一種有源相控陣雷達的收發(fā)通道自校準方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種有源相控陣雷達的收發(fā)通道自校準方法，該方法利用輸入輸出信號耦合電路收發(fā)通道，利用多路功分電路將多個收發(fā)通道耦合信號合并成一路。本發(fā)明實現(xiàn)有源相控陣的雷達每個收發(fā)通道在線單獨校準，不需要返廠維修，兼有故障定位功能。
【專利說明】一種有源相控陣雷達的收發(fā)通道自校準方法

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及雷達與測控領(lǐng)域，具體涉及一種有源相控陣雷達的收發(fā)通道自校準方法。

【背景技術(shù)】
[0002]有源相控陣雷達在運行期間，諸多原因需要用到在線自校準方法:在長時間運行后，由于器件自身老化以及環(huán)境的影響，收發(fā)通道的初始參數(shù)與出廠時的狀態(tài)發(fā)生偏差，如果還繼續(xù)使用出廠的數(shù)據(jù)為參考，會導(dǎo)致雷達的性能下降，需要重新校準；運行期間如果個別收發(fā)通道損壞，也需要準確定位到是哪個通道損壞，才能進行快速維護。對于以上問題，通常是將雷達送回廠家進行重新檢修，這樣做周期長，費用高，且在此期間雷達不能使用。
[0003]因此，針對相關(guān)技術(shù)中所存在的上述問題，目前尚未提出有效的解決方案。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0004]為解決上述現(xiàn)有技術(shù)所存在的問題，本發(fā)明提出了一種有源相控陣雷達的收發(fā)通道自校準方法，所述收發(fā)通道包括輸入輸出耦合電路和多路功分電路，該方法包括:
[0005]所述輸入輸出耦合電路將收發(fā)通道輸入輸出的能量以預(yù)定比例耦合到校準通道中；
[0006]所述多路功分電路將多個收發(fā)通道的耦合信號合并成一路，耦合到公共端，并使所述有源相控陣雷達的發(fā)射通道、接收通道形成一個閉合的回路。
[0007]優(yōu)選地，進一步包括:
[0008]所述輸入輸出耦合電路通過微帶電路以空間耦合的方式將收發(fā)通道端口的微波信號耦合到校準通道中。
[0009]優(yōu)選地，所述收發(fā)通道自校準包括對發(fā)射通道進行通道幅度自校準。
[0010]優(yōu)選地，所述發(fā)射通道由依次串聯(lián)的帶通濾波器、功率放大器、衰減器、振蕩指示器組成，并且所述對發(fā)射通道進行通道幅度自校準包括:
[0011]步驟1:在恒定溫度TO下，由校準源產(chǎn)生系統(tǒng)校準連續(xù)波信號，頻率為通道工作頻帶中的其中一點頻率，相對恒定功率為PO，該校準連續(xù)波信號經(jīng)過耦合器Hl進入振蕩指示器進行幅度檢驗，信號幅度檢驗后送到后級進行數(shù)據(jù)采樣，經(jīng)過對采樣數(shù)據(jù)的處理得到振蕩指示器輸出的信號幅度為Ui;采用振蕩指示器的恒定溫度特性指標作參考基準；
[0012]步驟2:在上述溫度下，功率為PO的校準信號經(jīng)過耦合器Hl的主路，再通過耦合器H2耦合到帶通濾波器，再通過LNA、衰減器，進入振蕩指示器進行幅度檢驗，信號幅度檢驗后送到后級進行數(shù)據(jù)采樣，經(jīng)過對采樣數(shù)據(jù)的處理可以得到振蕩指示器輸出的信號幅度U2，此時得到U2-U1的差值，和通道增益為G ；
[0013]步驟3:當溫度由TO變?yōu)門’O時，重復(fù)步驟I和2，分別得到相應(yīng)的振蕩指示器輸出的信號幅度U’ 1，U’ 2和差值U’ 2-U’ I，獲得通道增益為G’ ；
[0014]步驟4:，若U’2_U’l的值與U2-U1的值不相等，通過后級對采樣數(shù)據(jù)的處理，系統(tǒng)監(jiān)控送出一誤差控制碼，來調(diào)節(jié)衰減器的衰減量，使得U’ 2-U’ I的值與U2-U1的值相等，實現(xiàn)通道幅度自校準。
[0015]優(yōu)選地，所述振蕩指示器的傳遞函數(shù)為:
_6] Vout = APin+V0
[0017]其中:Vtjut為振蕩指示器的輸出幅度值，單位mV ;A為振蕩指示器的對數(shù)斜率，單位mV/dBm ；Pin為輸入信號功率，Vtl為失調(diào)電壓，系統(tǒng)校準信號在步驟I和步驟2兩種情況下通過不同路徑輸入到振蕩指示器端口的信號幅度相等。
[0018]本發(fā)明相比現(xiàn)有技術(shù)，具有以下優(yōu)點:
[0019]實現(xiàn)每個收發(fā)通道在線單獨校準，不需要返廠維修，兼有故障定位功能。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0020]圖1是根據(jù)本發(fā)明實施例的雷達收發(fā)通道的電路圖。
[0021]圖2是根據(jù)本發(fā)明實施例的耦合電路的電路圖。
[0022]圖3是根據(jù)本發(fā)明實施例的多路功分電路的電路圖。
[0023]圖4是根據(jù)本發(fā)明實施例的發(fā)射通道的結(jié)構(gòu)圖。
[0024]圖5是根據(jù)本發(fā)明實施例的自校準方法的流程圖。

【具體實施方式】
[0025]下文與圖示本發(fā)明原理的附圖一起提供對本發(fā)明一個或者多個實施例的詳細描述。結(jié)合這樣的實施例描述本發(fā)明，但是本發(fā)明不限于任何實施例。本發(fā)明的范圍僅由權(quán)利要求書限定，并且本發(fā)明涵蓋諸多替代、修改和等同物。在下文描述中闡述諸多具體細節(jié)以便提供對本發(fā)明的透徹理解。出于示例的目的而提供這些細節(jié)，并且無這些具體細節(jié)中的一些或者所有細節(jié)也可以根據(jù)權(quán)利要求書實現(xiàn)本發(fā)明。
[0026]本發(fā)明解決的技術(shù)問題是:針對現(xiàn)有技術(shù)的不足，提出了一種有源相控陣雷達的收發(fā)通道自校準方法，可以實現(xiàn)每個收發(fā)通道在線單獨校準，校準數(shù)據(jù)具有實時性，同時能準確的定位到具體是哪個收發(fā)環(huán)路出現(xiàn)了故障。
[0027]本發(fā)明的一方面提供了一種有源相控陣雷達的收發(fā)通道自校準方法。圖1是根據(jù)本發(fā)明實施例的雷達收發(fā)通道的電路圖。圖5是根據(jù)本發(fā)明實施例的自校準方法的流程圖。
[0028]有源相控陣雷達的收發(fā)通道包括輸入輸出耦合電路和多路功分電路。
[0029]其中所述輸入輸出耦合電路將收發(fā)通道輸入輸出的能量以預(yù)定比例耦合到校準通道中。
[0030]所述多路功分電路將多個收發(fā)通道的耦合信號合并成一路，耦合到公共端，并使發(fā)射通道、接收通道形成一個閉合的回路。
[0031]耦合電路通過微帶電路以空間耦合的方式，將收發(fā)通道端口的微波信號耦合到校準通道中，避免了直接串聯(lián)在收發(fā)通道電路中帶來的信號損耗問題。電路的原理框圖如圖2所示。
[0032]圖4是根據(jù)本發(fā)明實施例的發(fā)射通道的結(jié)構(gòu)圖。根據(jù)本發(fā)明的進一步實施例，發(fā)射通道是由依次串聯(lián)的帶通濾波器、功率放大器、衰減器、振蕩指示器組成。對發(fā)射通道而言，在外界溫度變化的寬溫環(huán)境下，功率放大器的增益及衰減器的插入損耗會因外界溫度變化而變化，導(dǎo)致整個發(fā)射通道的增益不恒定，通過自校準，可使得整個通道的增益保持恒定。
[0033]對發(fā)射通道進行通道幅度自校準可采用以下四個步驟。
[0034]步驟1:在某一相對恒定的溫度(TO)下，由校準源產(chǎn)生一系統(tǒng)校準連續(xù)波信號，頻率為通道工作頻帶中的其中一點頻率，相對恒定功率為PO，該信號經(jīng)過耦合器Hl進入振蕩指示器進行幅度檢驗，信號幅度檢驗后送到后級進行數(shù)據(jù)采樣，經(jīng)過對采樣數(shù)據(jù)的處理得到振蕩指示器輸出的信號幅度為U1。振蕩指示器采用+60°C恒溫處理，本發(fā)明使用其恒定的溫度特性指標作參考基準來標定通道前級增益的變化。
[0035]步驟2:在上述溫度下，功率為PO的校準信號經(jīng)過耦合器Hl的主路，再通過耦合器H2耦合到帶通濾波器，再通過LNA、衰減器，進入振蕩指示器進行幅度檢驗，信號幅度檢驗后送到后級進行數(shù)據(jù)采樣，經(jīng)過對采樣數(shù)據(jù)的處理可以得到振蕩指示器輸出的信號幅度U2，此時得到U2-U1的差值，將此差值設(shè)定為定值。此時通道增益為G。
[0036]步驟3:外界環(huán)境溫度在寬溫-30?+60°C條件下，整個發(fā)射通道中LNA的增益及衰減器的插入損耗都會因外界溫度變化而變化，此時，在某一溫度(T’ O)下，重復(fù)步驟I和2，得到U’ 1，U，2和U，2-U，I，此時通道增益為G’。
[0037]步驟4:當溫度由TO變?yōu)門’ O時，整個發(fā)射通道增益將發(fā)生變化，從而U，2-U’ I的值與U2-U1的值不相等。通過后級對采樣數(shù)據(jù)的處理，系統(tǒng)監(jiān)控送出一誤差控制碼，來調(diào)節(jié)衰減器的衰減量，使得U’2-U’ I的值與U2-U1的值相等。這樣就可以使得在外界環(huán)境溫度變化的情況下整個發(fā)射通道增益仍保持恒定，即G’-G = O。從而實現(xiàn)系統(tǒng)通道幅度自校準。
[0038]通常，本發(fā)明將衰減器設(shè)置在衰減量適中的位置上，這樣在發(fā)射通道增益校準時，就可以增大或減小衰減量以降低或提高整個通道的增益。由于校準信號的功率隨外界溫度的變化而變化，不是恒定值，因此，在校準過程中，可采取相消(即U2-U1)的方法，取在同一環(huán)境溫度下，系統(tǒng)校準信號通過不同路徑輸入到振蕩指示器，經(jīng)過幅度檢驗后的兩個幅度值之差，即相對值，而不取絕對幅度值來校準，用這種方法校準就使得在某一溫度下通道校準時與校準信號的功率大小無關(guān)。
[0039]由于校準信號為單點頻率，因此在校準時，整個發(fā)射通道的頻帶特性無法校正，在此，本發(fā)明在選擇通道中的器件時要求每個器件的頻帶特性都在系統(tǒng)的誤差允許范圍之內(nèi)，從而在實施校準時，只校準頻帶內(nèi)一點頻率即可。
[0040]為實現(xiàn)發(fā)射通道自校準，本發(fā)明將耦合器H2加在發(fā)射前端，系統(tǒng)校準信號由耦合器H2的耦合端輸入，通過整個發(fā)射通道，系統(tǒng)通過后級數(shù)據(jù)采樣處理，來實現(xiàn)發(fā)射通道自校準。
[0041]振蕩指示器的傳遞函數(shù)為
[0042]Vout = AP in+V0
[0043]式中:Vtjut為振蕩指示器的輸出幅度值，單位mV ;A為振蕩指示器的對數(shù)斜率，單位mV/dBm ；Pin為輸入信號功率，Vtl為失調(diào)電壓。為精確校準，系統(tǒng)校準信號在步驟I和步驟2兩種情況下通過不同路徑輸入到振蕩指示器端口的信號幅度應(yīng)相等，假定校準信號輸出功率為OdBm，設(shè)計耦合器Hl耦合度為20dB。這樣在步驟I時，進入振蕩指示器的校準信號功率為_20dBm，假定發(fā)射通道從帶通濾波器到振蕩指示器輸入口的增益為30dB，本發(fā)明可以設(shè)計耦合器H2的耦合度為50dB，這樣在步驟2時就可保證進入振蕩指示器輸入口的校準信號幅度與步驟I相等，為_20dBm。從而使得在校準通道增益時，振蕩指示器的輸出幅度不會因為在步驟I和步驟2兩種情況下通過不同路徑輸入到振蕩指示器輸入端口的功率不同而不同(即Λυ = 0)。同時可以避免振蕩指示器對數(shù)斜率的非線性引起的誤差。
[0044]為實現(xiàn)對通道整個頻帶特性的校準，本發(fā)明在選擇功率放大器時，其頻帶特性在系統(tǒng)的誤差允許范圍之內(nèi)，功率放大器在滿足系統(tǒng)噪聲系數(shù)、增益和動態(tài)范圍指標的同時，要求在整個工作頻帶內(nèi)增益起伏小于0.1dB,以便在實現(xiàn)校準時，系統(tǒng)只校準一點頻率就能滿足系統(tǒng)要求。
[0045]本發(fā)明在功率放大器后加入衰減器，用以上下調(diào)節(jié)發(fā)射通道的增益，以保持整個通道增益的恒定，設(shè)計衰減器最小步進為0.1dB, 6位TTL電平控制，總衰減量為6.4dB。校準時，將衰減器設(shè)置在3.2dB衰減的位置上，這樣在發(fā)射通道增益校準時，上下均可調(diào)節(jié)，最大可調(diào)節(jié)幅度為3.2dB(大于通道增益的最大變化值)。
[0046]本發(fā)明在采用上述自校準方式校準時，前提條件就是要求振蕩指示器有恒定的溫度特性，在寬溫條件下，利用振蕩指示器恒定的溫度特性指標作參考基準來標定前級增益的變化。因此在系統(tǒng)通道自校準時，本發(fā)明選用的振蕩指示器為恒溫高精度振蕩指示器，其恒溫溫度為+60°C，由于其采取了恒溫措施，又有很高的精度，故可作為系統(tǒng)自校準的參考基準。
[0047]根據(jù)本發(fā)明的進一步實施例，該多路功分電路采用多個等功分電路級聯(lián)的架構(gòu)，設(shè)計過程中保證幅度和相位的一致性，降低了校準難度。電路的原理框圖如圖3所示。例如一分四功分電路是由二級一分二超寬帶功分電路級聯(lián)而成。具體來說，第一級功分電路的輸入端作為總系統(tǒng)的輸入端，第一級功分電路的輸出作為第二級功分電路的輸入，第二級功分電路的輸出端作為總系統(tǒng)的輸出端。該功分電路包括四個長度分別為四分之一波長的臂和一個寬帶反相器。
[0048]在微波毫米波波段，反相器的相位隨著頻率的變化非常敏感，不能在很寬的頻帶內(nèi)實現(xiàn)相位180°轉(zhuǎn)向。為了實現(xiàn)在很寬的頻帶內(nèi)相位180°轉(zhuǎn)向，本發(fā)明采用懸置帶線結(jié)構(gòu)?；?80°反向的基本概念，由電路結(jié)構(gòu)本身實現(xiàn)了 180°的寬頻帶反向。在10?40GHz寬頻率范圍內(nèi)，懸置線經(jīng)過反相器后，傳輸相位隨頻率變化幾乎不變，因此可以實現(xiàn)寬頻帶180°反相器的功能。
[0049]從降低成本、便于測試的角度出發(fā)，功分電路輸入輸出端采用微帶結(jié)構(gòu)，而寬帶反相器采用懸置帶線結(jié)構(gòu)。從微帶線轉(zhuǎn)換到懸置帶線結(jié)構(gòu)必須經(jīng)過巴倫過渡。因此結(jié)合微帶線和懸置帶線的優(yōu)點，本發(fā)明設(shè)計采用微帶(輸入輸出端口)一巴倫(過渡)一懸置帶線(功分)結(jié)構(gòu)。因為選擇足夠合理的材料及尺寸可以使得懸置微帶線傳播模式為準TEM模式，與微帶線傳播模式相同，所以不需要考慮傳播模式的過渡轉(zhuǎn)換。
[0050]本發(fā)明采用RT/duroid5880高頻基片，基片厚0.254mm，介電常數(shù)為2.2。懸置線上下帶線各安裝一個阻值為100Ω的高頻薄膜電阻，通過倒裝技術(shù)，將隔離電阻跨接安裝在反相器中兩個金屬化通孔之間。利用CST軟件對金屬化通孔、分支線及隔離電阻跨接區(qū)尺寸參數(shù)進行優(yōu)化，由此完成了多路功分電路設(shè)計。
[0051]綜上所述，本發(fā)明提出了一種收發(fā)通道校準方法，可以實現(xiàn)每個收發(fā)通道在線單獨校準，不需要返廠維修，兼有故障定位功能。
[0052]顯然，本領(lǐng)域的技術(shù)人員應(yīng)該理解，上述的本發(fā)明的各模塊或各步驟可以用通用的計算系統(tǒng)來實現(xiàn)，它們可以集中在單個的計算系統(tǒng)上，或者分布在多個計算系統(tǒng)所組成的網(wǎng)絡(luò)上，可選地，它們可以用計算系統(tǒng)可執(zhí)行的程序代碼來實現(xiàn)，從而，可以將它們存儲在存儲系統(tǒng)中由計算系統(tǒng)來執(zhí)行。這樣，本發(fā)明不限制于任何特定的硬件和軟件結(jié)合。
[0053]應(yīng)當理解的是，本發(fā)明的上述【具體實施方式】僅僅用于示例性說明或解釋本發(fā)明的原理，而不構(gòu)成對本發(fā)明的限制。因此，在不偏離本發(fā)明的精神和范圍的情況下所做的任何修改、等同替換、改進等，均應(yīng)包含在本發(fā)明的保護范圍之內(nèi)。此外，本發(fā)明所附權(quán)利要求旨在涵蓋落入所附權(quán)利要求范圍和邊界、或者這種范圍和邊界的等同形式內(nèi)的全部變化和修改例。
【權(quán)利要求】
1.一種有源相控陣雷達的收發(fā)通道自校準方法，所述收發(fā)通道包括輸入輸出耦合電路和多路功分電路，其特征在于，該方法包括: 所述輸入輸出耦合電路將收發(fā)通道輸入輸出的能量以預(yù)定比例耦合到校準通道中； 所述多路功分電路將多個收發(fā)通道的耦合信號合并成一路，耦合到公共端，并使所述有源相控陣雷達的發(fā)射通道、接收通道形成一個閉合的回路。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，進一步包括: 所述輸入輸出耦合電路通過微帶電路以空間耦合的方式將收發(fā)通道端口的微波信號耦合到校準通道中。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的方法，其特征在于，所述收發(fā)通道自校準包括對發(fā)射通道進行通道幅度自校準。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的方法，其特征在于，所述發(fā)射通道由依次串聯(lián)的帶通濾波器、功率放大器、衰減器、振蕩指示器組成，并且所述對發(fā)射通道進行通道幅度自校準包括: 步驟I:在恒定溫度TO下，由校準源產(chǎn)生系統(tǒng)校準連續(xù)波信號，頻率為通道工作頻帶中的其中一點頻率，相對恒定功率為PO，該校準連續(xù)波信號經(jīng)過耦合器Hl進入振蕩指示器進行幅度檢驗，信號幅度檢驗后送到后級進行數(shù)據(jù)采樣，經(jīng)過對采樣數(shù)據(jù)的處理得到振蕩指示器輸出的信號幅度為Ul ;采用振蕩指示器的恒定溫度特性指標作參考基準； 步驟2:在上述溫度下，功率為PO的校準信號經(jīng)過耦合器Hl的主路，再通過耦合器H2耦合到帶通濾波器，再通過LNA、衰減器，進入振蕩指示器進行幅度檢驗，信號幅度檢驗后送到后級進行數(shù)據(jù)采樣，經(jīng)過對采樣數(shù)據(jù)的處理可以得到振蕩指示器輸出的信號幅度U2，此時得到U2-U1的差值，和通道增益為G ； 步驟3:當溫度由TO變?yōu)門’O時，重復(fù)步驟I和2，分別得到相應(yīng)的振蕩指示器輸出的信號幅度U’ 1，U’ 2和差值U’ 2-U’ I，獲得通道增益為G’ ； 步驟4:，若U’2-U’l的值與U2-U1的值不相等，通過后級對采樣數(shù)據(jù)的處理，系統(tǒng)監(jiān)控送出一誤差控制碼，來調(diào)節(jié)衰減器的衰減量，使得U’2-U’ I的值與U2-U1的值相等，實現(xiàn)通道幅度自校準。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的方法，其特征在于，所述振蕩指示器的傳遞函數(shù)為:
Vout = APin+V0 其中:Vwt為振蕩指示器的輸出幅度值，單位mV ；A為振蕩指示器的對數(shù)斜率，單位mV/dBm ；Pin為輸入信號功率，V0為失調(diào)電壓，系統(tǒng)校準信號在步驟I和步驟2兩種情況下通過不同路徑輸入到振蕩指示器端口的信號幅度相等。
【文檔編號】G01S7/40GK104330777SQ201410687836
【公開日】2015年2月4日 申請日期:2014年11月25日 優(yōu)先權(quán)日:2014年11月25日
【發(fā)明者】陳海清, 劉宇波 申請人:成都金本華科技股份有限公司