CN102426300B - 一种星载波束形成接收通道幅相误差校准系统及其方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种星载波束形成接收通道幅相误差校准系统及其方法。为了实现对阵列天线接收通道幅相误差的校准，本发明在星载阵列天线合成波束的基本结构上，增加两个耦合器、两个变频器、一个校准信号源、一个校准馈源和一个校准处理器，从阵列天线N个通道任选一路耦合输出，并依次改变N个通道移相衰减器的衰减值，得到每个通道与基准信号的幅度相位关系，并由此得到阵列天线各通道的幅相一致性误差，从而实现校准。本发明结构简单，操作方便，能够实现对阵列天线波束形成接收通道的精确校准。

Description

一种星载波束形成接收通道幅相误差校准系统及其方法

技术领域

本发明涉及一种星载阵列天线的校准系统和方法，特别是星载阵列天线波束形成接收通道幅相误差校准系统和方法，能够广泛地应用在星载阵列天线系统中。

背景技术

星载波束形成阵列天线由N个通道组成，每个通道的相位、幅度独立可控，各通道信号经过不同的相位、幅度调整，共同叠加后形成波束输出。对多个接收通道独立可控移相衰减器的相位和衰减值进行控制，可以形成所需要的接收波束。

为了精确的形成波束，需要知道天线各通道实际的幅度、相位响应。然而，实际的幅度、相位响应受各种不可避免的误差以及制造公差的影响并且是时间和温度的函数，所以校准被用来确定实际的幅度、相位响应误差并对实际的幅度、相位进行补偿。

目前出现的阵列天线校准方法很多，按照校准时其信号注入的不同路径可以分为内校准和外校准两大类。

外校准包括近场测量、中场测量、远场测量、换相测量以及REV方法等。外校准是距待测天线一定距离处架设辅助天线进行信号注入或采样，再经过幅相监测和比较，得出单元通道幅相误差，辅助天线的架设可在相控阵天线的近场、中场和远场。与内校准相比，外校准在天线阵内没有大量定向耦合器和矩阵开关元件，但某些外校准方法要求被监测的各路应有高频开关用于接通被测通道。

Dan Davis提出了一个远场测量相控阵天线的模型，它需要一个远距离测试场、辅助天线和转台系统，被测天线装在一个精密的旋转定位装置上，并接收一远场辐射信号，在N个预定的角位置，在天线端口精确地测出天线的幅度相位值，接着进行矩阵求逆运算得到孔径的相位和幅度值。该方法的关键在于要有精密的旋转定位装置。

Mano等人提出了REV(Rotating-element Electric Field Vector)方法，是上世纪八十年代在机载有源相控阵天线的开发过程中提出的一种相控阵天线检测校正方法。它是一种基于功率测量的方法，通过连续改变被测单元移相器的相位，其余所有单元相位状态不变，测量接收功率的变化，然后计算出各单元产生的电场相对于初始合成场的相对幅度和相对相位，由此可以确定各单元的幅相一致性。REV方法虽然数据处理简单，但存在解的模糊性问题，并要求相位连续改变。

Ron Sorace提出的一种在四个正交相位状态下根据功率采样结果进行单元幅度和相位校正的方法，具体校准方法为：为了校准阵列第n个通道的幅相，将所有通道的相位设置成阵波束指向某一特定方位(如基站)，把此时相位状态记作0状态，在第n个通道所有相位状态下测量所接收到的或所发射的功率，把产生最大功率的设置与所假设的0状态设置的差作为校准偏移。对阵列中的每个阵元重复该过程，并根据检测误差调整每个通道的前次相位校正。重复阵列的相位校准和校正直到相位误差在低于可接收的程度时达到收敛，这样就形成了每个通道的新校正值。Ron Sorace的方法不必在所有相位状态下进行测量，只在四个正交相位状态(0°、180°、90°和270°)下进行测量，根据测量值就可得到最大校准偏移量的似然估值。该方法数据处理过程复杂，并且花费时间较长。

Silverstein提出了UTE(Unitary Transform Encoding)和CCE(ControlCircuit Encoding)校准方法，其中CCE方法主要用于模拟波束形成；UTE方法主要适用于数字波束形成，当用于模拟波束形成时需要增加额外的硬件设施，并且这两种方法都要求正交码的个数要大于等于阵元数，都需要矩阵求逆。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是：提供一种结构简单，操作方便的星载波束形成接收通道幅相误差校准系统和方法，能够实现对阵列天线波束形成接收通道的精确校准。

本发明包括如下技术方案：

一种星载波束形成接收通道幅相误差校准系统，包括N个接收馈源、N个输入预选器、N个接收机、N个可控移相衰减器和一个功率合成器，所述N大于等于2；每个接收馈源与相应的输入预选器、接收机、可控移相衰减器相连构成一个接收通道，共形成N个接收通道，N个接收通道形成的波束通过所述功率合成器输出合成波束；所述系统还包括：两个耦合器、两个变频器、一个校准信号源、一个校准馈源和一个校准处理器，所述校准信号源通过校准馈源输入到N个接收馈源，耦合器1位于N个接收通道的任意一路，并位于接收机和可控移相衰减器之间，同时耦合器1与变频器1相连；耦合器2位于所述功率合成器的输出端，并与变频器2相连；所述变频器将耦合器输入的中频信号变频成基带信号；所述校准处理器与变频器1、2相连，用于确定幅相误差；同时校准处理器与N个可控移相衰减器相连，用于控制所述可控移相衰减器的衰减值和校准所确定的幅相误差。

一种星载波束形成接收通道幅相误差校准方法，包括如下步骤：

第一步：确定耦合器1的通道号M，耦合器1位于1～N任意一路通道，耦合器1输出的信号作为校准的基准信号；

第二步：打开校准信号源；

第三步：控制第1路通道的移相衰减器的衰减值为0，其余N-1路移相衰减器的衰减值为最大，校准处理器采集两路变频器输出的校准信号，校准处理器使用基于快速傅里叶变换的幅相特性估计算法对第1路通道输出的校准信号和所述的基准信号的幅相特性进行估计，并计算第1路通道与基准通道M的幅度误差和相位误差；

第四步：控制第2路通道的移相衰减器的衰减值为0，其余N-1路移相衰减器的衰减值为最大，获得第2路通道与基准通道M的幅度误差和相位误差；

第五步：依次类推，采用相同的方法，直至获得第N路通道与基准通道M的幅度误差和相位误差；

第六步：使用测得的幅度误差和相位误差对初始天线波束形成权值进行修正，把修正后的天线波束形成权值置入N组移相衰减器中，最终实现波束形成接收通道的校准。

本发明与现有技术相比，其有益效果是：

本发明结构简单，只需增加少量设备即可完成对天线通道的精确校准；本发明方法简单易懂，只需对移相衰减器进行衰减值的控制，即可完成对天线通道的精确校准，且使用基于快速傅里叶变换的幅相特性估计算法进行幅相特性估计，不需进行复杂的数学运算。

附图说明

图1为本发明校准系统结构示意图；

图2为校准源和天线馈源的距离差引起的幅相差示意图。

具体实施方式

如图1所示，本发明的校准系统在一般星载阵列天线形成波束的基本结构的基础上(N个接收馈源、N个输入预选器、N个接收机、N个可控移相衰减器和一个功率合成器，如图1中实线部分所示)，增加了两个耦合器、两个变频器、一个校准信号源、一个校准馈源和一个校准处理器，如图1中虚线所示，其中校准馈源的摆放远场或近场条件均可，耦合器1可以灵活位于接收N个通道的任意一路。每个接收馈源与相应的输入预选器、接收机、可控移相衰减器相连构成一个接收通道，共形成N个接收通道，N个接收通道形成的波束通过所述功率合成器输出合成波束；所述校准信号源通过校准馈源输入到N个接收馈源，耦合器1位于接收机和可控移相衰减器之间，同时耦合器1与变频器1相连；耦合器2位于所述功率合成器的输出端，并与变频器2相连；所述变频器将耦合器输入的中频信号变频成基带信号；所述校准处理器与变频器1、2相连，用于确定幅相误差；同时校准处理器与N个可控移相衰减器相连，用于控制所述可控移相衰减器的衰减值和校准所确定的幅相误差。

本发明的星载波束形成接收通道幅相误差校准方法，步骤如下：

第一步：确定耦合器1的通道号M，耦合器1可位于1-N任意一路通道，耦合器1耦合输出的校准信号作为本校准系统的基准信号；

第二步：打开校准信号源；

第三步：控制第1路移相衰减器的衰减值为0，其余N-1路移相衰减器的衰减值为最大(大于30dB)，校准处理器采集两路变频器输出的校准信号，校准处理器使用基于快速傅里叶变换的幅相特性估计算法对第1路通道输出的校准信号和第M路耦合器1耦合的基准信号的幅相特性进行估计，并计算第1路通道与基准通道的幅相差；

令此时校准处理器估计出的经过不同通道的两路校准信号幅相特性为：

$a_1=A_1{e}^{{\mathrm{j\α}}_1},$ 第1路通道幅相特性                        式(1)

$b_M=B_M{e}^{j{\mathrm{\β}}_M},$ 校准基准通道幅相特性，M路通道            式(2)

由式(1)和式(2)得第1路通道和第M路通道幅度差为：

$W_1=\frac{A_1}{B_M}=\frac{\left|a_1\right|}{\left|b_M\right|}$ 式(3)

相位差为：

式(4)

第四步：依次类推，控制第2路移相衰减器的衰减值为0，其余N-1路移相衰减器的衰减值为最大(大于30dB)，获得第2路通道和第M路通道幅度差为：

$W_2=\frac{A_2}{B_M}=\frac{\left|a_2\right|}{\left|b_M\right|}$ 式(5)

相位差为：

式(6)

第五步：采用相同的方法，直至获得第N路通道和第M路通道幅度差；

$W_N=\frac{A_N}{B_M}=\frac{\left|a_N\right|}{\left|b_M\right|}$ 式(7)

相位差为：

式(8)

幅相误差的修正：如校准信号源到天线馈源不满足远场条件，校准信号到天线各个馈源存在一个固定的幅度相位差，如图2所示，这部分误差需要在最终测得的幅相误差中予以修正，根据校准源距离N个馈源的距离，可以精确计算出这组幅相误差，假设这组幅相误差为：

$V_i{e}^{{\mathrm{j\θ}}_i},$ i＝1～N    式(9)

N个通道幅相误差为：

i＝1～N

则补偿后最终的N个通道幅相误差为：

i＝1～N    式(10)

第六步：使用测得的通道误差对初始天线波束形成权值进行修正，把修正后的天线波束权值置入N组移相衰减器中，最终实现天线通道的校准。

假设N组移相衰减器中置入的初始天线波束形成权值为：

$H_i{e}^{j{\mathrm{\η}}_i},$ i＝1～N    式(11)

则对通道误差进行确定后，新的天线波束形成权值为：

i＝1～N，远场条件下            式(12)

$Y_i{e}^{j{\mathrm{\φ}}_i}=\frac{H_i}{M_i}{e}^{j({\mathrm{\η}}_i-{\mathrm{\ω}}_i)},$ i＝1～N，近场条件下            式(13)

把新的天线波束形成权值置入N组移相衰减器中，最终实现天线通道的校准。

本发明未详细说明部分属本领域技术人员公知常识。

Claims (2)

1.一种星载波束形成接收通道幅相误差校准系统，包括N个接收馈源、N个输入预选器、N个接收机、N个可控移相衰减器和一个功率合成器，其中N大于等于2；每个接收馈源与相应的输入预选器、接收机、可控移相衰减器相连构成一个接收通道，共形成N个接收通道，N个接收通道形成的波束通过所述功率合成器输出合成波束；其特征在于：所述系统还包括：两个耦合器、两个变频器、一个校准信号源、一个校准馈源和一个校准处理器，所述校准信号源通过校准馈源输入到N个接收馈源，第一耦合器位于N个接收通道的任意一路，并位于接收机和可控移相衰减器之间，同时第一耦合器与第一变频器相连；第二耦合器位于所述功率合成器的输出端，并与第二变频器相连；变频器将耦合器输入的中频信号变频成基带信号；所述校准处理器与第一变频器、第二变频器相连，用于确定幅相误差；同时校准处理器与N个可控移相衰减器相连，用于控制所述可控移相衰减器的衰减值和校准所确定的幅相误差。

2.一种星载波束形成接收通道幅相误差校准方法，采用权利要求1所述的校准系统进行校准，其特征在于：包括如下步骤：

第一步：确定第一耦合器的通道号M，第一耦合器位于1～N任意一路通道，第一耦合器输出的信号作为校准的基准信号；

第二步：打开校准信号源；

第三步：控制第1路通道的移相衰减器的衰减值为0，其余N-1路移相衰减器的衰减值为最大，校准处理器采集两路变频器输出的校准信号，校准处理器使用基于快速傅里叶变换的幅相特性估计算法对第1路通道输出的校准信号和所述的基准信号的幅相特性进行估计，并计算第1路通道与基准通道M的幅度误差和相位误差；

第四步：控制第2路通道的移相衰减器的衰减值为0，其余N-1路移相衰减器的衰减值为最大，获得第2路通道与基准通道M的幅度误差和相位误差；

第五步：依次类推，采用相同的方法，直至获得第N路通道与基准通道M的幅度误差和相位误差；

第六步：使用测得的幅度误差和相位误差对初始天线波束形成权值进行修正，把修正后的天线波束形成权值置入N组移相衰减器中，最终实现波束形成接收通道的校准。

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