CN110808794A - 基于双通道校准电路的大规模相控阵校准系统及控制方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种基于双通道校准电路的大规模相控阵校准系统及控制方法,天线单元完成空间电磁信号的辐射和接收,校准网络完成校准激励信号功分/合成、TR组件实现回波信号低噪声放大和发射激励信号放大,数字模块完成回波信号数字下变频、抽取、滤波和基带信号产生;双通道校准电路完成阵面发射耦合信号低噪声放大和校准激励信号放大,完成阵面发射耦合信号数字下变频、抽取、滤波和校准激励信号的产生;幅相计算单元完成校准状态下,阵面数字模块和双通道校准电路回传的通道幅相数据,计算出各通道间的幅相差异,并由此完成阵面各通道的收发幅相校准。本发明简化校准系统,有效提升阵面系统的校准效率。
Description
技术领域
本发明涉及相控阵领域,尤其是有源相控阵雷达的校准系统。
背景技术
天线的校准对工程化固态有源相控阵来说非常重要。可用于定期检查有源天线、T/R组件工作状态,对有源天线性能进行评估。监测的目的是测量有源器件并与预想结果比较,以判断有源通道的好坏;校准的目的是通过闭环控制使测试结果不断逼近天线的设计初衷。
有源天线的校准方法很多,主要包括外校准和内校准两种方式。其中,外校准需要在阵面外部设置专用的校准天线和校准通道,且与阵面的间距需要满足天线的远场测试条件,这种方式一般用于阵面的出厂校准,天线阵面正常使用过程中,本方式难以满足使用的环境;内校准又分为:阵面互耦校准法和内校准网络监测法,其中,阵面互耦校准利用天线单元间互耦实现阵面的幅相测量和校准,综合考虑阵元间互耦系数、制造装配误差和阵面边沿效应的影响,设置阵中某一单元发射信号,其相邻单元接收,其余单元关闭,根据互耦的物理定义,利用已测得的接收信号的幅度和相位数据,可计算出阵面口径的幅相分布,这种方式需要很大的计算资源,且所得的参数误差很大,难以满足相控阵天线阵面的校准要求;内校准网络监测法需要天线阵面设置校准通道,用于产生校准阵面接收通道所需要的激励信号,并对接收到的校准发射状态下阵面通道产生的发射信号进行放大。阵面所有有源通道需在天线馈电端口设置校准耦合馈电网络,其作用在于:校准发射状态下,将被校准通道的发射信号通过耦合馈电,传输至校准通道进行接收,并计算得到被测通道的发射增益和插入相移,进行存储和处理;校准接收状态下,由校准通道产生激励信号,并通过耦合馈电网络传输至被校准接收通道,并计算得到被测通道的发射增益和插入相移,进行存储和处理。该方案需在天线阵面增加复杂的耦合馈电网络并增加单独的校准通道,提高了系统的复杂性。
常规相控阵,校准网络的校准端口与辐射端口复用,即在天线阵面的每个天线辐射单元的辐射口增加耦合器,低频段宽带耦合器尺寸较大,难以实现校准功分网络复合设计,此时阵面系统的校准问题在阵面设计时尤为重要,现阶段的校准电路系统需要提升对雷达系统的适应性,提高校准效率,亟需一种新的校准系统解决阵面校准的问题。
发明内容
为了克服现有技术的不足,本发明提供一种基于双通道校准电路的大规模相控阵校准系统及控制方法,主要针对大规模有源相控阵雷达多有源通道的校准设计。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案是:
一种基于双通道校准电路的大规模相控阵校准系统包括两个分阵面、双通道校准电路和幅相计算单元;
所述分阵面包括若干天线单元、一个完成校准激励信号功分/合成的校准网络、通道数与天线单元数量等同的TR组件,以及相应通道数的数字模块;
其中,天线单元用于完成空间电磁信号的辐射和接收、校准网络用于完成校准激励信号功分/合成、TR组件用于实现回波信号低噪声放大和发射激励信号放大、数字模块用于完成回波信号数字下变频、抽取、滤波和基带信号产生;
TR组件与无源天线阵面互联的端口,包括辐射口和校准端口,辐射口与对应的天线单元互联,校准端口与完成校准激励信号功分/合成的校准网络互联;
校准网络包含一个公共端口(功分网络的合路端口)和若干校准端口(数量与TR组件的数量一致)。
TR组件的校准端口对应有一个负载选择开关,在组件处于发射校准状态下,除被校准组件外,其余组件均由该开关选择负载态,以保证组件发射信号经校准网络的功分作用后保持匹配状态;所属组件处于校准态时,负载选择开关切换至单刀四掷开关,其作用在于选择相应的待校准通道;组件每个通道与天线辐射端互连的端口均接有耦合器,其作用包括:(1)发射状态下,功率耦合输出用于发射功率实时BIT检测;(2)发射校准状态下,完成发射信号耦合至校准通道,最终实现发射通道校准;(3)接收校准状态下,完成接收校准信号的耦合输入,最终实现接收通道校准。每个耦合器耦合端输出接有单刀双掷开关,两个输出端分别接在功率故障检测电路和校准通道的单刀四掷开关输入端,正常工作时,该开关连通功率故障检测电路,当开始发射、接收校准工作时,该开关连通校准通道;
所述双通道校准电路包含两个相同的校准收发通道,包括模拟收发和数字收发电路,模拟收发电路完成阵面发射耦合信号低噪声放大和校准激励信号放大;数字收发电路完成阵面发射耦合信号数字下变频、抽取、滤波和校准激励信号的产生。
所述幅相计算单元完成校准状态下,阵面数字模块和双通道校准电路回传的通道幅相数据,计算出各通道间的幅相差异,并由此完成阵面各通道的收发幅相校准。
本发明还提供涉及基于双通道校准电路的大规模相控阵校准系统的控制方法,具体步骤如下:
内场接收校准状态下,利用双通道校准电路同时产生两路功率<1W的发射信号,由两根同轴电缆传输至两个分阵面的校准网络,由校准网络将输入信号功分后同时传输至各分阵面的TR组件的校准端口,校准端口同时切换至单刀四掷开关,选择相应待校准通道,由耦合器将由校准端口接收的输入信号耦合至TR组件的接收通道后,经接收通道实现功率低噪声放大后,传输至数字模块,经采样、抽取、滤波处理后,提取各待校准通道的幅度相位信息,传输至幅相计算单元,由幅相计算单元得到各通道的幅相差异;
内场发射校准状态下,由其中一个分阵面的某组件(假定组件号为1)的某通道(假定通道号为1作为参考通道)和另一分阵面的某组件的某通道(被校准通道)分别分时产生两路激励分别经两个分阵面的校准功分网络的传输作用传输至网络的公共端口,再分别由两个同轴电缆传输至校准组件的两个接收通道,接收通道对接收两路信号进行采样、抽取、滤波后,提取各待校准通道的幅度相位信息,传输至幅相计算单元,由幅相计算单元得到各通道的幅相差异。用于校准的两个组件收发开关切换至发射态,单刀四掷开关切换至需要校准的发射通道,此时除产生激励信号的组件外,其余组件均将负载选择开关控制切换至负载态,保证校准网络传输的稳定性,其余发射通道的供电关闭;
按照上述步骤,依次完成待测分阵面所有发射通道的校准后,利用已完成校准阵面的某组件(假定组件号为2)的某通道(假定通道号为2作为参考通道),再依次完成另一阵面所有通道(除1号组件的1通道)的发射通道校准。
本发明的有益效果在于采用一种基于双通道校准电路的大规模相控阵校准系统,采用两个校准通道,可以简化校准流程,简化校准系统,特别是校准网络的设计。常规相控阵,校准网络的校准端口与辐射端口复用,即在天线阵面的每个天线辐射单元的辐射口增加耦合器,低频段宽带耦合器尺寸较大,难以实现校准功分网络复合设计,将耦合器集成入TR组件,则需要引入校准口和单刀四掷开关,此时,利用两个校准通道可以有效提升阵面系统的校准效率,简化系统设计,此时校准网络仅需要完成功率分配的功能。
附图说明
图1为本发明基于双通道校准电路的大规模相控阵校准系统电路原理图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。
一种基于双通道校准电路的大规模相控阵校准系统包括两个分阵面、双通道校准电路和幅相计算单元。
分阵面包括:若干天线单元、一个完成校准激励信号功分/合成的校准网络、通道数与天线单元数量等同的TR组件,以及相应通道数的数字模块。
其中,天线单元用于完成空间电磁信号的辐射和接收、校准网络用于完成校准激励信号功分/合成、TR组件用于实现回波信号低噪声放大和发射激励信号放大、数字模块用于完成回波信号数字下变频、抽取、滤波和基带信号产生;
TR组件与无源天线阵面互联的端口,包括辐射口和校准端口,辐射口与对应的天线单元互联,校准端口与完成校准激励信号功分/合成的校准网络互联。
校准网络包含一个公共端口(功分网络的合路端口)和若干校准端口(数量与TR组件的数量一致)。
TR组件的校准端口对应有一个负载选择开关,在组件处于发射校准状态下,除被校准组件外,其余组件均由该开关选择负载态,以保证组件发射信号经校准网络的功分作用后保持匹配状态;所属组件处于校准态时,负载选择开关切换至单刀四掷开关,其作用在于选择相应的待校准通道;组件每个通道与天线辐射端互连的端口均接有耦合器,其作用包括:(1)发射状态下,功率耦合输出用于发射功率实时BIT检测;(2)发射校准状态下,完成发射信号耦合至校准通道,最终实现发射通道校准;(3)接收校准状态下,完成接收校准信号的耦合输入,最终实现接收通道校准。每个耦合器耦合端输出接有单刀双掷开关,两个输出端分别接在功率故障检测电路和校准通道的单刀四掷开关输入端,正常工作时,该开关连通功率故障检测电路,当开始发射、接收校准工作时,该开关连通校准通道;
双通道校准电路包含两个相同的校准收发通道,包括模拟收发和数字收发电路,模拟收发电路完成阵面发射耦合信号低噪声放大和校准激励信号放大;数字收发电路完成阵面发射耦合信号数字下变频、抽取、滤波和校准激励信号的产生。
幅相计算单元主要完成校准状态下,阵面数字模块和双通道校准电路回传的通道幅相数据,计算出各通道间的幅相差异,并由此完成阵面各通道的收发幅相校准。
内场接收校准状态下,利用双通道校准电路同时产生两路功率<1W的发射信号,由两根同轴电缆传输至两个分阵面的校准网络,由校准网络将输入信号功分后同时传输至各分阵面的TR组件的校准端口,校准端口同时切换至单刀四掷开关,选择相应待校准通道,由耦合器将由校准端口接收的输入信号耦合至TR组件的接收通道后,经接收通道实现功率低噪声放大后,传输至数字模块,经采样、抽取、滤波处理后,提取各待校准通道的幅度相位信息,传输至幅相计算单元,由幅相计算单元得到各通道的幅相差异;
内场发射校准状态下,由其中一个分阵面的某组件(假定组件号为1)的某通道(假定通道号为1作为参考通道)和另一分阵面的某组件的某通道(被校准通道)分别分时产生两路激励分别经两个分阵面的校准功分网络的传输作用传输至网络的公共端口,再分别由两个同轴电缆传输至校准组件的两个接收通道,接收通道对接收两路信号进行采样、抽取、滤波后,提取各待校准通道的幅度相位信息,传输至幅相计算单元,由幅相计算单元得到各通道的幅相差异。用于校准的两个组件收发开关切换至发射态,单刀四掷开关切换至需要校准的发射通道,此时除产生激励信号的组件外,其余组件均将负载选择开关控制切换至负载态,保证校准网络传输的稳定性,其余发射通道的供电关闭;
按照上述步骤,依次完成待测分阵面所有发射通道的校准后,利用已完成校准阵面的某组件(假定组件号为2)的某通道(假定通道号为2作为参考通道),按照上述步骤,再依次完成另一阵面所有通道(除1号组件的1通道)的发射通道校准。
一种基于双通道校准电路的大规模相控阵校准系统,采用两个校准通道,可以简化校准流程,简化校准系统,特别是校准网络的设计。常规相控阵,校准网络的校准端口与辐射端口复用,即在天线阵面的每个天线辐射单元的辐射口增加耦合器,低频段宽带耦合器尺寸较大,难以实现校准功分网络复合设计,将耦合器集成入TR组件,则需要引入校准口和单刀四掷开关,此时,利用两个校准通道可以有效提升阵面系统的校准效率,简化系统设计,此时校准网络仅需要完成功率分配的功能。
Claims (2)
1.一种基于双通道校准电路的大规模相控阵校准系统,其特征在于:
所述基于双通道校准电路的大规模相控阵校准系统包括两个分阵面、双通道校准电路和幅相计算单元;
所述分阵面包括若干天线单元、一个完成校准激励信号功分/合成的校准网络、通道数与天线单元数量等同的TR组件,以及相应通道数的数字模块;
其中,天线单元用于完成空间电磁信号的辐射和接收、校准网络用于完成校准激励信号功分/合成、TR组件用于实现回波信号低噪声放大和发射激励信号放大、数字模块用于完成回波信号数字下变频、抽取、滤波和基带信号产生;
TR组件与无源天线阵面互联的端口,包括辐射口和校准端口,辐射口与对应的天线单元互联,校准端口与完成校准激励信号功分/合成的校准网络互联;
校准网络包含一个公共端口和若干校准端口;
TR组件的校准端口对应有一个负载选择开关,在组件处于发射校准状态下,除被校准组件外,其余组件均由该开关选择负载态,以保证组件发射信号经校准网络的功分作用后保持匹配状态;所属组件处于校准态时,负载选择开关切换至单刀四掷开关,其作用在于选择相应的待校准通道;组件每个通道与天线辐射端互连的端口均接有耦合器,其作用包括:(1)发射状态下,功率耦合输出用于发射功率实时BIT检测;(2)发射校准状态下,完成发射信号耦合至校准通道,最终实现发射通道校准;(3)接收校准状态下,完成接收校准信号的耦合输入,最终实现接收通道校准;每个耦合器耦合端输出接有单刀双掷开关,两个输出端分别接在功率故障检测电路和校准通道的单刀四掷开关输入端,正常工作时,该开关连通功率故障检测电路,当开始发射、接收校准工作时,该开关连通校准通道;
所述双通道校准电路包含两个相同的校准收发通道,包括模拟收发和数字收发电路,模拟收发电路完成阵面发射耦合信号低噪声放大和校准激励信号放大;数字收发电路完成阵面发射耦合信号数字下变频、抽取、滤波和校准激励信号的产生;
所述幅相计算单元完成校准状态下,阵面数字模块和双通道校准电路回传的通道幅相数据,计算出各通道间的幅相差异,并由此完成阵面各通道的收发幅相校准。
2.一种利用权利要求1所述基于双通道校准电路的大规模相控阵校准系统的控制方法,其特征在于包括下述步骤:
内场接收校准状态下,利用双通道校准电路同时产生两路功率<1W的发射信号,由两根同轴电缆传输至两个分阵面的校准网络,由校准网络将输入信号功分后同时传输至各分阵面的TR组件的校准端口,校准端口同时切换至单刀四掷开关,选择相应待校准通道,由耦合器将由校准端口接收的输入信号耦合至TR组件的接收通道后,经接收通道实现功率低噪声放大后,传输至数字模块,经采样、抽取、滤波处理后,提取各待校准通道的幅度相位信息,传输至幅相计算单元,由幅相计算单元得到各通道的幅相差异;
内场发射校准状态下,由其中一个分阵面的某组件的某通道和另一分阵面的某组件的某通道分别分时产生两路激励分别经两个分阵面的校准功分网络的传输作用传输至网络的公共端口,再分别由两个同轴电缆传输至校准组件的两个接收通道,接收通道对接收两路信号进行采样、抽取、滤波后,提取各待校准通道的幅度相位信息,传输至幅相计算单元,由幅相计算单元得到各通道的幅相差异;用于校准的两个组件收发开关切换至发射态,单刀四掷开关切换至需要校准的发射通道,此时除产生激励信号的组件外,其余组件均将负载选择开关控制切换至负载态,保证校准网络传输的稳定性,其余发射通道的供电关闭;
按照上述步骤,依次完成待测分阵面所有发射通道的校准后,利用已完成校准阵面的某组件的某通道,再依次完成另一阵面所有通道的发射通道校准。
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