CN113138371A - 用于射频链路的幅度相位快速校准的宽带近场测量***及方法 - Google Patents
用于射频链路的幅度相位快速校准的宽带近场测量***及方法 Download PDFInfo
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Abstract
本发明公开了一种射频链路的幅度相位快速校准的宽带近场测量***及方法。该***包括机械转台、***电路板、上位机和电位移平台;所述***电路板上设置有宽带近场测量电路,其上设置有发射端耦合器接口、接收端耦合器接口和通讯接口分别连接发射天线及链路、接收天线及链路和上位机;发射天线及链路安装在机械转台上,接收天线及链路安装在电位移平台上。所述宽带近场测量电路包括宽带发射机、低中频接收机、两个耦合器、数字信号处理模块。使用本发明所提出的测量***,可以明显提升相控阵收发通道的校准速度。
Description
技术领域
本发明涉及相控阵雷达测量领域,尤其涉及一种用于射频链路的幅度相位快速校准的宽带近场测量***及方法。
背景技术
在相控阵天线***中,通过调节每个天线单元的相位就可获得预期的波束扫描。但由于加工精度造成的结构误差,以及器件本身的不一致性,此外还有天线单元之间的互耦等使得每一个天线单元的幅度和相位与预期值不同,使阵列性能达不到理想的工作状态。因此,相控阵天线组装后,需要进行幅度相位校准,获取幅度相位差,再通过调整馈电进行补偿。
目前主流相控阵链路的幅相校准的方法有:近场测量法,旋转矢量法,互耦校准法,换相测量法。其中传统的近场测量法需要位移平台,和矢量网络分析仪。测量数据量多,测量精度高。而旋转矢量法和互耦校准法对相控阵天线本身的性能有要求,不具有普遍性。换相测试法的测量结构简单,但实验算法复杂,效率不高。
近场测量法包含平面近场,圆柱面近场和球面近场。平面进场需要被测物体固定,探针在特定的平面上扫描移动,当扫描平面足够大,测量结果较为准确;球面近场测试是对天线周围全空间的测试,理论上测量误差最小,但对于转台的精度要求也更高。通常的相控阵雷达需要宽的扫描角度,这就使平面进场测量法的扫描平面很大,但不具全向辐射的特性,这使得球面近场测量的优势减小。所以圆柱面近场测量法的优势得以显现。
传统的近场测量方法需要利用商用矢量网络分析仪进行S参数扫描,尽管扫描速度快,但矢量网络分析仪与电脑端之间依靠网口进行传输,传输速率慢。例如对一个有256个阵源的相控阵通道进行校准,每个通道有6位的数控移相器,和4位的衰减器,利用商用矢量网络分析仪进行校准需要的扫描和传输时间约12-15小时。尽管使用程控机械转台进行扫描,仍然需要人为观察关注扫描过程中出现的机械故障和数据采集错误问题。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是:克服现有技术中存在的扫描数据传输速率慢的问题和缺陷,提供一种不依靠商用矢量网络分析仪的快速幅相校准的方法和装置。
为了达到上述目的,本发明采用如下技术方案:
一种用于射频链路的幅度相位快速校准的宽带近场测量电路,包括宽带发射机、低中频接收机、两个耦合器、数字信号处理模块;低中频接收机包括两条相同的下变频链路;宽带发射机的信号输出端通过第一单刀双掷开关连接两个耦合器的输入端,两个耦合器的隔离端和耦合端分别通过第二单刀双掷开关和第五单刀双掷开关连接下变频链路的信号输入端,两个耦合器的直通端分别连接发射天线及链路和接收天线及链路;低中频接收机的信号输出端连接数字信号处理模块,数字信号处理模块用于计算输入信号的幅度和相位,并将计算结果输入上位机。
进一步的,所述宽带发射机包括宽带锁相环、第三单刀双掷开关、第四单刀双掷开关、倍频链路和自动电平控制电路;宽带锁相环的信号输出端与第三单刀双掷开关的动端连接,第三单刀双掷开关的两个不动端分别连接第四单刀双掷开关的一个不动端和倍频链路的信号输入端,倍频链路的信号输出端连接第四单刀双掷开关的另一个不动端,第四单刀双掷开关的动端连接自动电平控制电路的信号输入端,自动电平控制电路的信号输出端连接第一单刀双掷开关的动端。
宽带锁相环或经过放大器以及倍频器产生激励,经滤波器后,通过自动电平控制电路,调整输出功率后,切换单刀双掷开关至发射端,将输出信号馈入发射天线及链路,同时经过发射端的耦合器和单刀双掷开关耦合一部分能量至低中频接收机中混频器的射频端口。
进一步的,所述自动电平控制电路包括可调衰减器、微控制单元和功率检波器;可调衰减器和功率检波器连接第四单刀双掷开关的动端,微控制单元连接功率检波器。
进一步的,所述低中频接收机包括两个下变频链路、功分器和宽带本振源;下变频链路包括依次连接的混频器、放大器、滤波器;两个混频器的输入端分别连接第二单刀双掷开关和第五单刀双掷开关的动端;宽带本振源输出的本振信号经过功分器分别接入两个混频器的本振端口。接收天线及链路接收发射天线的信号,并将该信号通过接收端的耦合器和单刀双掷开关耦合一部分能量馈入低中频接收机中另一混频器的射频端口。所述的宽带本振源包括宽带锁相环及放大器、倍频器,产生激励信号,信号经过滤波器,和衰减器调整功率后,通过功分器分两路馈入两个混频器的本振端口。
进一步的,所述数字信号处理模块包括模数转换器、现场可编程阵列电路,模数转换器的信号输入端接低中频接收机的信号输出端,信号输出端接现场可编程阵列电路的信号输入端,现场可编程阵列电路的信号输出端连接上位机。两条下变频链路的信号经过模数转换器后得到数字信号,数字信号进入现场可编辑阵列,进行数字变频,梳状滤波,非递归滤波以及幅度相位求解,得到幅度和相位。
进一步的,所述耦合器为带状线定向耦合器,由多级平行耦合带状线构成,通过金属结构件按压紧密耦合,实现高带宽的要求。
基于上述电路的宽带近场测量***,包括机械转台、***电路板、上位机和电位移平台;所述***电路板上设置有所述宽带近场测量电路,其上设置有发射端耦合器接口、接收端耦合器接口和通讯接口分别连接发射天线及链路、接收天线及链路和上位机;发射天线及链路安装在机械转台上,接收天线及链路安装在电位移平台上。所述***电路板上集成有宽带发射机、低中频接收机、两个耦合器、数字信号处理模块、高速接口电路,高速接口电路的两端分别连接数字信号处理模块和上位机。
进一步的,基于所述宽带近场测量***的测量方法为:
(1)启动***电路,将***电路板上的发射端带状线定向耦合器和接收端带状线定向耦合器接口分别连接发射天线和接收天线,数据接口连接电脑,自动电平控制电路后级的单刀双掷开关切入发射端;
(2)利用上位机中现有程序精确调整机械转台的转角,同时手动调节电位移平台位置使发射天线与接收天线对准;
(3)上位机根据发射天线的工作频段设定扫频的范围和步进;
(4)开始扫频,上位机接收***电路板上发送的数据并保存,完成发射天线及其链路测量。
(5)将自动电平控制电路后级的单刀双掷开关切入接收端,重复上述步骤,(2)-(4)完成接收天线及其链路的测量;
(6)上位机获得完整的发射,接收天线及其链路的幅度相位值后,进行作图和处理,再对其馈电的幅度相位进行重配置,完成校准。
进一步的,所述测量方法的具体步骤包括:
步骤1:启动***电路,第一单刀双掷开关切入发射端耦合器,上位机根据发射天线工作频段设定扫频的范围和步进;
步骤2:开始扫频,宽带锁相环输出信号通过第三单刀双掷开关,当进行低频扫描时,第三单刀双掷开关切入第四单刀双掷开关的一个不动端;当进行高频扫描时,第三单刀双掷开关切入放大器、倍频器和滤波器进入第四单刀双掷开关另一个不动端;
步骤3:第四单刀双掷开关输出信号通过自动电平控制电路后,由第一单刀双掷开关切入发射端耦合器,一部分信号通过发射端耦合器直通端连接发射天线及链路,另一部分通过耦合端通过第二单刀双掷开关切入低中频接收机中混频器的射频端口;
步骤4:信号由接收天线及链路接收至接收端耦合器的直通端,部分耦合至隔离端后通过第五单刀双掷开关切入低中频接收机中另一混频器的射频端口;
步骤5:宽带本振源输出本振信号经过功分器馈入混频器本振端口,两路射频端口耦合信号混频后,经过放大器,滤波器,数模转换器和现场可编程阵,计算得出幅度和相位值后,上传到上位机;
步骤6:上位机对幅度和相位值进行储存,作图和处理,并利用测量的幅度相位值对天线及其链路的馈电相位和幅度进行重配置。
进一步的,将第一单刀双掷开关切入接收端耦合器作为发射端进行收发切换,重复步骤1-6。“发射端”和“接收端”,“发射天线及链路”和“接收天线及链路”可以互相替换,即收发可以转换。
有益效果:本发明所述的方法和装置自行设计宽带发射机,低中频接收机,数字信号处理模块,高速接口电路以及电位移平台联合机械转台,与现有技术相比,摆脱了对商用矢量网络分析仪的依赖,***结构简单,数据传输速度快。达到缩短测量时间,提升幅相校准速度的作用。
附图说明
图1是本发明***电路板的结构示意图;
图2是本发明的校准***测量连接示意图。
具体实施方式
本发明所提供的幅度相位快速校准的方法和装置不仅仅适用于相控阵雷达,可以是任意幅度或相位需要校准的射频链路及天线。下面结合附图对技术方案的实施作进一步的详细描述:
一种用于射频链路的幅度相位快速校准的宽带近场测量电路,如图1所示,包括宽带锁相环1,单刀双掷开关,倍频器3,放大器4,滤波器5,可调衰减器6,微控制单元7,功率检波器8,带状线定向耦合器9,混频器10,模数转换器11,现场可编程阵列12,上位机13,功分器14,发射天线及链路15,接收天线及链路16。
该电路具有以下功能:
一、实现宽频带可程控扫频的频率源
选择宽带锁相环1并搭配放大器4和倍频器3实现宽频带频率源,在倍频器3后谐波抑制滤波器5,通过分路的第三单刀双掷开关2.3分别切换到锁相环直出或倍频器输出的不同频段链路。
微控制单元7配置宽带锁相环1的寄存器实现锁相环芯片的频率扫描,频率扫描范围由发射天线及链路15的工作频率确定,再由上位机13通过串口设置频率扫描范围以及频率扫描步进。
滤波器5,抑制程度达到-40dB。使用全波仿真软件,例如High FrequencyStructure Simulator(HFSS)优化结构和参数实现滤波器回波损耗小于20dB,***损耗小于3dB。
二、实现发射链路功率的自动调整
宽带锁相环1直出信号或经过放大器4,倍频器3以及滤波器5后的信号,再经由合路的第四单刀双掷开关2.4切换到自动电平控制单元。
自动电平控制单元由功率检波器8,可调衰减器6,微控制单元7组成,微控制单元7控制衰减器将输入信号的功率稳定输出。
三、实现功率的定向耦合
自动电平控制单元输出的信号经过切换第一单刀双掷开关2.1和带状线定向耦合器9后,一部分能量进入发射天线及链路15,另一部分耦合至低中频接收机的一条下变频链路。
采用平行带状线定向耦合器结构设计耦合器,耦合器的回波损耗在20dB以下。
接收天线及链路16后采用相同的带状线定向耦合器。
四、实现发射和接收天线及链路的下变频
两个带状线定向耦合器9分别连接两条结构相同的下变频链路。
下变频链路包含宽带本振源,混频器10,放大器4,滤波器5和数模转换器11。
宽带本振源包含宽带锁相环1,倍频器3,放大器4和滤波器5,微控制单元7控制宽带本振源输出的本振信号与射频信号在频率扫描时始终有固定频率差。
本振信号经过功分器14分别接入两个混频器的本振端口。
平行带状线定向耦合器的耦合端口通过单刀双掷开关接入混频器10的射频端口,混频器的中频输出接入后级放大器4,滤波器5。
五、实现数模转换和数字信号处理
数模转换和数字信号处理包含数模转换器11和现场可编程阵列12。现场可编程阵列收集数模转换器的输出数字信号后经过数字下变频,梳状滤波器,非递归滤波器和幅度相位计算,计算结果存入现场可编程阵列13。
基于上述电路的宽带近场测量***,如图2所示,包括机械转台17,发射天线及链路15,电脑上位机13,接收天线及链路16,电位移平台18,***电路板19,同轴电缆20。
该测量***的使用方法包括如下步骤:
一、单通道的测量
调整机械转台17和电位移平台18位置;启动***电路板19,将***电路板19上的发射端和接收端接口通过同轴电缆20分别连接发射天线及链路15和接收天线及链路16,数据接口连接上位机13;上位机13根据发射天线及链路的工作频段设定扫频的范围和步进;开始扫频,上位机13接收***电路板19上的处理数据。
二、切换射频链路和通道
保持电控位移平台17上接收天线及链路不动,上位机13控制机械转台18转动切换通道,继续频率扫描,重复切换通道至所有发射天线及链路的通道校准完毕,并将测量结果传输至上位机13。
三、实现收发通道切换
将图1中自动电平控制电路后的第一单刀双掷开关2.1切至接收天线及链路16,则发射天线及链路15作为接收天线及链路使用,接收天线及链路16作为发射天线及链路使用,重复上述的配置和扫频步骤,实现对发射天线及链路的接收通道的测量和校准。
Claims (9)
1.一种用于射频链路的幅度相位快速校准的宽带近场测量电路,其特征在于,包括宽带发射机、低中频接收机、两个耦合器、数字信号处理模块;低中频接收机包括两条相同的下变频链路;宽带发射机的信号输出端通过第一单刀双掷开关连接两个耦合器的输入端,两个耦合器的隔离端和耦合端分别通过第二单刀双掷开关和第五单刀双掷开关连接下变频链路的信号输入端,两个耦合器的直通端分别连接发射天线及链路和接收天线及链路;低中频接收机的信号输出端连接数字信号处理模块,数字信号处理模块用于计算输入信号的幅度和相位,并将计算结果输入上位机。
2.根据权利要求1所述的一种用于射频链路的幅度相位快速校准的宽带近场测量电路,其特征在于,所述宽带发射机包括宽带锁相环、第三单刀双掷开关、第四单刀双掷开关、倍频链路和自动电平控制电路;宽带锁相环的信号输出端与第三单刀双掷开关的动端连接,第三单刀双掷开关的两个不动端分别连接第四单刀双掷开关的一个不动端和倍频链路的信号输入端,倍频链路的信号输出端连接第四单刀双掷开关的另一个不动端,第四单刀双掷开关的动端连接自动电平控制电路的信号输入端,自动电平控制电路的信号输出端连接第一单刀双掷开关的动端。
3.根据权利要求2所述的一种用于射频链路的幅度相位快速校准的宽带近场测量电路,其特征在于,所述自动电平控制电路包括可调衰减器、微控制单元和功率检波器;可调衰减器和功率检波器连接第四单刀双掷开关的动端,微控制单元连接功率检波器。
4.根据权利要求2所述的一种用于射频链路的幅度相位快速校准的宽带近场测量电路,其特征在于,所述低中频接收机包括两个下变频链路、功分器和宽带本振源;下变频链路包括依次连接的混频器、放大器、滤波器;两个混频器的输入端分别连接第二单刀双掷开关和第五单刀双掷开关的动端;宽带本振源输出的本振信号经过功分器分别接入两个混频器的本振端口。
5.根据权利要求1所述的一种用于射频链路的幅度相位快速校准的宽带近场测量电路,其特征在于,所述数字信号处理模块包括模数转换器、现场可编程阵列电路,模数转换器的信号输入端接低中频接收机的信号输出端,信号输出端接现场可编程阵列电路的信号输入端,现场可编程阵列电路的信号输出端连接上位机。
6.根据权利要求1所述的一种用于射频链路的幅度相位快速校准的宽带近场测量电路,其特征在于,所述耦合器为带状线定向耦合器。
7.基于权利要求1所述电路的宽带近场测量***,其特征在于,包括机械转台、***电路板、上位机和电位移平台;所述***电路板上设置有所述宽带近场测量电路,其上设置有发射端耦合器接口、接收端耦合器接口和通讯接口分别连接发射天线及链路、接收天线及链路和上位机;发射天线及链路安装在机械转台上,接收天线及链路安装在电位移平台上。
8.基于权利要求7所述的宽带近场测量***的宽带近场测量方法,其特征在于,包括如下步骤:
步骤1:启动***电路,第一单刀双掷开关切入发射端耦合器,上位机根据发射天线工作频段设定扫频的范围和步进;
步骤2:开始扫频,宽带锁相环输出信号通过第三单刀双掷开关,当进行低频扫描时,第三单刀双掷开关切入第四单刀双掷开关的一个不动端;当进行高频扫描时,第三单刀双掷开关切入放大器、倍频器和滤波器进入第四单刀双掷开关另一个不动端;
步骤3:第四单刀双掷开关输出信号通过自动电平控制电路后,由第一单刀双掷开关切入发射端耦合器,一部分信号通过发射端耦合器直通端连接发射天线及链路,另一部分通过耦合端通过第二单刀双掷开关切入低中频接收机中混频器的射频端口;
步骤4:信号由接收天线及链路接收至接收端耦合器的直通端,部分耦合至隔离端后通过第五单刀双掷开关切入低中频接收机中另一混频器的射频端口;
步骤5:宽带本振源输出本振信号经过功分器馈入混频器本振端口,两路射频端口耦合信号混频后,经过放大器,滤波器,数模转换器和现场可编程阵,计算得出幅度和相位值后,上传到上位机;
步骤6:上位机对幅度和相位值进行储存,作图和处理,并利用测量的幅度相位值对天线及其链路的馈电相位和幅度进行重配置。
9.根据权利要求8所述的宽带近场测量方法,其特征在于,还包括步骤7:将第一单刀双掷开关切入接收端耦合器作为发射端进行收发切换,重复步骤1-6。
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