CN111245529B - 一种数字相控阵天线的相位校准方法及相控阵天线 - Google Patents

一种数字相控阵天线的相位校准方法及相控阵天线 Download PDF

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CN111245529B CN202010271471.1A CN202010271471A CN111245529B CN 111245529 B CN111245529 B CN 111245529B CN 202010271471 A CN202010271471 A CN 202010271471A CN 111245529 B CN111245529 B CN 111245529B
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    • H04B17/20—Monitoring; Testing of receivers
    • H04B17/21—Monitoring; Testing of receivers for calibration; for correcting measurements

Abstract

本发明公开了一种数字相控阵天线的相位校准方法，设定校准信号
Figure 353992DEST_PATH_IMAGE001
，经过阵元0后，得到信号
Figure 928193DEST_PATH_IMAGE002
，采集信号
Figure 205591DEST_PATH_IMAGE003
样本点，通过傅里叶变换得到阵元0的相位
Figure 671600DEST_PATH_IMAGE004
；同理得到除阵元0外任一阵元n的相位
Figure 997540DEST_PATH_IMAGE005
；以阵元0为基准，通过阵元0和阵元n两阵元的相位差
Figure 488564DEST_PATH_IMAGE006
，得到群时延误差
Figure 812229DEST_PATH_IMAGE007
；以阵元0为基准，得到多个群时延误差，将多个群时延误差中的最小值
Figure 123124DEST_PATH_IMAGE008
的反向值加到每个阵元的群时延误差中，得到各阵元的群时延校准值，完成各阵元群时延校准；完成群时延校准后，以完成群时延校准后的阵元0为基准，获取群时延校准后各阵元的相位误差值
Figure 252754DEST_PATH_IMAGE009
，根据
Figure 739231DEST_PATH_IMAGE010
值补偿各阵元的相位，完成相位校准，本发明算法简单，易实现，校准时间短，精度高，稳定可靠。

Description

一种数字相控阵天线的相位校准方法及相控阵天线
技术领域
本发明属于相控阵雷达领域，涉及一种数字相控阵天线的相位校准方法及相控阵天线。
背景技术
相控阵天线起源于军事领域，各种与军事相关的需求推动着相控阵天线的发展。随着半导体微电子技术的迅速发展，数字相控阵天线应运而生。数字相控阵天线中每一个阵列单元由固态发射/接收组件构成，组件中发射信号功率放大器和低噪声放大器均与天线辐射单元直接相连，并以数字方式精确控制天线的波束指向和形成。与传统相控阵天线相比，其具有体积小，成本低的优点，有效提高了天线发射时的有效等向幅射功率值和天线接收时的性能指数，提高了控制精度和响应速度。如今数字相控阵天线以其优异的特性，广泛应用于卫星通信、机间数据链及雷达探测等领域，其应用前景广阔，具有很大的发展空间。
数字相控阵天线，以数字方式改变阵列中每个单元信号的幅度和相位，可快速改变天线波速指向及波速形状，实现大角度灵活扫描和多目标跟踪通信。因此阵列单元幅度和相位的精确控制，阵列单元的幅度和相位一致性，决定了数字相控阵天线的系统性能。在实际工程实现中，引起阵列单元幅度和相位误差的原因有很多。阵列本身器件不一致性的幅相误差，阵列间信号相互影响的互耦误差，阵列安装位置的定位误差，温度漂移、器件老化和物理变形等环境误差，都直接影响阵列单元的幅度和相位的一致性，严重影响天线性能。因此针对此问题，必须在天线中加入校准系统，进行定期或实时地幅度和相位校准。
数字相控阵天线的相位校准中，阵元间的相位误差如何能够精确测量，并准确补偿到阵列单元的路径中，是校准系统需要解决的关键问题。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种数字相控阵天线的相位校准方法，包括如下步骤：
步骤一，设定校准信号
Figure 624601DEST_PATH_IMAGE001
，经过阵元0后，得到信号
Figure 611011DEST_PATH_IMAGE002
，采集信号
Figure 979676DEST_PATH_IMAGE002
样本点， 通过傅里叶变换得到阵元0的相位
Figure 952311DEST_PATH_IMAGE003
；同理得到除阵元0外任一阵元n的相位
Figure 785138DEST_PATH_IMAGE004
；
步骤二，在时钟同源、本振同步和采集同步的条件下，以阵元0为基准，通过阵元0 和阵元n两阵元的相位差
Figure 83395DEST_PATH_IMAGE005
，得到群时延误差
Figure 736093DEST_PATH_IMAGE006
；
步骤三，以阵元0为基准，得到多个群时延误差，将多个群时延误差中的最小值
Figure 512419DEST_PATH_IMAGE007
的反向值加到每个阵元的群时延误差中，得到各阵元的群时延校准值，利用群时延校 准值对各阵元进行整数时延校准和小数时延校准，完成各阵元群时延校准；
步骤四，完成群时延校准后，以完成群时延校准后的阵元0为基准，获取群时延校 准后各阵元的相位误差
Figure 199753DEST_PATH_IMAGE008
值，根据
Figure 901867DEST_PATH_IMAGE008
值补偿各阵元的相位，完成相位校准。
进一步的，所述的校准信号
Figure 448386DEST_PATH_IMAGE009
采用如下公式：
Figure 887458DEST_PATH_IMAGE010
其中：ω为信号频率；θ为信号相位；A为信号幅度，幅度值A保持不变；
经过阵元0后，信号
Figure 632560DEST_PATH_IMAGE009
变为
Figure 7041DEST_PATH_IMAGE011
：
Figure 899910DEST_PATH_IMAGE012
其中
Figure 18039DEST_PATH_IMAGE013
为阵元0群时延误差，
Figure 617648DEST_PATH_IMAGE014
为阵元0本振相位误差；
将阵元0的信号
Figure 287663DEST_PATH_IMAGE015
样本点，通过快速傅立叶变换得到阵元0的本振相位
Figure 779081DEST_PATH_IMAGE016
：
Figure 91114DEST_PATH_IMAGE017
同理，阵元n的本振相位：
Figure 217333DEST_PATH_IMAGE018
，
其中
Figure 261512DEST_PATH_IMAGE019
为阵元n群时延误差，
Figure 535498DEST_PATH_IMAGE020
为阵元n本振相位误差；公式中的
Figure 323326DEST_PATH_IMAGE021
表示
Figure 366368DEST_PATH_IMAGE022
的实部、
Figure 581449DEST_PATH_IMAGE023
表示
Figure 670628DEST_PATH_IMAGE024
的虚部。
进一步的，在时钟同源、本振同步和采集同步的条件下，以阵元0为基准，通过阵元 0和阵元n两阵元的相位差
Figure 432785DEST_PATH_IMAGE005
，得到群时延误差
Figure 658230DEST_PATH_IMAGE025
，其中的相位差采用如下公式：
Figure 981895DEST_PATH_IMAGE026
Figure 496053DEST_PATH_IMAGE027
群时延误差为：
Figure 422421DEST_PATH_IMAGE028
本振相位误差为：
Figure 908897DEST_PATH_IMAGE029
将多个群时延误差中的最小值
Figure 996939DEST_PATH_IMAGE030
的反向值加到每个阵元的群时延误差中，得 到的各阵元的群时延校准值为：
Figure 936076DEST_PATH_IMAGE031
其中n为阵元号，
Figure 666134DEST_PATH_IMAGE032
为阵元0和阵元n的群时延误差，
Figure 69434DEST_PATH_IMAGE033
是阵元n的 群时延校准值。
进一步的，以完成群时延校准后的阵元0为基准，获取群时延校准后各阵元的相位 误差
Figure 970787DEST_PATH_IMAGE008
值，得到各阵元需补偿的相位补偿值，根据补偿值补偿各阵元的本振相位，完成相位 校准，包括如下过程：
以群时延校准后的阵元0为基准，得到各群时延校准后阵元的相位误差
Figure 256275DEST_PATH_IMAGE008
，对各阵 元补偿相位补偿
Figure 399812DEST_PATH_IMAGE034
，阵元的接收信号为：
Figure 719934DEST_PATH_IMAGE035
相位补偿
Figure 556303DEST_PATH_IMAGE008
后，接收信号变为：
Figure 532350DEST_PATH_IMAGE036
根据欧拉公式：
Figure 338632DEST_PATH_IMAGE037
通过产生
Figure 654206DEST_PATH_IMAGE034
的
Figure 520531DEST_PATH_IMAGE038
信号和
Figure 983874DEST_PATH_IMAGE039
信号，与接收信号相乘，实现本振相位校准。
进一步的，所述的整数时延校准是以周期为
Figure 967748DEST_PATH_IMAGE040
的参考时钟为基准，阵元n将接收 到的校准数据
Figure 262463DEST_PATH_IMAGE041
缓存在RAM中，读取校准数据时，以RAM地址0为起始地址；根据阵元n的 群时延校准值得到整数时延校准倍数，将该阵元读取校准数据的起始地址，从地址0移动整 数时延校准倍数个地址，完成阵元整数时延校准，同理，完成所有阵元的整数时延校准，即 完成整数时延校准；
所述的小数时延校准是以周期为
Figure 440635DEST_PATH_IMAGE040
的参考时钟为基准，将参考周期分为N份，计 算滤波器系数，对应生成N组系数；通过群时延校准值，得到小数时延对应的滤波器系数组 号
Figure 125694DEST_PATH_IMAGE042
，开始校准时，将接收到的校准数据
Figure 804937DEST_PATH_IMAGE041
接入滤波器，加载小数时延对应的滤波 器系数到滤波器中，完成小数时延校准。
进一步的，所述的整数时延校准倍数为：阵元n的群时延校准值为
Figure 563945DEST_PATH_IMAGE043
，则整 数时延校准倍数
Figure 240914DEST_PATH_IMAGE044
为:
Figure 475587DEST_PATH_IMAGE045
其中fix函数为截位取整函数；
则整数时延校准值
Figure 302728DEST_PATH_IMAGE046
为：
Figure 509719DEST_PATH_IMAGE047
校准开始时，从起始地址移动整数时延校准倍数
Figure 154327DEST_PATH_IMAGE048
个地址，该地址为阵元n新 的起始地址，完成整数时延校准；
所述的滤波器系数组的个数N为：
Figure 253126DEST_PATH_IMAGE049
其中的
Figure 211855DEST_PATH_IMAGE050
为小数时延校准精度，
Figure 804510DEST_PATH_IMAGE040
为参考时钟周期；
根据群时延校准得到的整数时延校准值
Figure 760965DEST_PATH_IMAGE046
，则小数时延对应的滤波器系 数组号
Figure 907913DEST_PATH_IMAGE051
为：
Figure 467070DEST_PATH_IMAGE052
其中round函数为四舍五入取整函数；
小数时延校准值
Figure 320756DEST_PATH_IMAGE053
为：
Figure 41588DEST_PATH_IMAGE054
将接收到的校准数据
Figure 347935DEST_PATH_IMAGE041
接入滤波器，加载第
Figure 648467DEST_PATH_IMAGE051
组的系数到滤波器中，完成 小数时延校准。
进一步的，滤波器的系统传输函数为如下公式：
小数时延参数d的范围为
Figure 746873DEST_PATH_IMAGE055
，每组滤波器系数是d的N阶多项式，则滤波器的 冲击响应
Figure 12507DEST_PATH_IMAGE056
如下式所示：
Figure 134046DEST_PATH_IMAGE057
其中
Figure 35006DEST_PATH_IMAGE058
为实数系数，参考周期分为N份也即为多项式阶数N，d为小数时延参 数，M为滤波器阶数，则滤波器的系统传输函数
Figure 597706DEST_PATH_IMAGE059
为：
Figure 941279DEST_PATH_IMAGE061
其中
Figure 849193DEST_PATH_IMAGE062
。
进一步的，所述的群时延误差获取包括如下过程:
先以
Figure 391032DEST_PATH_IMAGE063
的校准信号
Figure 31092DEST_PATH_IMAGE001
，得到本振相位误差
Figure 861645DEST_PATH_IMAGE064
，由 QUOTE
Figure 104408DEST_PATH_IMAGE066
Figure 131445DEST_PATH_IMAGE066
：
Figure 801461DEST_PATH_IMAGE067
Figure 119310DEST_PATH_IMAGE068
再以带宽内
Figure 775550DEST_PATH_IMAGE069
的校准信号
Figure 557562DEST_PATH_IMAGE070
，得到群时延误差
Figure 601741DEST_PATH_IMAGE025
，由：
Figure 78990DEST_PATH_IMAGE071
Figure 929134DEST_PATH_IMAGE072
Figure 175439DEST_PATH_IMAGE073
。
一种数字相控阵天线，包括天线阵子、8通道收发模块、主控模块、校准单元、功分模块；所述的天线阵子与所述的功分模块连接，所述的功分模块与所述的8通道收发模块连接，所述的8通道收发模块与所述的主控模块连接；所述的校准单元一端与所述的功分模块连接，另一端与所述的主控模块连接；
所述的天线阵子用于频段内的无线信号收发；
所述的8通道收发模块包括射频信号处理单元和T/R组件单元；工作模式为TDD，根据时序要求切换收发状态；射频信号处理单元用于无线信号收发数据的校准补偿、基带信号的采集和数模转换、中频到射频的上下变频处理；通过高速收发器和外部实现数据交互；T/R组件单元用于发射信号的功率调整，接收信号的低噪放增益控制和耦合校准信号；
校准单元用于相位测量和校准，通过校准单元内的校准信号源发射校准信号，采集不同通道的数据，得到相位差信息，计算出校准数据传给主控模块，由主控板下发给各通道，完成校准；
所述的主控模块用于与用户完成界面交互，提供各模块的监控信号，采集各通道的数据流，并将其导出到外部设备，通过与外部数据接口对接，实现收发数据流的高速传输；
所述的功分模块包括校准微带功分器和天线安装反射板；校准微带功分器，包括多个微带功分器，用于天线和校准口的耦合信号功分，使耦合信号到校准单元的信号功率适配，实现与校准单元的反馈网络；天线安装反射板，用于天线阵子的安装定位。
一种基于所述的数字相控阵天线的相位校准方法，包括如下过程:
步骤一,校准单元的校准信号源发射
Figure 390519DEST_PATH_IMAGE074
的校准信号
Figure 479698DEST_PATH_IMAGE001
，通过本机振荡器与 数模转换器组成的变频发射模块，经校准耦合口连接到各阵元的T/R组件，T/R组件将接收 到的信号传输到阵元中本机振荡器与模数转换器组成的变频采集模块，变频采集模块对信 号进行下变频处理和数据采集，得到中频数字信号
Figure 241856DEST_PATH_IMAGE075
；
步骤二,校准单元通过数据采集模块采集得到
Figure 670563DEST_PATH_IMAGE076
等各阵元的校准数据， 由FFT运算模块做快速傅立叶变换得到
Figure 118862DEST_PATH_IMAGE077
等各阵元的相位，通过相位测量模块，以阵 元0为基准，测量出各阵元与基准阵元的相位差
Figure 570703DEST_PATH_IMAGE078
；
步骤三，通过发射
Figure 700333DEST_PATH_IMAGE079
的校准信号
Figure 780284DEST_PATH_IMAGE080
，重复上述步骤一、二，在校准单元的 群时延校准单元中计算得到群时延误差
Figure 274851DEST_PATH_IMAGE081
，本振相位校准单元中计算得到本振相位误差
Figure 338622DEST_PATH_IMAGE082
，找出群时延误差最小值
Figure 271943DEST_PATH_IMAGE083
，将反向值
Figure 81767DEST_PATH_IMAGE084
加到每个阵元的群时延误差中，得到各阵 元的群时延校准值
Figure 137447DEST_PATH_IMAGE085
，通过群时延校准值校准各阵元群时延；
步骤四，校准单元再次采集校准信号，得到各阵元的本振相位校准值
Figure 626198DEST_PATH_IMAGE082
；将其传输 至对应阵元的本振相位校准单元中，使各阵元的相位和基准阵元保持一致，实现相位校准。
本发明的有益效果是：本发明在天线本身系统外，增加高度集成化的测试系统，使用数字处理算法，就可快速获得高精度的相位差信息。在数字校准法基础上，创新性加入最高精度可达ps级的小数校准,通过设计的滤波器来对小数时延进行校准,实现精度更高,用时更少的效果。
附图说明
图1为一种数字相控阵天线的相位校准方法的流程示意图；
图2为滤波器时延仿真示意图；
图3为一种数字相控阵天线的相位校准方法的实施示意图；
图4为整数时延示意图；
图5为系统硬件组成示意图；
图6为道收发组件的射频信号处理单元组成示意图；
图7为通道收发组件的T/R组件单元组成示意图；
图8为校准单元的校准网络原理框图；
图9为主控模块的组成示意图；
图10相控阵天线结构示意图；
图11为滤波器的实现框图。
具体实施方式
下面结合附图进一步详细描述本发明的技术方案，但本发明的保护范围不局限于以下所述。
如图1所示，本发明提出一种数字相控阵天线的相位校准方法，用以解决以上相位校准问题。发射与接收的校准方法同理，我们以接收校准分析。
天线中阵元间的相位误差，主要包括路径上的群时延误差和本振相位误差。群时延误差主要由构成阵元的器件个体差异、装配差异和温度、湿度等环境差异导致。本振的相位误差，主要由上电后，各阵元的本振锁定时间不同，使本振的初相不同，导致下变频后的中频信号相位不同。
在外界环境稳定情况下，某时间段内，我们认为群时延误差和本振相位误差基本保持不变。因此我们通过测量出阵元间的群时延误差和本振相位误差，并补偿到对应路径中，则可以保证阵元间相位一致性。
设定校准信号为：
Figure 271199DEST_PATH_IMAGE010
ω为信号频率；θ为信号相位；A为信号幅度，幅度值A保持不变；
经过阵元0后，信号
Figure 591322DEST_PATH_IMAGE009
变为
Figure 427691DEST_PATH_IMAGE086
：
Figure 138158DEST_PATH_IMAGE012
其中
Figure 475598DEST_PATH_IMAGE013
为阵元0群时延误差，
Figure 525594DEST_PATH_IMAGE014
为阵元0本振相位误差；
将阵元0的信号
Figure 595181DEST_PATH_IMAGE087
样本点，通过快速傅立叶变换得到阵元0的本振相位
Figure 855261DEST_PATH_IMAGE003
：
Figure 606179DEST_PATH_IMAGE017
同理，阵元n的本振相位：
Figure 838578DEST_PATH_IMAGE018
，
其中
Figure 875804DEST_PATH_IMAGE088
为阵元n群时延误差，
Figure 262661DEST_PATH_IMAGE089
为阵元n本振相位误差；公式中的
Figure 676324DEST_PATH_IMAGE090
表 示
Figure 435333DEST_PATH_IMAGE091
的实部、
Figure 112302DEST_PATH_IMAGE092
表示
Figure 346974DEST_PATH_IMAGE091
的虚部；
在时钟同源、本振同步和采集同步的条件下，以阵元0为基准，通过阵元0和阵元n 两阵元的相位差
Figure 174116DEST_PATH_IMAGE093
，得到群时延误差
Figure 381106DEST_PATH_IMAGE094
，其中的相位差采用如下公式：
Figure 760135DEST_PATH_IMAGE026
Figure 357470DEST_PATH_IMAGE027
群时延误差为：
Figure 316198DEST_PATH_IMAGE072
本振相位误差为：
Figure 174433DEST_PATH_IMAGE029
具体步骤为：
先以
Figure 632352DEST_PATH_IMAGE063
的校准信号
Figure 576038DEST_PATH_IMAGE095
，得到本振相位误差
Figure 72878DEST_PATH_IMAGE064
，由：
Figure 547219DEST_PATH_IMAGE067
Figure 785433DEST_PATH_IMAGE068
再以带宽内
Figure 352681DEST_PATH_IMAGE069
的校准信号
Figure 713255DEST_PATH_IMAGE070
，得到群时延误差
Figure 506899DEST_PATH_IMAGE025
，由：
Figure 407859DEST_PATH_IMAGE071
Figure 298454DEST_PATH_IMAGE072
Figure 569DEST_PATH_IMAGE073
多阵元的校准过程中，以阵元0为基准，会得到多个群时延误差和本振相位误差， 因为时延校准只能为正值，因此需要找到群时延误差最小值
Figure 406142DEST_PATH_IMAGE096
，并将其反向值
Figure 314055DEST_PATH_IMAGE097
加 到每个阵元的群时延误差中，这样就可以实现所有阵元的正向群时延，各阵元的群时延校 准值为：
Figure 731261DEST_PATH_IMAGE098
其中n为阵元号，
Figure 495955DEST_PATH_IMAGE099
为阵元0和阵元n的群时延误差，
Figure 998612DEST_PATH_IMAGE100
是阵元n的 群时延校准值。
群时延校准
群时延校准分为整数时延校准和小数时延校准。
整数时延校准以周期为
Figure 179057DEST_PATH_IMAGE101
的参考时钟为基准，调节整数倍时延。阵元n将接收到 的校准数据
Figure 106562DEST_PATH_IMAGE102
缓存到RAM中，默认从地址0为起始地址读取RAM中的校准数据，整数时延 示意图如图4所示。
阵元n的群时延校准值
Figure 651944DEST_PATH_IMAGE103
，则整数时延校准倍数
Figure 969793DEST_PATH_IMAGE104
为:
Figure 16246DEST_PATH_IMAGE105
其中fix函数为截位取整函数。
整数时延校准值
Figure 909509DEST_PATH_IMAGE106
为：
Figure 953689DEST_PATH_IMAGE107
校准开始时，起始地址移动
Figure 821151DEST_PATH_IMAGE104
，读取缓存在RAM中的校准数据，达到时延校准
Figure 281082DEST_PATH_IMAGE108
。
整数时延校准的精度
Figure 855283DEST_PATH_IMAGE109
为：
Figure 132680DEST_PATH_IMAGE110
小数时延校准精度为
Figure 831646DEST_PATH_IMAGE111
，以周期为
Figure 423164DEST_PATH_IMAGE112
的参考时钟为基准，将参考周期分为N份， 计算滤波器系数，对应生成N组系数：
Figure 648609DEST_PATH_IMAGE113
滤波器阶数为M，生成N组滤波器系数。
阵元n的群时延校准值
Figure 972274DEST_PATH_IMAGE103
，根据整数时延校准计算出整数时延校准值
Figure 548749DEST_PATH_IMAGE108
，则小数时延对应的滤波器系数组号
Figure 678379DEST_PATH_IMAGE114
为：
Figure 397811DEST_PATH_IMAGE115
其中round函数为四舍五入取整函数。
小数时延校准值
Figure 17012DEST_PATH_IMAGE116
为：
Figure 18466DEST_PATH_IMAGE117
将接收到的校准数据
Figure 358311DEST_PATH_IMAGE102
接入滤波器，加载第
Figure 823928DEST_PATH_IMAGE114
组的系数到滤波器中，完成 小数时延校准
Figure 489395DEST_PATH_IMAGE116
。
小数时延d有一定的范围
Figure 712566DEST_PATH_IMAGE118
，然后每个系数就是d的N阶多项式，则滤波 器的冲击响应
Figure 511895DEST_PATH_IMAGE119
如下式所示：
Figure 441805DEST_PATH_IMAGE120
其中
Figure 340491DEST_PATH_IMAGE121
为实数系数，N为多项式阶数也即参考周期份数N，d为小数时延参数，M 为滤波器阶数。则滤波器的传输函数
Figure 378854DEST_PATH_IMAGE122
为：
Figure 839265DEST_PATH_IMAGE123
其中
Figure 951577DEST_PATH_IMAGE124
由上式结果分析，滤波器的系统传输函数
Figure 83481DEST_PATH_IMAGE125
可看成由N个M阶传输函数为
Figure 218928DEST_PATH_IMAGE126
的滤波器组输出的加权和。
滤波器的系数可以以几个固定长度的滤波器以并行的形式，通过小数时延d的幂指数来产生，如图11所示，这种多项式的方法意味着原型滤波器可以以经典滤波器的设计方法来完成。得到原型滤波器之后，那么小数延时滤波器的系数就可以通过d的N阶多项式来确定。
具体的，如图2所示，滤波器系数组个数为17，将clk的周期分为17份，以1/17的精度进行小数时延校准。
本振相位校准，以完成群时延校准后的阵元0为基准，获取群时延校准后各阵元的 相位误差
Figure 297742DEST_PATH_IMAGE127
值，得到各阵元需补偿的相位补偿值，根据补偿值补偿各阵元的本振相位，完成 相位校准，包括如下过程：
以群时延校准后的阵元0为基准，得到群时延校准后的阵元的相位误差
Figure 326878DEST_PATH_IMAGE127
，对各阵 元补偿相位补偿
Figure 239470DEST_PATH_IMAGE127
，阵元的接收信号为：
Figure 252426DEST_PATH_IMAGE128
相位补偿
Figure 541456DEST_PATH_IMAGE127
后，接收信号变为：
Figure 628360DEST_PATH_IMAGE129
根据欧拉公式：
Figure 102067DEST_PATH_IMAGE130
通过产生
Figure 445062DEST_PATH_IMAGE127
的sin信号和cos信号，与接收信号相乘，实现本振相位校准。
具体的实施例，如图3所示为本发明的方法所采用的系统方案示意图，本发明的主 要流程为，校准单元的校准网络原理如图8所示，校准单元的校准信号源发射
Figure 865679DEST_PATH_IMAGE131
的校 准信号
Figure 869407DEST_PATH_IMAGE132
，通过本振加DA组成的变频发射模块，经校准耦合口连接到各阵元的T/R组件， 通过阵元中本振加AD组成的变频采集模块，进行下变频处理和数据采集，恢复出的中频数 字信号
Figure 389381DEST_PATH_IMAGE133
。校准单元通过数据采集模块得到
Figure 49032DEST_PATH_IMAGE134
等各阵元的数据，由FFT运算 模块做快速傅立叶变换得到
Figure 804499DEST_PATH_IMAGE135
等各阵元的相位，通过相位测量模块，以阵元0为基 准，测量出各阵元与基准阵元的相位差 QUOTE
Figure 803679DEST_PATH_IMAGE136
Figure 619188DEST_PATH_IMAGE136
。通过发射
Figure 500556DEST_PATH_IMAGE137
等不同频率的校 准信号
Figure 200659DEST_PATH_IMAGE138
，重复以上步骤，在校准单元的群时延校准值模块和本振相位校准值模块，计算 得到群时延误差
Figure 116662DEST_PATH_IMAGE139
和本振相位误差
Figure 103073DEST_PATH_IMAGE140
，找出群时延误差最小值
Figure 176465DEST_PATH_IMAGE141
，将其反向值
Figure 476996DEST_PATH_IMAGE142
加到每个阵元的群时延误差中，得到各阵元的群时延校准值
Figure 44244DEST_PATH_IMAGE143
,校准单元再次采集 当前数据，得到各阵元的本振相位校准值
Figure 342501DEST_PATH_IMAGE144
。将其传到对应阵元的整数时延校准单 元和小数时延校准单元组成的群时延校准单元，和对应阵元的本振相位校准单元中，从而 使各阵元的相位和基准阵元保持一致，实现相位一致性。
为了更详细的说明本发明的实际应用方式和效果，本发明将结合具体的应用设备来进行说明，系统硬件组成如图5所示。
本例的应用设备为64阵列单元的数字相控阵天线，相控阵天线结构如图10所示，以3.3GHz为中心频点，100M信号带宽，通过本发明的相位测量和校准方法，完成校准后的64阵元相位一致性小于1°。系统主要包括天线阵子、通道收发组件、校准单元、主控模块和功分模块。其中天线阵子和通道收发组件构成阵列单元，作为数字相控阵天线的基本组成单元。
天线阵子：负责收发频段内3.3GHz～3.4GHz的无线信号收发。
通道收发组件：由射频信号处理单元和T/R组件单元组成。工作模式为TDD，根据时序要求切换收发状态。射频信号处理单元完成收发数据的校准补偿，基带信号的采集和数模转换，中频到射频的上下变频处理，通过高速收发器和外部实现数据交互。T/R组件单元完成发射信号的功率调整，接收信号的低噪放增益控制和耦合校准信号，通道收发组件的射频信号处理单元组成如图6所示，通道收发组件的T/R组件单元组成如图7所示，。
校准单元：作为相位测量和校准的核心单元，通过采集不同通道的数据，得到相位差信息，计算出校准数据传给主控模块，由主控板下发给各通道，完成校准。
主控模块：与用户界面交互，可提供各模块的监控信号，完成健康管理。可随机采集各通道的数据流，并将其导出到外部设备，方便数据分析。通过与外部数据接口对接，实现收发数据流的高速传输，主控模块的组成如图9所示。
功分模块：包括校准微带功分器和天线安装反射板。校准微带功分器，由多个微带功分器组成，完成天线和校准口的耦合信号功分，保证其到校准单元的信号功率适配，实现与校准单元的反馈网络。天线安装反射板，则负责与天线阵子的安装定位。
具体实施例的流程如下所示：
1)校准单元信号源发射频率为
Figure 198461DEST_PATH_IMAGE145
的直流信号，校准耦合口输出3.3GHz的 射频信号，以阵元0为基准，采集两个阵元的数据，得到它们的本振相位误差
Figure 99421DEST_PATH_IMAGE146
，采集63次 后得到63个本振相位误差的数据表；
2)校准单元信号源发射频率为
Figure 927700DEST_PATH_IMAGE147
的单音信号，校准耦合口输出 3.30048GHz的射频信号，以阵元0为基准，采集两个阵元的数据，得到本次测量的相位误差 QUOTE
Figure 459175DEST_PATH_IMAGE136
Figure 599170DEST_PATH_IMAGE136
，采集63次后与步骤1中的
Figure 179187DEST_PATH_IMAGE148
数据表做差值，得到63个群时延误差
Figure 924289DEST_PATH_IMAGE149
。找出63 个
Figure 423403DEST_PATH_IMAGE139
中的最小值
Figure 690174DEST_PATH_IMAGE141
，此值为负值，表示该对应阵元的绝对群时延最大，以此阵元为基 准，其余阵元的群时延校准值为各群时延误差
Figure 136199DEST_PATH_IMAGE149
与反向
Figure 63704DEST_PATH_IMAGE141
之和
Figure 609086DEST_PATH_IMAGE150
，将其传回给各阵 元的群时延校准单元，各阵元将其分解为整数时延和小数时延补偿到路径中；
3)校准单元发射频率为
Figure 661356DEST_PATH_IMAGE151
的单音信号，校准耦合口输出3.30096GHz 的射频信号，重复步骤2，得到各阵元频点3.30096GHz的群时延校准值，并补偿到路径中；
4)校准单元发射频率为
Figure 707809DEST_PATH_IMAGE152
的单音信号，校准耦合口输出3.30384GHz 的射频信号，重复步骤2，得到各阵元频点3.30384GHz的群时延校准值，并补偿到路径中；
5)校准单元发射频率为
Figure 365186DEST_PATH_IMAGE153
的单音信号，校准耦合口输出3.30768GHz 的射频信号，重复步骤2，得到各阵元频点3.30768GHz的群时延校准值，并补偿到路径中；
6)以上步骤将带宽内多个频点的群时延校准后，再将步骤1得到的本振相位误差
Figure 409366DEST_PATH_IMAGE127
，传给各阵元的本振相位校准单元，补偿到路径后，自此相位测量和校准完成。
7)校准单元发射任意带宽内的频点信号，外部接口同步导出接收信号，经数据处理可得到各阵元信号的相位差，此时相位差在1°以内，达到相位一致性。
8)外部信号源发射任意带宽内的频点信号，外部接口同步导出接收信号，经数据处理可得到各阵元信号的相位差，此时相位差在1°以内，达到相位一致性。
表1本发明方案校准前和校准后的相位差数据
Figure 745669DEST_PATH_IMAGE154
表1为本发明方案的校准前和校准后的相位差数据，根据测试结果对比，证明本发明的相位测量和校准方法，可实现阵元间的相位一致性。
本发明在天线本身系统外，增加高度集成化的测试系统，在数字校准法基础上，优化数字处理算法，可快速获得高精度的相位差信息。在小数时延数字滤波器基础上，创新性加入拉格朗日插值法，实现最高精度可达ps级的小数校准。以多单音的测量流程，切换多频点信号，实现宽带信号的相位校准。该法成本低廉，占用资源小，稳定可靠，算法简单，易实现，可快速实时地达到高精度的校准。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当理解本发明并非局限于本文所披露的形式，不应看作是对其他实施例的排除，而可用于各种其他组合、修改和环境，并能够在本文所述构想范围内，通过上述教导或相关领域的技术或知识进行改动。而本领域人员所进行的改动和变化不脱离本发明的精神和范围，则都应在本发明所附权利要求的保护范围内。

Claims (6)

1.一种数字相控阵天线的相位测量和校准方法，其特征在于，包括如下步骤：
步骤一，设定校准信号
Figure 204098DEST_PATH_IMAGE001
，经过阵元0后，得到信号
Figure 386818DEST_PATH_IMAGE002
，采集信号
Figure 432134DEST_PATH_IMAGE002
样本点，通过快速傅里叶变换得到阵元0的相位
Figure 358502DEST_PATH_IMAGE003
；同理得到除阵元0外任一阵元n的相位
Figure 438453DEST_PATH_IMAGE004
；
步骤二，在时钟同源、本振同步和采集同步的条件下，以阵元0为基准，通过阵元0和阵元n两阵元的相位差
Figure 526495DEST_PATH_IMAGE006
，得到群时延误差
Figure 59107DEST_PATH_IMAGE007
；其中的相位差采用如下公式：
Figure 523587DEST_PATH_IMAGE008
Figure 458045DEST_PATH_IMAGE010
群时延误差为：
Figure 716988DEST_PATH_IMAGE012
本振相位误差为：
Figure 748615DEST_PATH_IMAGE013
具体步骤为：
先以
Figure 751206DEST_PATH_IMAGE015
的校准信号
Figure 805750DEST_PATH_IMAGE016
，得到本振相位误差
Figure 501173DEST_PATH_IMAGE018
，由：
Figure 549081DEST_PATH_IMAGE022
Figure DEST_PATH_IMAGE001
再以带宽内
Figure 58877DEST_PATH_IMAGE026
的校准信号
Figure 53377DEST_PATH_IMAGE028
，得到群时延误差
Figure 397771DEST_PATH_IMAGE029
，由：
Figure 161328DEST_PATH_IMAGE031
Figure 198554DEST_PATH_IMAGE033
Figure 149192DEST_PATH_IMAGE035
；
步骤三，以阵元0为基准，得到多个群时延误差，将多个群时延误差中的最小值
Figure 297277DEST_PATH_IMAGE036
的反向值加到每个阵元的群时延误差中，得到各阵元的群时延校准值，利用群时延校准值对各阵元进行整数时延校准和小数时延校准，完成各阵元群时延校准；所述的整数时延校准是以周期为
Figure 180919DEST_PATH_IMAGE038
的参考时钟为基准，阵元n将接收到的校准数据
Figure 389047DEST_PATH_IMAGE040
缓存在RAM中，读取校准数据时，以RAM地址0为起始地址；根据阵元n的群时延校准值得到整数时延校准倍数，将该阵元读取校准数据的起始地址，从地址0移动整数时延校准倍数个地址，完成阵元整数时延校准，同理，完成所有阵元的整数时延校准，即完成整数时延校准；
所述的小数时延校准是以周期为
Figure DEST_PATH_IMAGE042
的参考时钟为基准，将参考周期分为N份，计算滤波器系数，对应生成N组系数；通过群时延校准值，得到小数时延对应的滤波器系数组号
Figure 358140DEST_PATH_IMAGE044
，开始校准时，将接收到的校准数据
Figure 44336DEST_PATH_IMAGE046
接入滤波器，加载小数时延对应的滤波器系数到滤波器中，完成小数时延校准；
步骤四，完成群时延校准后，以完成群时延校准后的阵元0为基准，获取群时延校准后各阵元的相位误差
Figure 516906DEST_PATH_IMAGE047
值，根据
Figure 895934DEST_PATH_IMAGE047
值补偿各阵元的相位，完成相位校准。
2.根据权利要求1所述的一种数字相控阵天线的相位测量和校准方法，其特征在于，所述的校准信号
Figure DEST_PATH_IMAGE048
采用如下公式：
Figure 352324DEST_PATH_IMAGE049
其中：ω为信号频率；θ为信号相位；A为信号幅度，幅度值A保持不变；
经过阵元0后，信号
Figure 842211DEST_PATH_IMAGE048
变为
Figure 169287DEST_PATH_IMAGE051
：
Figure 719217DEST_PATH_IMAGE053
其中
Figure 397323DEST_PATH_IMAGE054
为阵元0群时延误差，
Figure 690901DEST_PATH_IMAGE055
为阵元0本振相位误差；
将阵元0的信号
Figure DEST_PATH_IMAGE056
样本点，通过快速傅立叶变换得到阵元0的本振相位
Figure 403642DEST_PATH_IMAGE057
：
Figure 858894DEST_PATH_IMAGE059
同理，阵元n的本振相位：
Figure 24296DEST_PATH_IMAGE061
，
其中
Figure DEST_PATH_IMAGE062
为阵元n群时延误差，
Figure 387145DEST_PATH_IMAGE063
为阵元n本振相位误差；公式中的
Figure 954392DEST_PATH_IMAGE065
表示
Figure 580546DEST_PATH_IMAGE067
的实部、
Figure 233244DEST_PATH_IMAGE069
表示
Figure 868624DEST_PATH_IMAGE071
的虚部。
3.根据权利要求1所述的一种数字相控阵天线的相位测量和校准方法，其特征在于，在以阵元0为基准，得到多个群时延误差，将多个群时延误差中的最小值
Figure 24799DEST_PATH_IMAGE036
的反向值加到每个阵元的群时延误差中，得到各阵元的群时延校准值，各阵元的群时延校准值采用如下公式：
将多个群时延误差中的最小值
Figure DEST_PATH_IMAGE072
的反向值加到每个阵元的群时延误差中，得到的各阵元的群时延校准值为：
Figure DEST_PATH_IMAGE074
其中n为阵元号，
Figure 618592DEST_PATH_IMAGE076
为阵元0和阵元n的群时延误差，
Figure 758586DEST_PATH_IMAGE078
是阵元n的群时延校准值。
4.根据权利要求1所述的一种数字相控阵天线的相位测量和校准方法，其特征在于，以完成群时延校准后的阵元0为基准，获取群时延校准后各阵元的相位误差
Figure 197658DEST_PATH_IMAGE047
值，得到各阵元需补偿的相位补偿值，根据补偿值补偿各阵元的本振相位，完成相位校准，包括如下过程：
以群时延校准后的阵元0为基准，得到各群时延校准后阵元的相位误差
Figure 473918DEST_PATH_IMAGE047
，对各阵元补偿相位补偿
Figure DEST_PATH_IMAGE079
，阵元的接收信号为：
Figure DEST_PATH_IMAGE081
相位补偿
Figure 238612DEST_PATH_IMAGE047
后，接收信号变为：
Figure DEST_PATH_IMAGE083
根据欧拉公式：
Figure 961254DEST_PATH_IMAGE001
通过产生
Figure 865902DEST_PATH_IMAGE079
的
Figure DEST_PATH_IMAGE087
信号和
Figure 863323DEST_PATH_IMAGE001
信号，与接收信号相乘，实现本振相位校准。
5.根据权利要求1所述的一种数字相控阵天线的相位测量和校准方法，其特征在于，所述的整数时延校准倍数为：阵元n的群时延校准值为
Figure DEST_PATH_IMAGE091
，则整数时延校准倍数
Figure DEST_PATH_IMAGE093
为:
Figure DEST_PATH_IMAGE095
其中fix函数为截位取整函数；
则整数时延校准值
Figure DEST_PATH_IMAGE097
为：
Figure DEST_PATH_IMAGE099
校准开始时，从起始地址移动整数时延校准倍数
Figure 702140DEST_PATH_IMAGE093
个地址，该地址为阵元n新的起始地址，完成整数时延校准；
所述的滤波器系数组的个数N为：
Figure 832907DEST_PATH_IMAGE101
其中的
Figure 237344DEST_PATH_IMAGE103
为小数时延校准精度，
Figure 86351DEST_PATH_IMAGE105
为参考时钟周期；
根据群时延校准得到的整数时延校准值
Figure DEST_PATH_IMAGE106
，则小数时延对应的滤波器系数组号
Figure DEST_PATH_IMAGE108
为：
Figure 132804DEST_PATH_IMAGE110
其中round函数为四舍五入取整函数；
小数时延校准值
Figure 383657DEST_PATH_IMAGE112
为：
Figure DEST_PATH_IMAGE002
将接收到的校准数据
Figure 295298DEST_PATH_IMAGE116
接入滤波器，加载第
Figure DEST_PATH_IMAGE003
组的系数到滤波器中，完成小数时延校准。
6.根据权利要求1所述的一种数字相控阵天线的相位测量和校准方法，其特征在于，滤波器的系统传输函数为如下公式：
小数时延参数d的范围为
Figure DEST_PATH_IMAGE119
，每组滤波器系数是d的N阶多项式，则滤波器的冲击响应
Figure DEST_PATH_IMAGE121
如下式所示：
Figure 411022DEST_PATH_IMAGE123
其中
Figure 250802DEST_PATH_IMAGE125
为实数系数，参考周期分为N份也即为多项式阶数N，d为小数时延参数，M为滤波器阶数，则滤波器的系统传输函数
Figure DEST_PATH_IMAGE127
为：
Figure DEST_PATH_IMAGE129
其中
Figure DEST_PATH_IMAGE131
。
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