CN104330777A - 一种有源相控阵雷达的收发通道自校准方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种有源相控阵雷达的收发通道自校准方法，该方法利用输入输出信号耦合电路收发通道，利用多路功分电路将多个收发通道耦合信号合并成一路。本发明实现有源相控阵的雷达每个收发通道在线单独校准，不需要返厂维修，兼有故障定位功能。

Description

一种有源相控阵雷达的收发通道自校准方法

技术领域

本发明涉及雷达与测控领域，具体涉及一种有源相控阵雷达的收发通道自校准方法。

背景技术

有源相控阵雷达在运行期间，诸多原因需要用到在线自校准方法：在长时间运行后，由于器件自身老化以及环境的影响，收发通道的初始参数与出厂时的状态发生偏差，如果还继续使用出厂的数据为参考，会导致雷达的性能下降，需要重新校准；运行期间如果个别收发通道损坏，也需要准确定位到是哪个通道损坏，才能进行快速维护。对于以上问题，通常是将雷达送回厂家进行重新检修，这样做周期长，费用高，且在此期间雷达不能使用。

因此，针对相关技术中所存在的上述问题，目前尚未提出有效的解决方案。

发明内容

为解决上述现有技术所存在的问题，本发明提出了一种有源相控阵雷达的收发通道自校准方法，所述收发通道包括输入输出耦合电路和多路功分电路，该方法包括：

所述输入输出耦合电路将收发通道输入输出的能量以预定比例耦合到校准通道中；

所述多路功分电路将多个收发通道的耦合信号合并成一路，耦合到公共端，并使所述有源相控阵雷达的发射通道、接收通道形成一个闭合的回路。

优选地，进一步包括：

所述输入输出耦合电路通过微带电路以空间耦合的方式将收发通道端口的微波信号耦合到校准通道中。

优选地，所述收发通道自校准包括对发射通道进行通道幅度自校准。

优选地，所述发射通道由依次串联的带通滤波器、功率放大器、衰减器、振荡指示器组成，并且所述对发射通道进行通道幅度自校准包括：

步骤1:在恒定温度T0下，由校准源产生***校准连续波信号，频率为通道工作频带中的其中一点频率，相对恒定功率为P0，该校准连续波信号经过耦合器H1进入振荡指示器进行幅度检验，信号幅度检验后送到后级进行数据采样，经过对采样数据的处理得到振荡指示器输出的信号幅度为U1；采用振荡指示器的恒定温度特性指标作参考基准；

步骤2:在上述温度下，功率为P0的校准信号经过耦合器H1的主路，再通过耦合器H2耦合到带通滤波器，再通过LNA、衰减器，进入振荡指示器进行幅度检验，信号幅度检验后送到后级进行数据采样，经过对采样数据的处理可以得到振荡指示器输出的信号幅度U2，此时得到U2-U1的差值，和通道增益为G；

步骤3:当温度由T0变为T’0时，重复步骤1和2，分别得到相应的振荡指示器输出的信号幅度U’1，U’2和差值U’2-U’1，获得通道增益为G’；

步骤4:，若U’2-U’1的值与U2-U1的值不相等，通过后级对采样数据的处理，***监控送出一误差控制码，来调节衰减器的衰减量，使得U’2-U’1的值与U2-U1的值相等，实现通道幅度自校准。

优选地，所述振荡指示器的传递函数为：

V_out＝AP_in+V₀

其中:V_out为振荡指示器的输出幅度值，单位mV；A为振荡指示器的对数斜率，单位mV/dBm；P_in为输入信号功率，V₀为失调电压，***校准信号在步骤1和步骤2两种情况下通过不同路径输入到振荡指示器端口的信号幅度相等。

本发明相比现有技术，具有以下优点：

实现每个收发通道在线单独校准，不需要返厂维修，兼有故障定位功能。

附图说明

图1是根据本发明实施例的雷达收发通道的电路图。

图2是根据本发明实施例的耦合电路的电路图。

图3是根据本发明实施例的多路功分电路的电路图。

图4是根据本发明实施例的发射通道的结构图。

图5是根据本发明实施例的自校准方法的流程图。

具体实施方式

下文与图示本发明原理的附图一起提供对本发明一个或者多个实施例的详细描述。结合这样的实施例描述本发明，但是本发明不限于任何实施例。本发明的范围仅由权利要求书限定，并且本发明涵盖诸多替代、修改和等同物。在下文描述中阐述诸多具体细节以便提供对本发明的透彻理解。出于示例的目的而提供这些细节，并且无这些具体细节中的一些或者所有细节也可以根据权利要求书实现本发明。

本发明解决的技术问题是：针对现有技术的不足，提出了一种有源相控阵雷达的收发通道自校准方法，可以实现每个收发通道在线单独校准，校准数据具有实时性，同时能准确的定位到具体是哪个收发环路出现了故障。

本发明的一方面提供了一种有源相控阵雷达的收发通道自校准方法。图1是根据本发明实施例的雷达收发通道的电路图。图5是根据本发明实施例的自校准方法的流程图。

有源相控阵雷达的收发通道包括输入输出耦合电路和多路功分电路。

其中所述输入输出耦合电路将收发通道输入输出的能量以预定比例耦合到校准通道中。

所述多路功分电路将多个收发通道的耦合信号合并成一路，耦合到公共端，并使发射通道、接收通道形成一个闭合的回路。

耦合电路通过微带电路以空间耦合的方式，将收发通道端口的微波信号耦合到校准通道中，避免了直接串联在收发通道电路中带来的信号损耗问题。电路的原理框图如图2所示。

图4是根据本发明实施例的发射通道的结构图。根据本发明的进一步实施例，发射通道是由依次串联的带通滤波器、功率放大器、衰减器、振荡指示器组成。对发射通道而言，在外界温度变化的宽温环境下，功率放大器的增益及衰减器的***损耗会因外界温度变化而变化，导致整个发射通道的增益不恒定，通过自校准，可使得整个通道的增益保持恒定。

对发射通道进行通道幅度自校准可采用以下四个步骤。

步骤1:在某一相对恒定的温度(T0)下，由校准源产生一***校准连续波信号，频率为通道工作频带中的其中一点频率，相对恒定功率为P0，该信号经过耦合器H1进入振荡指示器进行幅度检验，信号幅度检验后送到后级进行数据采样，经过对采样数据的处理得到振荡指示器输出的信号幅度为U1。振荡指示器采用+60℃恒温处理，本发明使用其恒定的温度特性指标作参考基准来标定通道前级增益的变化。

步骤2:在上述温度下，功率为P0的校准信号经过耦合器H1的主路，再通过耦合器H2耦合到带通滤波器，再通过LNA、衰减器，进入振荡指示器进行幅度检验，信号幅度检验后送到后级进行数据采样，经过对采样数据的处理可以得到振荡指示器输出的信号幅度U2，此时得到U2-U1的差值，将此差值设定为定值。此时通道增益为G。

步骤3:外界环境温度在宽温-30～+60℃条件下，整个发射通道中LNA的增益及衰减器的***损耗都会因外界温度变化而变化，此时，在某一温度(T’0)下，重复步骤1和2，得到U’1，U’2和U’2-U’1，此时通道增益为G’。

步骤4:当温度由T0变为T’0时，整个发射通道增益将发生变化，从而U’2-U’1的值与U2-U1的值不相等。通过后级对采样数据的处理，***监控送出一误差控制码，来调节衰减器的衰减量，使得U’2-U’1的值与U2-U1的值相等。这样就可以使得在外界环境温度变化的情况下整个发射通道增益仍保持恒定，即G’-G＝0。从而实现***通道幅度自校准。

通常，本发明将衰减器设置在衰减量适中的位置上，这样在发射通道增益校准时，就可以增大或减小衰减量以降低或提高整个通道的增益。由于校准信号的功率随外界温度的变化而变化，不是恒定值，因此，在校准过程中，可采取相消(即U2-U1)的方法，取在同一环境温度下，***校准信号通过不同路径输入到振荡指示器，经过幅度检验后的两个幅度值之差，即相对值，而不取绝对幅度值来校准，用这种方法校准就使得在某一温度下通道校准时与校准信号的功率大小无关。

由于校准信号为单点频率，因此在校准时，整个发射通道的频带特性无法校正，在此，本发明在选择通道中的器件时要求每个器件的频带特性都在***的误差允许范围之内，从而在实施校准时，只校准频带内一点频率即可。

为实现发射通道自校准，本发明将耦合器H2加在发射前端，***校准信号由耦合器H2的耦合端输入，通过整个发射通道，***通过后级数据采样处理，来实现发射通道自校准。

振荡指示器的传递函数为

V_out＝AP_in+V₀

式中:V_out为振荡指示器的输出幅度值，单位mV；A为振荡指示器的对数斜率，单位mV/dBm；P_in为输入信号功率，V₀为失调电压。为精确校准，***校准信号在步骤1和步骤2两种情况下通过不同路径输入到振荡指示器端口的信号幅度应相等，假定校准信号输出功率为0dBm，设计耦合器H1耦合度为20dB。这样在步骤1时，进入振荡指示器的校准信号功率为-20dBm，假定发射通道从带通滤波器到振荡指示器输入口的增益为30dB，本发明可以设计耦合器H2的耦合度为50dB，这样在步骤2时就可保证进入振荡指示器输入口的校准信号幅度与步骤1相等，为-20dBm。从而使得在校准通道增益时，振荡指示器的输出幅度不会因为在步骤1和步骤2两种情况下通过不同路径输入到振荡指示器输入端口的功率不同而不同(即ΔU＝0)。同时可以避免振荡指示器对数斜率的非线性引起的误差。

为实现对通道整个频带特性的校准，本发明在选择功率放大器时，其频带特性在***的误差允许范围之内，功率放大器在满足***噪声系数、增益和动态范围指标的同时，要求在整个工作频带内增益起伏小于0.1dB，以便在实现校准时，***只校准一点频率就能满足***要求。

本发明在功率放大器后加入衰减器，用以上下调节发射通道的增益，以保持整个通道增益的恒定，设计衰减器最小步进为0.1dB，6位TTL电平控制，总衰减量为6.4dB。校准时，将衰减器设置在3.2dB衰减的位置上，这样在发射通道增益校准时，上下均可调节，最大可调节幅度为3.2dB(大于通道增益的最大变化值)。

本发明在采用上述自校准方式校准时，前提条件就是要求振荡指示器有恒定的温度特性，在宽温条件下，利用振荡指示器恒定的温度特性指标作参考基准来标定前级增益的变化。因此在***通道自校准时，本发明选用的振荡指示器为恒温高精度振荡指示器，其恒温温度为+60℃，由于其采取了恒温措施，又有很高的精度，故可作为***自校准的参考基准。

根据本发明的进一步实施例，该多路功分电路采用多个等功分电路级联的架构，设计过程中保证幅度和相位的一致性，降低了校准难度。电路的原理框图如图3所示。例如一分四功分电路是由二级一分二超宽带功分电路级联而成。具体来说，第一级功分电路的输入端作为总***的输入端，第一级功分电路的输出作为第二级功分电路的输入，第二级功分电路的输出端作为总***的输出端。该功分电路包括四个长度分别为四分之一波长的臂和一个宽带反相器。

在微波毫米波波段，反相器的相位随着频率的变化非常敏感，不能在很宽的频带内实现相位180°转向。为了实现在很宽的频带内相位180°转向，本发明采用悬置带线结构。基于180°反向的基本概念，由电路结构本身实现了180°的宽频带反向。在10～40GHz宽频率范围内，悬置线经过反相器后，传输相位随频率变化几乎不变，因此可以实现宽频带180°反相器的功能。

从降低成本、便于测试的角度出发，功分电路输入输出端采用微带结构，而宽带反相器采用悬置带线结构。从微带线转换到悬置带线结构必须经过巴伦过渡。因此结合微带线和悬置带线的优点，本发明设计采用微带(输入输出端口)—巴伦(过渡)—悬置带线(功分)结构。因为选择足够合理的材料及尺寸可以使得悬置微带线传播模式为准TEM模式，与微带线传播模式相同，所以不需要考虑传播模式的过渡转换。

本发明采用RT/duroid5880高频基片，基片厚0.254mm，介电常数为2.2。悬置线上下带线各安装一个阻值为100Ω的高频薄膜电阻，通过倒装技术，将隔离电阻跨接安装在反相器中两个金属化通孔之间。利用CST软件对金属化通孔、分支线及隔离电阻跨接区尺寸参数进行优化，由此完成了多路功分电路设计。

综上所述，本发明提出了一种收发通道校准方法，可以实现每个收发通道在线单独校准，不需要返厂维修，兼有故障定位功能。

显然，本领域的技术人员应该理解，上述的本发明的各模块或各步骤可以用通用的计算***来实现，它们可以集中在单个的计算***上，或者分布在多个计算***所组成的网络上，可选地，它们可以用计算***可执行的程序代码来实现，从而，可以将它们存储在存储***中由计算***来执行。这样，本发明不限制于任何特定的硬件和软件结合。

应当理解的是，本发明的上述具体实施方式仅仅用于示例性说明或解释本发明的原理，而不构成对本发明的限制。因此，在不偏离本发明的精神和范围的情况下所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。此外，本发明所附权利要求旨在涵盖落入所附权利要求范围和边界、或者这种范围和边界的等同形式内的全部变化和修改例。

Claims (5)

1.一种有源相控阵雷达的收发通道自校准方法，所述收发通道包括输入输出耦合电路和多路功分电路，其特征在于，该方法包括：

所述输入输出耦合电路将收发通道输入输出的能量以预定比例耦合到校准通道中；

所述多路功分电路将多个收发通道的耦合信号合并成一路，耦合到公共端，并使所述有源相控阵雷达的发射通道、接收通道形成一个闭合的回路。

2.根据权利要求1所述的方法，进一步包括：

所述输入输出耦合电路通过微带电路以空间耦合的方式将收发通道端口的微波信号耦合到校准通道中。

3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，所述收发通道自校准包括对发射通道进行通道幅度自校准。

4.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，所述发射通道由依次串联的带通滤波器、功率放大器、衰减器、振荡指示器组成，并且所述对发射通道进行通道幅度自校准包括：

步骤1:在恒定温度T0下，由校准源产生***校准连续波信号，频率为通道工作频带中的其中一点频率，相对恒定功率为P0，该校准连续波信号经过耦合器H1进入振荡指示器进行幅度检验，信号幅度检验后送到后级进行数据采样，经过对采样数据的处理得到振荡指示器输出的信号幅度为U1；采用振荡指示器的恒定温度特性指标作参考基准；

步骤2:在上述温度下，功率为P0的校准信号经过耦合器H1的主路，再通过耦合器H2耦合到带通滤波器，再通过LNA、衰减器，进入振荡指示器进行幅度检验，信号幅度检验后送到后级进行数据采样，经过对采样数据的处理可以得到振荡指示器输出的信号幅度U2，此时得到U2-U1的差值，和通道增益为G；

步骤3:当温度由T0变为T’0时，重复步骤1和2，分别得到相应的振荡指示器输出的信号幅度U’1，U’2和差值U’2-U’1，获得通道增益为G’；

步骤4:，若U’2-U’1的值与U2-U1的值不相等，通过后级对采样数据的处理，***监控送出一误差控制码，来调节衰减器的衰减量，使得U’2-U’1的值与U2-U1的值相等，实现通道幅度自校准。

5.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，所述振荡指示器的传递函数为：

V_out＝AP_in+V₀

其中:V_out为振荡指示器的输出幅度值，单位mV；A为振荡指示器的对数斜率，单位mV/dBm；P_in为输入信号功率，V₀为失调电压，***校准信号在步骤1和步骤2两种情况下通过不同路径输入到振荡指示器端口的信号幅度相等。