CN104934675A - 一种用于星载轻型sar的大功率合成器和合成方法 - Google Patents

Abstract

一种用于星载轻型SAR的大功率合成器，信号输入到功分器(单馈源情况，直接输入到电子开关)，电子开关将信号输出到输入Butler矩阵的某一端口，输入Butler矩阵对信号按照一定相位关系进行功分，输出到用于补偿相位误差的移相器组，移相器组对信号进行相位误差补偿后输出到脉冲行放组进行功率放大，脉冲行放组再将信号输出到输出Butler矩阵，输出Butler矩阵按照前面电子开关的选择关系将信号合成到相应的输出端口，最后信号经过环行器进入到天线馈源形成相应发射波束。采用本发明技术可以避免宇航级大功率脉冲行放的研制瓶颈，以及大功率电子开关在轨失效风险，实现简单，可靠性高，并且可以实现天线波束切换的波控功能。

Description

一种用于星载轻型SAR的大功率合成器和合成方法

技术领域

本发明涉及一种大功率合成器和合成方法，特别是一种用于星载轻型SAR的大功率合成器和合成方法，可以在星上实现帆板的双自由度运动，属于微波遥感技术领域。

背景技术

星载SAR是一种高分辨率微波成像雷达，与可见光、红外等其他遥感器相比，具有全天候、全天时、远距离成像的特点，甚至能穿透植被或一定深度的地层，侦察被植被覆盖的，甚至地表以下一定深度的隐藏目标信息。星载SAR更是由于高分辨率、全球性、全天候、全天时的优势，解决了夜晚和云盖对航天成像侦察的不利影响，已经成为航天军事侦察装备中不可或缺的重要组成部分。

星载轻型SAR具有轻量化、敏捷性的特点，一般采用无源反射面天线体制。到目前为止，国内外无源反射面天线体制的星载SAR主要有德国的SARLupe、以色列的TECSAR，以及我国的HJ-1C等。SARLupe采用单只X波段6000W脉冲行放直接提供***所需的高峰值发射功率射频信号，其组成框图如图1所示。TECSAR采用由多只脉冲行放通过大功率合成提供***所需的大功率信号，但其具体技术细节及实现方法未见公开报道，HJ-1C采用多只脉冲固放通过大功率合成提供***所需的大功率信号，其组成框图如图2所示。

从图1可以看出，SARLupe大功率解决方案简单，但需要数千瓦的X波段空间脉冲行放，这对于西方军事强国，已经不是什么技术难题，但对于我国却是技术瓶颈，短期内很难攻克空间大功率脉冲行放研制技术，并且很难从国外引进。另外，SARLupe的大功率解决方案限制了雷达只能形成一个固定的波束，天线无法实现波束电扫描，很难实现如马赛克、扫描等对波束扫描速度有较高要求的成像模式，即使是滑动聚束、条带等成像模式的波束慢速切换也需要借助卫星平台的俯仰摆动来实现。对于国外来说，由于卫星机动、姿控技术水平高，很容易通过卫星平台在距离向的定点摆动，可以迅速到达指定天线视角，并迅速达到姿态稳定状态，保证雷达能够及时高效率进行成像，实现预定侦察任务。

从图2可以看出，HJ-1C大功率解决方案是由8个400W固放进行简单合成，虽然避免了大功率脉冲行放的技术瓶颈，但是在为了实现扫描等对波束扫描速度有较高要求的成像模式时，不得不使用了需要承受800W的微波电子开关，雷达在轨工作时，电子开关不停地快速切换，存在在轨失效风险。

通过查阅国内外星载SAR的大功率合成技术现状，已公开或可以参考的只有HJ-1C SAR卫星的大功率技术。现有技术只是将多只功放的功率合成为1路，再根据天线波束的需要进行功分和大功率开关选择，其缺点或不足是大功率开关研制难度大，而且存在在轨失效风险，导致整星功能失效或降低，另外现有技术有大功率功分器和大功率电子开关，插损较大，降低***灵敏度性能，而且控制关系复杂。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种用于星载轻型SAR的大功率合成器，信号输入到功分器，电子开关将信号输出到输入Butler矩阵的某一端口，输入Butler矩阵对信号按照一定相位关系进行功分，输出到用于补偿相位误差的移相器组，移相器组对信号进行相位误差补偿后输出到脉冲行放组进行功率放大，脉冲行放组再将信号输出到输出Butler矩阵，输出Butler矩阵按照前面电子开关的选择关系将信号合成到相应的输出端口，最后信号经过环行器进入到天线馈源形成相应发射波束。以达到避免使用大功率功分器和大功率电子开关，可靠性高，插损低，波位控制简单等的优点。

本发明的目的通过如下技术方案予以实现：一种用于星载轻型SAR的大功率合成器，包括波位控制模块、输入Butler矩阵、相位补偿模块、功率放大模块、定向耦合模块、相位监视模块、输出Butler矩阵、发射与接收网络模块和馈源阵；

所述波位控制模块利用电子开关选择输入Butler矩阵的输入端口，将输入信号从选择的输入端口发送给输入Butler矩阵中；

所述输入Butler矩阵对输入的信号进行功分和相位非色散控制后输出到相位补偿模块进行色散型移相处理；所述相位补偿模块包括m个移相器；

所述功率放大模块包括m个行波管，发射与接收网络模块包括m个环行器和接收机，定向耦合模块包括m个定向耦合器，馈源阵包括m个馈源，功率放大模块对色散型移相处理后的信号进行功率放大后输出给定向耦合模块；

定向耦合模块对接收到的功率放大后的信号进行定向耦合，分为主线大功率信号和辅线小功率信号，并将主线大功率信号输出给输出Butler矩阵，将辅线小功率信号输出给发射与接收网络模块；

输出Butler矩阵接收定向耦合模块输出的主线大功率信号进行大功率合成，选择输出Butler矩阵的输出端口将信号输出后，通过发射与接收网络模块输出给馈源阵；

发射与接收网络模块接收定向耦合模块输出的辅线小功率信号进行相位计算，得到相位不一致性结果，并将相位不一致性结果输出给相位监视模块；所述相位不一致性为功率放大模块中各个行波管的相位不一致性；

相位监视模块将相位计算结果输出给相位补偿模块，对后续输入到功率放大模块的信号进行相位补偿，使得功率放大模块输出信号的相位一致。

所述输出Butler矩阵的输出端口与电子开关选择的输入Butler矩阵输入端口相对应。

所述m为2正整数倍。

一种用于星载轻型SAR的大功率合成器，包括一个功分器和n个所述的大功率合成器；

所述功分器将输入信号分为n路，且输出端分别与n个所述大功率合成器的输入端连接，所述n为大于等于2的正整数。

本发明与现有技术相比的有益效果是：

(1)本发明采用根据参与波束形成的馈源数目进行小信号功分，避免现有技术的大功率功分，可以实现降低插损，提高***灵敏度的优点；

(2)本发明采用电子开关进行小信号选择，避免现有技术的大功率开关，可以实现降低插损，提高***灵敏度，提高可靠性等的优点；

(3)本发明在采用电子开关进行小信号选择的同时实现天线波位控制功能，可以实现降低***分机、质量，提高***可靠性等的优点；

(4)本发明采用butler矩阵，避免现有技术的大功率功分器和电子开关，可以实现低插损、可靠性高等的优点；

(5)本发明采用在轨相位监视，解决了现有技术不能在轨对功放进行相位误差补偿的缺点，可以实现在轨误差补偿，提高合成效率的优点。

附图说明

图1为SARLupe大功率技术框图；

图2为HJ-1C大功率合成技术框图；

图3为波束不展宽情况下星载轻型SAR大功率合成框图；

图4为波束需展宽条件下星载轻型SAR的大功率合成框图；

图5为butler矩阵隔离度对合成效率的影响示意图；

图6为合成对信号波形的影响示意图；

图7为合成对脉压性能的影响示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的具体实施方式进行进一步的详细描述。

图3给出了天线波束不需要展宽的功率合成方案，即每个波束只需一个馈源便可以形成，因此大功率合成为一个统一的网络。从图3可知，本发明提出的一种用于星载轻型SAR的大功率合成器，其特征在于：包括波位控制模块、输入Butler矩阵、相位补偿模块、功率放大模块、定向耦合模块、相位监视模块、输出Butler矩阵、发射与接收网络模块和馈源阵；

所述波位控制模块利用电子开关选择输入Butler矩阵的输入端口，将输入信号从选择的输入端口发送给输入Butler矩阵中；

所述输入Butler矩阵对输入的信号进行功分和相位非色散控制后输出到相位补偿模块进行色散型移相处理；所述相位补偿模块包括m个移相器；所述m为2、4、或8等的正整数。

所述功率放大模块包括m个行波管，发射与接收网络模块包括m个环行器和接收机，定向耦合模块包括m个定向耦合器，馈源阵包括m个馈源，功率放大模块对色散型移相处理后的信号进行功率放大后输出给定向耦合模块，

定向耦合模块对接收到的功率放大后的信号进行定向耦合，分为主线大功率信号和辅线小功率信号，并将主线大功率信号输出给输出Butler矩阵，将辅线小功率信号输出给发射与接收网络模块；

输出Butler矩阵接收定向耦合模块输出的主线大功率信号进行大功率合成，选择输出Butler矩阵的输出端口将信号输出后，通过发射与接收网络模块输出给馈源阵；所述输出Butler矩阵的输出端口与电子开关选择的输入Butler矩阵输入端口相对应。

发射与接收网络模块接收定向耦合模块输出的辅线小功率信号进行相位计算，得到相位不一致性结果，并将相位不一致性结果输出给相位监视模块；所述相位不一致性为功率放大模块中各个行波管的相位不一致性；

相位监视模块将相位计算结果输出给相位补偿模块，对后续输入到功率放大模块的信号进行相位补偿，使得功率放大模块输出信号的相位一致。

图4给出了天线波束需要展宽的功率合成方案，这时，每个波束需要两个甚至两个以上的馈源形成，因此大功率合成为两个上下对称的网络，如果需要多个馈源，则需要多个网络，考虑到***复杂度，一般每个波束参与的馈源数目不宜过多。天线波束需要展宽的功率合成方案中的大功率合成器包括一个功分器和n个图3中所示的大功率合成器；

所述功分器将输入信号分为n路，且输出端分别与n个图3中所示的大功率合成器的输入端连接，所述n为大于等于2的正整数。

2、大功率合成方法工作原理

不失一般性，如图3所示的大功率合成网络，假设输入矩阵的传输函数矩阵为T_in，功放矩阵的传输函数矩阵为T_hp，输出矩阵的传输函数矩阵为T_out。假设因为波束形成需求，要求馈源1工作，其余馈源不工作。

假设通过小信号电子开关控制，使小信号从输入矩阵的输入端口S_i4输入，则输入小信号矢量为：

S_i＝(0 0 0 s₄)^T

根据图3可知，输入小信号经过输入矩阵后的信号矢量为：

$S_A=\frac{1}{2}{\left(\begin{array}{cccc}-s_4& -{\mathrm{js}}_4& -{\mathrm{js}}_4& s_4\end{array}\right)}^T$

由此可见，输入小信号S_i经过输入矩阵后，各输出端口的信号功率相等，而相位不同。由于在雷达***中，为了提高功放效率，功放一般要求工作在深饱和状态下，即只要功放的输入信号功率在其激励范围内变化，增益始终为一恒定值。另外，在本大功率合成方案中，功放矩阵只是对小功率信号进行功率放大，功放矩阵的传输特性既不能改变各信号的大小关系，也不能改变各信号的相位关系，否则输出矩阵的功率合成效果会收到影响，若相位特性通过移相调节，补偿各功放附加相位的不一致性，而输入激励通过衰减器调节，使其满足各功放的激励要求，只要保证各功放的输出信号功率一致，就能保证衰减器和功放的综合增益一致，就能满足功率合成的要求。由于各功放的输出信号功率一致，因此，常规方法要求的一个很大的功率需求，就可以平均分摊到各个功放，由各功放分别放大，就可以降低对功放的高功率要求。输入矩阵各输出端口的信号功率相等对功率合成是有利的。当各功放的增益和附加相位均相同，即k₁＝k₂＝k₃＝k₄＝k，时，信号矢量经功放的传输矩阵后的信号矢量为：

最后，信号矢量S_B经输出矩阵后的信号矢量为：

由以上两式可见，4个功放输出信号的功率和与端口S_o1信号功率均为k²|s₄|²，即4个功放放大后的信号功率全部合成到端口S_o1上，实现了大功率合成的目的。

3、相位监视及补偿

根据现有技术和工艺水平，各通道功放的相位不一致性目前只能控制在±20°内，再加上各通道路径的***相位误差，各通道的最终相位一致性一般超过±30°范围，因此，若不采取在轨相位校准措施，合成效率很难达满足***要求。

所以，分***采用如图3、图4所示的相位校准措施，每次成像前对各通道进行相位监视及相位补偿，将各通道的相位一致性准确控制在±5°内，将大功率合成器的合成效率保持在90％以上。具体校准方案是通过定向耦合器将各行放的输出信号耦合至相位校准网络，进行相位计算得到各行放的相位不一致性，再根据相位不一致性对各行放进行相位校准。

本发明内容是针对我国第一代星载轻型SAR雷达大功率合成关键技术进行攻关的研究成果。卫星轨道高度为400--600km，工作波段为X，天线面积约为12m²，分辨率指标要求为0.5m×0.5m，***灵敏度为优于-20dB，成像幅宽为10km×10km，因此，***峰值发射功率为6kW量级，才能满足指标要求，然而，我国还不具备6kW宇航级脉冲行放研制条件，需要采用大功率合成技术来解决。我们确定的大功率合成方案如图3、图4所示，包括如下几个实现步骤：

(1)由***预功放输出的小功率信号，输入到功分器，进行功分，如果是单馈源参与，功分器可以没有；

(2)经过功分器功分后的小功率信号输入到输入butler矩阵，进行功分和相位非色散控制；

(3)经过输入butler矩阵处理后的小功率信号输入到相位补偿模块进行色散型移相处理，主要作用是补偿合成网络路径和脉冲功放等引入的色散型相位误差，相位补偿模块的移相值需要根据相位监视结果确定，由地面通过上注移相参数来实现；

(4)经过相位补偿模块处理后的小功率信号输入到功率放大模块进行功率放大，放大后的输出功率一般为几百上千瓦，因此，经过功放放大后信号一般也称为大功率信号，但还不满足***性能需求，因此需要进一步合成；

(5)经过功率放大模块放大后的大功率信号输入到定向耦合模块，主线输出大功率信号至输出butler矩阵，以便进行功率合成，辅线输出小功率信号至发射与接收网络模块，以便进行相位监视；

(6)经过定向耦合模块处理后的主线大功率信号输入到输出butler矩阵，进行最终的大功率合成，并输出至发射与接收网络模块；

(7)经过定向耦合模块处理后的辅线小功率信号输入到发射与接收网络模块，进行接收、采集和相位计算处理，得到合成网络各通道的路径和脉冲功放等的相位不一致性。

大功率合成实例：

如图3所示，假设小信号从输入butler矩阵输入端口4输入，从输出butler矩阵输出端口S_o1输出大信号，单只行放功率为59dBm，合成后的理想功率为65dBm。

(1)幅相误差、隔离度对合成效率的影响

表1为当butler矩阵端口隔离度为20dB时，幅相误差对合成效率的影响统计结果。

表1

图5为当幅相误差为±0.5dB和±5°时，butler矩阵端口隔离度对合成效率的影响结果，其中，横坐标为端口隔离度，纵坐标为合成效率，由图5可以看到，当隔离度为17dB以上时，效率为97％左右，实际隔离度为20dB，效率可以达到98％。

(1)幅相误差、隔离度对合成效率的影响

图6、图7分别为幅相误差为±0.5dB和±5°，butler矩阵端口隔离度为20dB，信号脉宽为30us，带宽为800MHz时，合成前后信号波形和脉压结果。图6横坐标为脉冲时间(us)，纵坐标为归一化信号幅度，图7横坐标为脉冲时间(us)，纵坐标为脉压后点目标归一化功率。由图6可见，合成后信号幅度约为合成前的2倍，即功率为4倍，达到了4路合成为1路的目的，由图7可见，合成前后信号脉压性能完全一致，说明本发明不会给信号引入额外误差。

根据上述大功率合成实例结果，本发明方法满足星载轻型SAR大功率发射需求，以及信号性能要求。

本发明说明书中未作详细描述的内容属于本领域专业技术人员的公知技术。

Claims (4)

1.一种用于星载轻型SAR的大功率合成器，其特征在于：包括波位控制模块、输入Butler矩阵、相位补偿模块、功率放大模块、定向耦合模块、相位监视模块、输出Butler矩阵、发射与接收网络模块和馈源阵；

所述波位控制模块利用电子开关选择输入Butler矩阵的输入端口，将输入信号从选择的输入端口发送给输入Butler矩阵中；

所述输入Butler矩阵对输入的信号进行功分和相位非色散控制后输出到相位补偿模块进行色散型移相处理；所述相位补偿模块包括m个移相器；

所述功率放大模块包括m个行波管，发射与接收网络模块包括m个环行器和接收机，定向耦合模块包括m个定向耦合器，馈源阵包括m个馈源，功率放大模块对色散型移相处理后的信号进行功率放大后输出给定向耦合模块；

定向耦合模块对接收到的功率放大后的信号进行定向耦合，分为主线大功率信号和辅线小功率信号，并将主线大功率信号输出给输出Butler矩阵，将辅线小功率信号输出给发射与接收网络模块；

输出Butler矩阵接收定向耦合模块输出的主线大功率信号进行大功率合成，选择输出Butler矩阵的输出端口将信号输出后，通过发射与接收网络模块输出给馈源阵；

发射与接收网络模块接收定向耦合模块输出的辅线小功率信号进行相位计算，得到相位不一致性结果，并将相位不一致性结果输出给相位监视模块；所述相位不一致性为功率放大模块中各个行波管的相位不一致性；

相位监视模块将相位计算结果输出给相位补偿模块，对后续输入到功率放大模块的信号进行相位补偿，使得功率放大模块输出信号的相位一致。

2.根据权利要求1所述的一种用于星载轻型SAR的大功率合成器，其特征在于：所述输出Butler矩阵的输出端口与电子开关选择的输入Butler矩阵输入端口相对应。

3.根据权利要求1所述的一种用于星载轻型SAR的大功率合成器，其特征在于：所述m为2的正整数倍。

4.一种用于星载轻型SAR的大功率合成器，其特征在于：包括一个功分器和n个权利要求1中所述的大功率合成器；

所述功分器将输入信号分为n路，且输出端分别与n个权利要求1中所述大功率合成器的输入端连接，所述n为大于等于2的正整数。