CN117826089A - 一种相位校准结构、雷达相位校准组件及校准方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种相位校准结构、雷达相位校准组件及校准方法，该相位校准结构包括鉴相器以及与鉴相器的任一输入端电连接的移相器；鉴相器的另一输入端加载有第一输入信号，任一输入端加载有第二输入信号与移相信号叠加生成的移相后信号；鉴相器的输出端生成移相信号。本发明实施例提供了相位校准结构、雷达相位校准组件及校准方法，其中该相位校准结构采用鉴相器并设置在任一输入端，进而使原加载于鉴相器两端的相位差的绝对值计算出现差异；同时根据差异情况下鉴相器的输出电压，从而确定上述相位差的具体值，实现了采用简单精确的方式完成雷达辐射器的相位校准。
Description
技术领域
本发明涉及有源相控雷达收发机校准的技术领域，尤其涉及一种相位校准结构、雷达相位校准组件及校准方法。
背景技术
相控阵雷达是由大量相同的辐射单元组成的雷达面阵，每个辐射单元在相位和幅度上独立受波控和移相器控制，能得到精确可预测的辐射方向图和波束指向。有源相控阵雷达是相控阵雷达的一种。有源相控阵雷达的每个辐射器都配装有一个发射/接收组件，每一个组件都能自己产生、接收电磁波。其中有源相控阵雷达采用鉴相器进行相位测量，往往采用两个独立的射频或中频信号作为输入信号，例如将两个输入信号进行差异性操作；并且具体测量的过程中，鉴相器会存在以下的不足：
(1)仅能够测量0°～180°的相位差，难以满足-180°～180°的实际需要；
(2)进行测量的过程中，在接近0°以及180°的时候会出现非线性区域，导致测量的误差增大。
针对以上问题，现阶段可采用在输入侧添加电桥等装置，进而在实现差异性操作的同时，通过移相的方式使非线性区域发生移动，进而保证对原有非线性区域的准确测量。
但上述通过添加电桥以及鉴相器(如图1)的方式均存在一定程度的不足。采用电桥+鉴相器的方式虽然可以实现准确的移相，但是额外增加了器件，因此造成检测成本的提高，因此，需要一种简单而精确的相位校准方式。
发明内容
本发明提供一种相位校准结构、雷达相位校准组件及校准方法，目的在于简单而精确的实现雷达辐射器的相位校准。
第一方面，本发明实施例提供了一种相位校准结构，包括：鉴相器以及与鉴相器的任一输入端电连接的移相器；
鉴相器的另一输入端加载有第一输入信号，任一输入端加载有第二输入信号与移相信号叠加生成的移相后信号；鉴相器的输出端生成移相信号。
可选地，鉴相器为AD8032芯片。
可选地，移相信号可以通过以下公式得到：
其中，为第一输入信号，/>为第二输入信号，/>为移相后信号，/>为移相信号，θ为移相角度。
第二方面，本发明实施例提出了一种雷达相位校准组件，包括第一方面所提供的相位校准结构，还包括：
混频器，包括第一混频模块以及第二混频模块；
调振器，其第一输出端与第一混频模块的输入端连接；第二输出端与鉴相器的第一输入端连接；
收发模块，其输入端与第一混频模块的输出端连接，输出端与第二混频模块的输入端连接；
移相器，其输入端与第二混频模块连接，输出端与鉴相器的第二输入端连接。
可选地，混频器还包括有第三混频模块，混频器还包括有第三混频模块，第三混频模块的输入端连接移相器的输出端，第三混频模块的输出端连接鉴相器。
可选地，鉴相器的输出端连接有模数转换模块。
第三方面，本发明实施例提供了雷达相位校准方法，应用于第二方面所提供的雷达相位校准组件，包括：
根据调振器生成第一射频信号并加载到鉴相器的第一输入端；
混频发射本振信号与第一射频信号，得到升频信号，加载到收发器进行耦合，得到耦合信号；
混频耦合信号与第一接收本振信号，得到降频信号并通过移相器进行移相后，加载到鉴相器的第二输入端；
通过调整移相器所加载的移相数据，得到鉴相器的至少两个输出电压；
比较输出电压的差值，得到耦合信号与第一射频信号之间的相位差。
可选地，在加载到鉴相器的第二输入端之前，还包括：
与第二接收本振混频，进行二次降频。
本发明实施例提供了相位校准结构、雷达相位校准组件及校准方法，其中该相位校准结构采用鉴相器并设置在任一输入端，进而使原加载于鉴相器两端的相位差的绝对值计算出现差异；同时根据差异情况下鉴相器的输出电压，从而确定上述相位差的具体值，实现了采用简单精确的方式完成雷达辐射器的相位校准。
附图说明
图1为现阶段针对相位测量所采用的双电桥以及双鉴相器的结构原理图；
图2为本发明实施例提供的一种鉴相器对应的鉴相响应曲线；
图3是本发明实施例提供的一种相位校准结构的原理图；
图4是本发明实施例提供的一种雷达相位校准组件的结构示意图；
图5是本发明实施例提供的一种雷达相位校准方法的流程图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明作进一步的详细说明。可以理解的是，此处所描述的具体实施例仅仅用于解释本发明，而非对本发明的限定。另外还需要说明的是，为了便于描述，附图中仅示出了与本发明相关的部分而非全部结构。
现阶段在进行关于有源相控阵雷达的相位检测的过程中，针对鉴相器往往采用添加电桥以及鉴相器的方式，该方式虽然能够保证鉴相的准确性，但是由于额外增加了器件导致增加了成本，因而需要一种简单而精确的相位校准方式。
实施例一
本发明针对以上不足，提出一种相位校准结构，如图3所示，包括：鉴相器以及与所述鉴相器任一输入端电连接的移相器，所述鉴相器的另一输入端加载有第一输入信号RF1，所述任一输入端加载有第二输入信号RF2与移相信号叠加生成的移相后信号；所述鉴相器的输出端生成移相信号。
鉴相器可以选择单电源型电压反馈放大器，例如AD8032芯片，采用两输入单输出的方式。针对雷达相位检测，两信号通常会被选择为原射频信号以及经过收发模块对外工作后的射频信号，后者是前者依次通过升频以及降频操作而得到的，通过鉴相器进行相位校准。
其中移相信号可以通过以下公式得到：
其中，为第一输入信号，/>为第二输入信号，/>为移相后信号，/>为移相信号，θ为移相角度。
由式子(1)、(2)可以看到计算得到的是绝对值，因此需要进一步计算得到移相的正负值，以判断具体的相位关系。可选的方式包括但不限于通过移相器使原本两个信号之间的相位差发生偏移，获取当时的输出电压值；并且获取没有发生偏移下的输出电压值，根据两次电压值的差值，进而判断得到相位差的正负值。
图2为AD8032的鉴相响应曲线。通过该曲线可以得到电压值的差值与相位差值的关系。
例如，情况1：当移相角度θ＝0°，此时
情况2：移相角度为θ＝5.625°，此时
当V0＞V1时，则根据电压曲线可以判断相位差在图像的0°的右侧，反之，当V0＜V1时，可以判断相位差在图像的0°的左侧。
例如：当时且移相器没有移相的情况下，AD8032测试检测得到的鉴相器的相位差为45°，输出电压根据图2得到1400mv；
当且移相器移相5.625°时，AD8032测试得到的相位差为50.625°，输出电压根据图2得到1300mv；通过比较输出电压值(1400mv以及1300mv)，进而确认相位差为45°而不是-45°；
当且移相器没有移相的情况下，AD8032测试检测得到的鉴相器的相位差为45°，输出电压根据图2得到1400mv；
当且移相器移相5.625°时，AD8032测试检测得到的鉴相器的相位差为39.375°，输出电压根据图2得到1440mv；通过比较输出电压值(1400mv以及1440mv)，进而确认相位差为-45°而不是45°；因而可以得到相位差的实际情况。
此外，当相位差出现在0°以及±180°时会出现非线性的情况，进而导致上述判定方法并不适用，此时可以通过增大移相器角度的方式实现。
例如：当且移相器没有移相的情况下，AD8032测试检测得到的鉴相器的相位差为10°，输出电压根据图2得到1700mv；但是此时的测向误差为-4°，误差较大；这里需要补充的是，上述测向误差参照图2右侧坐标轴；
当的情况下，利用移相器移相90°，AD8032测试检测得到的鉴相器的相位差为100°，输出电压根据图2得到760mv；
当的情况下，利用移相器移相95.625°，AD8032测试检测得到的鉴相器的相位差为105.625°，输出电压根据图2得到720mv；
当且移相器没有移相的情况下，AD8032测试检测得到的鉴相器的相位差为10°，输出电压根据图2得到1700mv；但是此时的测向误差为-4°；
当的情况下，利用移相器移相90°，AD8032测试检测得到的鉴相器的相位差为80°，输出电压根据图2得到950mv，此时的测向误差为0.2°；
当的情况下，利用移相器移相95.625°，AD8032测试检测得到的鉴相器的相位差为85.625°，输出电压根据图2得到920mv；通过比较输出电压值(950mv以及920mv)，进而确认相位差为-10°而不是10°；
进而实现相位差为0°的检测，并且通过移相避免了测向误差过大。
同理当出现了±180°附近非线性的情况，例如当 且移相器没有移相的情况下，AD8032测试检测得到的鉴相器的相位差为170°，输出电压根据图2得到150mv，此时测向误差为4°，测向误差较大；
当的情况下，利用移相器移相90°，AD8032测试检测得到的鉴相器的相位差为100°，输出电压为800mv，此时的测向误差为0.2°；
当的情况下，利用移相器移相105.625°，AD8032测试检测得到的鉴相器的相位差为94.375°，输出电压为830mv；通过比较输出电压值(800mv以及830mv)，进而确认相位差为170°；
当且移相器没有移相的情况下，AD8032测试检测得到的鉴相器的相位差为170°，输出电压根据图2得到150mv，此时测向误差为4°，测向误差较大；
当的情况下，利用移相器移相90°，AD8032测试检测得到的鉴相器的相位差为80°，输出电压为930mv，此时的测向误差为0.2°；
当的情况下，利用移相器移相95.625°，AD8032测试检测得到的鉴相器的相位差为74.375°，输出电压为960mv，通过比较输出电压值(930mv以及960mv)，进而确认相位差为-170°。
本发明实施例提供了相位校准结构采用鉴相器并设置在任一输入端，进而使原加载于鉴相器两端的相位差的绝对值计算出现差异；同时根据差异情况下鉴相器的输出电压，从而确定上述相位差的具体值，实现了采用简单精确的方式完成雷达辐射器的相位校准。
实施例二
本发明实施例在实施例一的基础上，提出了一种雷达相位校准组件，如图4所示，包括实施例一提供的相位校准结构，还包括：
混频器，包括第一混频模块以及第二混频模块；
调振器，其第一输出端与所述第一混频模块的输入端连接；第二输出端与所述鉴相器的第一输入端连接；调振器产生射频信号并发送至第一混频模块，第一混频模块同时接收来自于外部本振频率源所发送的发射本振信号，并对两者进行混频以达到升频的目的，之后输入至收发模块；
收发模块，其输入端与所述第一混频模块的输出端连接，输出端与所述第二混频模块的输入端连接；收发模块对升频后的射频信号进行耦合；
同时，第二混频模块的作用在于将来自于接收频率源的接收本振信号与射频信号进行混频，目的在于对该路射频信号进行降频；
移相器，其输入端与第二混频模块连接，输出端与所述鉴相器的第二输入端连接。移相器通过外部控制器MCU，例如单片机、FPGA等部件进行控制，用以对降频后的射频信号进行调相操作。
这里需要补充的是，上述混频器还包括有第三混频模块，所述第三混频模块的输入端连接所述移相器的输出端，所述第三混频模块的输出端连接所述鉴相器。采用第三混频模块的作用在于将移相后的信号再次进行降频，这是由于采用二次降频能够在保证降频效果的同时，避免出现信号的杂扰。
另外，上述所述鉴相器的输出端连接有模数转换模块。输出电压值通过模数转换模块反馈加载到外部控制MCU中。
实施例三
本发明还提出了一种雷达相位校准方法，应用前述实施例所提供的雷达相位校准组件，如图5所示，包括：
S10：根据调振器生成第一射频信号并加载到鉴相器的第一输入端；这里需要说明的是，第一射频信号本身为低频信号，分别加载到混频器以及鉴相器以分别进行升频和比较；
S20：混频发射本振信号与所述第一射频信号，得到升频信号，加载到收发器进行耦合，得到耦合信号；升频的目的使为了满足收发模块在具体使用过程中的需要；
S30：混频所述耦合信号所述信号与第一接收本振信号，得到降频信号并通过移相器进行移相后，加载到所述鉴相器的第二输入端；由于耦合信号为高频率信号，因此无法直接用于鉴相器进行比较，因此采用混频器并利用外部频率源所发送的第一接收本振信号进行降频；
这里需要补充的是，有的情况下，可能一次降频不能降至可用的频率异或产生杂扰，因而需要进行二次降频；即：
S31：与所述第二接收本振混频，进行二次降频。
S40：通过调整移相器所加载的移相数据，得到所述鉴相器的至少两个输出电压；移相是通过外部的控制器，例如单片机、FPGA等进行控制。
S50：比较所述输出电压的差值，得到所述耦合信号与所述第一射频信号之间的相位差。
并且根据实际的情况，如果相位差在接近0°以及±180°的时候，为了避免出现测向误差，需要调整移相器使相位差移出上述区域。
本发明实施例所提供的一种雷达相位校准方法，采用与雷达相位校准组件相同的技术手段，达到相同的技术效果，这里不再赘述。
通过以上关于实施方式的描述，所属领域的技术人员可以清楚地了解到，本发明可借助软件及必需的通用硬件来实现，当然也可以通过硬件实现，但很多情况下前者是更佳的实施方式。基于这样的理解，本发明的技术方案本质上或者说对现有技术做出贡献的部分可以以软件产品的形式体现出来，该计算机软件产品可以存储在计算机可读存储介质中，如计算机的软盘、只读存储器(Read-Only Memory,ROM)、随机存取存储器(RandomAccess Memory,RAM)、闪存(FLASH)、硬盘或光盘等，包括若干指令用以使得一台计算机设备(可以是个人计算机，服务器，或者网络设备等)执行本发明各个实施例的方法。
值得注意的是，上述实施例中，所包括的各个单元和模块只是按照功能逻辑进行划分的，但并不局限于上述的划分，只要能够实现相应的功能即可；另外，各功能单元的具体名称也只是为了便于相互区分，并不用于限制本发明的保护范围。
虽然，上文中已经用一般性说明、具体实施方式及试验，对本发明作了详尽的描述，但在本发明基础上，可以对之作一些修改或改进，这对本领域技术人员而言是显而易见的。因此，在不偏离本发明精神的基础上所做的这些修改或改进，均属于本发明要求保护的范围。
Claims (8)
1.一种相位校准结构，其特征在于，包括：鉴相器以及与所述鉴相器的任一输入端电连接的移相器；
所述鉴相器的另一输入端加载有第一输入信号，所述任一输入端加载有第二输入信号与移相信号叠加生成的移相后信号；所述鉴相器的输出端生成移相信号。
2.根据权利要求1所述的相位校准结构，其特征在于，所述鉴相器为AD8032芯片。
3.根据权利要求1所述的相位校准结构，其特征在于，所述移相信号可以通过以下公式得到：
φ2,＝φ2+θ
其中，φ1为第一输入信号，φ2为第二输入信号，φ2,为移相后信号，为移相信号，θ为移相角度。
4.一种雷达相位校准组件，包括权利要求1-3任一所述的相位校准结构，其特征在于，还包括：
混频器，包括第一混频模块以及第二混频模块；
调振器，其第一输出端与所述第一混频模块的输入端连接；第二输出端与所述鉴相器的第一输入端连接；
收发模块，其输入端与所述第一混频模块的输出端连接，输出端与所述第二混频模块的输入端连接；
移相器，其输入端与所述第二混频模块连接，输出端与所述鉴相器的第二输入端连接。
5.根据权利要求4所述的雷达相位校准组件，其特征在于，所述混频器还包括有第三混频模块，所述第三混频模块的输入端连接所述移相器的输出端，所述第三混频模块的输出端连接所述鉴相器。
6.根据权利要求4或5任一所述的雷达相位校准组件，其特征在于，所述鉴相器的输出端连接有模数转换模块。
7.一种雷达相位校准方法，应用于权利要求4-6任一所述的雷达相位校准组件，其特征在于：
根据调振器生成第一射频信号并加载到鉴相器的第一输入端；
混频发射本振信号与所述第一射频信号，得到升频信号，加载到收发器进行耦合，得到耦合信号；
混频所述耦合信号所述信号与第一接收本振信号，得到降频信号并通过移相器进行移相后，加载到所述鉴相器的第二输入端；
通过调整移相器所加载的移相数据，得到所述鉴相器的至少两个输出电压；
比较所述输出电压的差值，得到所述耦合信号与所述第一射频信号之间的相位差。
8.根据权利要求7所述的雷达相位校准方法，其特征在于，在所述加载到所述鉴相器的第二输入端之前，还包括：
与所述第二接收本振混频，进行二次降频。
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