CN110988828A - 基于微波延迟器的雷达多通道外校准系统 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种基于微波延迟器的雷达多通道外校准系统，将外校准系统放置在收发阵面的远场位置，外校准系统的开关用于实现校准天线收发状态的切换，雷达校准工作状态下，发射通道校准时，由微波源产生校准发射信号，经开关选通至发射功放完成放大，经环形器传输至功分网络，经功分后传输至收发阵面的各发射通道，仅待校准发射通道将功分后的校准发射放大后，由天线辐射至空间。本发明相对于传统外校准方案，本发明摒弃了附加的校准通道，而复用了雷达前端的微波源和回波采集通道，其中微波源实现校准信号的产生，回波采集通道可完成校准信号的采样，降低了系统的设计复杂度。

Description

基于微波延迟器的雷达多通道外校准系统

技术领域

本发明涉及雷达系统，尤其是一种雷达外校准系统。

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，为降低系统复杂度，复用雷达系统前端的已有部件，亟需对现有外场校准方案加以改进。

发明内容

为了克服现有技术的不足，本发明提供一种基于微波延迟器的雷达多通道外校准系统，主要针对有源相控阵雷达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：

一种基于微波延迟器的雷达多通道外校准系统，包括微波延迟线、外校准天线和与外校准天线相连的开关。

多通道外校准系统用于雷达前端的通道校准；

雷达前端包括收发阵面、功分网络、环形器、发射功放、开关、微波源、耦合器和回波采集通道，雷达正常工作状态下，发射时，微波源产生激励信号，经开关选通至发射功放完成放大，经环形器传输至功分网络，经功分后传输至收发阵面的各发射通道，发射通道对功分后的激励信号完成放大、幅相控制后，经天线辐射至空间中；接收时，回波信号经收发阵面各接收通道放大、幅相控制后，由功分网络合成，经环形器传输至耦合器，经耦合器直通端传输至回波采集通道，实现回波信号的采样处理。

所述的收发阵面包括若干接收、发射通道，其中，接收通道实现回波信号的放大、幅相控制；发射通道完成激励信号的放大、幅相控制，外校准系统对若干接收、发射通道的幅相不一致性性进行校准。

雷达前端的开关用于选择微波源输出的通道：1)为正常工作和发射校准状态下，传输至收发阵面方向；2)接收校准状态下，传输至外校准系统；

外校准系统包括：校准天线、开关和微波延迟线；首先将外校准系统放置在收发阵面的远场位置，根据收发阵面的口径和工作波长，满足

其中R为外校准系统和收发阵面间距，D为收发阵面的口径，λ为收发阵面工作波长；

所述的微波延迟线，利用延迟线的时间延迟特性，在时间维提高收发的隔离度，从而避免校准工作时收发同时状态下，发射信号对接收通道的遮蔽效应；

外校准系统的开关用于实现校准天线收发状态的切换：1)发射校准状态，选通微波源来波与校准天线，实现外校准系统的校准信号发射；2)接收校准状态下，选通校准天线与微波延迟线，实现外校准系统对校准信号的接收；

雷达校准工作状态下，发射通道校准时，由微波源产生校准发射信号，经开关选通至发射功放完成放大，经环形器传输至功分网络，经功分后传输至收发阵面的各发射通道，此时控制待校准发射通道处于发射状态(移相衰减器处于零态，即不衰减也不移相)，其余通道处于负载态，仅待校准发射通道将功分后的校准发射放大后，由天线辐射至空间，校准天线接收待校准发射通道发射的校准发射信号，经开关选通至微波延迟线，经微波延迟线的延迟作用后，传输至雷达前端耦合器，经耦合器耦合端，传输至回波采集通道完成对发射校准信号的采样处理，采样处理周期应在发射过程中关闭接收，以防发射泄露信号将接收通道堵塞，将该通道处理完的数据存储后切换待校准发射通道，依次完成上述处理；

接收通道校准时，由微波源产生校准发射信号，经开关选通至外校准系统的开关后，传输至校准天线，完成外校准系统的校准发射，此时控制雷达前端的收发阵面的待校准接收通道处于接收状态，其余通道处于负载态，待校准接收通道完成对外校准系统的校准发射信号的放大后，经功分网络和环形器传输至耦合器，经耦合器的直通端传输至回波采集通道，完成对校准发射信号的采样处理，将该通道处理完的数据存储后切换待校准接收通道，依次完成上述处理；

阵面上任意指定一个作为校准基准的阵元，接收信号为：

x＝ae^jφ

其中，a、φ分别为校准基准阵元接收信号的幅度、相位；

第(i，k)个阵元接收信号为：

其中，a*Δa_ik、Δφ_ik分别为第(i，k)个阵元对应通道的幅度、相位差；Δa_ik为第(i，k)个阵元对应通道的幅度变化相对基准阵元幅度的比值；

为修正幅相不一致性，应与对应的校正系数相乘，从而得到经校准修正的通道数据

其中，

为校正系数：

其中，X_ik为未校准修正的通道数据，所有通道数据经上述处理后，即可完成阵面所有通道的校准。

本发明的有益效果在于相对于传统外校准方案，本发明摒弃了附加的校准通道，而复用了雷达前端的微波源和回波采集通道，其中微波源实现校准信号的产生，回波采集通道可完成校准信号的采样，降低了系统的设计复杂度。

附图说明

图1是本发明一种基于微波延迟器的雷达多通道外校准系统电路原理图

图2是本发明校准时序图。

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。

参见图1和图2，一种基于微波延迟器的雷达多通道外校准系统包括微波延迟线、外校准天线和与之相连的开关。

该多通道外校准系统主要用于雷达前端的通道校准。

其中，雷达前端包括收发阵面、功分网络、环形器、发射功放、开关、微波源、耦合器和回波采集通道。雷达正常工作状态下，发射时，微波源产生激励信号，经开关选通至发射功放完成放大，经环形器传输至功分网络，经功分后传输至收发阵面的各发射通道，发射通道对功分后的激励信号完成放大、幅相控制后，经天线辐射至空间中；接收时，回波信号经收发阵面各接收通道放大、幅相控制后，由功分网络合成，经环形器传输至耦合器，经耦合器直通端传输至回波采集通道，实现回波信号的采样处理。

所述的收发阵面包括若干接收、发射通道，其中，接收通道实现回波信号的放大、幅相控制；发射通道主要完成激励信号的放大、幅相控制，外校准所需要校准即若干接收、发射通道的幅相不一致性。

雷达前端的开关主要用于选择微波源输出的通道：1)为正常工作和发射校准状态下，传输至收发阵面方向；2)接收校准状态下，传输至外校准系统；

外校准系统包括：校准天线、开关和微波延迟线。首先将外校准系统放置在收发阵面的远场位置(根据收发阵面的口径和工作波长决定，满足

其中R为外校准系统和收发阵面间距，D为收发阵面口径，λ为收发阵面工作波长)。

所述的微波延迟线，主要利用延迟线的时间延迟特性，在时间维提高收发的隔离度，从而避免校准工作时收发同时状态下，发射信号对接收通道的遮蔽效应；

外校准系统的开关主要用于实现校准天线收发状态的切换：1)发射校准状态，选通微波源来波与校准天线，实现外校准系统的校准信号发射；2)接收校准状态下，选通校准天线与微波延迟线，实现外校准系统对校准信号的接收；

雷达校准工作状态下，发射通道校准时，由微波源产生校准发射信号，经开关选通至发射功放完成放大，经环形器传输至功分网络，经功分后传输至收发阵面的各发射通道，此时控制待校准发射通道处于发射状态(移相衰减器处于零态，即不衰减也不移相)，其余通道处于负载态，仅待校准发射通道将功分后的校准发射放大后，由天线辐射至空间，校准天线接收待校准发射通道发射的校准发射信号，经开关选通至微波延迟线，经微波延迟线的延迟作用后，传输至雷达前端耦合器，经耦合器耦合端，传输至回波采集通道完成对发射校准信号的采样处理，采样处理周期应在发射过程中关闭接收，以防发射泄露信号将接收通道堵塞，将该通道处理完的数据存储后切换待校准发射通道，依次完成上述处理；

接收通道校准时，由微波源产生校准发射信号，经开关选通至外校准系统的开关后，传输至校准天线，完成外校准系统的校准发射，此时控制雷达前端的收发阵面的待校准接收通道处于接收状态，其余通道处于负载态，待校准接收通道完成对外校准系统的校准发射信号的放大后，经功分网络和环形器传输至耦合器，经耦合器的直通端传输至回波采集通道，完成对校准发射信号的采样处理，将该通道处理完的数据存储后切换待校准接收通道，依次完成上述处理；

阵面上任意指定一个作为校准基准的阵元，接收信号为：

x＝ae^jφ

其中，a、φ分别为校准基准阵元接收信号的幅度、相位；

第(i，k)个阵元接收信号为：

其中，a*Δa_ik、Δφ_ik分别为第(i，k)个阵元对应通道的幅度、相位差；Δa_ik为第(i，k)个阵元对应通道的幅度变化相对基准阵元幅度的比值；

为修正幅相不一致性，应与对应的校正系数相乘，从而得到经校准修正的通道数据

其中，

为校正系数：

其中，X_ik为未校准修正的通道数据，所有通道数据经上述处理后，即可完成阵面所有通道的校准。

本发明相对于传统外校准方案，摒弃了附加的校准通道，而复用了雷达前端的微波源和回波采集通道，其中微波源实现校准信号的产生，回波采集通道可完成校准信号的采样，降低了系统的设计复杂度。

Claims (1)

1.一种基于微波延迟器的雷达多通道外校准系统，其特征在于：

所述基于微波延迟器的雷达多通道外校准系统，包括微波延迟线、外校准天线和与外校准天线相连的开关；

多通道外校准系统用于雷达前端的通道校准；

雷达前端包括收发阵面、功分网络、环形器、发射功放、开关、微波源、耦合器和回波采集通道，雷达正常工作状态下，发射时，微波源产生激励信号，经开关选通至发射功放完成放大，经环形器传输至功分网络，经功分后传输至收发阵面的各发射通道，发射通道对功分后的激励信号完成放大、幅相控制后，经天线辐射至空间中；接收时，回波信号经收发阵面各接收通道放大、幅相控制后，由功分网络合成，经环形器传输至耦合器，经耦合器直通端传输至回波采集通道，实现回波信号的采样处理；

所述的收发阵面包括若干接收、发射通道，其中，接收通道实现回波信号的放大、幅相控制；发射通道完成激励信号的放大、幅相控制，外校准系统对若干接收、发射通道的幅相不一致性性进行校准；

雷达前端的开关用于选择微波源输出的通道：1)为正常工作和发射校准状态下，传输至收发阵面方向；2)接收校准状态下，传输至外校准系统；

外校准系统包括：校准天线、开关和微波延迟线；首先将外校准系统放置在收发阵面的远场位置，根据收发阵面的口径和工作波长，满足

其中R为外校准系统和收发阵面间距，D为收发阵面的口径，λ为收发阵面工作波长；

所述的微波延迟线，利用延迟线的时间延迟特性，在时间维提高收发的隔离度，从而避免校准工作时收发同时状态下，发射信号对接收通道的遮蔽效应；

外校准系统的开关用于实现校准天线收发状态的切换：1)发射校准状态，选通微波源来波与校准天线，实现外校准系统的校准信号发射；2)接收校准状态下，选通校准天线与微波延迟线，实现外校准系统对校准信号的接收；

雷达校准工作状态下，发射通道校准时，由微波源产生校准发射信号，经开关选通至发射功放完成放大，经环形器传输至功分网络，经功分后传输至收发阵面的各发射通道，此时控制待校准发射通道处于发射状态(移相衰减器处于零态，即不衰减也不移相)，其余通道处于负载态，仅待校准发射通道将功分后的校准发射放大后，由天线辐射至空间，校准天线接收待校准发射通道发射的校准发射信号，经开关选通至微波延迟线，经微波延迟线的延迟作用后，传输至雷达前端耦合器，经耦合器耦合端，传输至回波采集通道完成对发射校准信号的采样处理，采样处理周期应在发射过程中关闭接收，以防发射泄露信号将接收通道堵塞，将该通道处理完的数据存储后切换待校准发射通道，依次完成上述处理；

接收通道校准时，由微波源产生校准发射信号，经开关选通至外校准系统的开关后，传输至校准天线，完成外校准系统的校准发射，此时控制雷达前端的收发阵面的待校准接收通道处于接收状态，其余通道处于负载态，待校准接收通道完成对外校准系统的校准发射信号的放大后，经功分网络和环形器传输至耦合器，经耦合器的直通端传输至回波采集通道，完成对校准发射信号的采样处理，将该通道处理完的数据存储后切换待校准接收通道，依次完成上述处理；

阵面上任意指定一个作为校准基准的阵元，接收信号为：

x＝ae^jφ

其中，a、φ分别为校准基准阵元接收信号的幅度、相位；

第(i，k)个阵元接收信号为：

其中，a*Δa_ik、Δφ_ik分别为第(i，k)个阵元对应通道的幅度、相位差；Δa_ik为第(i，k)个阵元对应通道的幅度变化相对基准阵元幅度的比值；

为修正幅相不一致性，应与对应的校正系数相乘，从而得到经校准修正的通道数据

其中，

为校正系数：

其中，X_ik为未校准修正的通道数据，所有通道数据经上述处理后，即可完成阵面所有通道的校准。

Images