CN105974383B - 一种相控阵雷达系统收发单元及其误差校准方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种相控阵雷达系统收发单元及其误差校准方法，包括水平极化链路、垂直极化链路，其特征在于，还包括控制器、定向耦合器和开矩阵单元，在传统的相控阵雷达系统收发单元基础上增加了定向耦合器，以及开关矩阵。其中定向耦合器实现对雷达发射信号的采样以及接收校准信号注入；开关矩阵为水平与垂直极化链路校准过程提供公共回路，以实现雷达系统水平极化与垂直极化链路相对误差的自动化、实时校准。

Description

一种相控阵雷达系统收发单元及其误差校准方法
技术领域
本发明涉及雷达领域，特别是一种相控阵雷达系统收发单元及其误差校准方法。
背景技术
在双极化相控阵雷达系统中，由于系统工作对水平极化、垂直极化链路之间收发信号的相位和幅度相对误差有非常高的要求，因此相控阵雷达系统生产过程中需要对每个收发单元水平极化、垂直极化链路之间的相位和幅度误差进行精确校准，校准过程复杂、耗时长。在传统的相控阵雷达系统中，由于不存在公共的检测回路，无法实现水平水平极化链路与垂直极化链路之间的相对误差校准，只能在生产过程通过人工实现一次性校准，雷达系统在使用过程中出现的误差，无法实现实时、自动校准。 发明内容
为了克服上述现有技术的不足，本发明提供了一种准确度高、时间短的相控阵雷达系统收发单元及误差校准方法。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案为：
一种相控阵雷达系统收发单元，包括水平极化链路、垂直极化链路，所述水平极化链路包括水平极化发射链路和水平极化接收链路，所述垂直极化链路包括垂直极化发射链路和垂直极化接收链路，其特征在于，还包括控制器、定向耦合器和开关矩阵单元，所述控制器分别与水平极化发射链路输入端TH IN、水平极化接收链路输出端RH OUT、垂直极化发射链路输入端TV IN、垂直极化接收链路输出端RV OUT和开关矩阵单元连接，所述水平极化链路和垂直极化链路一端分别通过定向耦合器单元与开关矩阵单元连接，所述开关矩阵单元分别与水平极化链路和垂直极化链路另一端连接。
作为上述方案的进一步改进，所述开关矩阵单元包括第一开关、第二开关、第三开关、第四开关、第五开关、第六开关、第七开关和第八开关，所述第一开关一端与水平极化发射链路输入端TH IN连接，所述第二开关一端与水平极化接收链路输出端RH OUT连接，所述第三开关一端与垂直极化发射链路输入端TV IN连接，所述第四开关一端与垂直极化接收链路输出端连接RV OUT，所述第五开关一端分别与第一开关另一端、第二开关另一端和第七开关一端连接，所述第六开关一端分别与第三开关另一端、第四开关另一端和第八开关一端连接，所述控制器分别与第一开关一端、第二开关一端、第三开关一端和第四开关一端连接，所述第一开关、第五开关和第七开关组成公共回传链路。
作为上述方案的进一步改进，所述定向耦合器单元包括第一定向耦合器和第二定向耦合器，所述定向耦合器单元设置有耦合端和隔离端，所述第七开关另一端分别与第一定向耦合器和第二定向耦合器的耦合端连接，所述第八开关另一端分别与第一定向耦合器和第二定向耦合器的隔离端连接。
作为上述方案的进一步改进，所述水平极化链路包括第九开关、数控衰减器、第一射频放大器、数控移相器、第十开关、第一放大器单元、第十一开关和第二放大器单元，所述第十一开关一端依次与第一放大器单元输入端、第九开关、数控衰减器、第一射频放大器、数控移相器、第十开关、第二放大器单元输入端连接，所述十一开关另一端与第一定向耦合器连接，所述垂直极化链路结构与水平极化链路相同。
一种相控阵雷达系统收发单元误差校准方法，其特征在于：包括如下步骤：
1) 水平极化链路和垂直极化链路发射误差校准过程：
a）控制器对信号进行校准然后输出相同的信号进入水平极化发射链路和垂直极化发射链路；
b) 定向耦合器单元采集水平极化发射链路输出信号，控制器控制开关矩阵单元开/断使水平极化发射链路信号经过公共回传链路，将水平极化发射链路信号回传至接收解调系统，接收解调系统检测出水平极化发射链路信号的幅度和相位值；
c) 定向耦合器单元采集垂直极化发射链路输出信号，控制器控制开关矩阵单元开/断使垂直极化发射链路信号进入公共回传链路，将垂直极化发射链路信号回传至接收解调系统，接收解调系统检测出垂直极化发射链路信号的幅度和相位值；
d）比较水平极化发射链路信号和垂直极化发射链路信号的幅度和相位得到的水平极化发射链路信号和垂直极化发射链路的幅度和相位相对误差；
2) 水平极化链路和垂直极化链路接收误差校准过程：
a）控制器输出公共校准信号，控制器控制开关矩阵单元开/断使公共校准信号进入水平极化接收链路，再进入公共解调系统，解调检测出公共校准信号经过水平极化接收链路后的幅度和相位值；
b) 控制器输出公共校准信号，控制器控制开关矩阵单元开/断使使公共校准信号进入垂直极化接收链路，再进入公共解调系统，解调检测出公共校准信号经过垂直极化接收链路后的幅度和相位值；
c) 比较水平极化链路和垂直极化链路接收信号的幅度和相位得到的水平极化接收链路和垂直极化接收链路信号的幅度和相位相对误差。
本发明的有益效果有：
本发明一种相控阵雷达系统收发单元及其误差校准方法，在传统的相控阵雷达系统收发单元基础上增加了定向耦合器，以及开关矩阵。其中定向耦合器实现对雷达发射信号的采样以及接收校准信号注入；开关矩阵为水平与垂直极化链路校准过程提供公共回路，以实现雷达系统水平极化与垂直极化链路相对误差的自动化、实时校准。
附图说明
下面结合附图及具体实施例对本发明作进一步说明，其中：
图1是本发明实施例的收发单元结构框图；
图2是本发明实施例的收发单元结构原理图；
图3是本发明实施例的收发单元发射误差校准过程原理图；
图4是本发明实施例的收发单元接收误差校准过程原理图。
具体实施方式
参考图1和图2，一种相控阵雷达系统收发单元，包括水平极化链路4、垂直极化链路5，所述水平极化链路4包括水平极化发射链路和水平极化接收链路，所述垂直极化链路5包括垂直极化发射链路和垂直极化接收链路，其特征在于，还包括控制器1、定向耦合器2和开关矩阵单元3，所述控制器1分别与水平极化发射链路输入端TH IN、水平极化接收链路输出端RH OUT、垂直极化发射链路输入端TV IN、垂直极化接收链路输出端RV OUT和开关矩阵单元3连接，所述水平极化链路4和垂直极化链路5一端分别通过定向耦合器单元2与开关矩阵单元3连接，所述开关矩阵单元3分别与水平极化链路4和垂直极化链路5另一端连接。
所述开关矩阵单元3包括第一开关31、第二开关32、第三开关33、第四开关34、第五开关35、第六开关36、第七开关37和第八开关38，所述第一开关31一端与水平极化发射链路输入端TH IN连接，所述第二开关32一端与水平极化接收链路输出端RH OUT连接，所述第三开关33一端与垂直极化发射链路输入端TV IN连接，所述第四开关34一端与垂直极化接收链路输出端连接RV OUT，所述第五开关35一端分别与第一开关31另一端、第二开关32另一端和第七开关37一端连接，所述第六开关36一端分别与第三开关33另一端、第四开关34另一端和第八开关38一端连接，所述控制器1分别与第一开关31一端、第二开关32一端、第三开关33一端和第四开关34一端连接，所述第一开关31、第五开关35和第七开关37组成公共回传链路。
所述定向耦合器单元2包括第一定向耦合器21和第二定向耦合器21，所述定向耦合器单元2设置有耦合端和隔离端，所述第七开关37另一端分别与第一定向耦合器21和第二定向耦合器21的耦合端连接，所述第八开关38另一端分别与第一定向耦合器21和第二定向耦合器22的隔离端连接。所述水平极化链路4包括第九开关41、数控衰减器42、第一射频放大器43、数控移相器44、第十开关45、第一放大器单元46、第十一开关47和第二放大器单元48，所述第十一开关47一端依次与第一放大器单元46输入端、第九开关41、数控衰减器42、第一射频放大器43、数控移相器44、第十开关45、第二放大器单元48输入端连接，所述十一开关47另一端与第一定向耦合器21连接，所述垂直极化链路5结构与水平极化链路4相同。
进一步参考图3，水平极化、垂直极化发射链路误差校准时信号流程：水平极化信号通过水平极化链路输入端TH PORT进入水平极化链路，经过第九开关41、数控衰减器42、第一射频放大器43、数控移相器44、第十开关45、第十一开关47和第二放大器单元48，后通过射频连接器连接至水平极化天线，所述第二放大器48包括第一放大器和第二放大器；垂直极化信号通过垂直极化链路输入端TV PORT进入垂直极化链路，经过开关、数控衰减器、射频放大器、数控移相器、开关、射频放大器、放大器和开关和定向耦合器后通过射频连接器连接至垂直极化天线。
本实施例中，控制器采用FPGA芯片，TH PORT水平极化信号与TV PORT垂直极化信号来自相同的FPGA芯片，因此输入信号之间的幅度、相位相对误差为确定值，可以有芯片进行前期校准。
误差校准时，系统首先将开关矩阵切换至水平极化发射链路，通过第一定向耦合器21采样水平极化链路发射输出信号，采样信号经过公共回传链路开关矩阵和微带线或带状线回传至解调系统，检测出水平极化发射信号的幅度、相位值；然后控制开关矩阵切换至垂直极化发射链路，通过第一定向耦合器21采样垂直极化链路发射输出信号，采样信号经过公共回传链路开关矩阵、微带线或带状线回传至解调系统，检测出垂直极化发射信号的幅度、相位值。比较水平极化与垂直极化发射信号的幅度和相位得到的水平极化与垂直极化发射链路之间的幅度、相位相对误差。发射误差校准系统采用相同的采样、回传链路，因此获得的相对误差具有很高的准确度。
收发单元水平链路、垂直链路接收误差校准过程：如图4所示，垂直极化链路VPORT、垂直极化链路H PORT分别连接垂直极化天线、水平极化天线。水平极化、垂直极化链路接收误差过程：公共校准信号通过TH PORT进入收发单元，使公共校准信号经过开关矩阵、定向耦合器注入水平极化接收链路，公共校准信号经过第二定向耦合器22->第一放大器单元46、第一第九开关41、数控衰减器42、第一射频放大器43、数控移相器44、第十开关45、第十一开关47->RH PORT后，所述第一放大器单元46包括第一放大器、第二放大器 和第三放大器，进入公共解调系统，解调检测出水平极化接收信号的幅度、相位值；使公共校准信号通过开关矩阵、第二定向耦合器22注入垂直极化链路，公共校准信号经过定向耦合器->开关->低噪声放大器LNA->放大器->放大器->开关->数控衰减器->放大器->数控移相器->开关->RV PORT后，进入公共解调系统，解调检测出垂直极化接收信号的幅度、相位值；比较解调后的水平极化、垂直极化信号的幅度、相位值，得到水平极化链路、垂直极化链路幅度、相位的相对误差。
一种相控阵雷达系统收发单元误差校准方法，其特征在于：包括如下步骤：
1) 水平极化链路和垂直极化链路发射误差校准过程：
a）控制器对信号进行校准然后输出相同的信号进入水平极化发射链路和垂直极化发射链路；
b) 定向耦合器单元采集水平极化发射链路输出信号，控制器控制开关矩阵单元开/断使水平极化发射链路信号经过公共回传链路，将水平极化发射链路信号回传至接收解调系统，接收解调系统检测出水平极化发射链路信号的幅度和相位值；
c) 定向耦合器单元采集垂直极化发射链路输出信号，控制器控制开关矩阵单元开/断使垂直极化发射链路信号进入公共回传链路，将垂直极化发射链路信号回传至接收解调系统，接收解调系统检测出垂直极化发射链路信号的幅度和相位值；
d）比较水平极化发射链路信号和垂直极化发射链路信号的幅度和相位得到的水平极化发射链路信号和垂直极化发射链路的幅度和相位相对误差；
2) 水平极化链路和垂直极化链路接收误差校准过程：
a）控制器输出公共校准信号，控制器控制开关矩阵单元开/断使公共校准信号进入水平极化接收链路，再进入公共解调系统，解调检测出公共校准信号经过水平极化接收链路后的幅度和相位值；
b) 控制器输出公共校准信号，控制器控制开关矩阵单元开/断使使公共校准信号进入垂直极化接收链路，再进入公共解调系统，解调检测出公共校准信号经过垂直极化接收链路后的幅度和相位值；
c) 比较水平极化链路和垂直极化链路接收信号的幅度和相位得到的水平极化接收链路和垂直极化接收链路信号的幅度和相位相对误差。
以上所述，只是本发明的较佳实施方式而已，但本发明并不限于上述实施例，只要其以任何相同或相似手段达到本发明的技术效果，都应属于本发明的保护范围。

Claims (5)

1.一种相控阵雷达系统收发单元，包括水平极化链路(4)、垂直极化链路(5)，所述水平极化链路(4)包括水平极化发射链路和水平极化接收链路，所述垂直极化链路(5)包括垂直极化发射链路和垂直极化接收链路，其特征在于，还包括控制器(1)、定向耦合器(2)和开关矩阵单元(3)，所述控制器(1)分别与水平极化发射链路输入端TH IN、水平极化接收链路输出端RH OUT、垂直极化发射链路输入端TV IN、垂直极化接收链路输出端RV OUT和开关矩阵单元(3)连接，所述水平极化链路(4)和垂直极化链路(5)一端分别通过定向耦合器单元(2)与开关矩阵单元(3)连接，所述开关矩阵单元(3)分别与水平极化链路(4)和垂直极化链路(5)另一端连接，开关矩阵单元(3)分别为水平极化链路(4)和垂直极化链路(5)校准过程提供 公共回路，以实现雷达系统水平极化与垂直极化链路相对误差的校准。
2.根据权利要求1所述的一种相控阵雷达系统收发单元，其特征在于：所述开关矩阵单元(3)包括第一开关(31)、第二开关(32)、第三开关(33)、第四开关(34)、第五开关(35)、第六开关(36)、第七开关(37)和第八开关(38)，所述第一开关(31)一端与水平极化发射链路输入端TH IN连接，所述第二开关(32)一端与水平极化接收链路输出端RH OUT连接，所述第三开关(33)一端与垂直极化发射链路输入端TV IN连接，所述第四开关(34)一端与垂直极化接收链路输出端连接RV OUT，所述第五开关(35)一端分别与第一开关(31)另一端、第二开关(32)另一端和第七开关(37)一端连接，所述第六开关(36)一端分别与第三开关(33)另一端、第四开关(34)另一端和第八开关(38)一端连接，所述控制器(1)分别与第一开关(31)一端、第二开关(32)一端、第三开关(33)一端和第四开关(34)一端连接，所述第一开关(31)、第五开关(35)和第七开关(37)组成公共回传链路。
3.根据权利要求2所述的一种相控阵雷达系统收发单元，其特征在于：所述定向耦合器单元(2)包括第一定向耦合器(21)和第二定向耦合器(22)，所述定向耦合器单元(2)设置有耦合端和隔离端，所述第七开关(37)另一端分别与第一定向耦合器(21)和第二定向耦合器(22)的耦合端连接，所述第八开关(38)另一端分别与第一定向耦合器(21)和第二定向耦合器(22)的隔离端连接。
4.根据权利要求3所述的一种相控阵雷达系统收发单元，其特征在于：所述水平极化链路(4)包括第九开关(41)、数控衰减器(42)、第一射频放大器(43)、数控移相器(44)、第十开关(45)、第一放大器单元(46)、第十一开关(47)和第二放大器单元(48)，所述第十一开关(47)一端依次与第一放大器单元(46)输入端、第九开关(41)、数控衰减器(42)、第一射频放大器(43)、数控移相器(44)、第十开关(45)、第二放大器单元(48)输入端连接，所述十一开关(47)另一端与第一定向耦合器(21)连接，所述垂直极化链路(5)结构与水平极化链路(4)结构相同。
5.根据权利要求1-4任一所述的一种相控阵雷达系统收发单元误差校准方法，其特征在于：包括如下步骤：
1)水平极化链路和垂直极化链路发射误差校准过程：
a)控制器对信号进行校准然后输出相同的信号进入水平极化发射链路和垂直极化发射链路；
b)定向耦合器单元采集水平极化发射链路输出信号，控制器控制开关矩阵单元开/断使水平极化发射链路信号经过公共回传链路，将水平极化发射链路信号回传至接收解调系统，接收解调系统检测出水平极化发射链路信号的幅度和相位值；
c)定向耦合器单元采集垂直极化发射链路输出信号，控制器控制开关矩阵单元开/断使垂直极化发射链路信号进入公共回传链路，将垂直极化发射链路信号回传至接收解调系统，接收解调系统检测出垂直极化发射链路信号的幅度和相位值；
d)比较水平极化发射链路信号和垂直极化发射链路信号的幅度和相位得到的水平极化发射链路信号和垂直极化发射链路的幅度和相位相对误差；
2)水平极化链路和垂直极化链路接收误差校准过程：
a)控制器输出公共校准信号，控制器控制开关矩阵单元开/断使公共校准信号进入水平极化接收链路，再进入公共解调系统，解调检测出公共校准信号经过水平极化接收链路后的幅度和相位值；
b)控制器输出公共校准信号，控制器控制开关矩阵单元开/断使使公共校准信号进入垂直极化接收链路，再进入公共解调系统，解调检测出公共校准信号经过垂直极化接收链路后的幅度和相位值；
c)比较水平极化链路和垂直极化链路接收信号的幅度和相位得到的水平极化接收链路和垂直极化接收链路信号的幅度和相位相对误差。
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