CN102394679A - 一种星载多波束天线系统发射通道实时校准系统和方法 - Google Patents

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一种星载多波束天线系统发射通道实时校准系统和方法，发射系统通道校准模块产生初始单频点射频信号，通过A/D变换、数字下变频和控制器转换为单频点数字信号；发射DBF接收到单频点数字信号，在原始权的控制下通过波束加权、数字上变频和D/A变换生成射频信号；经发射通道传输的射频信号传回给发射系统通道校准模块，将其与初始单频点信号进行比较，经信号采样和FFT变换模块得到发射通道的幅度和相位信息；将上述幅度和相位信息输入给计算机获得各射频通道校准权值；将上述校准权值输入给发射DBF进行权值更新，由发射DBF生成补偿后的射频信号输出给各射频通道。本发明可以对通道性能进行实时检测并进行校准，校准的精度和效率高，具有很强的实用性。

Description

一种星载多波束天线系统发射通道实时校准系统和方法
技术领域
本发明涉及一种星载多波束天线系统发射通道实时校准测量方法，特别是涉及使用星载数字波束形成网络(Digital Beam Formation，简称DBF)的天线系统多路发射通道的实时校准测量方法。
背景技术
随着通信卫星技术的飞速发展，星载天线技术也得到了快速发展，由于多波束天线具有频带利用率高，通信容量大，EIRP值高的特点，已成为新一代大容量通信卫星普遍采用的技术。
目前通信卫星星上多波束天线的波束形成技术包括模拟波束形成和数字波束形成，模拟波束形成技术采用功率分配器和移相器组成波束形成网络，给馈源阵列各个阵元馈以适当的幅度和相位，合成各阵元辐射场产生不同的波束。数字波束形成(DBF)技术在天线波束形成的基础上，引入先进的数字信号处理方法，在不改变天线物理状态的情况下，改变天线波束方向图，形成新的数字波束，比模拟波束形成技术具有很大的灵活性，可以提高通信容量，增强频率复用效率，实现精确的波束赋形。
在星载多波束天线系统中，多路收发通道的幅相一致性是实现天线主要性能的前提，由于卫星在轨长期工作时，其有源器件将随工作时间的增加而逐渐老化，并引起不同通道间信号幅度和相位的变化，因此需要采用通道校准技术来保证多路通道的一致性。过去广泛应用在卫星通信系统中的远程校准方法利用星地链路获得校准因子，再进行多路通道的校准，校准时间长，且容易受到星地链路性能的影响。
发明内容
本发明的技术解决问题是：提供一种星载多波束天线系统发射通道实时校准系统和方法，能够实现发射通道的快速实时校准和高精度校准。
本发明包括如下技术方案：
一种星载多波束天线系统发射通道实时校准系统，所述校准系统包括发射系统通道校准模块、发射数字波束形成网络和计算机；发射系统通道校准模块包括DDS模块、A/D变换模块、数字下变频模块、控制器，比较模块、信号采样和FFT变换模块；发射系统通道校准模块的DDS产生初始单频点射频信号，通过A/D变换、数字下变频和控制器转换为单频点数字信号；发射数字波束形成网络接收到单频点数字信号，在原始权的控制下通过波束加权、数字上变频和D/A变换生成射频信号；经发射通道传输的射频信号传回给发射系统通道校准模块，由所述比较模块将其与DDS模块产生的初始单频点信号进行比较，经信号采样和FFT变换模块得到发射通道的幅度和相位信息；将上述幅度和相位信息输入给计算机获得各射频通道校准权值；将上述校准权值输入给发射数字波束形成网络进行权值更新，由发射数字波束形成网络生成补偿后的射频信号输出给各射频通道。
一种星载多波束天线系统发射通道实时校准方法，包括如下步骤：
(1)发射系统通道校准模块产生初始单频点射频信号，通过A/D变换、数字下变频转换为单频点数字信号；
(2)发射DBF接收到单频点数字信号，在原始权的控制下通过波束加权、数字上变频和D/A变换生成射频信号；
(3)经发射通道传输的射频信号传回给发射系统通道校准模块，将其与所述初始单频点信号进行比较，再进行信号采样和FFT变换，得到发射通道的幅度和相位信息；
(4)将上述幅度和相位信息输入给计算机获得各射频通道校准权值；
(5)将上述校准权值输入给发射DBF进行权值更新，最后由发射DBF生成补偿后的射频信号输出给各射频通道，实现通道校准。
对星载多波束天线系统多路发射通道进行分级校准，首先进行发射DBF和发射机级联后的发射通道校准；然后，将发射机与Butler矩阵相连构成完整的发射通道，进行整个发射通道的校准。
本发明与现有技术相比，具有如下优点：
(1)本发明采用星载DBF和通道校准模块组成星上校准系统，通过计算机遥控发出校准指令，对各射频通道进行实时监测和校准；这种校准测量方法避免了星地链路远程校准时间长和易受链路影响的缺点。本发明适用于星载数字多波束天线系统在轨长期工作的状态，由于卫星有源器件随工作时间的增加而逐渐老化，引起不同通道间信号幅度和相位的变化，本发明可以对通道性能进行实时检测并进行校准，比星地链路远程校准的精度和效率高，具有很强的实用性。
(2)本发明对星载多波束天线系统多路发射通道进行分级校准测量，降低了校准测量难度，严格控制了各通道的幅度相位误差。
附图说明
图1为S频段星载多波束天线系统组成框图；
图2为本发明具体应用的发射通道模型；
图3为本发明校准系统模型；
图4为本发明分级校准原理框图；
图5为本发明整体校准原理框图。
具体实施方式
如图1所示，S频段星载多波束天线系统共有64路发射通道和64路接收通道，64路发射通道由发射数字波束形成网络(DBF)、多通道混合放大矩阵(Multiport Power Amplify，MPA)组成，发射信号经过发射DBF将信号在数字域进行波束加权，然后转换为模拟信号，通过MPA将信号按照要求输送到规定的辐射单元，经天线在空间形成波束。
多波束天线系统64路发射通道模型如图2所示，在发射通道正常工作期间，发射系统通道校准模块产生S频段单频点数字信号，输出给发射DBF；发射DBF通过波束加权和信号处理转换成射频信号，传输给发射机；发射机将射频信号进行上变频和功率放大输出至对应的辐射单元。
星载数字多波束天线系统在轨长期工作时，由于卫星有源器件随工作时间的增加而逐渐老化，引起不同通道间信号幅度和相位的变化。本发明利用星载DBF系统的灵活可变性，给DBF网络注入校准测试信号，通过信号处理获得通道校准因子，然后由DBF产生校准后的通道权值信号，就可以快速的完成通道校准，这种方法不受星地链路影响，校准精度高，且能够实现星上实时校准。以下结合附图具体说明本发明的设计。
1、校准系统模型
本发明如图3所示多路发射通道校准系统包括发射DBF和发射系统通道校准模块，首先，发射系统通道校准模块的直接数字频率合成(DDS)模块产生初始单频点射频信号，在同步时钟信号的控制下，通过A/D变换、数字下变频和控制器等转换为单频点数字信号；然后，发射DBF接收到单频数字信号，在原始权的控制下通过波束加权、数字上变频和D/A变换生成射频信号；最后，经发射通道传输的射频信号传回给发射系统通道校准模块，由比较单元将其与DDS产生的初始信号进行比较，再进行信号采样和FFT变换，得到发射通道的幅度和相位信息。对测量到的各射频通道性能差值进行数字采样和FFT变换处理，可以准确获得各通道幅度和相位差值，保证了校准测量的准确度。
按照上述过程对64路发射通道逐个进行测试，将得到的发射通道的幅度和相位信息输入给计算机，通过比幅比相处理得到64路通道的归一化幅度相位差值，将其作为各射频通道的幅度相位校准权值输入给发射DBF进行权值更新，最后由发射DBF生成补偿后的射频信号输出给各射频通道，完成通道校准。当发射通道工作过一段时间后，环境温度的变化会使通道一致性变差，可以通过此校准测量系统对通道一致性进行实时监测和校准。
本发明校准系统具有A/D、D/A变换功能，可以直接对输出的数字信号流和输入的射频信号进行比较得到通道幅度相位传输特性，提高了校准效率。
2、发射通道分级校准
发射机和发射DBF级联后的通道校准测量原理框图如图4所示，首先发射通道校准模块产生S频段单频点数字信号，输出给发射DBF；发射DBF通过波束加权和信号处理生成64路射频信号，输出给发射机；发射机经过上变频和功率放大输出最终的射频信号，测量时加入30dB功率衰减器对功率衰减，再通过混频器下变频，最后将射频信号送回至发射通道校准模块，进行输入输出信号比较，再进行信号采样和FFT变换，得到发射通道的幅度和相位信息；计算机获得此信息后进行处理生成各通道校准权值，并输出给发射DBF，最后由发射DBF将补偿后的射频信号输出给各通道，完成通道校准。
校准步骤为：
(1)首先测试1号通道传输信号的幅度相位值，以该通道为基准对数据进行归一化处理；
(2)然后测试其他63路通道与基准通道之间的相对幅度相位差值；
(3)再根据测试结果，由校准系统生成补偿信号，进行63路通道幅度相位补偿，完成通道校准；
(4)最后重复第一、二步验证校准后的64路发射通道幅度相位一致性。
3、发射通道整体校准
在发射机和发射DBF级联通道校准完成后，与Butler矩阵连接组成完整的发射通道，然后进行64路发射通道校准测量，如图5所示。首先发射通道校准模块产生S频段单频点数字信号，输出给发射DBF；发射DBF通过波束加权和信号处理生成64路射频信号，输出给MPA；MPA网络将信号混合放大后由8个8×8Butler矩阵的64个端口输出最终的射频信号，同样加入30dB功率衰减器对功率衰减，再通过混频器下变频，最后将射频信号送回至发射通道校准模块，进行输入输出信号比较，计算机获得此信息后进行处理生成各通道补偿权值，并输出给发射DBF，最后由发射DBF将补偿后的射频信号输出给各发射通道，完成多路发射通道校准。
校准步骤为：
(1)首先测试1号Butler矩阵的1号输出口信号的幅度相位值，以该通道为基准对数据进行归一化处理；
(2)然后测试1号至8号Butler矩阵剩余的63个输出口与基准通道之间的相对幅度相位差值；
(3)再根据测试结果，由校准系统生成补偿信号，进行63路发射通道幅度相位补偿，完成多路发射通道校准；
(4)最后重复第一、二步验证校准后的64路发射通道幅度相位一致性。
对S频段星载多波束天线系统多路发射通道进行分级校准测量，有益于考核通道各部分单机级联前后的实际性能，避免各级累加后发射通道的幅相误差过大而增加校准测量的难度，使校准测量结果更好的满足多波束天线系统的要求。
本发明的测试试验结果如下：
64路发射通道校准测量结果与通道一致性要求的符合情况如表1所示，可见，本发明能够满足多波束天线系统的校准要求。
表1  64路发射通道幅相一致性符合表
  要求   实测结果
  幅度一致性   ±0.5dB   -0.0708dB～0.08429dB
  相位一致性   ±5°   -1.235～1.83°
本发明未详细说明部分属本领域技术人员公知常识。

Claims (4)

1.一种星载多波束天线系统发射通道实时校准系统，其特征在于：所述校准系统包括发射系统通道校准模块、发射数字波束形成网络和计算机；发射系统通道校准模块包括DDS模块、A/D变换模块、数字下变频模块、控制器，比较模块、信号采样和FFT变换模块；发射系统通道校准模块的DDS模块产生初始单频点射频信号，通过A/D变换、数字下变频和控制器转换为单频点数字信号；发射数字波束形成网络接收到单频点数字信号，在原始权的控制下通过波束加权、数字上变频和D/A变换生成射频信号；经发射通道传输的射频信号传回给发射系统通道校准模块，由所述比较模块将其与DDS模块产生的初始单频点信号进行比较，经信号采样和FFT变换模块得到发射通道的幅度和相位信息；将上述幅度和相位信息输入给计算机获得各射频通道校准权值；将上述校准权值输入给发射数字波束形成网络进行权值更新，由发射数字波束形成网络生成补偿后的射频信号输出给各射频通道。
2.如权利要求1所述的星载多波束天线系统发射通道实时校准系统，其特征在于：所述校准系统还包括混频器，通过混频器将发射通道传输的射频信号传回给发射系统通道校准模块。
3.一种星载多波束天线系统发射通道实时校准方法，其特征在于，包括如下步骤：
(1)发射系统通道校准模块产生初始单频点射频信号，通过A/D变换、数字下变频转换为单频点数字信号；
(2)发射DBF接收到单频点数字信号，在原始权的控制下通过波束加权、数字上变频和D/A变换生成射频信号；
(3)经发射通道传输的射频信号传回给发射系统通道校准模块，将其与所述初始单频点信号进行比较，再进行信号采样和FFT变换，得到发射通道的幅度和相位信息；
(4)将上述幅度和相位信息输入给计算机获得各射频通道校准权值；
(5)将上述校准权值输入给发射DBF进行权值更新，最后由发射DBF生成补偿后的射频信号输出给各射频通道，实现通道校准。
4.如权利要求3所述的星载多波束天线系统发射通道实时校准方法，其特征在于：对星载多波束天线系统多路发射通道进行分级校准，首先进行发射DBF和发射机级联后的发射通道校准；然后，将发射机与Butler矩阵相连构成完整的发射通道，进行整个发射通道的校准。
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