CN101938305A - 一种相控阵体制接收通道的幅相校准方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种基于波束形成网络自带校准源对接收通道进行幅度相位校准技术和方法；通过校准，较好地控制了接收通道的幅度和相位误差，在利用相控阵天线进行单脉冲测角领域具有很强的实用性。

Description

一种相控阵体制接收通道的幅相校准方法

技术领域

本发明涉及一种在使用相控阵天线体制的系统中对接收通道的幅度和相位进行校准技术和方法。

背景技术

相控阵天线是“相位控制阵列”天线的简称，即天线是由多个辐射单元组成阵列，通过波束形成网络，精确控制馈入相控阵天线各辐射单元射频信号的幅度和相位，从而灵活控制天线阵面上电磁波的场分布，使电磁波的场在空间合成特定的波束，达到调度和控制相控阵天线波束的指向的目的。由于相控阵天线具有波束捷变、快速扫描、多波束形成等诸多优点，20世纪60年代，随着新技术、新材料的发展，相控阵天线的工程化应用的到了飞速发展。

由于相控阵天线阵是通过精确控制各辐射单元的相位、幅度以实现波束合成和控制，因此，各辐射单元的相位、幅度的精度和变化直接影响合成波束的性能（增益、副瓣电平、零深等）。在实际的工程应用中，特别是采用有源相控阵体制进行单脉冲测角时，整个接收通道（包括天线、T/R、移相网络、馈电网络、和/差网络、馈线、接收机等）因设计、加工、工艺、环境变化、工作状态等因素，不可避免存在一定的幅度、相位误差，这将直接影响系统的工作和性能。

因此，在应用相控阵天线进行单脉冲测角的系统中，对接收通道进行幅相校准是其工程化应用的关键。

发明内容

下面以一种在波束形成网络中内置校准源的闭环校准系统为例说明本发明。

如图1所示的是以N个单元组成的等间距线阵，整个系统由天线阵、有源T/R波束形成网络、接收机、信号处理等组成。其中有源T/R波束形成网络包括T/R组件、移相网络、功分网络，波控计算机、校准源、射频开关等。射频开关K_i（i=1～2N）用于选通T/R组件处于发射通道或接收通道，端口S_i（i=1～N）为波控计算机控制各通道移相器移相值的控制信号，射频开关G用于选择差接收信号或校准源信号，当G选择校准源信号时，此时校准源信号作为参考信号使用。

校准分两部分进行，即图1系统组成框图的T1段和T2段。当校准T1段时，信号处理发送校准命令通过波控计算机，由波控计算机控制校准源信号同时通过通路1“校准源——矩阵开关——限幅、低噪放——移相器——功分网络（∑端口）——接收机——信号处理”及通路2“校准源——射频开关G——接收机——信号处理”，在通路中校准信号经过接收机的放大、滤波、混频、A/D等转换成数字中频信号，数字中频信号送入信号处理进行数字变频等处理，得到信号相位信息，由此可得通路1与通路2的相位差，所有N个接收通道的相位差组成的数据就反应各个接收通道T1段之间的相位关系，该数据用于系统正常工作时波控计算机对移相器移相误差及通道不一致性进行补偿。当校准T2段时，校准信号同时经过通路1“校准源——矩阵开关——限幅、低噪放——移相器——功分网络（∑端口）——接收机——信号处理”及通路3“校准源——矩阵开关——限幅、低噪放——移相器——功分网络（△端口）——射频开关G——接收机——信号处理”，信号处理将录取到通路1和通路3的幅度和相位数据，其幅度差和相位差反应了接收通道T2段即∑/△接收通路的幅相关系。在相控阵天线系统单脉冲测角技术时，信号处理通过∑/△通道信号幅度差查找预先建立的“幅度差——偏移角度”表，及通过∑/△通道信号相位差确定偏移角度为波束指向左偏还是右偏，这样即可测出目标角度。因此采用单脉冲测角技术时，∑/△通道的幅相误差直接影响测角精度，通过校准∑/△通道幅相关系合理地控制了∑/△通道幅相不一致对系统测角的影响。

附图说明

本发明将通过例子并参照附图的方式说明，其中：

图1系统组成框图。

图2 校准流程图。

图3 相控阵天线工作原理。

图4∑/△通道幅相关系数据表。

图5接收通道1/2/……/N相位数据表。

图6归一化的某一频点接收通道1/2/……/N相位数据表。

图7理想情况下某一频点接收通道1/2/……/N相位数据表。

图8理想波控码与实际波控码关系表。

具体实施方式

本说明书中公开的所有特征，或公开的所有方法或过程中的步骤，除了互相排斥的特征和/或步骤以外，均可以以任何方式组合。

本说明书（包括任何附加权利要求、摘要和附图）中公开的任一特征，除非特别叙述，均可被其他等效或具有类似目的的替代特征加以替换。即，除非特别叙述，每个特征只是一系列等效或类似特征中的一个例子而已。

1.     校准流程

校准流程如图2所示。具体为：

1)  当系统需要进行校准时，由信号处理向波控计算机发送校准命令，通知系统进入校准状态。

2)  信号处理根据系统工作状态，向波控计算机发送当前校准频率，波控计算机将校准源设置到该频点，使校准源输出该频点的校准信号。

3)  信号处理发送命令给波控计算机，将矩阵开关选通到任一接收端口n，并将K_n置于接收通道侧，射频开关G接到△通道。

4)  信号处理采集∑/△通道的幅度和相位，得到∑/△通道T2段的幅度差A_∑-△和相位差φ_∑-△，并存储到信号处理的FLASH上。

5)  若移相器为M位数字移相器，其控制码范围为0～2^M－1，信号处理板将控制码m（0<=m<=2^M－1）发送给波控计算机。波控计算机通过控制信号S₁、S₂、……、S_N设置N路移相器的控制码为m。

6)  信号处理发送命令给波控计算机，将矩阵开关选通道接收端口n，K_n置于接收侧，射频开关G接到校准源侧。

7)  信号处理采集到接收端口n的∑通道相位，同时采集到校准源经过G和接收机到信号处理的通道信号的相位，两者相位差记为φ_n。

8)  重复进行第6步到第7步，直到所有N个接收通道都校准完毕为止。

9)  信号处理将校准得到的数据φ₁φ₂……φ_n发送波控计算机。

10)           重复进行第5步到第9步，直到所有控制码都校准完毕为止。

11)           重复进行第2步道第10步，直到所有工作频点都校准完毕为止。

12)           所有的波控码和工作频点校准完毕后，整个校准流程结束。

校准流程第3步中，选择任一接收通道进行采集∑/△通道T2段的幅度差A_∑-△和相位差φ_∑-△，是因为校准信号经过任一接收通道并在功分网络中分成∑、△两路送到信号处理。因此在波束形成网络的∑端口和△端口处的幅度是相等的，相位相等或者相差π（根据波束形成网络的和差器具体设计决定，当相位相差π，信号处理计算相位差时φ_∑-△应将π去除）。

在校准流程中：

第4步采集到的数据如图4所示。即在不同的工作频点下∑/△通道T2段幅度差A_∑-△和相位差φ_∑-△数据。

第7步采集到的数据如图5所示。即在不同的工作频点和控制码下各个接收通道T1段的相位数据φ₁、φ₂、……、φ_n。

2.     数据处理

1)  图4数据处理

当相控阵天线系统正常工作时，信号处理对接收到得∑/△通道信号进行鉴相和计算幅度，得到实际信号幅度差A’_∑-△和相位差φ’_∑-△，在对信号幅度和相位进行下一步处理前，需利用校准时测得的该频率下幅度A_∑-△相位φ_∑-△补偿数据对其进行补偿：

幅度差补偿：A = A’_∑-△－A_∑-△；

相位差补偿：φ = φ’_∑-△－φ_∑-△；

补偿后再使用A和φ进行下一步其它处理。

此补偿过程合理地减小了∑/△通道T2段因两通道幅度相位不一致带来的误差。

2)  图5数据处理

如图3所示，根据相控阵天线工作原理，假定相控阵天线每个单元的方向图足够宽或者是全向的，那么在直线阵天线波束扫描范围内，直线阵天线的方向图函数F(θ)为：

为目标所在角度；

为天线波束最大指向

，

为使天线波束最大值在

方向所需的各单元之间的相位差，它由各单元的移相器提供，简称为相邻单元之间的“阵内相位差”。

令

，则

为来自目标的回波在相邻单元之间的相位差，也可称为相邻单元之间的“空间相位差”；

当天线波束最大值就在目标方向时，则各单元的信号移相值由计算。若直线阵阵元之间等间距，那么N通道直线阵相控阵天线在某一频率下N个通道的移相值为φ₀+(N-1)*△φ、……、φ₀+2*△φ、φ₀+△φ、φ₀，其中φ₀为任一固定值。由于φ₀对天线波束指向没有影响，故设φ₀=0°，那么各通道的在某一频率下移相值为(N-1)*△φ、……、2*△φ、△φ、0。

若相控阵天线应用时规定波位较少和频点较少的情况下，可直接采用查表的方式。如某一频率某一波位的移相值为(N-1)*△φ、……、2*△φ、△φ、0，那么从图5对应频点的“接收通道N相位φ_n”列找到与(N-1)*△φ最接近的一行，并记下该行的波控码值，依次找到其它通道的波控码值，并将这些波控码值m_N、……、m₂、m₁存储到波控计算机的FLASH中，这样，波束形成网络正常工作时，波控计算机根据频率和波位从FLASH中读取出相应波控码值设置移相器即可。

当相控阵天线应用时规定波位较多和频点较多的情况下，可采用预先计算波控码的方式。首先我们对图5的某一频点的所有数据以该频点下第N通道的波控码为0时的移相值为准进行归一化得到图6的数据。理想情况下N通道移相器完全一致，在该频点下的移相步进为Δφ_n，在波控码为0时的移相值均为同一值，为计算方便，设为零值。故理想状态下的该频点的移相值表如图7所示。根据图6和图7，当需要移相到图7理想的移相值时，先计算出理想的控制码值，再由图6中该控制码附件查得实际控制的波控码，这些波控码组成了图8。波束形成网络正常工作时，若该频点下某波位N个通道需要的移相值为(N-1)*△φ、……、2*△φ、△φ、0，以理想状态计算得N个通道的理想波控码为：m_N、……、m₂、m₁，由图8就可以查得理想波控码对应的实际波控码m’_N、……、m’₂、m’₁，并将实际波控码存储到FLASH中，波束形成网络正常工作时，波控计算机根据频率和波位从FLASH中读取出相应波控码值设置移相器即可。

此补偿过程可减小各个接收通道T1段的相位误差。

3.     校准时机

考虑到校准时间对系统工作来说是一个较长的时间，故考虑在系统初次组装，维修，维护，及人为需要校准时，才执行校准操作。

在系统开电到正常工作要求时间间隔较充裕的情况下，可在每次开机时自动进行一次校准过程。

4.     扩展功能

在校准过程中信号处理能得到T2段的幅度数据，那么同样可以得到N个通道T1段的幅度数据。该数据可用于判断各接收通道的各工作频点下增益是否正常。如果接收通道的增益有程控功能，那如同各接收通道T1段相位校准一样，还可以对T1段进行幅度校准。

校准过程还可以作为波束形成网络接收通道指标好外和故障判断的依据，送显示器显示。

本发明并不局限于前述的具体实施方式。本发明扩展到任何在本说明书中披露的新特征或任何新的组合，以及披露的任一新的方法或过程的步骤或任何新的组合。

Claims (3)

1.一种相控阵体制接收通道的幅相校准方法，其特征在于，具体工作步骤如下：

1)  当系统需要进行校准时，由信号处理向波控计算机发送校准命令，通知系统进入校准状态；

2)  信号处理根据系统工作状态，向波控计算机发送当前校准频率，波控计算机将校准源设置到该频点，使校准源输出该频点的校准信号；

3)  信号处理发送命令给波控计算机，将矩阵开关选通到任一接收端口n，并将K_n置于接收通道侧，射频开关G接到△通道；

4)  信号处理采集∑/△通道的幅度和相位，得到∑/△通道T2段的幅度差A_∑-△和相位差φ_∑-△，并存储到信号处理的FLASH上；

5)  若移相器为M位数字移相器，其控制码范围为0～2^M－1，信号处理板将控制码m（0<=m<=2^M－1）发送给波控计算机；

波控计算机通过控制信号S₁、S₂、……、S_N设置N路移相器的控制码为m；

6)  信号处理发送命令给波控计算机，将矩阵开关选通道接收端口n，K_n置于接收侧，射频开关G接到校准源侧；

7)  信号处理采集到接收端口n的∑通道相位，同时采集到校准源经过G和接收机到信号处理的通道信号的相位，两者相位差记为φ_n；

8)  重复进行第6步到第7步，直到所有N个接收通道都校准完毕为止；

9)  信号处理将校准得到的数据φ₁φ₂……φ_n发送波控计算机；

10) 重复进行第5步到第9步，直到所有控制码都校准完毕为止；

11) 重复进行第2步道第10步，直到所有工作频点都校准完毕为止；

12)所有的波控码和工作频点校准完毕后，整个校准流程结束。

2.一种应用权利要求1所述的相控阵体制接收通道的幅相校准方法的校准系统，其特征在于：整个系统包括天线阵、有源T/R波束形成网络、接收机、信号处理部分。

3.根据权利要求2所述的应用权利要求1所述的相控阵体制接收通道的幅相校准方法的校准系统，其特征在于：其中所述有源T/R波束形成网络包括T/R组件、移相网络、功分网络，波控计算机、校准源、射频开关等；所述射频开关K_i（i=1～2N）用于选通T/R组件处于发射通道或接收通道，端口S_i（i=1～N）为波控计算机控制各通道移相器移相值的控制信号，所述射频开关G用于选择差接收信号或校准源信号，当G选择校准源信号时，此时校准源信号作为参考信号使用；

当校准T1段时，信号处理发送校准命令通过波控计算机，由波控计算机控制校准源信号同时通过通路1：校准源——矩阵开关——限幅、低噪放——移相器——功分网络的∑端口——接收机——信号处理及通路2：校准源——射频开关G——接收机——信号处理，在通路中校准信号经过接收机的放大、滤波、混频、A/D等转换成数字中频信号，数字中频信号送入信号处理进行数字变频等处理，得到信号相位信息和相位差，所有N个接收通道的相位差组成的数据计算出各个接收通道T1段之间的相位关系，该数据进行补偿系统正常工作时波控计算机对移相器移相误差及通道不一致性；

当校准T2段时，校准信号同时经过通路1：校准源——矩阵开关——限幅、低噪放——移相器——功分网络∑端口——接收机——信号处理及通路3：校准源——矩阵开关——限幅、低噪放——移相器——功分网络的△端口——射频开关G——接收机——信号处理，信号处理取到通路1和通路3的幅度和相位数据，其幅度差和相位差反应接收通道T2段即∑/△接收通路的幅相关系；信号处理通过∑/△通道信号幅度差查找预先建立的幅度差——偏移角度表，及通过∑/△通道信号相位差确定偏移角度为波束指向左偏还是右偏，测出目标角度。

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