CN108540214B - 一种适用于阵列转发器的宽带相位均衡方法 - Google Patents

一种适用于阵列转发器的宽带相位均衡方法 Download PDF

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Abstract

一种适用于阵列转发器的宽带相位均衡方法，通过传输线的色散特性对阵列转发器多通道***链路或***中多通道有源单机的全带宽内的相位不平衡性进行均衡，达到阵列转发器全工作带宽内相位一致性的控制目的。本发明主要针对使用阵列转发器的静止轨道移动通信卫星有效载荷，通过本发明提供的方法，可以实现阵列转发器对多通道全工作带宽内相位一致性的要求，提高阵列转发器的功率集中能力、波束形成精度等与相位一致性相关的主要性能指标，提升阵列转发器性能。

Description

一种适用于阵列转发器的宽带相位均衡方法
技术领域
本发明涉及静止轨道移动通信卫星有效载荷技术，特别是一种适用于阵列转发器的宽带相位均衡方法。
背景技术
阵列转发器是静止轨道移动通信卫星的核心技术，通常包含有几十路甚至数百路接收发射通道。发射通道为了实现功率动态调配，一般应用Butler矩阵+固放形成功率动态调配，几十路固态放大器的幅相一致性将影响输出功率以及合成效率，进而影响波束形成；接收通道通常采用几十路甚至数百路低噪放同时接收用户信号，低噪声放大器的幅相一致性将影响波束的形成，所以影响阵列转发器收发通道幅相一致性的部件主要有低噪声放大器和固态放大器，固放和低噪放的幅相一致性是关键控制点。
固放和低噪放由于有源器件的差异以及单机装配的差异等原因，必然导致各台产品的相位不平衡，虽然可以通过包括元器件性能的筛选、单机设计的控制、单机使用工艺的控制、单机生产的控制以及单机的调试，通过这些控制点使单机幅度和相位尽可能的一致，但这些控制手段实现难度也较大，实现的相位一致性控制精度有限，单单靠控制单机的相位一致性保证***的相位一致性效果往往不一定很好，所以还需要在阵列转发器***集成阶段的相位一致性控制工作上做文章。
目前常用的幅相一致性补偿技术一种是通过移相器实现某一中心频点(某一固定频点)的相位补偿，例如专利《一种适用于不同有源阵列天线的一体化校正***及校正方法》所描述的就是这种相位补偿方法。由于移相器相位补偿能力的限制，一般只适用于一个周期以内的通道相位差的补偿，存在一定的局限性，而本专利是通过传输线实现全带宽内的相位均衡，可补偿数个周期的通道相位差，与本专利的相位均衡方法有着本质的不同。
另一种常用的幅相一致性补偿技术是利用传输线实现带宽内中心频点(某一固定频点)的相位补偿，不考虑不同频率之间的色散特性，例如专利《一种多通道相位补偿电路及方法》所描述的就是这种相位补偿方法。而本专利讲述的是全带宽内相位均衡方法，适用于宽带***的相位一致性均衡，与本专利的适用范围和实现步骤完全不同。
发明内容
本发明解决的技术问题是：克服现有技术的不足，提供了一种适用于阵列转发器的宽带相位均衡方法，通过传输线的色散特性对阵列转发器多通道***链路或***中多通道有源单机的全带宽内的相位不平衡性进行均衡，达到阵列转发器全工作带宽内相位一致性的控制目的。
本发明的技术解决方案是：一种适用于阵列转发器的宽带相位均衡方法，步骤如下：
第一步：用矢量网络分析仪分别测试阵列转发器多个微波通道的相位曲线，进而得到多个微波通道在阵列转发器工作带宽中心频点、最高频点、最低频点的相位值；
第二步：计算各个微波通道最低频点与最高频点相位差值，作为对应微波通道工作带宽内的色散值，将色散值最大值对应的微波通道作为基准通道，并对其他微波通道的色散值进行归一化处理；
第三步：根据各个归一化处理后微波通道的色散值计算各个微波通道补偿传输线周期数；
第四步：计算得到各个微波通道中心频点相对于基准通道中心频点传输线相位补偿值；
第五步：根据各个微波通道补偿传输线周期数、传输线相位补偿值计算得到各个微波通道相对于基准通道需要补偿的传输线相位值。
所述的根据各个归一化处理后微波通道的色散值计算各个微波通道补偿传输线周期数的方法为：
(1)获取阵列转发器各个微波通道归一化处理后的色散值；
(2)将各个微波通道归一化处理后的色散值分别除阵列转发器工作带宽引起的相位差值，然后对计算结果进行四舍五入取整，进而得到各个微波通道补偿传输线周期数。
所述的阵列转发器工作带宽引起的相位差值
Figure GDA0002718079670000031
的计算方法为：
(1)设阵列转发器的工作频段为[fL,fH]，中心频点为f0；
(2)计算得到阵列转发器工作带宽引起的相位差值
Figure GDA0002718079670000032
所述的第四步中计算得到各个微波通道中心频点相对于基准通道中心频点传输线相位补偿值的方法为：
将当前微波通道中心频点的相位值与基准通道在中心频点的相位值进行做差。
所述的根据各个微波通道补偿传输线周期数、传输线相位补偿值计算得到各个微波通道相对于基准通道需要补偿的传输线相位值的方法为：当前微波通道补偿传输线周期数*360°+当前微波通道相对于基准通道需要补偿的传输线相位值。
本发明与现有技术相比的优点在于：
(1)本发明通过传输线的色散特性对阵列转发器多通道***链路或***中多通道有源单机的全带宽内的相位不平衡性进行均衡，而不是现有的在某一个频点上的相位一致性控制技术，解决了阵列转发器全工作带宽内相位均衡问题，提高了阵列转发器在整个带宽内的性能指标；
(2)本发明通过传输线实现阵列转发器多通道***链路或***中多通道有源单机的相位均衡，由于阵列转发器多通道***链路中包含传输线，根据多通道相位差异设置不同通道的传输线长度，即可达到多通道***相位一致性的控制目的，不额外增加有效载荷***的研制成本，不同于目前常采用增加移相器实现相位补偿或控制的技术，本发明与其相比具有低成本、简单、快速、高可靠性等优点。
附图说明
图1为规模为3*3的阵列转发器***相位均衡模型；
图2为本发明方法的流程图；
图3为阵列转发器(8*8)8个通道相位一致性均衡前后对比示意图；其中，图3(a)为阵列转发器(8*8)8个通道相位一致性均衡前的相位一致性实测结果示意图，图3(b)为阵列转发器(8*8)8个通道相位一致性均衡后的相位一致性实测结果示意图。
具体实施方式
本发明克服现有技术的不足，提供了一种适用于阵列转发器的宽带相位均衡方法，通过传输线的色散特性对阵列转发器多通道***链路或***中多通道有源单机的全带宽内的相位不平衡性进行均衡，达到阵列转发器相位一致性的控制目的。
本发明相位均衡方法的具体思路：相位相对长的微波通道相位+相应短的传输线相位＝相位相对短的微波通道相位+相应长的传输线相位，用传输线实现微波通道带宽内的相位一致性的均衡，实现***各微波通道的相位一致性；
传输线的色散特性：固定长度的传输线对应于带宽内的在不同频率点的相位是不同的，随着频率升高，相移随着变大；
假定一根传输线的长度为工作频段内[fL,fH]的中心频点f0的一个波长λ0，即该传输线在中心频点f0的相位为360°，其中fL、fH分别为工作频段的最低频率和最高频率，由于
Figure GDA0002718079670000041
其中c为光速，εr为传输线的介电常数，λ为波长，f为频率。
所以：
Figure GDA0002718079670000042
其中λL、λ0、λH分别为最低频点、中心频点和最高频点对应的波长。
则
Figure GDA0002718079670000051
可以推算出：长度为λ0的传输线在fL频点的相位值为：
Figure GDA0002718079670000052
长度为λ0的传输线在fH频点的相位值为：
Figure GDA0002718079670000053
在频段内[fL,fH]，中心频点的一个波长的传输线可以引起fH和fL相位值差为
Figure GDA0002718079670000054
这就是传输线在工作带宽内的色散特性。
下面以规模为3*3的阵列转发器之间的相位一致性为例对此全带宽内相位均衡方法步骤进行说明，3*3的阵列转发器相位均衡模型如图1所示。
第一步：在[fL,fH]频段内，用矢量网络分析仪测试阵列转发器三个微波通道的相位值，分别记录三个微波通道(标号分别为CH1、CH2、CH3)在fL、f0、fH频点处的相位值，分别为：
Figure GDA0002718079670000055
第二步：分别计算三个通道色散值分别为
Figure GDA0002718079670000056
比较这三个通道色散值的大小，色散最大值对应的通道即为相位最长的微波通道，以相位最长的通道作为基准通道，假定CH2作为基准通道，对上述三个差值进行归一，则归一后的数据形式为：
Figure GDA0002718079670000057
第三步：计算补偿传输线周期数：将上述CH1、CH3归一后的数据结果分别除以
Figure GDA00027180796700000516
(在阵列转发器工作带宽内，一根在中心频点的相位值为360°的传输线，在最高频点和最低频点测试的相位差值，即为传输线在工作带宽内的色散特性)，分别得出
Figure GDA0002718079670000058
和
Figure GDA0002718079670000059
分别对结果进行四舍五入取整，即可分别得出CH1、CH3相对于CH2需要补偿的传输线的周期数，记为：N1和N3；
第四步：计算中心频点传输线相位补偿值：分别计算CH2与CH1、CH3之间中心频点相位差，即为：
Figure GDA00027180796700000510
和
Figure GDA00027180796700000511
分别记为：
Figure GDA00027180796700000512
和
Figure GDA00027180796700000513
第五步：根据第三步和第四步算出的补偿传输线周期数和中心频点传输线相位补偿值，可以计算出CH1和CH3相对于CH2分别需要补偿的传输线相位值，分别为：
Figure GDA00027180796700000514
和
Figure GDA00027180796700000515
在相位均衡传输线1～3制作时，保证与CH1、CH3相连的传输线较与CH2相连的传输线分别长
Figure GDA0002718079670000061
和
Figure GDA0002718079670000062
即可实现传输线对阵列转发器多通道相位一致性全带宽内的相位均衡。
以上步骤实施流程图见图2所示，根据以上方法步骤，在某工程应用中实现了对规模为8*8的阵列转发器全带宽内的相位均衡，如图3所示分别为相位均衡前后的相位一致性实测结果，图3(a)可以看出，相位均衡前8路阵列转发器通道绝对相位之间除中心频点相位存在±6°以内的差距外，整个带宽内的某个频点最大还存在2个周期的周期差(归一化相位曲线斜率差异较大，即按第三步计算出的周期数最大为2)，即通道之间绝对相位相差最大为720°左右，通过同轴电缆相位均衡后，通过图3(b)可以看出，8路通道的绝对相位都在一个周期内(归一化相位曲线斜率差异较小，即按第三步计算出的周期数最大小于0.5，取整后即为0)，8个通道全带宽内绝对相位差均改善到±2.5°以内。
本发明说明书中未作详细描述的内容属本领域技术人员的公知技术。

Claims (1)

1.一种适用于阵列转发器的宽带相位均衡方法，其特征在于步骤如下：
第一步：用矢量网络分析仪分别测试阵列转发器多个微波通道的相位曲线，进而得到多个微波通道在阵列转发器工作带宽中心频点、最高频点、最低频点的相位值；
第二步：计算各个微波通道最低频点与最高频点相位差值，作为对应微波通道工作带宽内的色散值，将色散值最大值对应的微波通道作为基准通道，并对其他微波通道的色散值进行归一化处理；
第三步：根据各个归一化处理后微波通道的色散值计算各个微波通道补偿传输线周期数；包括：获取阵列转发器各个微波通道归一化处理后的色散值；将各个微波通道归一化处理后的色散值分别除以阵列转发器工作带宽引起的相位差值，然后对计算结果进行四舍五入取整，进而得到各个微波通道补偿传输线周期数；其中，阵列转发器工作带宽引起的相位差值
Figure FDA0002718079660000012
的计算方法为：设阵列转发器的工作频段为[fL,fH]，中心频点为f0；计算得到阵列转发器工作带宽引起的相位差值
Figure FDA0002718079660000011
第四步：计算得到各个微波通道中心频点相对于基准通道中心频点传输线相位补偿值；包括：将当前微波通道中心频点的相位值与基准通道在中心频点的相位值进行做差；
第五步：根据各个微波通道补偿传输线周期数、传输线相位补偿值计算得到各个微波通道相对于基准通道需要补偿的传输线相位值；包括：当前微波通道补偿传输线周期数*360°+当前微波通道相对于基准通道需要补偿的传输线相位值。
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