CN102280719B - 一种基于四单元定向天线的发射相位实时校准装置及方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了基于四单元定向天线的发射相位实时校准装置及方法，装置中功分器将校准源信号分为四路校准信号，并分别发送至四个发射通道，而四个发射通道分别与四个收发开关对应相接，四个收发开关分别连接于四单元定向天线，同时四个收发开关分别通过四个接收通道连接矩阵开关，矩阵开关连接于相位比较器；该方法通过两通道发射校准源信号，两通道接收校准信号，比较两路接收信号的相位差，来得到两个发射通道之间的相位关系。本发明可被广泛用于波束成形中对各个端口相位有实时校准需求的系统，例如机载防撞系统以及具有对称特性的天线系统，此种系统具有显著的市场前景和经济效益。

Description

一种基于四单元定向天线的发射相位实时校准装置及方法
技术领域
本发明涉及天线及电缆发射相位校准技术，具体涉及一种基于四单元定向天线发射相位实时校准装置及其相应的校准方法。
背景技术
TCAS定向天线一般由四个全向天线单元组成。TCAS系统通过对四个天线端口加注相应的发射相位，形成四个波束宽度略大于90度的定向波束，将空间分割成四块，从而达到其系统需求。
4个天线端口连接了4根电缆，由于电缆长度误差及系统误差，各端口发射相位会有偏差，从而导致波束指向错误，系统无法正常工作。此时需要对系统误差进行修正。
再者，当天线电缆更换、温度、时间、电缆损伤等等问题，均会导致系统相位变化，这样就需要对系统误差修正能实时进行。
由此可见，如何对定向天线的发射相位进行实时校准是本领域亟需解决的问题。
发明内容
本发明针对现有技术所存在的问题，而提供一种基于四单元定向天线发射相位实时校准装置，同时还提供一种相应的校准方法。本发明可针对天线、电缆及系统误差进行实时相位校准，从而满足TCAS进行定向发射的能力。
为了达到上述目的，本发明采用以下技术方案：
一种基于四单元定向天线的发射相位实时校准装置，该装置包括一功分器、四个发射通道、四个收发开关、四个接收通道、一个矩阵开关以及一个相位比较器，所述功分器将校准源信号分为四路校准信号，并分别发送至四个发射通道，所述四个发射通道分别与四个收发开关对应相接，所述四个收发开关分别连接于四单元定向天线，所述四个收发开关分别通过四个接收通道连接矩阵开关，所述矩阵开关连接于相位比较器。
在本发明的一实施例中，所述发射通道中包含有用于调整通道发射信号相位的移相网路。
在本发明的一实施例中，所述矩阵开关为4选2矩阵开关。
本发明的第二目的在于提供一种基于四单元定向天线的发射相位实时校准方法，该方法基于上述装置，其包括如下步骤：
(1)通过对4组相邻的两个发射通道发射校准信号，同时以相应两个接收通道接收校准信号，并以此得到两两相邻通道之间的相位差；
(2)将得到的两两相邻通道之间的相位差进行归一化处理，设测试到的相位差分别为
Figure BDA0000060487900000021
和
Figure BDA0000060487900000022
Figure BDA0000060487900000024
由上述可得
Figure BDA0000060487900000025
和
Figure BDA0000060487900000026
分别为通道4、3、2与通道1的相位差，即可得到4通道之间的发射相位差；
(3)调整每一组发射通道的相位，直至相应接收信号相位差为0，完成发射相位校准。
在本发明的一实施例中，所述步骤(1)具体实现步骤如下：
(11)通过收发开关控制四个发射通道中的相邻两个发射通道发射校准源信号；
(12)通过收发开关控制四个接收通道中相应的两个接收通道接收校准信号；
(13)通过矩阵开关选择相应的两个接收通道的校准信号；
(14)通过相位比较器得出这两路接受校准信号的相位差。
进一步的，所述步骤(3)通过如下步骤实现：
(31)先将每一组相邻的两发射通道用于发射校准信号，再将相应的接受通道用于接收校准信号，并将相邻的两发射通道的初始移相相位设为0度；
(32)打开校准源，检查相位比较器输出相位差，如果相位差为0度，则直接输出该组相邻的两发射通道所设相位即可；如果相位差大于0度，则增加相应发射通道的移相相位值；如果相位差小于0，则减小相应发射通道的移相相位值，再检查相位比较器输出相位差；
(33)直至相位比较器输出的相位差为0度，则输出该组相邻的两发射通道所设相位即可，并至此完成了两个通道之间发射相位的校准。
根据上述方案得到的本发明可以对天线、电缆及系统误差进行实时相位校准误差，确保发射信号的相位，以合成指定指向的波束。
本发明合适对具有外部射频电缆连接到天线，且需要实时校准发射相位的系统。例如机载防撞系统(TCAS)的天线系统。而TCAS系统中，需要形成不同方向的波束指向来询问飞机，本发明完全可以得到应用。
附图说明
以下结合附图和具体实施方式来进一步说明本发明。
图1为本发明中发射相位实时校准装置的结构示意图。
图2为本发明中发射相位实时校准方法的流程图。
图3为1、2通道发射相位校准流程图。
具体实施方式
为了使本发明实现的技术手段、创作特征、达成目的与功效易于明白了解，下面结合具体图示，进一步阐述本发明。
参见图1，本发明提供的基于四单元定向天线的发射相位实时校准装置，其在结构上包括一功分器、四个发射通道、四个收发开关、四个接收通道、一个矩阵开关以及一个相位比较器。
其中功分器将校准源信号分为四路校准信号，并分别发送至四个发射通道，而四个发射通道分别与四个收发开关对应相接，四个收发开关分别连接于四单元定向天线，同时四个收发开关分别通过四个接收通道连接矩阵开关，最后矩阵开关连接于相位比较器。
同时，本发明中的发射通道中包含有用于调整通道发射信号相位的移相网路。
上述的装置开始校准时，先打开校准源信号，经过一分四的功分器后，分为四路校准信号，到达四个发射通道。由收发开关来选择其中两个发生通道的信号作为发射校准信号，另外两路作为接收通道，用于接受相应的校准信号。发射信号经过电缆和其中两个天线单元后辐射出去，再经过另外两个天线单元和电缆到达接收通道。最后由相位比较器得到接收到校准信号的相位差。
基于上述方案，本发明还提供一种发射相位实时校准方法，该方法基于上述装置，其包括如下步骤(参见图2)：
第一步，通过对4组相邻的两个发射通道发射校准信号，同时以相应两个接收通道接收校准信号，并以此得到两两相邻通道之间的相位差。
该步骤的实现具体如下：
(1)开始校准后，先通过收发开关控制四个发射通道中的相邻两个发射通道1、2发射通道发射的信号作为发射校准信号，同时通过收发开关控制四个接收通道中相应的3、4接收通道作为相应的接收通道，用于接收校准信号。
(2)通过4选2矩阵开关选择3、4接收通道的接收校准信号，并由相位比较器得出1、2发射通道的相位差。
(3)同理，将2、3发射通道发射的信号作为发射校准信号，4、1接收通道用于接收校准信号，得到2、3发射通道的相位差。
(4)同理，将3、4发射通道发射的信号作为发射校准信号，1、2接收通道用于接收校准信号，得到3、4发射通道的相位差。
(5)同理，将4、1发射通道发射的信号作为发射校准信号，2、3接收通道用于接收校准信号，得到4、1发射通道的相位差。
第二步，将得到的两两相邻通道之间的相位差进行归一化处理，得到4通道之间的发射相位差。
设测试到的相位差分别为
Figure BDA0000060487900000041
和
Figure BDA0000060487900000042
Figure BDA0000060487900000043
Figure BDA0000060487900000044
由上述可得
Figure BDA0000060487900000045
和
Figure BDA0000060487900000046
分别为通道4、3、2与通道1的相位差，即为4通道之间的发射相位差，从而得到4、3、2发射通道相对于1发射通道的相位差。
第三步，调整每一组发射通道的相位，直至相应接收信号相位差为0，完成发射相位校准。
其中以1、2发射通道发射校准信号为例，其校准流程如图3所示：
(31)开始校准后，先将1、2通道用于发射校准信号；
(32)再将相应的3、4接收通道用于接收校准信号；
(33)将1、2通道的初始移相相位设为0度；
(34)设置完毕后，打开校准源信号，检查相位比较器输出相位差；
(35)如果相位差为0度，则直接输出1、2发射通道所设相位即可；如果相位差大于0度，则增加2发射通道移相相位值；如果相位差小于0，则减小2发射通道移相相位值，再检查相位比较器输出相位差；
(36)直至相位比较器输出的相位差为0度，则输出1、2发射通道所设相位即可，至此完成了两个通道之间发射相位的校准。
上述方案可被广泛用于波束成形中对各个端口相位有实时校准需求的系统，例如机载防撞系统以及具有对称特性的天线系统。此种系统具有显著的市场前景和经济效益。
以上显示和描述了本发明的基本原理、主要特征和本发明的优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其等效物界定。

Claims (5)

1.一种基于四单元定向天线的发射相位实时校准装置，其特征在于，所述校准装置包括一功分器、四个发射通道、四个收发开关、四个接收通道、一个矩阵开关以及一个相位比较器，所述功分器将校准源信号分为四路校准信号，并分别发送至四个发射通道，所述四个发射通道分别与四个收发开关对应相接，所述四个收发开关分别连接于四单元定向天线，所述四个收发开关分别通过四个接收通道连接矩阵开关，所述矩阵开关连接于相位比较器； 
所述装置开始校准时，先打开校准源信号，经过一分四的功分器后，分为四路校准信号，到达四个发射通道；由收发开关来选择其中两个发生通道的信号作为发射校准信号，另外两路作为接收通道，用于接收相应的校准信号；发射信号经过电缆和其中两个天线单元后辐射出去，再经过另外两个天线单元和电缆到达接收通道；最后由相位比较器得到接收到校准信号的相位差。 
2.根据权利要求1所述的一种基于四单元定向天线的发射相位实时校准装置，其特征在于，所述发射通道中包含有用于调整通道发射信号相位的移相网路。 
3.根据权利要求1所述的一种基于四单元定向天线的发射相位实时校准装置，其特征在于，所述矩阵开关为4选2矩阵开关。 
4.一种基于四单元定向天线的发射相位实时校准方法，其特征在于，所述方法包括如下步骤： 
（1）通过对4组相邻的两个发射通道发射校准信号，同时以相应两个接收通道接收校准信号，并以此得到两两相邻通道之间的相位差； 
所述步骤（1）具体实现步骤如下： 
（11）通过收发开关控制四个发射通道中的相邻两个发射通道发射校准源信号； 
（12）通过收发开关控制四个接收通道中相应的两个接收通道接收校准信号； 
（13）通过矩阵开关选择相应的两个接收通道的校准信号； 
（14）通过相位比较器得出这两路接收校准信号的相位差； 
（2）将得到的两两相邻通道之间的相位差进行归一化处理，得到4个通 道之间的发射相位差； 
（3）调整每一组发射通道的相位，直至相应接收信号相位差为0，完成发射相位校准。 
5.根据权利要求4所述的一种基于四单元定向天线的发射相位实时校准方法，所述步骤（3）通过如下步骤实现： 
（31）先将每一组相邻的两发射通道用于发射校准信号，再将相应的接收通道用于接收校准信号，并将相邻的两发射通道的初始移相相位设为0度； 
（32）打开校准源，检查相位比较器输出相位差，如果相位差为0度，则直接输出该组相邻的两发射通道所设相位即可；如果相位差大于0度，则增加相应发射通道的移相相位值；如果相位差小于0，则减小相应发射通道的移相相位值，再检查相位比较器输出相位差； 
（33）直至相位比较器输出的相位差为0度，则输出该组相邻的两发射通道所设相位即可，并至此完成了两个通道之间发射相位的校准。 
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