CN113534070B - 多波段空馈射频信号收发装置及强度计算与测定方法 - Google Patents

多波段空馈射频信号收发装置及强度计算与测定方法 Download PDF

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Abstract

本发明属于雷达标校领域，具体涉及一种多波段空馈射频信号收发装置及强度计算与测定方法。包括天线组合和收发组件电路；天线组合包括天线A和天线B两个宽带标准增益喇叭天线；收发组件电路集成了多个波段的射频信号收发功能，每个波段都具有两个信号端口，每个端口各自连接一个环流器，且每个环流器均具备输入输出功能；收发组件电路同时具有两个信号通道，分别实现接收和发射功能。本发明给出了双向传播链路的增益强度计算方法以及该装置的电路增益精确测试方法；该装置可以安装在飞机、高塔等升高平台上，与信号模拟器、信号源等无线传输形成链路闭环，完成雷达静态标校和动态标校，具备无需射频电缆链接、体重小、重量轻、简单经济等优点。

Description

多波段空馈射频信号收发装置及强度计算与测定方法
技术领域
本发明属于雷达标校领域，具体涉及一种多波段空馈射频信号收发装置及强度计算与测定方法。
背景技术
雷达标校是雷达研制和日常维护中重要的验证其正常工作的手段和方法。
雷达对目标的测量精度决定着其作战使用效能，因此需对雷达进行定期不定期的标校消除测量误差。雷达的测量误差包括系统误差和随机误差，随机误差主要和信噪比有关且不可消除，系统误差与安装误差、平台变形、机电轴误差及导航误差等相关，可以通过与真值比对得到并加以消除。雷达标校即是标定系统误差加以消除并进行验证的过程。传统的标校手段包括：
(1)利用大飞机搭载GPS检飞
该方式下，飞机、雷达和基准站各放置差分GPS，飞机按照规划航路飞行，雷达对军机进行观测，事后通过比较雷达测量值和飞机的GPS真值信息得到测量误差。该方法可以全距离、全方位标定雷达的测量误差，但是需要协调相关飞机和空域，时间周期长，不利于雷达经常性标校。
(2)建设标校塔，利用模拟信号源对雷达进行标校
该方式下，将信号源或者雷达模拟器置于标校塔上，雷达接收信号源发出的信号或者先发射再接收模拟器转发的雷达信号，通过处理得到测量值，需塔上源的真值数据比较得到测量误差。标校塔的建设选址需满足天线远场距离，塔高度需考虑多路径效应，可以满足固定站雷达的标校需求，且塔的建设和维护成本比较高。
(3)移动标校车
移动标校车一般由标校源和升降装置组成，通过测量升降杆顶部的信号源的信号，得到测量误差。移动标校车的升高一般在60米左右，可以满足架高较低雷达的使用，由于移动标校车只能架设在相对平台的地面上，使用起来有一定的局限性，针对码头、港口等湾区，移动标校车不能完成全方位的标校。同时标校车的维护至少需要三人以上，维护成本比较高。
以上三种标校方式都存在着较大的不足，近年来，采用多旋翼无人机搭载信号源或者雷达模拟器的方法也开始越来越多的应用，具有可以动态部署，使用方便，简单经济等特点。
无论是采用高塔、标校车还是多旋翼无人机，都需要在上面放置信号源或信号模拟器，这些专用设备价格昂贵，具有一定的体积和重量，特别是多旋翼无人机标校时，由于体积和重量较大搭载起来难度很大，且具有非常大的风险。专利 CN2017101335379公开了一种基于无线射频中继传输技术的雷达标定方法与系统，其中公开了一种包括雷达和被测目标的无线射频中继传输雷达标定系统，所述系统还包括射频中继传输处理任务载荷，其中射频中继传输处理任务载荷可进行搭载，从而进行雷达的标校，但是专利中没有给出射频中继传输处理任务载荷的具体的结构、处理电路，更没有给出如何进行强度和计算和测定。
之前是提了一个一般性的原理，但是并没有针对任务载荷装置的一个具体设计和实现。
发明内容
本发明的目的在于提供一种多波段空馈射频信号收发装置及强度计算与测定方法。
实现本发明目的的技术解决方案为：一种多波段空馈射频信号收发装置，用于雷达标校，包括天线组合和收发组件电路；
天线组合包括天线A和天线B两个宽带标准增益喇叭天线；
收发组件电路集成了多个波段的射频信号收发功能，每个波段都具有两个信号端口，每个端口各自连接一个环流器，且每个环流器均具备输入输出功能；收发组件电路同时具有两个信号通道，分别实现接收和发射功能。
进一步的，每个波段的两个端口之间并联设置的两个信号通道为接收通道和发射通道；
接收通道包括滤波器和可调衰减器，接收时，信号通过接收通道滤波、可调衰减器增益控制后通过环流器送到A天线接收端；
发射通道包括带通滤波器和可调增益放大器，发射时，转发的信号通过发射通道滤波、放大处理后经过B天线喇叭辐射至空间，供雷达测量使用。
一种上述的收发装置的发射通道链路信号强度计算方法，具体如下：
根据功率＝功率密度*面积，可得
其中，Pr为G1天线两口径功率密度，/>为平台接收天线接收功率；S1为G1天线等效口径；
根据天线口径＝天线增益*波长的平方/4π，可得
其中G1为平台接收天线增益，λ为波长；
根据辐射功率密度＝发射功率*天线增益/球面积，可得
P为信号源发射功率，G为地面天线增益，h为平台距地面高度，单位m；
经过组件放大后得到
其中/>为平台发射功率，A为收发组件增益；
由式(1)、(2)、(3)、(4)得到
对式(5)取对数
一种上述的收发装置的双通道链路信号强度计算方法，具体如下：双通道链路强度计算示意图见图3，其中Pt、Gt分别为雷达发射功率和天线增益； B为衰减器衰减幅度；R为平台距雷达的距离；h为平台距地面高度；Pr为雷达信号在装置右侧天线处的功率密度；Pr′为模拟器输入端的信号功率。
根据辐射功率密度＝发射功率*天线增益/球面积可得
其中，Pr为雷达信号在装置右侧天线处的功率密度，Pt、Gt分别为雷达发射功率和天线增益,R为平台距雷达的距离；
根据功率＝功率密度*面积可得：
其中/>为雷达信号在装置右侧天线处的功率；S2为G2天线等效口径；
根据天线口径＝天线增益*波长的平方/4π，可得
其中G2为平台发射天线增益，λ为波长；
其中B为衰减器衰减幅度，/>为雷达信号在装置右侧天线处的功率，/>为雷达信号在进入收发装置右侧天线经过衰减器及左侧喇叭后的功率；
根据天线口径＝天线增益*波长的平方/4π，可得
其中S为信号源喇叭的等效口径
其中/>为雷达信号在进入收发装置右侧天线经过衰减器及左侧喇叭后的功率密度，/>为雷达信号在进入右侧天线经过衰减器及左侧喇叭后的功率
所以
综合(7)～(13)可得出：
对上式取对数，得到Pr'＝Pt+Gt+G2+4λ+G1+G-4·(4π)-2h-2R；其中，Pr′为模拟器输入端的信号功率。
一种上述的收发装置的强度测定方法，包括如下步骤：
步骤(1)：信号源频率依次设置需要测试的频点，设置信号形式；
步骤(2)：对每个频点，分别将电平设置为-30dB、-20dB、-10dB、0dB,按信号源和频谱仪之间通过5dB衰减器与多波段空馈射频信号收发装置相连接的方式进行测试，通过频谱仪读取功率值依次为P1、P2、P3、P4；
按信号源和频谱仪之间通过5dB衰减器与转接器相连接的方式进行测试，通过频谱仪读取功率值依次为P1′、P2′、P3′、P4′；
步骤(3)：收发装置在该频点的增益计算如下：
[(P1-P1′)+(P2-P2′)+(P3-P3′)+(P4-P4′)]/4。
本发明与现有技术相比，其显著优点在于：
(1)该装置可以安装在飞机、高塔等升高平台上，与信号模拟器、信号源等无线传输形成链路闭环，完成雷达静态标校和动态标校，具备无需射频电缆链接、体重小、重量轻、简单经济等优点。
(2)本发明的收发装置，集成了多个波段的射频信号收发功能，实现了对多个波段的收发、衰减及放大。
(3)本发明的收发装置，通过在每个波段的两个端口均设置环流器，并采用宽带标准增益喇叭天线，实现了采用两个天线实现了两端的收发功能。
(4)本发明结合该装置及雷达标校的应用，给出了双向传播链路的增益强度计算方法以及该装置的电路增益精确测试方法。
附图说明
图1为本发明的多波段空馈射频信号收发装置原理图。
图2为本发明的发射通道链路强度计算示意图。
图3为本发明的双通道链路信号强度计算示意图。
图4为本发明的通道增益测试连接方式示意图。
图5为本发明的通道增益校正连接方式示意图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作进一步详细描述。
1.多波段空馈射频信号收发装置
多波段空馈射频信号收发装置由天线组合、收发组件电路组成。其中，天线组合包括天线A和B两个喇叭天线组成，天线A和B采用宽带标准增益喇叭天线。
收发组件电路实现信号的接收和转发功能,该模块由接收通道、发射通道和环形器模块、带通滤波器、可调衰减器、可调增益放大器等组成。接收时，信号通过接收通道滤波、可调衰减器增益控制后通过环形器送到A天线接收端。发射时，转发的信号通过发射通道滤波、放大等处理后经过B喇叭辐射至空间，供雷达测量使用。工作原理框图如图1所示。
2.传播链路信号强度计算
(1)发射通道链路信号强度计算(用于绘制天线波瓣图、释放干扰，地面信号模拟器/信号源发射通过收发装置处理后雷达接收)
发射通道链路强度计算示意图见图2，其中P为信号源发射功率；G2为平台发射天线增益；Pr为G1天线两口径功率密度；h为平台高度(m)；G为地面天线增益；A为收发组件增益；为平台发射功率；G1为平台接收天线增益；/>为平台接收天线接收功率；S1为G1天线等效口径。
计算方法：
根据功率＝功率密度*面积可得
根据天线口径(天线有效面积)＝天线增益*波长的平方/4π可得
根据辐射功率密度＝发射功率*天线增益/球面积可得
经过组件放大后得到
综合(1)、(2)、(3)、(4)得到
取对数(10log)
(2)双通道链路信号强度计算(用于模拟运动标校，B天线先接收被测设备信号，通过延时后，再发送给被测设备)
双通道链路强度计算示意图见图3，其中Pt、Gt分别为雷达发射功率和天线增益；B为衰减器衰减幅度；R为平台距雷达的距离；h为平台距地面高度；Pr为雷达信号在P2天线处的功率密度；Pr′为模拟器输入端的信号功率。
有以下公式：
所以
综合(7)～(13)可知
换成对数后Pr'＝Pt+Gt+G2+4λ+G1+G-4·(4π)-2h-2R
3.装置强度测定方法
强度测定测试方法见图4和5。
测定步骤：
(1)信号源频率依次设置需要测试的频点，设置信号形式；
(2)对每个频点，分别将电平设置为-30dB、-20dB、-10dB、0dB，按图4 进行测试，通过频谱仪读取功率值依次为P1、P2、P3、P4；按图5进行测试，通过频谱仪读取功率值依次为P1′、P2′、P3′、P4′；
(3)装置在该频点的增益计算如下:
[(P1-P1′)+(P2-P2′)+(P3-P3′)+(P4-P4′)]/4；
装置集成了多个波段的射频信号收发功能，每个波段都具有两个信号端口，端口各自连接一个环形器，且均具备输入输出功能；同时具有两个信号通道，分别实现接收和发射功能，具有线性放大功能，放大增益可调。结合该装置及雷达标校的应用，给出了双向传播链路的增益强度计算方法以及该装置的电路增益精确测试方法。

Claims (3)

1.一种多波段空馈射频信号收发装置的发射通道链路信号强度计算方法，其特征在于，多波段空馈射频信号收发装置用于雷达标校，包括天线组合和收发组件电路；
天线组合包括天线A和天线B两个宽带标准增益喇叭天线；
收发组件电路集成了多个波段的射频信号收发功能，每个波段都具有两个信号端口，每个端口各自连接一个环流器，且每个环流器均具备输入输出功能；收发组件电路同时具有两个信号通道，分别实现接收和发射功能；
每个波段的两个端口之间并联设置的两个信号通道为接收通道和发射通道；
接收通道包括滤波器和可调衰减器，接收时，信号通过接收通道滤波、可调衰减器增益控制后通过环流器送到A天线接收端；
发射通道包括带通滤波器和可调增益放大器，发射时，转发的信号通过发射通道滤波、放大处理后经过B天线喇叭辐射至空间，供雷达测量使用；
方法具体如下：
根据功率＝功率密度*面积，可得
其中，Pr为G1天线口径功率密度，/>为平台接收天线接收功率；S1为G1天线等效口径，即天线有效面积；
根据天线口径＝天线增益*波长的平方/4π，可得
其中G1为平台接收天线增益，λ为波长；
根据辐射功率密度＝发射功率*天线增益/球面积，可得
P为信号源发射功率密度，G为地面天线增益，h为平台距地面高度，单位m；
经过组件放大后得到
其中/>为平台发射功率，A为收发组件增益；
由式(1)、(2)、(3)、(4)得到
对式(5)取对数
2.一种多波段空馈射频信号收发装置的双通道链路信号强度计算方法，其特征在于，多波段空馈射频信号收发装置用于雷达标校，包括天线组合和收发组件电路；
天线组合包括天线A和天线B两个宽带标准增益喇叭天线；
收发组件电路集成了多个波段的射频信号收发功能，每个波段都具有两个信号端口，每个端口各自连接一个环流器，且每个环流器均具备输入输出功能；收发组件电路同时具有两个信号通道，分别实现接收和发射功能；
每个波段的两个端口之间并联设置的两个信号通道为接收通道和发射通道；
接收通道包括滤波器和可调衰减器，接收时，信号通过接收通道滤波、可调衰减器增益控制后通过环流器送到A天线接收端；
发射通道包括带通滤波器和可调增益放大器，发射时，转发的信号通过发射通道滤波、放大处理后经过B天线喇叭辐射至空间，供雷达测量使用；
方法具体如下：
根据辐射功率密度＝发射功率*天线增益/球面积可得
其中，Pr为雷达信号在装置右侧天线处的功率密度，Pt、Gt分别为雷达发射功率和天线增益,R为平台距雷达的距离；
根据功率＝功率密度*面积可得：
其中/>为雷达信号在装置右侧天线处的功率；S2为G2天线等效口径；
根据天线口径＝天线增益*波长的平方/4π，可得
其中G2为平台发射天线增益，λ为波长；
其中B为衰减器衰减幅度，/>为雷达信号在装置右侧天线处的功率，/>为雷达信号在进入收发装置右侧天线经过衰减器及左侧喇叭后的功率；
根据天线口径＝天线增益*波长的平方/4π，可得
其中S为信号源喇叭的等效口径
其中/>为雷达信号在进入收发装置右侧天线经过衰减器及左侧喇叭后的功率密度，/>为雷达信号在进入收发装置右侧天线经过衰减器及左侧喇叭后的功率
所以
综合(7)～(13)可得出：
对上式取对数，得到P’r＝Pt+Gt+G2+4λ+G1+G-4·(4π)-2h-2R；
其中，Pr′为模拟器输入端的信号功率。
3.一种多波段空馈射频信号收发装置的强度测定方法，其特征在于，多波段空馈射频信号收发装置用于雷达标校，包括天线组合和收发组件电路；
天线组合包括天线A和天线B两个宽带标准增益喇叭天线；
收发组件电路集成了多个波段的射频信号收发功能，每个波段都具有两个信号端口，每个端口各自连接一个环流器，且每个环流器均具备输入输出功能；收发组件电路同时具有两个信号通道，分别实现接收和发射功能；
每个波段的两个端口之间并联设置的两个信号通道为接收通道和发射通道；
接收通道包括滤波器和可调衰减器，接收时，信号通过接收通道滤波、可调衰减器增益控制后通过环流器送到A天线接收端；
发射通道包括带通滤波器和可调增益放大器，发射时，转发的信号通过发射通道滤波、放大处理后经过B天线喇叭辐射至空间，供雷达测量使用；
方法包括如下步骤：
步骤(1)：信号源频率依次设置需要测试的频点，设置信号形式；
步骤(2)：对每个频点，分别将电平设置为-30dB、-20dB、-10dB、0dB,按信号源和频谱仪之间通过5dB衰减器与多波段空馈射频信号收发装置相连接的方式进行测试，通过频谱仪读取功率值依次为P1、P2、P3、P4；
按信号源和频谱仪之间通过5dB衰减器与转接器相连接的方式进行测试，通过频谱仪读取功率值依次为P1′、P2′、P3′、P4′；
步骤(3)：收发装置在该频点的增益计算如下：
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