CN103985965A - 一种模拟矢量调制器在相控阵天线中的应用系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及无线通信技术领域，特别是相控阵天线领域，具体指一种模拟矢量调制器在相控阵天线中的应用系统，包括多个模拟矢量调制器（VM）芯片、多路DAC芯片、现场可编程门阵列(FPGA）或专用集成电路（ASIC)以及Flash存储器。解决了如何用VM一个芯片代替数字移相器和数字衰减器来执行幅度和相位的控制问题。实现过程为：通过采样量化建立VM芯片的幅相控制数据库，并存储在Flash存储器中。工作时由FPGA通过查询方式获得对应的数字控制电压，通过DAC转换成对应的模拟电压输入到VM的控制端口，在该电压的控制下，VM完成对信号的幅度与相位的调节。

Description

一种模拟矢量调制器在相控阵天线中的应用系统

技术领域

本发明涉及雷达、通信领域，尤其涉及一种相控阵天线领域。

背景技术

上世纪80年代，相控阵天线中幅相控制器件的选择在学术界引起了一场争论，一部分人主张采用数字移相器和数字衰减器，而另一部分倾向于采用模拟矢量调制器(VM)，两种方案均能提供良好的幅度和相位的控制能力。由于VM的外部控制器件，在当时的技术下难以实现，且价格昂贵；最终相控阵中以数字移相器和数字衰减器作为幅相调节的默认器件。

数字相移器和数字衰减器对射频信号的相位和幅度控制是分别进行的，即由数字相移器控制相位，数字衰减器控制幅度，两个芯片尺寸较大，控制线较多,且相位和幅度的控制都是离散的。而VM的工作原理为：首先经过功分器将输入信号正交等分成Ｉ，Ｑ两路信号，然后对两路信号分别进行调幅，最后再经合成器将两路调幅后的信号，矢量相加,得到输出信号；这样通过两个独立的调幅模块实现对信号的幅度、相位二维联合调制，获得了连续的幅度和相位调节，调制能力更加灵活。此外在相控阵天线的应用中，为避免大角度扫描时出现栅瓣，相控阵单元的间距需接近半波长；随着工作频率的不断提高，需要单元的尺寸也越小，相比于较大尺寸的数字移相器和数字衰减器，VM还具有尺寸小、集成度高、控制线数量少、倍频程带宽、控制精度高等独特的优势，更适合在Ku、Ka以及更高频段相控阵中应用；而且随着集成电路的发展，VM的外部控制器件(现场可编程门阵列(FPGA)、Flash、多通道数模转换器(DAC)等)，无论是在性能、体积、功耗上均有了极大的改善，价格也很低，VM的应用优势也越发明显。

但正如前面所说目前的相控天线中一般将数字移相器和数字衰减器作为幅相调节的默认器件，且系统的控制也以数字信号为主；如何将数字的控制方式转化为VM芯片的模拟控制方式是VM应用于目前的相控阵天线中首要问题。目前已经有关于VM芯片的传输特性测试方法以及将VM用于相控阵天线系统中的报道，但是将VM芯片用于相控阵天线中的控制系统和具体实现过程的报道却比较缺乏。

发明内容

本发明提供一种将模拟矢量调制器应用在相控阵天线中的应用系统，实现用模拟矢量调制器一个芯片代替传统的数字移相器和数字衰减器两个芯片完成对射频信号幅度和相位的调节。

相控阵天线的信号发射和接收过程图1所示，发射时：射频信号经过功分系统后；进入VM芯片，在控制模块产生的模拟电压的控制下，VM芯片对射频信号进行幅度和相位调节；被调节后的射频信号输入到TR芯片中，完成发射信号放大前的处理，最后经过天线单元发射出去。

接收过程：空间辐射信号分别被天线阵列不同天线单元接收后输入到信号滤波及放大单元中，处理后的信号输入到VM芯片，VM芯片在控制模块产生的模拟电压的控制下，实现幅度和相位的调节后，输出到后端功分器合并为一路信号，输入信号接收的下一处理环节。

为了实现上述过程本发明提供如下技术方案：

一种模拟矢量调制器在相控阵天线中的应用系统，包括多路DAC芯片、现场可编程门阵列(FPGA)(或专用集成电路(ASIC))以及Flash存储器、多个VM芯片，其特征在于：所述多路DAC芯片、现场可编程门阵列(FPGA)或专用集成电路(ASIC)以及Flash存储器为VM芯片的控制模块。

所述FPGA或ASIC通过控制线与上位控制单元相连，FPGA通过传输线与Flash存储器相连，FPGA通过SPI总线与多路DAC芯片相连，所述多路DAC芯片通过控制线与所述VM芯片的控制端相连；所述多路VM芯片的输入输出端口接入相控阵天线系统。

首先将VM芯片幅相控制数据存储于Flash存储器中；工作时，上位控制单元发出控制信号到FPGA中；由FPGA完成角度的解算和寻址，FPGA解算后的相位和寻址信号，经过传输线发送到Flash存储器中，通过Flash存储器对应信息的查询，将所述控制信号转换为VM芯片的I电压(VI)、Q电压(VQ)控制数据；再由SPI总线将所述控制数据传输给多路DAC芯片；DAC产生对应的模拟控制电压输入到各通道的VM控制端口；在该电压的控制下，VM芯片对输入其中的射频信号实现了幅度和相位的调制，并将其输出到相控阵天线的下一处理环节。

所述VM芯片的幅相控制数据的获得，通过如下步骤进行采样量化：

步骤一：对选定的VM芯片，通过测试得到不同I、Q电压控制状态下的该VM的幅度及相位数据，将得到的数据进行整理；并分别确定I,Q控制电压与幅度变化对应关系、I,Q控制电压与相位变化的对应关系。

步骤二：进行幅度采样量化，在所述I,Q控制电压与幅度变化对应关系中，在目标衰减范围内以设定的衰减步进进行幅度采样，(衰减步进的设定根据系统需要的精度来确定)将满足幅度要求的所有I,Q电压列出。

步骤三：在上述I,Q控制电压与相位变化的对应关系中，找到满足上述幅度要求的I,Q电压数据所对应的所有相位值，并将这些I，Q电压数据和对应相位值全部列出。

步骤四：将上述方法得到的所有相位值和对应的I，Q电压数据，根据相位从低至高的顺序进行联动排序，得到排序后的I，Q电压和相位关系。

步骤五：将排序后的相位数据，按照系统需要的精度设定采样量化步进，进行相位的采样量化。

步骤六：将量化后的相位值及其所对应的I，Q电压值全部列出，并列出对应的幅度值；经过上述过程后，获得了量化后的I,Q电压控制数据和幅度、相位的对应关系，这即是所述VM芯片的幅相控制数据。

步骤七：选定一个射频信号的频率区间，按照设定的频率取样间隔，在所述区间内从起始频率到最大频率，对不同频率的射频信号重复进行步骤一至步骤六，得到不同工作频率下所述VM芯片的幅相控制数据。

进一步的，为了验证所述方法的可行性，以及系统的可靠性，对相控阵中幅相控制所关心的幅相控制精度与量化特性、频率特性、温度特性、功率控制特性等进行测试，并获得最佳采样量化方案。

进一步的，对所述系统Flash存储器所需的容量进行了计算，算法如下：在相控阵天线应用中，VM幅相控制数据可根据所需使用精度确定量化点数(N)、频率点数(F)、温度点数(T)、衰减控制点数(A)等参数，在存储时容量为上述维度与通道数(M)的乘积。

进一步的，对所述VM芯片幅相控制数据在所述Flash存储器中的读写及存储方式进行了设置：

根据系统需要的数据容量大小和位宽选用特定型号的Flash存储器；根据VM幅相控制量化数据中所包括的频率数，每个频率包括的通道数，每个通道包括的幅度等级数以及每个幅度等级包括的VM数据点数来计算和分配Flash芯片的存储空间，VM芯片的幅相控制数据在Flash存储器中以频点、通道、幅度、相位的顺序进行存储。

与现有技术相比，本发明的有益效果：本发明提供了一种将矢量调制器应用于相控列天线中的实现方法，用采样量化的方式实现VM芯片幅相控制数据的提取，并将量化后的控制数据以特定的格式存储于Flash存储器中，用可编程逻辑器件FPGA可实现指向角的解算、通道的分发，幅相控制数据的寻址和读取，使用多路DAC芯片实现控制电压的数模转换。实现了用一片矢量调制器芯片替代传统的数字移相器和数字衰减器两块芯片来完成对射频信号的幅度和相位的控制，控制精度可以根据系统实际的需要进行选择，方式灵活可靠；大大减少组件的尺寸，具有倍频程带宽、控制线少、控制精度高、幅度相位控制更加灵活等优势，另外本系统还具有组装方便，成本低、可高度集成、瓦片式运用等特点。尤其适合代替数字移相器和数字衰减器，在Ku、Ka以及更高频段相控阵中应用。

附图说明：

图1是矢量调制器相控阵天线信号发射及接收原理框图

图2是使用模拟矢量调制器进行幅相控制的参考配置图

图3是模拟矢量调制器数据测试采样原理框图

图4是某一幅度下I,Q电压所对应的所有相位值

图5是排序后的相位分布图

图6是相位量化局部示意图

图7是量化数据在Flash存储器中的存储格式

图8是幅度等级存储格式

图9是补偿相位存储格式

具体实施方式

下面结合试验例及具体实施方式对本发明作进一步的详细描述。但不应将此理解为本发明上述主题的范围仅限于以下的实施例，凡基于本发明内容所实现的技术均属于本发明的范围。

一种模拟矢量调制器在相控阵天线中的应用系统，如图2所示：包括VM芯片的控制模块、多个VM芯片。如图2虚线框内所示，所述控制模块包括多路DAC芯片、现场可编程门阵列(FPGA)或专用集成电路(ASIC)以及Flash存储器，其中所述FPGA或ASIC通过控制线与上位控制单元相连，FPGA通过传输线与Flash存储器相连，FPGA通过SPI总线与多路DAC芯片相连，所述多路DAC芯片通过控制线与所述VM芯片的控制端相连；所述多路VM芯片的输入输出端口接入相控阵天线系统。

FPGA和Flash存储器组合构成相位角解算板，如图1所示：工作时，上位控制器发出控制信号到FPGA中，由FPGA实现相控阵天线相位角的解算功能；FPGA相位解算根据理论公式计算得到，该公式为：

C(dx,dy)＝-2π(dx*sinθ*cosφ+dy*sinθ*sinφ)/λ+△p

其中C(dx,dy)为通道相位，θ为俯仰角、φ为方位角，λ为工作频率所对应的波长，dx，dy为天线通道坐标,△p为天线通道的补偿相位；FPGA将解算后的控制信号经过传输线发送到存储VM芯片幅相控制数据的Flash存储器中,实现寻址过程，通过在Flash存储器中的查询，将每个通道的控制信号转换为对应的I电压(VI)、Q电压(VQ)控制数据；再由SPI总线将上述控制数据传给多路DAC芯片；DAC产生对应模拟控制电压分别输入到相应通道的VM控制端口；在该电压控制下，各通道的VM芯片对输入其中的射频信号实现了幅度、相位的调制，并将其输出到相控阵天线系统的下一处理环节。

将本系统应用于相控阵天线的工作过程为：

相控阵天线的信号发射和接收过程图1所示，发射时：射频信号经过功分系统后，进入VM芯片，在控制模块产生的模拟电压的控制VM芯片对射频信号进行幅度和相位调节；被调节后的射频信号输入到TR芯片中，完成发射信号放大前的处理，最后经过天线单元发射出去。

接收过程：空间辐射信号分别被天线阵列不同天线单元接收后输入到信号滤波及放大单元中，处理后的信号输入到VM芯片，VM芯片在控制模块产生的模拟电压的控制下，实现幅度和相位的调节后，输出到后端功分器合并为一路信号，输入信号接收的下一处理环节。

为了实现所述控制过程，首先需要建立VM芯片幅相控制数据，所述幅相控制数据依照如下步骤进行数据提取与分析：

为了避免封装等寄生参数带来测量误差，更加精确的测量VM芯片性能，本实施例选用在片式(OnWafer)探针测试环境，如图3所示：包括PC电脑主机、矢量网络分析仪、DA产生器，测试时将VM芯片放置于已校准的探针测试台上，通过控制连接到VM控制端，平衡式VM芯片具有4路控制端口，分别是I，I’，Q，Q’在工作时由于I，I’以及Q，Q’的加和为常数，在测试控制时只需要对I,Q两路进行测试即可得出对应的I’,Q’的电压值。

步骤一：测试时I路电压及Q路电压在预定的电压控制范围内(如：0至-1.5V)按照指定的电压步进(如：2mV)进行扫描，通过矢量网络分析仪(如安捷伦或其他型号网络分析仪)测得不同I,Q控制电压下的VM的幅度及相位数据，并将采集到的I,Q电压对应的幅度、相位数据，分别建立不同I,Q电压下的幅度、相位的对应变化关系，该对应关系为幅相控制数据量化过程的基础数据。

步骤二：进行幅度量化，在0至15dB幅度范围内以0.5dB步进设定衰减步进(衰减步进的设定根据系统需求精度而定)，在I,Q电压和幅度变化对应关系数据中，将满足幅度要求的所有I,Q电压列出。为了将目标幅度误差控制在±0.1dB，设定衰减值±0.1dB，即将此范围内的幅度对应的所有的I,Q电压值全部列出。

步骤三：将满足上述幅度要求的I,Q电压数据对应的相位值在相位曲线中进行查询，找到并列出所有对应的相位值，如图4所示。

步骤四：将上述方法得到的所有相位值和对应的I，Q电压数据，根据相位从低至高的顺序进行联动排序，得到排序后的I，Q电压和相位关系曲线，如图5所示。

步骤五：将排序后的相位按照指定的量化步进(如5°)，如图6所示，(相位量化步进的设定也是根据系统需要的精度来确定)进行相位量化。

步骤六：将量化后的相位值以及其对应的I,Q电压值全部列出，并列出对应的幅度值；经过所述过程后，得到了量化后的I,Q控制电压与VM芯片的幅度，相位对应关系。这即是VM的幅相控制数据。

步骤七：选定一个射频信号的频率区间，按照设定的频率取样间隔，在所述区间内从起始频率到最大频率，对不同频率的射频信号重复进行步骤一至步骤六，得到不同工作频率下所述VM芯片的幅相控制数据。

进一步的为了以验证此方法的可行性和可靠性，对相控阵中幅相控制所关心的：幅相控制精度与量化特性、频率特性、温度特性、功率控制特性等进行测试和分析；测试电路参考图3所示。

幅度相位控制精度与量化特性：在采样步进设定为：2mV，5mV，10mV；在幅度允许误差范围为±0.1dB；幅度衰减范围：0dB～15dB，衰减步进：0.5dB；环境温度：15℃测试条件下；对型号为VMuB_1，VMaB_3两组芯片分别在Ku和Ka两个频段的：16GHz，(芯片VMuB_1)，35GHz(芯片VMaB_3)的分析频率下，进行了幅度和相位控制精度与量化特性分析，结果如下：

表1

表2

表3

表4

表5

表6

表1到表3为在幅度误差±0.1dB，频率16GHz条件下，采样精度2mv,5mv,10mv时芯片型号VMuB_1的相位控制精度；表4到表6分别显示幅度误差±0.1dB，频率35GHz条件下，采样精度2mv,5mv,10mv时的芯片型号VMuB_3相位控制精度。从所述表格的结果中可以看出：采样精度越高，VM的控制精度也就越高。VM幅度及相位控制精度不会受到VM本身的限制，而在于VM的测试采样精度。理论上VM可以将幅度及相位控制精度做到无限小。因此，VM的幅度及相位控制精度完全取决于系统对幅度及相位控制精度的要求，应用时可以结合工程实际选择。

2、频率特性：在不同频率下VM控制曲线将会产生微略差异，该差异可通过加密频率采样步进的方法有效的控制，但过密的频率间隔将会导致采样和存储数据量偏大，本实施例分析了VMuB_1芯片在幅度允许误差：±0.1dB；环境温度：15℃；分析频率：18GHz；幅度衰减范围：0dB～15dB，衰减步进：0.5dB条件下，从20MHz到500MHz不同偏差频率(给定频率与实际频率之间的差值)下带来的幅度(见表7)及相位(见表8)控制误差，结果如下：

表7

表8

从测试结果可以看出，随着实际工作频率与给定频点数据的偏差增大，幅度及相位误差也随之增大，为了使用合理的频率间隔。可以根据系统应用的需求进行选择；当频率间隔为150MHz时，幅度控制精度不大于0.62dB，相位控制精度不大于2°，此时需要存储的数据容量也容易工程实现。因此150MHz可作为一种频率采样间隔的一种优选。

3、温度特性：在-55℃至+85℃区间内，对不同温度下VM芯片的特性测试，证实了环境温度对本应用方法的影响不大，这是因为VM芯片一般选用GaAs、pHEMT等材质，对温度不敏感；不同的温度不会对VM控制特性曲线产生明显的变化；工作在高温或者低温状态下的VM，可以直接利用常温的控制数据数据；即使是在最大衰减及最大温差的极端状态下，也可以使幅度误差(STD)≤0.43dB，相位误差(STD)≤3.3°。

4、功率特性：由于VM芯片一般采用的可变电阻单元，在信号强度不断增大的过程中具有非线性的特征，也就是说不同输入功率下芯片的控制曲线会有小的畸变，本实施例分析在频率为35GHZ下，从0dBm到15dBm范围内不同的激励功率下的VM芯片的幅度及相位控制误差。

表9

表10

表9为0dBm到15dBm功率激励下的幅度误差，表10为0dBm到15dBm功率激励下的相位误差；所述表中可以看出：随着输入功率的不断增加，VM的幅度，相位控制误差发生了微小的改变，而且衰减越大，功率对幅相控制精度的影响反而越小，本实施例中输入功率在15dBm以下，VM的幅度控制精度不大于0.7dB，相位控制精度不大于4.3°，由于非线性现象多发生在相控阵天线的发射状态，实际应用中此幅相控制误差是可接受的。

经过上述过程，分别分析了本量化方法对相控阵幅相控制关心的幅相控制精度、频率、温度、功率控制等特性。验证了如下事项：控制精度取决于采样精度，理论上可以做到无限小，实际应用中可根据系统需要进行选择；环境温度对应用方法的影响不大，即使在极端温度下也可以使用室温下的控制数据，系统稳定可靠；实际应用中输入功率在15dBm以下，所产生的幅度相位控制误差可以接受。此外还结合所需数据存储容量和相位误差允许范围，将频率采样间隔为150MHZ作为一种优选方案。

进一步的，对上述过程所得到的VM幅相控制数据所需Flash的存储容量进行了计算。本实施例中选用通道数为：M＝64，工作频率带宽3GHz，VM量化步进为5°，对应每个幅度存储的相位数N＝72；幅度量化值A＝10；若频率间隔取150MHz，需存储频率点F＝21；温度可仅取常温数据T＝1；则存储的控制点数为M×N×A×F×T＝967680；每个控制点数I、Q电压按16bit存储，整个阵面总共需要的存储空间为967680×2×16＝30965760bit＝29.53125Mbit，这样的存储空间由一片32Mbit以上flash足以实现，实际应用中根据系统需要可灵活选择。

进一步的，对系统中Flash存储器的存储格式及读写方式进行了设置：根据上述参数选用美光公司的M58BW32F，容量32Mbit,共74个块(BANK),其中BANK0-BANK69,用于存储VM幅相控制量化数据,VM芯片的幅相控制数据以频点、通道、幅度、相位的顺序进行存储，存储格式如图7所示：量化数据包括21个频率，每个频率下包括64个通道，每个通道包括10个幅度等级(等级0-9)，等级0用于存储该通道极点(起点)数据，等级1-9用于存储不同幅度衰减数据，每个幅度等级包括72个点VM数据，表示相位从0-355度，每5°一个步进计算而来，一个VM数据由I，Q两路电压组成。BANK70用于存储相位角度的正弦数据。BANK71用于存储幅度等级及相位补偿数据，幅度等级共8个，取值为0-9，不同频率，不同通道幅度等级均不相同,幅度等级存储格式如图8所示；补偿相位取值为0-359度，每1度一个步进,实际位宽10位，不同频率，不同通道补偿相位均不相同，如图9所示。BANK72用于存储64通道坐标数据，BANK73备用。BANK71，BANK72所有数据上电后自动加载到Flash芯片内部块RAM中存储。工作时由由FPGA完成相位角的解算和在Flash存储器中的数据读取。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本实发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种模拟矢量调制器在相控阵天线中的应用系统，包括多个VM芯片、多路DAC芯片、现场可编程门阵列(FPGA）或专用集成电路（ASIC)以及Flash存储器，其特征为：所述多路DAC芯片、现场可编程门阵列(FPGA）或专用集成电路（ASIC)以及Flash存储器为所述VM芯片的控制模块。

2.如权利要求1所述的模拟矢量调制器在相控阵天线中的应用系统，其特征为：所述FPGA通过控制线与上位控制单元相连，FPGA通过传输线与所述Flash存储器相连，FPGA通过SPI总线与所述多路DAC芯片相连，所述多路DAC芯片通过控制线与所述VM芯片的控制端相连，所述多路VM芯片的输入、输出端口分别接入相控阵天线系统中。

3.如权利要求1所述的模拟矢量调制器在相控阵天线中的应用系统，其特征为：所述Flash存储器中存储所述VM芯片的幅相控制数据。

4.如权利要求1所述的模拟矢量调制器在相控阵天线中的应用系统，其特征为：所述FPGA接到上位控制单元控制信号后，完成角度解算和寻址，解算后的相位和寻址信号经过传输线发送到所述Flash存储器中，通过Flash存储器中所述VM芯片的幅相控制数据信息的对应查询，将所述控制信号转换为所述VM芯片的I电压（VI）、Q电压（VQ）控制数据。

5.如权利要求4所述的模拟矢量调制器在相控阵天线中的应用系统，其特征为：所述FPGA查询到的VI、VQ控制数据由SPI总线传给所述多路DAC芯片，并由DAC芯片转化成模拟控制电压后，输入到所述VM芯片的相应控制端口。

6.如权利要求5所述的模拟矢量调制器在相控阵天线中的应用系统，其特征为：在所述控制电压的控制下，VM芯片对输入其中的射频信号实现了幅度、相位的调制，并将调制后的射频信号输出到相控阵天线的下一处理环节。

7.如权利要求3所述的模拟矢量调制器在相控阵天线中的应用系统，其特征为：所述VM芯片的幅相控制数据，通过如下步骤进行量化提取：

步骤一：通过测试得到在不同I、Q电压控制状态下的所述VM的幅度及相位数据，将得到的数据进行整理；并分别确定I、Q控制电压与幅度变化对应关系，I、Q控制电压与相位变化的对应关系；

步骤二：进行幅度采样量化，在所述I、Q控制电压与幅度变化对应关系中，在目标衰减范围内以设定的衰减步进进行幅度量化，将满足所述幅度要求的所有I、Q电压数据列出；

步骤三：在所述I、Q控制电压与相位变化对应关系中，找到满足所述幅度要求的I,Q电压数据所对应的相位值，并将满足所述幅度要求的I、Q数据和对应的相位值全部列出；

步骤四：将所述方法得到的所有相位值和对应的I、Q电压数据，根据相位从低至高的顺序进行联动排序，得到排序后的I、Q电压和相位关系；

步骤五：将排序后的相位数据，按照系统需要的精度设定采样量化步进，进行相位的采样量化；

步骤六：将量化后的相位值及其所对应的I、Q电压值全部列出，并列出对应的幅度值；经过以上过程后，获得了量化后的I、Q电压控制数据和幅度、相位的对应关系，这即是所述VM芯片的幅相控制数据；

步骤七：选定一个射频信号的频率区间，按照设定的频率取样间隔，在所述区间内从起始频率到最大频率，对不同频率的射频信号重复进行步骤一至步骤六，得到不同工作频率下所述VM芯片的幅相控制数据。

8.如权利要求3所述的模拟矢量调制器在相控阵天线中的应用系统，其特征为：所述VM芯片的幅相控制数据所需的存储容量由系统精度参数与相控阵天线通道数的乘积来计算得出，所述系统精度参数包括量化点数、频率点数、温度点数、衰减控制点数。

9.如权利要求8所述的模拟矢量调制器在相控阵天线中的应用系统，其特征为：所述VM芯片的幅相控制数据在所述Flash存储器中以频点、通道、幅度、相位的顺序进行数据存储。