CN112804016B - 一种模数混合收发共用体制宽带相控阵天线自校准方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种模数混合收发共用体制宽带相控阵天线自校准方法，利用天线阵面馈电口耦合的信号进行收发信号闭环校准，通过使用同一个校准源作参考获得通道间的相对幅相和时延，实现多通道同时校准，提高校准效率，可以进行采样同步、通道幅相校准。本发明解决采样同步问题，实现模数混合收发共用体制宽带相控阵天线自校准，提高自校准效率，同时降低硬件开销。

Description

一种模数混合收发共用体制宽带相控阵天线自校准方法

技术领域

本发明属于宽带相控阵天线领域，具体涉及一种模数混合收发共用体制宽带相控阵天线自校准方法。

背景技术

宽带相控阵天线包含大规模收发通道，因芯片、PCB材料工艺等原因，各通道幅度相位存在偏差，出厂前一般需在专业实验室使用外置校准系统对各通道幅度相位进行测量，根据测量数据计算出不同波束指向下各收发通道的初始波控码并存入波束控制器，供使用时调用。随着时间推移，芯片和PCB等会不同程度的老化，各通道幅度相位会产生偏差，从而降低整个宽带相控阵天线的性能。若宽带相控阵天线集成自校准系统，则可以在外场自行校准各通道幅度相位，恢复出厂性能状态，也可结合健康管理功能即时发现失效通道并进行维修。集成自校准系统会显著增加宽带相控阵天线的硬件开销和成本，针对发射模拟、接收一维数字体制的宽带相控阵天线，目前尚无有效的自校准方法。

发明内容

本发明的目的在于提供一种模数混合收发共用体制宽带相控阵天线自校准方法，提高设备使用效率，可以与设备健康管理功能集成，改善设备维修性。

实现本发明目的的技术解决方案为：一种模数混合收发共用体制宽带相控阵天线自校准方法，发射为模拟阵，接收为方位一维数字、俯仰模拟阵，阵列规模M行×N列，所述宽带相控阵天线包括天线阵面、二级串馈网络、收发通道、列向功分网络、行向功分网络、上变频通道、下变频通道、宽带信号源、采样通道、波束控制器，利用天线阵面馈电口耦合的信号进行收发信号闭环校准，通过使用同一个校准源作参考获得通道间的相对幅相和时延，包括发射自校准和接收自校准。

本发明与现有技术相比，其显著优点在于：在发射自校准时复用宽带信号源、上变频通道、下变频通道及两个采样通道，在接收自校准时复用宽带信号源、上变频通道、全部的下变频通道和采样通道，数据处理和存储复用波束控制器。整个自校准系统除二级串馈网络是增加的额外模块外，仅在部分模块增加复用切换开关，在极为有限的额外硬件开销下，实现模数混合收发共用体制宽带相控阵天线的幅相时延自校准。同时在接收自校准时提出一种校准策略，提高校准效率，以16×16规模的相控阵天线为例，因行向同时校准，加上额外的对角线通道校准，校准次数由256次减少到17次，有效提高了自校准的效率。

附图说明

图1为本发明发射自校准原理图。

图2为接收自校准原理图。

图3为接收自校准策略示意图，其中图（a）为行向校准，图（b）为列向校准。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步详细描述。

结合图1~图3，所述宽带相控阵天线收发共用，发射为模拟阵，接收为方位一维数字、俯仰模拟阵，阵列规模M行×N列，以M=8，N=5为例说明。

所述宽带相控阵天线分为发射工作模式、接收工作模式、发射自校准模式、接收自校准模式和待机模式共5种工作模式。

所述宽带相控阵天线包括天线阵面、二级串馈网络、收发通道、列向功分网络、行向功分网络、上变频通道、下变频通道、宽带信号源、采样通道、波束控制器。

所述天线阵面由8行×5列天线单元组成，每个天线单元对应1个收发通道，用于将发射通道输出的导行波发射至自由空间，或用于接收自由空间的电磁波并转化为接收通道输入的导行波。

所述二级串馈网络用于按预定比例耦合校准信号而不对与所述天线阵面间传输的收发信号造成影响，其中第一级串馈将5列中，每列向8个收发通道的信号按设计比例耦合并按列向各合成1路，共计5路，第二级串馈将所述一级串馈合成的1路共计5路行向信号合成1路，所述二级串馈网络将所有收发通道的信号耦合合成1路至串馈网络公共端。

优选的，所述二级串馈网络为无源组件，每个耦合端口至串馈网络公共端的插损和相位延迟可提前测量，较有源组件其插损和相位延迟基本不随时间变化，第i行第j列的幅度衰减、相位延迟、时间时延表示为(A_ij)_coup、(φ_ij)_coup和(τ_ij)_coup。

所述收发通道主要包括收发切换开关、发射功率放大器、发射大功率隔离器、驱动放大器、限幅器、低噪声放大器、调幅调相器等。

优选的，每个所述收发通道内共8×5个功率放大器和8×5个低噪声放大器均可独立控制开关。

所述5个列向功分网络为并联功分网络，将所有收发通道按列向各自合成1路信号，共计5路；所述1个行向功分网络也为并联功分网络，将5个列向功分网络合成为1路。发射通道与接收通道共用所述列向功分网络，所述行向功分网络仅为发射工作模式使用。

所述宽带信号源作为发射激励中频信号产生的源，可以产生所述宽带相控阵天线工作所需的中频激励信号，也可在所述发射/接收自校准模式下产生自校准中频信号。

所述上变频通道包括本振源，用于将所述宽带信号源产生的发射激励中频信号/自校准中频信号上变频至射频。

所述下变频通道共5个，与所述上变频通道共用本振源，用于在所述接收工作模式下，将所述5个列向功分网络输出的接收射频信号下变频至中频；也可在所述发射自校准模式下，使用第5个下变频通道将所述串馈网络公共端输出的自校准射频信号下变频至中频。

所述采样通道共计5个，用于在所述接收工作模式下，将5个下变频通道输出的中频信号量化，也用于在所述发射自校准模式下将第5个下变频通道输出的自校准中频信号量化。

所述数字多波束处理器在所述接收工作模式下，接收所述5个采样通道的量化数据，通过数字多波束形成算法得到不同波位的接收信号；在所述接收自校准模式下对5个采样通道的量化数据进行FFT得到5个校准信号的幅度相位，通过时域对比得到通道间的相对时延差值，进行采样同步校准；在所述发射自校准模式下使用当前采样通道的量化数据进行FFT，得到当前校准信号的幅度相位。

所述波束控制板用于在出厂前存储所述收发通道的初始波控码，根据模拟波束形成原理按要求形成对应指向的波束；波束控制板控制所述发射/接收自校准模式的工作流程，对所述宽带相控阵天线进行健康管理，并存储自校准数据，用于修正初始波控码。第i行第j列的幅度衰减、相位延迟、时间时延补偿值初始值表示为：发射幅度补偿值(A_ij)_comp-T、发射相位补偿值(φ_ij) _comp-T、发射时延补偿值(τ_ij) _comp-T，接收幅度补偿值(A_ij)_comp-R、接收相位补偿值(φ_ij) _comp-R和接收时延补偿值(τ_ij) _comp-R。

所述宽带相控阵天线发射工作模式时为全模拟宽带相控阵天线体制，使用传统模拟波束形成原理，使用1个宽带信号源产生中频激励信号，经1个上变频通道变频至射频，经1分5的行向功分网络功分为5路，再经各列的共计8个列项功分网络分为8路馈入收发通道，经放大、移相、时延后通过天线阵面发射至自由空间。

所述宽带相控阵天线接收工作模式时为俯仰向/列向一维模拟宽带相控阵体制，使用模拟波束形成原理，方位向/行向一维数字宽带相控阵体制，使用数字多波束形成原理。阵面接收的空间电磁波进入收发通道，经放大、移相、时延后，经每列8合1的列向功分网络合成1路射频，5列共计5路射频信号，分别经对应的共计5个下变频通道、5个采样通道进入波束控制器的数字多波束处理模块，形成设计的数字波束。

所述收发通道自校准包括对发射通道和接收通道的幅度与相位的自校准，以及接收多通道采样同步的自校准。

优选的，所述宽带相控阵天线收发通道自校准方法在发射自校准模式下，发射自校准中频信号按波束控制器设置的幅度从宽带信号源产生，经上变频通道、行向功分网络、5个列向功分网络馈入8×5个收发通道。在波束控制器的控制下，某一时刻只有1路收发通道功率放大器打开，该功率放大器的输出发射自校准射频信号经对应天线单元辐射至自由空间，而同时发射自校准射频信号的部分能量经二级串馈网络耦合出并从串馈网络公共端输出至第i个下变频通道。耦合出的发射自校准射频信号经第j个采样通道后进入数字多波束处理器进行FFT得到发射自校准中频信号的瞬时幅度与相位，通过时域采样点数测量得到瞬时信号时延，第i行第j列的瞬时幅度、相位以及时延分别表示为(A_ij)_inst-T、(φ_ij)_inst-T和(τ_ij)_inst-T。在此同时对宽带信号源耦合出的中频信号进行采样，该信号作为基准信号，测量得到发射中频信号的瞬时幅度、相位和时延，第i行第j列的瞬时幅度、相位以及时延基准分别表示为(A_ij)_inst-I、(φ_ij)_inst-I和(τ_ij)_inst-I。对应通道幅相、时延与中频信号对应参数作差得到发射自校准回路的幅度相位时延差值，遍历8×5个收发通道得到8×5个发射自校准回路的幅度相位时延差值：

(A_ij)_rel-T=(A_ij)_inst-T-(A_ij)_inst-I

(φ_ij)_rel-T=(φ_ij)_inst-T-(φ_ij)_inst-I

(τ_ij)_rel-T=(τ_ij)_inst-T-(τ_ij)_inst-I

发射自校准回路的幅度相位时延差值减去二级串馈网络对应耦合端口到串馈网络公共端的插损、相位延迟和时间时延，得到当前各收发通道在发射模式下的幅度、相位、时延差值分别为：

(A_ij)'_rel-T=(A_ij)_rel-T -(A_ij)_coup

(φ_ij)'_rel-T=(φ_ij)_rel-T-(φ_ij)_coup

(τ_ij)'_rel-T=(τ_ij)_rel-T-(τ_ij) _coup

通道间的相对幅相、时延由下式计算：

Δ(A_ij)_rel-T=(A_ij)'_rel-T-min((A_ij)'_rel-T)

Δ(φ_ij)_rel-T=(φ_ij)'_rel-T

Δ(τ_ij)_rel-T=(τ_ij)'_rel-T-min((τ_ij)'_rel-T)

通过计算得出使得8×5个幅度相位差值保持一致所需的补偿值，与初始补偿值相加，得到校准后的发射工作模式下的新补偿值：

(A_ij)'_comp-T=(A_ij)_comp-T-Δ(A_ij)_rel-T

(φ_ij)'_comp-T=(φ_ij)_comp-T-Δ(φ_ij)_rel-T

(τ_ij)'_comp-T=(τ_ij)_comp-T-Δ(τ_ij)_rel-T

以新补偿值为目标设置相应的波控码，存入波束控制器。改变宽带信号源产生的发射自校准中频信号频率。重复上述步骤，可得到使用带宽内的所有新波控码。

优选的，宽带相控阵天线收发通道自校准方法在接收自校准模式下，接收自校准中频信号按波束控制器设置的幅度从宽带信号源产生，经上变频馈入二级串馈网络。波束控制器控制每一列同一行共5个低噪声放大器开启，接收自校准射频信号经二级串馈网络对应开启的收发通道耦合口进入收发通道，5路接收自校准射频信号经对应的下变频通道进入对应采样通道，经量化后输入数字多波束处理器进行FFT运算，得出5路接收自校准信号的瞬时幅度相位，经时域测量得瞬时时延。按列向遍历8次得第i行第j列的瞬时幅度、相位、时延表示为(A_ij)_inst-R、(φ_ij)_inst-R和(τ_ij)_inst-R，注意到不同行的相位因每次参考信号的初相位不同而存在不同的固定差值，记为Δ(φ_i)_inst-R，按提出的一种接收自校准策略，将8×5的阵列按5×5和4×5的规模分为A、B两个区域，其中A区域覆盖第1行至第5行，B区域覆盖第5行和第8行，沿A区域阵列从(1,1)通道到(5,5)通道对角线方向控制通道开启，同时测量对角线通道的瞬时相位，再沿B区域阵列从(5,5)通道到(8,1)通道对角线方向控制通道开启，同时测量对角线通道的瞬时相位，以两条相邻对角线交点的(5,5)通道相位为基准，求得不同行间的相位固定差值Δ(φ_i)_inst-R。通道间的相对幅相、时延由下式计算：

Δ(A_ij)_rel-R=(A_ij) _inst-R -min((A_ij) _inst-R-(A_ij)_coup)

Δ(φ_ij)_rel-R=(φ_ij)_inst-R -Δ(φ_i)_inst-R-(φ_ij)_coup

Δ(τ_ij)_rel-R=(τ_ij) _inst-R -min((τ_ij) _inst-R-(τ_ij) _coup)

通过计算得出使得8×5个幅度相位差值保持一致所需的补偿值，与初始补偿值相加，得到校准后的接收工作模式下的新补偿值：

(A_ij)'_comp-R=(A_ij)_comp-R-Δ(A_ij)_rel-R

(φ_ij)'_comp-R=(φ_ij)_comp-R-Δ(φ_ij)_rel-R

(τ_ij)'_comp-R=(τ_ij)_comp-R-Δ(τ_ij)_rel-R

以新补偿值为目标设置相应的波控码，存入波束控制器。改变宽带信号源产生的接收自校准中频信号频率。重复上述步骤，可得到使用带宽内的所有新波控码。

优选的，本发明专利的优点在于，各收发通道时延采用时域法，即将基准信号采样数据与校准信号采样数据对比，按其第一个峰值采样点的序号差值，乘以采样间隔，得到整数倍采样间隔的时间时延，该时延测量精度为1个采样间隔；再利用测得的精确相位值，补偿相位对应的小数位采样间隔的时延得到精确的收发通道时延测量值。

优选的，本发明专利的优点在于，宽带相控阵天线收发自校准方法在硬件上增加了发射/接收自校准模式使用的二级串馈网络，该网络为无源组件，成本较低，可靠性较高；在第1个下变频通道、第1、2采样通道的输入端和上变频通道的输出端增加切换开关；在宽带信号源输出端增加耦合器；在波束控制器中增加额外存储空间用于存储发射/接收自校准模式产生的补偿码，在波控软件中增加发射/接收自校准模式和健康管理子程序。实现自校准额外增加的硬件设备有限，成本低。

本发明与现有技术相比，解决了针对发射模拟、接收一维数字阵体制数字模拟混合体制宽带相控阵天线的幅度、相位、时延同时自校准问题，因多个模块在发射/接收工作模式与发射/接收自校准模式分时共用，额外硬件开销较小，额外成本较低，提出一种接收自校准策略，有效提高校准效率。

Claims (3)

1.一种模数混合收发共用体制宽带相控阵天线自校准方法，发射天线为模拟阵，接收天线为方位一维数字、俯仰模拟阵，阵列规模M行×N列，所述宽带相控阵天线包括天线阵面、二级串馈网络、收发通道、列向功分网络、行向功分网络、上变频通道、下变频通道、宽带信号源、采样通道、波束控制器，其特征在于，包括发射自校准和接收自校准；

相控阵天线在发射工作模式下仅有一路宽带信号源和一路上变频通道，所述发射自校准具体如下：

复用该宽带信号源产生固定点频的发射自校准中频信号并分为两路，一路发射自校准中频信号经上变频通道馈入行向功分网络，再经列向功分网络馈入各发射通道；由波束控制器控制单个发射通道工作，发射自校准射频信号经二级串馈网络耦合出部分信号，经开关选通进入某个下变频通道，复用该下变频通道及其对应的采样通道，将发射自校准射频信号下变频并采样产生第一数字信号，送入波束控制器；另一路发射自校准中频信号经耦合出部分信号，经开关选通进入复用的另一个采样通道产生第二数字信号；在波束控制器中对第一数字信号和第二数字信号均进行时域测量和频域测量，两路数字信号的时间差即为当前校准通道的时间延迟，相位差即为当前校准通道的相位延迟，同时记录当前校准通道的幅度；利用预存的二级串馈网络的幅相时延校准表，计算得到当前发射通道实际发射幅度、相位延迟和时间延迟；重复上述过程直至遍历所有发射通道，得到当前校准频点的发射幅相时延表，通过调整发射通道内的衰减器、移相器、时延线的波控码，使该表趋于平坦，则完成当前频点的幅相时延校准；重复上述过程，直至遍历所有待测频点，完成相控阵天线的发射自校准，得到新的发射法向波束波控码。

2.根据权利要求1所述的模数混合收发共用体制宽带相控阵天线自校准方法，其特征在于，相控阵天线在接收工作模式下，相控阵天线中每列向分别对应一个下变频通道及该下变频通道对应的采样通道，共计N个下变频通道和N个采样通道，所述接收自校准具体如下：

复用宽带信号源产生固定点频的接收自校准中频信号，经复用的上变频通道再经开关选通进入二级串馈网络，由二级串馈网络功分并耦合部分信号；波束控制器控制当前开启同一行的接收通道，耦合出的部分信号经对应接收通道进入下变频通道，再经对应采样通道输出当前行向接收通道的数字信号，在波束控制器中进行时域和频域测量；遍历所有行后，再导通对角线的接收通道，重复上述过程，利用对角线的接收通道时域、频域测量结果，消除每一行接收通道不同时测量造成的初始相差差异，结合预存的二级串馈网络幅相时延校准表，最终得到与发射自校准相似的接收幅相时延表，校准该表得到当前频点的新波控码；重复上述过程，直至遍历所有待测频点，完成相控阵天线的接收自校准，得到新的接收法向波束波控码。

3.根据权利要求2所述的模数混合收发共用体制宽带相控阵天线自校准方法，其特征在于，所述接收自校准，具体如下：

阵列规模为M行×N列，若接收时每列合成1路输出，若M≥N，则M=k*(N-1)+(p+1)，k为正整数，p为整数，且p≤N-1，则接收自校准时可将阵列分为列向分布的k+1个区域，其中两两区域间有1行公共通道，前k个区域阵列规模均为N*N，第k+1个区域阵列规模为(p+1)*N，则遍历所有行向通道测量后，再分k+1次分别导通每个区域的对角线通道，以保证每次测量每列不超过1个通道导通，并使得相邻区域导通的对角线通道有且只有1个公共通道，显然导通的通道连线为S形直角折线，目的是使用公共通道消除相邻2次导通的对角线通道的初始相位差，消除该初始相差后又借用对角线通道的相对相差消除遍历每行向测量相位时的初始相差；若M＜N，同理，但对角线的所有通道同时导通而不至于在当次测量中每列超过1个通道导通；

若接收时每行向合成1路输出，若N≥M，则N=k*(M-1)+(p+1)，k为正整数，p为整数，且p≤M-1，则接收自校准时可将阵列分为行向分布的k+1个区域，其中两两区域间有1列公共通道，前k个区域阵列规模均为M*M，第k+1个区域阵列规模为(p+1)*M，则遍历所有列向通道测量后，再分k+1次分别导通每个区域的对角线通道，以保证每次测量每行不超过1个通道导通，并使得相邻区域导通的对角线通道有且只有1个公共通道，显然导通的通道连线为S形直角折线，目的是使用公共通道消除相邻2次导通的对角线通道的初始相位差，消除该初始相差后又借用对角线通道的相对相差消除遍历每行向测量相位时的初始相差；若M＞N，同理，但对角线的所有通道同时导通而不至于在当次测量中每行超过1个通道导通。

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