阅读说明：本技术 一种用于收发双工相控阵天线的内校准系统及方法 (Internal calibration system and method for transmitting-receiving duplex phased array antenna ) 是由 张宙 马立波 金建忠 刘岩 白杨 刘彦丹 冯昊程 韩国栋 赵楠 于 2020-06-29 设计创作，主要内容包括：本发明公开了一种用于收发双工相控阵天线的内校准系统及方法,属于相控阵天线技术领域。该系统包括定标分机、波控分机、接收/发射定标网络组合、接收/发射馈电网络组合、耦合器和接收/发射通道。本发明通过耦合器将定标分机内产生的单载波信号在整个系统内形成信号回路,将携带有通道幅相信息的信号回传到定标分机,在定标分机内实现信号幅相信息的解算,再将通道幅相信息通过波控分机补偿到相控阵各有源通道,从而实现相控阵天线的幅相标定。本系统的组成部分均为相控阵天线的主要组成部分,不需借助外部设备即可实现相控阵天线的快速校准。(The invention discloses an internal calibration system and method for a transceiving duplex phased array antenna, and belongs to the technical field of phased array antennas. The system comprises a scaling extension, a wave control extension, a receiving/transmitting scaling network combination, a receiving/transmitting feed network combination, a coupler and a receiving/transmitting channel. According to the invention, a single carrier signal generated in the scaling extension set forms a signal loop in the whole system through the coupler, the signal carrying channel amplitude and phase information is transmitted back to the scaling extension set, the signal amplitude and phase information is resolved in the scaling extension set, and then the channel amplitude and phase information is compensated to each active channel of the phased array through the wave control extension set, so that the amplitude and phase calibration of the phased array antenna is realized. The components of the system are the main components of the phased array antenna, and the rapid calibration of the phased array antenna can be realized without external equipment.)

一种用于收发双工相控阵天线的内校准系统及方法

技术领域

本发明涉及一种用于收发双工相控阵天线的内校准系统及方法，属于相控阵天线技术领域。

背景技术

相控阵天线发挥其优异电性能的前提是阵面幅相分布的精确控制，即要求阵列单元的幅相分布与满足指向要求的期望值保持一致。然而在实际的相控阵天线系统中，由于存在着幅度和相位误差，因此阵元的幅度和相位一致性很难得到满足。阵元幅度和相位误差的存在将导致相控阵天线的增益降低，并降低波束指向精度，从而影响相控阵天线工作性能。因此对于任何应用领域的相控阵天线，阵面幅相校准是不可避免的。

相控阵天线装配完成后必须对阵元的幅、相进行校准，使得天线性能达到最佳状态。但是天线在交付用户使用一段时间后，受使用环境的影响，天线的射频通道会产生相位漂移，最终导致全阵的辐射性能受到明显影响，扫描能力下降。相控阵天线在车载、机载、星载等平台上有广阔的应用前景，而部分平台要求相控阵天线能够在不拆机、无辅助设备的情况下实现对自身幅度相位的监测和校正。因此，具备在线校准的功能，是相控阵天线的核心竞争力之一。

互耦方法不需额外的校准设备，可实现天线阵列在线校准，但其需要单元间的互耦要满足对称条件或者互耦系数（幅相信息）已知，因此对天线单元方向图以及单元排布提出严格要求，或者需要对天线阵面各个天线单元间的传输系数进行精确测量，而这对于大型相控阵天线，其所需工作量是不可估量的。

而另外一种互耦方法是采用耦合器在天线端口处进行信号的闭环耦合，实现信号回路，此方法优点是不需考虑互耦系数的不一致性，缺点是耦合信号不包含无源天线阵列的幅相信息，需要采用其他方法标定天线阵列的幅相特征。

发明内容

本发明的目的在于解决上述问题，提出一种用于收发双工相控阵天线的内校准系统及方法，该系统采用耦合器在天线端口处进行信号的闭环耦合，实现了信号回路，解决了无源天线阵列幅相信息不明确的问题，其实现简便，具有很高的工程应用前景。

为了实现上述目的，本发明采用技术方案为：

一种用于收发双工相控阵天线的内校准系统，包括定标分机、波控分机、接收射频通路和发射射频通路；

所述定标分机包括定标激励通道、定标接收通道和通信及信号处理模块；其中，定标激励通道产生中频信号，并通过第一选通开关连接接收射频通路和发射射频通路，所述中频信号经过上变频后，在第一选通开关的选通作用下输出给接收射频通路或发射射频通路，从而为接收射频通路输出接收单载波信号，或者为发射射频通路输出发射单载波信号；定标接收通道通过第二选通开关连接接收射频通路和发射射频通路，在第二选通开关的选通作用下接收接收射频通路或发射射频通路的回路信号，并将接收到的回路信号下变频为中频信号，再经过A/D转换后输出数字回路信号给通信及信号处理模块；通信及信号处理模块与波控分机进行通信，并对定标接收通道发来的数字回路信号进行幅相解算；

所述波控分机作为控制中枢，一方面与定标分机进行交互，发送校准指令和通道开关信息，接收通道编号和通道幅相信息，并对相控阵各有源通道进行幅度、相位的补偿；另一方面根据通道分时校准顺序，在某一时刻开启相应通道，并将通道设置为初始状态；

所述接收射频通路包括顺次连接的接收定标网络组合、第一通道切换开关、多个并列的接收通道，以及接收馈电网络组合，每个接收通道的前端均设有一个耦合器；所述发射射频通路包括顺次连接的发射馈电网络组合、第二通道切换开关、多个并列的发射通道，以及发射定标网络组合，每个发射通道的后端均设有一个耦合器；第一/第二通道切换开关用于切换不同的接收/发射通道，实现待校准通道的选择，所述耦合器用于形成校准信号，每路接收/发射通道均用于实现信号的放大、滤波和幅相控制。

一种收发双工相控阵天线的内校准方法，包括以下步骤：

1）天线研制过程中，对天线在暗室进行外场校准，此时得到天线每个通道收发的初始幅度矩阵[A1_out]和相位矩阵[ψ1_out]，所述天线中具有如权利要求1所述的内校准系统；

2）启动内校准系统，得到每个通道收发的初始幅度矩阵[A1_in]和相位矩阵[ψ1_in]，两者相减得到内校准基准数据：[A1]=[A1_in]-[A1_out]和[ψ1]=[ψ1_in]-[ψ1_out]；将幅相矩阵[A1_out]、[ψ1_out]和[A1]、[ψ1]存储于波控分机的FLASH中；

3）天线在装机初次使用时，先进行内校准，将直接测得的实时内校准幅度矩阵[A2_in]和相位矩阵[ψ2_in]分别与[A1]和[ψ1]相减，得到[A2]、[ψ2]，并存储于波控分机的FLASH中；

4）天线在长期使用过程中，每次加电时先将幅度矩阵[A2]和相位矩阵[ψ2]从FLASH加载到FPGA内部RAM当中；若需要进行在线实时内校准，则将直接测得的实时内校准幅度矩阵[A3_in]、相位矩阵[ψ3_in]分别与[A1]、[ψ1]相减，得到[A3]、[ψ3]，写入到RAM当中覆盖掉[A2]、[ψ2]；若不需要进行在线实时内校准，则RAM中的数据与出厂时的内校准数据一致，都为[A2]和[ψ2]；

5）将实时内校准幅度矩阵的变化量 [ΔA]=[A3]-[A2] 作为判别天线是否正常的依据，并以实时内校准相位矩阵的变化量[Δψ]=[ψ3]-[ψ2]作为相位修正差值，对初始相位数据进行修正。

本发明的有益效果在于：

1、本发明通过外场校准方法实现了对无源天线阵列幅相数据的标定，再加上得到的射频通路的幅相数据，最终获得了相控阵天线整系统的阵面幅相分布数据。

2、本发明方法与天线单元互耦方法相比，实现简便、工作量小；与现有的耦合器信号耦合方式相比，由于考虑了无源天线阵列的幅相误差，校准数据更加准确且可信。

附图说明

图1是本发明实施例中内校准系统的原理框图。

图2是本发明实施例中内校准系统的工作流程图。

图3是本发明实施例中内校准系统的发射频点方向图。

图4是本发明实施例中内校准系统的接收频点方向图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明做进一步说明。

如图1所示，一种用于收发双工相控阵天线的内校准系统，其由定标分机、波控分机、接收射频通路和发射射频通路组成。

在相控阵天线测试中，首先通过外场校准方法标定了无源天线阵列的幅相数据，弥补了采用耦合器的内校准方法的缺点。

定标分机包括定标激励通道、定标接收通道、选通开关和通信及信号处理模块。其中定标激励通道产生中频信号，通过可选上变频输出接收或发射单载波信号；定标接收通道输入接收回路或发射回路信号，通过可选下变频变为中频信号，再经过A/D输出数字信号；选通开关实现对发射频率和接收频率的选择；通信及信号处理模块与波控分机进行通信，同时实现对接收回路或发射回路信号的幅相解算。

波控分机作为控制中枢，一方面与定标分机进行交互，传输校准指令和通道开关信息，接收通道编号和通道幅相信息，并最终对相控阵各有源通道进行幅度相位的补偿；另一方面根据通道分时校准顺序，在某一时刻开启相应通道，并将通道设置为初始状态。

射频通路分为接收射频通路和发射射频通路，接收/发射射频通路由接收/发射定标网络组合、通道切换开关、耦合器、接收/发射通道和接收/发射馈电网络组合组成，通道切换开关实现待校准通道的选择，耦合器是形成校准信号回路的关键器件，多路接收/发射通道实现信号的放大、滤波和幅相控制等功能。

本系统主要包括两个环路：控制环路和信号环路。

控制环路由天线的波控分机、定标分机的通信与信号处理模块和组件的幅相控制芯片组成；

信号环路由定标分机的定标激励通道、定标接收通道、组件的放大通道、网络的合成/功分通道等组成，实现信号的产生、变频、模数/数模转换、放大、滤波、合成/功分等操作。

由于本天线内校准系统是采用射频通道内微带耦合线和定标网络作为内校准系统的基准，因此首先应对定标基准进行标定。首先采用外场校准方法得到整个系统的一组初始幅相值，再用内校准方法得到包含定标基准的一组通道幅相数据，两组数据相减，可以得到包含无源天线阵列、射频通道内微带耦合线和定标网络的幅相数据，将此数据进行存储，作为内校准的基准数据。

内校准系统的工作流程规划为四步：

1）天线研制过程中，对天线在暗室进行外场校准，此时得到天线每个通道收发的初始幅度矩阵[A1_out]和相位矩阵[ψ1_out]。内校准系统启动，依据图2的工作流程，得到每个通道收发的初始幅度矩阵[A1_in]和相位矩阵[ψ1_in]。两者相减得到内校准基准数据：[A1]=[A1_in]-[A1_out]，[ψ1]=[ψ1_in]-[ψ1_out]。将幅相矩阵[A1_out]、[ψ1_out]和[A1]、[ψ1]存储于波控分机的FLASH中；

2）天线在装机初次使用时，先进行内校准，将直接测得的实时内校准幅度矩阵[A2_in]、相位矩阵[ψ2_in]，分别与[A1]、[ψ1]相减，得到[A2]、[ψ2]，存储于波控分机的FLASH中；

3）天线在长期使用过程中，每次加电先将幅度矩阵[A2]和相位矩阵[ψ2]从FLASH加载到FPGA内部RAM当中。若需要进行在线实时内校准，则将直接测得的实时内校准幅度矩阵[A3_in]、相位矩阵[ψ3_in]分别与[A1]、[ψ1]相减，得到[A3]、[ψ3]，写入到RAM当中覆盖掉[A2]、[ψ2]。若不需要进行在线实时内校准，则RAM中的数据与出厂时的内校准数据一致，都为[A2]和[ψ2]；

4）实时内校准幅度矩阵变化：[ΔA]=[A3]-[A2]，作为判别天线是否正常的依据。实时内校准相位矩阵变化：[Δψ]=[ψ3]-[ψ2]，作为相位修正差值，对初始相位数据进行修正。

考虑到通道相位测试受温度影响较大，因此可以在被测通道内设计温度监测电路，通过温度实时监测保证天线内校准在相近的温度条件下进行。

通信及信号处理模块是定标分机的核心处理部分，通信及信号处理模块主要完成AD采样、信号幅度相位的解算、RS-422通信等功能。两路中频信号经过AD采样后送入FPGA，并行同时存入FPGA内部RAM，经过RAM读写控制，一次并行读出，在FPGA内部实现各种运算、处理，求出相对幅度、相位。将计算的结果通过RS-422发送到波控主板内存储，并接收波控主板发送的指令。

通过图3、图4的内校准和外校准两种方法的方向图对比可见，两种方向图曲线几乎一致，仅在远旁瓣方向有所差别。从测试结果可以看出，本内校准系统恢复了天线的初始性能，达到了预期效果。

通过以上实施例可以看出，本发明实现简便，在天线装机使用过程中，能够在线实现相控阵天线的快速高精度校准。

总之，本发明通过耦合器将定标分机内产生的单载波信号在整个系统内形成信号回路，将携带有通道幅相信息的信号回传到定标分机，在定标分机内实现信号幅相信息的解算，再将通道幅相信息通过波控分机补偿到相控阵各有源通道，从而实现相控阵天线的幅相标定。本发明内校准系统的组成部分均为相控阵天线的主要组成部分，不需借助外部设备即可实现相控阵天线的快速校准。