CN104007662A - 一种改善射频仿真天线阵列最大信噪比一致性方法及装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及射频仿真天线信噪比技术领域，公开一种改善射频仿真天线阵列最大信噪比一致性方法及装置，所述方法采用的装置，包括：射频仿真天线阵列馈电通道，所述射频仿真天线阵列馈电通道中设置有开关滤波器组，开关滤波器组控制端的控制电路中设置***字转换板，码字转换板与外设的计算机输出频率码端相连。本发明能够在全频段上调平并降低射频仿真天线阵列基底噪声信号，从而实现改善其最大信噪比一致性的目的。经过实践测量，通过本方案可以将最大信噪比一致性改善30dB，同时可以保证谐波抑制达到-40dBc。

Description

一种改善射频仿真天线阵列最大信噪比一致性方法及装置

 技术领域

    本发明涉及射频仿真天线信噪比技术领域，尤其涉及一种改善射频仿真天线阵列最大信噪比一致性方法及装置。

背景技术

射频仿真天线阵列是射频仿真试验***的重要组成部分，主要用于将信号环境模拟分***产生的射频信号辐射至微波暗室中，并在射频仿真试验***控制计算机的控制下，通过控制射频信号的幅度、相位，模拟雷达等目标的连续运动轨迹。

射频仿真天线阵列最大信噪比决定了射频仿真试验***能够工作的动态范围，是射频仿真天线阵列重要指标之一。射频仿真天线阵列不同频点上的最大信噪与最大输出功率和基底噪声密切相关。

射频仿真天线阵列最大输出功率主要受限于馈电通道中功率放大器的最大输出功率。在功率放大器工作频段内，不同频点上的最大输出功率差别不大，因此射频仿真天线阵列不同频点上的最大信噪比的一致性主要取决于基底噪声。

由噪声理论可知，射频仿真天线阵列的基底噪声与馈电通道的增益成正比，馈电通道的增益与通道中所用器件的传输特性密切相关。当射频仿真天线阵列尺寸较大时，其馈电通道中将会使用长同轴射频电缆。由于射频仿真天线阵列工作频段较宽，馈电通道中的长同轴电缆的传输特性在不同频点上各不相同，表现为低频段损耗小、高频段损耗大，这一特性使得馈电通道的增益呈现低频段高、高频段低的特点，从而导致馈电通道低频段的基底噪声明显高于高频段的基底噪声，其低频段产生的基底噪声甚至可以淹没射频仿真天线阵列传输的有用信号。

所述半实物仿真试验***：把数学模型、物理效应模型与实际的***联系在一起组成的仿真***，用于开展仿真试验或进行相关研究。

所述射频仿真天线阵列：主要由射频馈电通道、控制计算机和球面天线阵列组成，工作时，射频通道在控制计算机控制下将射频信号按一定的幅度和相位馈送到天线阵列各个辐射单元，模拟雷达等目标的连续运动。

所述基底噪声：有源电子设备由于电子热运动产生的热噪声，经过射频馈电通道的传输、放大，在其输出端产生的噪声信号。最大信噪比：指射频仿真天线阵列全频段上各个频点上的最大输出信号功率与基底噪声功率的比值。最大输入功率：指馈电通道工作在最大输出功率状态时，馈电通道输入端口的输入功率。最大信噪比一致性：指射频通道各个频点上最大信噪比的差值。

目前有多种技术可用于改善射频仿真天线阵列的最大信噪比一致性，但采用这些技术会降低射频仿真天线阵列的谐波抑制，而过高的谐波信号会产生虚假目标，影响仿真试验结果。

    与本发明相关的现有技术方案如下

在射频仿真天线阵列馈电通道中加均衡器可以改善射频仿真天线阵列最大信噪比一致性，而且均衡器为无源器件，具有无需供电、成本较低、安装简单等优点，但是需要根据射频仿真天线阵列的基底噪声曲线调整均衡器的传输特性，而且谐波抑制只能达到-15dBc。

在射频仿真天线阵列馈电通道中加均衡放大器和衰减器的方法也可以改善射频仿真天线阵列的最大信噪比一致性，但是均衡放大器为有源器件，会引入额外噪声，改善效果不明显；同时该方法同样无法有效抑制谐波信号。

发明内容

    为克服现有技术的不足， 本发明的目的在于提供一种改善射频仿真天线阵列最大信噪比一致性方法及装置。本发明突破传统的常规思路，将现有成熟微波器件巧妙组合起来，可以在全频段上调平并降低射频仿真天线阵列基底噪声信号，从而实现改善其最大信噪比一致性的目的。经过实践测量，通过本方案可以将最大信噪比一致性改善30dB，同时可以保证谐波抑制达到-40dBc。

   为实现上述发明目的，本发明采用如下技术方案：

一种改善射频仿真天线阵列最大信噪比一致性装置，包括：射频仿真天线阵列馈电通道，所述射频仿真天线阵列馈电通道中设置有开关滤波器组，开关滤波器组控制端的控制电路中设置***字转换板，码字转换板与外设的计算机输出频率码端相连。

一种改善射频仿真天线阵列最大信噪比一致性装置，所述射频仿真天线阵列馈电通道由程控衰减器通过移相器功放与电子开关组成，位于功放与电子开关间连接有开关滤波器组；开关滤波器组设置在第二级功放输出端。

一种改善射频仿真天线阵列最大信噪比一致性装置，所述开关滤波器组由两个多路电子开关、带通滤波器和衰减器组成，位于两个多路电子开关间连接有若干个由带通滤波器和衰减器串联组成的滤波衰减电路；

其中，多路电子开关切换时间为0.1μs；其带外抑制为-30dBc，带内平坦度为±3dB。

    一种改善射频仿真天线阵列最大信噪比一致性装置，所述码字转换板由输入接口、FPGA、电源模块和输出接口组成，输入接口通过FPGA模块与输出接口相连，输出接口通过数据线与开关滤波器组的两个多路电子开关相连。

    一种改善射频仿真天线阵列最大信噪比一致性装置，所述码字转换板的输入端口采用标准的LVDS接收电路，接收由射频仿真试验***通过LVDS发送的控制信号。

    一种改善射频仿真天线阵列最大信噪比一致性方法，其步骤如下：

    1）采用在射频仿真天线阵列馈电通道中加装开关滤波器组，且开关滤波器组两端分别通过外部接口的射频接口连接在功放与电子开关间，即第二级功放输出端；

  其中，射频接口采用标准阴型SMA接口，电压驻波比2:1，最大输入功率30dBm；

    2）并在开关滤波器组控制端的控制电路中增加码字转换板，码字转换板通过外部接口的控制接口与外部控制计算机相连，码字转换板通过 内部接口与电子开关相连；

  其中，外部接口的控制接口采用标准的LVDS接口；内部接口采用标准TTL接口，低电压为0.2V，高电压为4.6V，设定低电压有效；

   3）调平射频仿真天线阵列基底噪声曲线，

调平时，射频仿真试验***在发送射频脉冲2μs前发出控制信号，控制信号中含有频率码，还有脉冲代码、脉冲功率信息；

a.码字转换板的输入接口，接收外部计算机输出的频率码，码字转换板接收到控制信号后，通过接口模块转换成FPGA能够接收的LVTTL信号；由FPGA提取出频率码，根据带通滤波器的带通范围将其转换成多路电子开关控制字，并对控制字进行锁存；

锁存时间为2μs减码字转换板处理时间和电子开关控制时间，以确保电子开关控制时间与外部***控制时间同步；

FPGA发出的控制字经过输出接口模块转换后，变成TTL接口电压，从而控制电子开关进行切换，实现码字转换对多路电子开关的控制；

b.开关滤波器组中的电子开关在相同控制字的控制下实现同步切换，使射频信号通过与其频率相对应的带通滤波器和衰减器，带通滤波器滤除了带外的基底噪声信号；同时衰减器衰减滤波器带内基底噪声，使带内基底噪声信号功率低于被试装备的灵敏度；

当带通滤波器带内基底噪声为X（dBm），滤波器、两个电子开关总插损为Y（dB），改造后的基底噪声为Z（dBm），则该支路所用衰减器的衰减量为：

X-Y-Z（dB）                             （1）；

增加了额外的插损，降低了通道增益，使射频仿真天线阵列的最大输出功率减小，同时改变了通道中功放的工作状态；

在最大输入功率状态下，功率放大器不再工作于饱和状态，此时提高了馈电通道的输入信号功率，使功率放大器再次饱和，馈电通道输出功率达到最大；调平了基底噪声曲线，同时通过增大输入信号，使不同频点上的最大输出功率保持基本相同，从而实现改善频仿真天线阵列最大信噪比一致性的目的；

同时通过选择合适的带通滤波器工作带宽，能够保证谐波信号位于带通滤波器工作频带之外，利用带通滤波器的带外抑制将谐波信号滤除；

    能将射频仿真天线阵列最大信噪比一致性改善30dB，同时使馈电通道的谐波抑制达到-40dBc；

其中，多路电子开关切换时间为0.1μs；其带外抑制为-30dBc，带内平坦度为±3dB；

同时根据射频仿真天线阵列基底噪声曲线确定衰减器的衰减量，衰减量的大小根据式1计算得到，使得带通滤波器的带内基底噪声降至设计要求。

由于采用如上所述的技术方案，本发明具有如下优越性：

本发明通过在射频仿真天线阵列馈电通道中增加开关滤波器组调平了基底噪声曲线，同时通过增大输入信号，使不同频点上的最大输出功率保持基本相同，从而实现改善最大信噪比一致性的目的。同时通过选择合适的带通滤波器工作带宽，可以保证谐波信号位于带通滤波器工作频带之外，利用带通滤波器的带外抑制将谐波信号滤除。

适用于调平射频仿真天线阵列全频段上的基底噪声曲线，亦可以推广应用于其他宽带射频***中。可以根据射频仿真天线阵列的基底噪声曲线进行灵活调整，并能将射频仿真天线阵列最大信噪比一致性改善30dB，同时能够保证谐波抑制指标达到-40dBc。改善了射频仿真天线阵列最大信噪比一致性技术构建的***，具有利用成熟的微波器件进行巧妙组合的搭建，开发周期短。

附图说明

图l是改善射频仿真天线阵列最大信噪比一致性装置的框图；

图2 开关滤波器组安装位置示意图；

图3 加装开关滤波器组基底噪声改善效果示意图。

具体实施方式

    结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。

如图1、2、3所示，一种改善射频仿真天线阵列最大信噪比一致性装置，包括：射频仿真天线阵列馈电通道，所述射频仿真天线阵列馈电通道中设置有开关滤波器组，开关滤波器组控制端的控制电路中设置***字转换板，码字转换板与外设的计算机输出频率码端相连。

所述射频仿真天线阵列馈电通道由程控衰减器通过移相器功放与电子开关组成，位于功放与电子开关间连接有开关滤波器组。

所述开关滤波器组由两个多路电子开关、带通滤波器和衰减器组成，位于两个多路电子开关间连接有若干个由带通滤波器和衰减器串联组成的滤波衰减电路。

所述码字转换板由输入接口、FPGA、电源模块和输出接口组成，输入接口通过FPGA模块与输出接口相连，输出接口通过数据线与开关滤波器组的两个多路电子开关相连。

一种改善射频仿真天线阵列最大信噪比一致性方法，采用在射频仿真天线阵列馈电通道中加装开关滤波器组，并在控制电路中增加码字转换板的措施，调平射频仿真天线阵列的基底噪声曲线，步骤如下：

利用开关滤波器组调平射频仿真天线阵列基底噪声曲线，并通过增大输入信号使馈电通道的最大输出功率基本保持一致，从而实现改善射频仿真天线阵列最大信噪比一致性的目的，同时可以保证馈电通道的谐波抑制达到-40dBc；

（一）码字转换板

码字转换板的输入端口采用标准的LVDS接收电路，接收由射频仿真试验***通过LVDS发送的控制信号。射频仿真试验***在发送射频脉冲2μs前发出控制信号，控制信号中不仅含有频率码，还有脉冲代码、脉冲功率等信息。码字转换板接收到控制信号后，通过接口模块转换成FPGA能够接收的LVTTL信号。由FPGA提取出频率码，根据带通滤波器的带通范围将其转换成多路电子开关控制字，并对控制字进行锁存。锁存时间为2μs减码字转换板处理时间和电子开关控制时间，以确保电子开关控制时间与外部***控制时间同步。FPGA发出的控制字经过输出接口模块转换后，变成TTL接口电压，从而控制电子开关进行切换。

（二）开关滤波器组

开关滤波器组由电子开关、带通滤波器、衰减器组成。电子开关切换时间为0.1μs。带通滤波器的中心频率以及带宽根据实际需要确定，其带外抑制为-30dBc，带内平坦度为±3dB。相邻两个滤波器之间的频点相互衔接，同时根据射频仿真天线阵列基底噪声曲线确定衰减器的衰减量，使得带通滤波器的带内基底噪声降至设计要求。

开关滤波器组中的电子开关在相同控制字的控制下实现同步切换，使射频信号通过与其频率相对应的带通滤波器和衰减器，带通滤波器滤除了带外的基底噪声信号；同时衰减器衰减滤波器带内基底噪声，使带内基底噪声信号降低至可以接受的大小。

假设带通滤波器带内基底噪声为X（dBm），滤波器、两个电子开关总插损为Y（dB），改造后的基底噪声为Z（dBm），则该支路所用衰减器的衰减量为X-Y-Z（dB）。

在射频仿真天线阵列馈电通道中增加开关滤波器组后，增加了额外的插损，降低了通道增益，使射频仿真天线阵列的最大输出功率减小，同时改变了通道中功放的工作状态。在最大输入功率状态下，功率放大器不再工作于饱和状态，此时可以提高馈电通道的输入信号功率，使功率放大器再次饱和，馈电通道输出功率达到最大。

通过在射频仿真天线阵列馈电通道中增加开关滤波器组调平了基底噪声曲线，同时通过增大输入信号，使不同频点上的最大输出功率保持基本相同，从而实现改善最大信噪比一致性的目的。

设计滤波器时，将滤波器的带宽不大于其中心频率的两倍，可以保证谐波信号位于带通滤波器工作频带之外，利用带通滤波器的带外抑制将谐波信号滤除。

外部接口包括射频接口和控制接口

（1）射频接口，采用标准阴型SMA接口，电压驻波比2:1，最大输入功率30dBm。

（2）控制接口，外部控制计算机与码字转换板之间采用标准的LVDS接口。

     内部接口，电子开关与码字转换板之间采用标准TTL接口，低电压为0.2V，高电压为4.6V。低电压有效。

图2为某射频仿真天线阵列馈电通道中开关滤波器组的加装位置示意图。从改善射频仿真天线阵列基底噪声的角度考虑，开关滤波器组安装位置越靠近通道末端改善效果越好。但是从图中可以看出馈电通道在末端通过开关分成很多支路，如果安装的位置越靠后，所需的开关滤波器组数量越多，成本越高。考虑到第三级功放产生的基底噪声对最大信噪比一致性影响最小，同时为有效控制改造成本，确定开关滤波器组安装在第二级功放输出端。通过上述增加开关滤波器组的方法，可以有效降低射频仿真天线阵列基底噪声，其效果如图3。

Claims (6)

1.一种改善射频仿真天线阵列最大信噪比一致性装置，其特征是：包括：射频仿真天线阵列馈电通道，所述射频仿真天线阵列馈电通道中设置有开关滤波器组，开关滤波器组控制端的控制电路中设置***字转换板，码字转换板与外设的计算机输出频率码端相连。

2.根据权利要求1所述的一种改善射频仿真天线阵列最大信噪比一致性装置，其特征是：所述射频仿真天线阵列馈电通道由程控衰减器通过移相器功放与电子开关组成，位于功放与电子开关间连接有开关滤波器组；开关滤波器组设置在第二级功放输出端。

3.根据权利要求1所述的一种改善射频仿真天线阵列最大信噪比一致性装置，其特征是：所述开关滤波器组由两个多路电子开关、带通滤波器和衰减器组成，位于两个多路电子开关间连接有若干个由带通滤波器和衰减器串联组成的滤波衰减电路；

其中，多路电子开关切换时间为0.1μs；其带外抑制为-30dBc，带内平坦度为±3dB。

4.根据权利要求1所述的一种改善射频仿真天线阵列最大信噪比一致性装置，其特征是：所述码字转换板由输入接口、FPGA、电源模块和输出接口组成，输入接口通过FPGA模块与输出接口相连，输出接口通过数据线与开关滤波器组的两个多路电子开关相连。

5.根据权利要求1所述的一种改善射频仿真天线阵列最大信噪比一致性装置，其特征是：所述码字转换板的输入端口采用标准的LVDS接收电路，接收由射频仿真试验***通过LVDS发送的控制信号。

6.如权利要求1所述的一种改善射频仿真天线阵列最大信噪比一致性方法，其特征是：其步骤如下：调平射频仿真天线阵列的基底噪声曲线，

    1）采用在射频仿真天线阵列馈电通道中加装开关滤波器组，且开关滤波器组两端分别通过外部接口的射频接口连接在功放与电子开关间，即第二级功放输出端；

  其中，射频接口采用标准阴型SMA接口，电压驻波比2:1，最大输入功率30dBm；

    2）并在开关滤波器组控制端的控制电路中增加码字转换板，码字转换板通过外部接口的控制接口与外部控制计算机相连，码字转换板通过 内部接口与电子开关相连；

  其中，外部接口的控制接口采用标准的LVDS接口；内部接口采用标准TTL接口，低电压为0.2V，高电压为4.6V，设定低电压有效；

   3）调平射频仿真天线阵列基底噪声曲线，

调平时，射频仿真试验***在发送射频脉冲2μs前发出控制信号，控制信号中含有频率码，还有脉冲代码、脉冲功率信息；

a.码字转换板的输入接口，接收外部计算机输出的频率码，码字转换板接收到控制信号后，通过接口模块转换成FPGA能够接收的LVTTL信号；由FPGA提取出频率码，根据带通滤波器的带通范围将其转换成多路电子开关控制字，并对控制字进行锁存；

锁存时间为2μs减码字转换板处理时间和电子开关控制时间，以确保电子开关控制时间与外部***控制时间同步；

FPGA发出的控制字经过输出接口模块转换后，变成TTL接口电压，从而控制电子开关进行切换，实现码字转换对多路电子开关的控制；

b.开关滤波器组中的电子开关在相同控制字的控制下实现同步切换，使射频信号通过与其频率相对应的带通滤波器和衰减器，带通滤波器滤除了带外的基底噪声信号；同时衰减器衰减滤波器带内基底噪声，使带内基底噪声信号降低至被试装备的灵敏度；

当带通滤波器带内基底噪声为X（dBm），滤波器、两个电子开关总插损为Y（dB），改造后的基底噪声为Z（dBm），则该支路所用衰减器的衰减量为X-Y-Z（dB）；

增加了额外的插损，降低了通道增益，使射频仿真天线阵列的最大输出功率减小，同时改变了通道中功放的工作状态；

在最大输入功率状态下，功率放大器不再工作于饱和状态，此时提高了馈电通道的输入信号功率，使功率放大器再次饱和，馈电通道输出功率达到最大；调平了基底噪声曲线，同时通过增大输入信号，使不同频点上的最大输出功率保持基本相同，从而实现改善频仿真天线阵列最大信噪比一致性的目的；

同时通过选择合适的带通滤波器工作带宽，能够保证谐波信号位于带通滤波器工作频带之外，利用带通滤波器的带外抑制将谐波信号滤除；

    能将射频仿真天线阵列最大信噪比一致性改善30dB，同时使馈电通道的谐波抑制达到-40dBc；

其中，多路电子开关切换时间为0.1μs；其带外抑制为-30dBc，带内平坦度为±3dB；

同时根据射频仿真天线阵列基底噪声曲线确定衰减器的衰减量，衰减量的大小根据式1计算得到，使得带通滤波器的带内基底噪声降至设计要求。