生一定影响。

测量方法

  • 搭建测试环境:需要准备好要测的天线、信号源、频谱分析仪等设备,并确保它们能正常工作。最好在屏蔽室等比较安静、没有太多电磁干扰的地方进行测试,若没有屏蔽室,也要尽量选在干扰小的空间。把天线固定在一个稳定的位置上,避免晃动影响测试。
  • 信号发射与接收:将信号源和天线连接好,设置信号源产生需要的各种频率、强度的信号。再把频谱分析仪连接好,使其能准确接收天线发射的信号。开启信号源,按照设定好的参数发射信号,天线将接收到的信号发射出去,频谱分析仪在不同位置和角度接收天线发射的信号。
  • 数据记录与分析:在接收信号过程中,不断调整频谱分析仪的参数,保证接收到清晰、准确的信号,并记录下信号的幅度和相位数据。将记录下来的数据导到电脑里,用专门的数据处理软件(如MATLAB)进行滤波、降噪等操作,分析处理后的数据,了解天线在不同频率、不同角度下的幅度和相位变化情况,绘制出幅度和相位的变化曲线。

校正策略

  • 设计阶段优化:在PCB设计阶段,保持各链路拓扑、走线长度、阻抗结构完全对称是基础。可利用三维全波仿真工具(如HFSS、CST)对每一路的S参数进行严格对比,确保相位差控制在较小范围内。
  • 器件筛选与配对:对关键器件进行参数分选,尤其是功放与移相器。通过自动化测试平台(ATE)对器件进行幅相响应测量后,进行配对装配,从源头减少偏差。
  • 在线数字幅相校准:在射频链路后端引入数字预失真与校准模块(Digital Calibration Engine),通过基带处理器动态调节每个通道的幅度与相位权重。例如,在多输入多输出(MIMO)系统中,可引入反馈通道(如环回路径或射频探测器)实时监测输出波束形态,结合迭代算法(如LMS、RLS)实现自适应补偿。
  • 基于矢量网络分析仪的出厂校准:在模组出厂阶段,可使用多端口矢量网络分析仪(VNA)对每个通道进行幅相标定。

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