CN114866125A - 一种paf接收机的波束扫描方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种PAF接收机的波束扫描方法，该方法首先在PAF接收机每个阵元后级依次连接一个移相器、衰减器和高速射频开关，通过对阵列中不同区域内子阵对应阵元后级的高速射频开关进行调制，以实现不同区域子阵的激励，再将各路信号合路至功分器并输出，以实现PAF接收机在不同扫描角度下的信号接收功能。移相器及衰减器用作均匀分布各路信号幅度与相位，之后通过设计各子阵对应阵元的时序信号，控制各阵元对应高速射频开关的工作时间，以此达到激励阵列中不同位置子阵的目的，实现了各子阵合成波束相位中心的平移。该方法在使用时仅需调控各子阵对应的高速射频开关通断，便可实现合成波束相位中心的移动，从而进一步实现了PAF接收机子阵合成波束经射电望远镜反射后对不同天区的波束扫描功能。

Description

一种PAF接收机的波束扫描方法

技术领域

本发明涉及一种PAF接收机的波束扫描方法，专门用于射电天文领域相控阵馈源接收机的合成波束扫描技术。

背景技术

射电望远镜可以利用其高灵敏度及分辨率对微弱的射电源进行观测，但由于望远镜的波束宽度有限，在相应天区形成的波束立体角非常小，对于需要开展大范围的巡天观测仍需要花费相当的时间。改善上述情况最佳的方式就是增加望远镜的视场。对于传统单波束接收机来说，射电望远镜的视场实际就是望远镜的半功率波束宽度。

一个简便的增加射电望远镜视场的方法是在现有的射电望远镜的焦平面上放置多个馈源，组成焦平面阵列，也就是多波束技术。这种方法现已广泛应用于射电天文接收机系统中，其工作频段可达亚毫米波段。澳大利亚于1997年在Parkes 64米射电望远镜安装的13波束接收机(21厘米波段)是世界范围内第一台多波束接收机，主要用于开展中性氢及脉冲星巡天观测。与传统单波束相比，多波束接收机可以实现焦面场上多个阵列接收机同时工作。根据系统组成不同，多波束接收机又分为焦平面阵列馈源和相控阵馈源两种形式。

相控阵馈源(Phased array feed,PAF)是阵列天线在射电天文领域的一种特殊应用，即是将平面阵列天线以矩形或者六边形排布的、放置于射电望远镜焦面场位置的一个小型相控阵。通过使用阵列后级的波束合成网络，按照一定算法调控各阵元的幅度和相位，综合多个阵元用以实现更为灵活的波束赋形及波束扫描功能。目前，射电天文领域比较前沿的大科学工程，例如平方公里阵(SKA)、500米口径球面射电望远镜(FAST)，包括世界范围内在建及拟建的大口径射电望远镜工程团队，均在积极开展PAF接收机的技术研发工作，尤其是主焦放置的L波段相控阵馈源。

焦平面阵列馈源由于馈源物理尺寸的限制而相互分离，无法在观测天区形成连续的视场。与焦平面阵列馈源接收机不同，PAF接收机借助数字波束合成技术可实现阵元复用功能，使得合成后相邻的波束相互交叠，从而实现了连续的视场覆盖，理论上可激励所有阵元瞬时形成若干个连续的波束以覆盖整个视场范围。

虽然数字波束合成系统功能强大，但对于当前主流设计的上百阵元的PAF接收机来说，具备同等数量高速数据处理能力的百路数字波束合成终端价格昂贵、功耗极大，且性能较高的终端仍需依赖国外进口。因此，大部分PAF接收机研发机构仍采用模拟或者部分数字的波束合成方法。效仿相控阵波束的电扫描方式，PAF接收机是在拟定的射电望远镜视场的基础上设计PAF阵列，以此确定阵列的尺寸，利用PAF阵列对应区域的不同子阵合成波束，由于相控阵馈源接收到的信号需要经过反射面，因此不同子阵合成的波束指向了不同的天区，即实现了在整个射电望远镜视场范围内的波束扫描。与相控阵的波束扫描时相位中心不变不同，相控阵馈源的波束扫描是通过移动子阵波束的相位中心而实现的。

发明内容

本发明的目的在于，提供一种PAF接收机的波束扫描方法，该方法首先在PAF接收机每个阵元后级依次连接一个移相器、衰减器和高速射频开关，通过对阵列中不同区域内子阵对应阵元后级的高速射频开关进行调制，以实现不同区域子阵的激励，再将各路信号合路至功分器并输出，以实现PAF接收机在不同扫描角度下的信号接收功能。其中，移相器及衰减器用作均匀分布各路信号幅度与相位，之后通过设计各子阵对应阵元的时序信号，控制各阵元对应高速射频开关的工作时间，以此达到激励阵列中不同位置子阵的目的，从而实现了各子阵合成波束相位中心的平移。该方法在使用时仅需调控各子阵对应的高速射频开关通断，便可实现合成波束相位中心的移动，从而进一步实现了PAF接收机子阵合成波束经射电望远镜反射后对不同天区的波束扫描功能。

本发明所述的一种PAF接收机的波束扫描方法，该方法通过在PAF接收机每个阵元后级依次连接一个移相器、衰减器，以及高速射频开关，之后将阵列中不同区域子阵对应的阵元信号经高速射频开关调制后汇总至功分器，并最终输出一路由子阵波束合成后的PAF接收机信号，具体操作按下列步骤进行：

a、测试PAF接收机各个阵元在对应工作频率下输出信号的相位，使用各阵元链路上的移相器将各路信号调整为相位相等；

b、待步骤a完成后，在PAF接收机各阵元链路的移相器处于工作状态下，测试PAF接收机各个阵元在对应工作频率下添加移相器后输出信号的幅度，使用各阵元链路上的衰减器将各路信号调整为幅度相等；

c、待步骤b完成后，在PAF接收机各阵元链路的移相器、衰减器均处于工作状态下，按照需求的波束方向图设计各子阵的阵元开关闭合时间序列，控制PAF接收机各子阵阵元链路后级的高速射频开关，调制各子阵阵元在一个周期范围内的工作时间；

d、步骤c完成后，将PAF接收机经过高速射频开关调制后的各子阵的阵元信号合路至功分器，并最终输出一路满足预设方向图需求的子阵合成波束，该波束经反射面后会形成不同指向的子阵合成方向图，以实现PAF接收机的波束扫描。

本发明所述的一种PAF接收机的波束扫描方法，该方法中：

所述的移相器，仅用于将PAF接收机阵列各阵元输出信号的相位调整为一致，为后级链路提供多路等相位角度的信号；由于阵列在实际加工之后，各阵元输出的信号存在一定差异，这和加工精度、馈电端口焊接、接头性能等均有关系，因此导致各路信号相位不一致。本发明所述的移相器正是为了在实际应用中解决各路相位差，而并非传统模拟波束合成网络中用于调控各阵元输出信号的相位间隔固定度数、实现合成后的波束相位中心不变但波束方向改变的功能。

所述的衰减器，仅用于将PAF接收机阵列各阵元输出信号的幅度调整为一致，为后级链路提供多路等幅度的信号；原因如同上段移相器内容中所述，主要用于在实际应用中将阵列各路信号幅度调整为等幅度值，而并非传统模拟波束合成网络中用于调控各阵元输出信号的幅度、实现合成不同需求波束的功能。

所述的高速射频开关，是本发明所述方法中的核心器件，PAF接收机最终合成所需的方向图的各路信号激励即是通过高速射频开关实现的。阵列的各路信号经移相器和衰减器调整为等幅同相信号后，通过为各子阵后级连接的高速射频开关引入一个开关闭合时间序列，调制各子阵阵元在一个周期范围内工作时间，以此对各子阵阵元信号的幅度增加了一项时间控制因子，将各子阵阵元的幅度激励转变为时间激励，再经功分器合成时间激励后的各子阵信号以实现子阵合成方向图相位中心的移动，各子阵合成后的波束最终经反射面后实现了PAF接收机的波束扫描功能。

本发明所述的一种PAF接收机的波束扫描方法，其优点在于：各子阵阵元在波束合成时的赋权激励无需依赖移相器和衰减器，仅需使用设计好的时间序列控制各子阵阵元高速射频开关通断，即可实现各子阵阵元信号幅度的精确激励，以实现各子阵合成方向图相位中心的移动，并最终实现PAF接收机的波束扫描功能。本发明很好解决了由于移相器及衰减器精度不够而造成的各路激励赋权误差，尤其是在合成子阵方向图时，传统模拟波束合成系统既需要衰减器可实现较大的幅度动态范围，还需要衰减器有较快的响应速度以实现快速控制，这在实际衰减器选型中很难实现；而本方法则可以通过引入时间序列精确控制各子阵阵元高速射频开关的通断时间，以实现各子阵阵元信号精确的幅度调控，使得最终子阵方向图的合成具备更加准确及快速的响应，很好的应用于射电天文领域PAF接收机的波束扫描功能。

附图说明

图1为本发明流程图。

图2为16阵元PAF线阵中子阵1合成-25dB泰勒分布时序控制图。

图3为16阵元PAF线阵中九种8阵元子阵结合25米反射面合成方向图。

具体实施方式

实施例

本发明所述的一种PAF接收机的波束扫描方法，该方法通过在PAF接收机每个阵元后级依次连接一个移相器、衰减器，以及高速射频开关，之后将阵列中不同区域子阵对应的阵元信号经高速射频开关调制后汇总至功分器，并最终输出一路由子阵波束合成后的PAF接收机信号，具体操作按下列步骤进行：

a、测试PAF接收机各个阵元在对应工作频率下输出信号的相位，使用各阵元链路上的移相器将各路信号调整为相位相等；

b、待步骤a完成后，在PAF接收机各阵元链路的移相器处于工作状态下，测试PAF接收机各个阵元在对应工作频率下添加移相器后输出信号的幅度，使用各阵元链路上的衰减器将各路信号调整为幅度相等；

c、待步骤b完成后，在PAF接收机各阵元链路的移相器、衰减器均处于工作状态下，按照需求的波束方向图设计各子阵的阵元开关闭合时间序列，控制PAF接收机各子阵阵元链路后级的高速射频开关，调制各子阵阵元在一个周期范围内的工作时间，以此达到控制各子阵阵元激励、移动合成波束相位中心的目的；

d、步骤c完成后，将PAF接收机经过高速射频开关调制后的各子阵的阵元信号合路至功分器，并最终输出一路满足预设方向图需求的子阵合成波束，该波束经反射面后会形成不同指向的子阵合成方向图，以实现PAF接收机的波束扫描；

参见图2和图3，通过对阵列中不同区域内子阵对应阵元后级的高速射频开关进行调制，以实现不同区域子阵的激励，再将各路信号合路至功分器并输出，以实现PAF接收机在不同扫描角度下的信号接收功能，具体操作按下列步骤进行：

a、使用矢量网络分析仪测试16阵元线阵PAF接收机在1.25GHz工作频率下各阵元输出信号的相位，使用各阵元链路上的移相器将各路信号调整为相位相等；

b、步骤a完成后，在PAF接收机各阵元链路的移相器处于工作状态下，使用矢量网络分析仪测试16阵元线阵PAF接收机在1.25GHz工作频率下各阵元添加移相器后输出信号的幅度，使用各阵元链路上的衰减器将各路信号调整为幅度相等；

c、步骤b完成后，在16阵元线阵PAF接收机各阵元链路的移相器、衰减器均处于工作状态下，按照-25dB旁瓣泰勒分布需求，如图2所示，将子阵1中1到8号阵元的高速射频开关开启时间分别设置为0.37、0.58、0.84、1、1、0.84、0.58、0.37个周期，其余9到16号阵元对应的高速射频开关为关闭状态，即均为0个周期，控制PAF接收机各阵元链路后级的高速射频开关，按照上述时间序列调制各阵元在一个周期范围内工作时间，以此达到控制子阵1中8个阵元激励、实现子阵1合成-25dB旁瓣泰勒分布波束的需求；当需要子阵2合成波束时，将2到9号阵元的高速射频开关开启时间同样分别设置为0.37、0.58、0.84、1、1、0.84、0.58、0.37个周期，其余1、10-16号阵元对应的高速射频开关为关闭状态，即均为0个周期，以此类推至子阵9(9-16号阵元)；

d、步骤c完成后，将16阵元线阵PAF接收机经各路高速射频开关调制后的信号合路至功分器1分16，并最终输出一路满足不同波束相位中心需求的合成信号，以实现PAF阵列合成波束的相位中心在水平方向的移动，由于PAF接收机的波束需要通过射电望远镜(反射面)反射，PAF阵列合成波束相位中心的平移，将使得最终经射电望远镜反射后的波束指向了不同的天区，从而实现了PAF接收机的波束扫描功能；图3为16阵元PAF线阵中九种8阵元子阵结合25米反射面的合成方向图，从图中可以看到九个子阵合成后的波束偏移角度分别为-4.2°、-3.8°、-2°、-1.2°、-0.6°、1.2°、1.9°、2.5°、3.5°，也就是说该PAF接收机结合25米射电望远镜可实现在水平方向天区内-4.2到3.5°范围内的波束扫描功能。

本发明所述的一种PAF接收机的波束扫描方法，该方法无需依赖移相器及较难实现大幅度动态范围的衰减器，仅需使用设计好的时间序列控制各子阵阵元后级高速射频开关的通断，即可达到各子阵阵元信号幅度的精确激励的目的，使得各子阵合成波束相位中心平移，进而控制PAF接收机合成波束经射电望远镜反射后指向不同的天区，最终实现了PAF接收机的波束扫描功能。

Claims (1)

1.一种PAF接收机的波束扫描方法，其特征在于该方法通过在PAF接收机每个阵元后级依次连接一个移相器、衰减器，以及高速射频开关，之后将阵列中不同区域子阵对应的阵元信号经高速射频开关调制后汇总至功分器，并最终输出一路由子阵波束合成后的PAF接收机信号，具体操作按下列步骤进行：

a、测试PAF接收机各个阵元在对应工作频率下输出信号的相位，使用各阵元链路上的移相器将各路信号调整为相位相等；

b、待步骤a完成后，在PAF接收机各阵元链路的移相器处于工作状态下，测试PAF接收机各个阵元在对应工作频率下添加移相器后输出信号的幅度，使用各阵元链路上的衰减器将各路信号调整为幅度相等；

c、待步骤b完成后，在PAF接收机各阵元链路的移相器、衰减器均处于工作状态下，按照需求的波束方向图设计各子阵的阵元开关闭合时间序列，控制PAF接收机各子阵阵元链路后级的高速射频开关，调制各子阵阵元在一个周期范围内的工作时间；

d、步骤c完成后，将PAF接收机经过高速射频开关调制后的各子阵的阵元信号合路至功分器，并最终输出一路满足预设方向图需求的子阵合成波束，该波束经反射面后会形成不同指向的子阵合成方向图，以实现PAF接收机的波束扫描。

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