一种星载阵列天线测向通道幅相误差的确定方法

摘要

本发明公开了一种星载阵列天线测向通道幅相误差的确定方法，针对阵列天线测向通道数目变化、误差分段的特点，在阵列天线测向通道的基本结构上，配置一个校准信号源、一个校准馈源和一个校准处理器，利用开关矩阵开关导通的特点，依次改变开关矩阵的导通关系，得到N路通道对校准信号在开关矩阵不同导通关系下的响应，多个不同状态下的响应组成一个方程组，通过对方程组的求解得到N路通道的相对幅度和相对相位，并由此得到阵列天线测向通道各通道的幅相误差。本发明的方法操作方便，能够精确确定阵列天线测向通道的幅相误差。

权利要求

1.一种星载阵列天线测向通道幅相误差的确定方法，其中星载阵列天线测向通道包括N个接收馈源、N个输入预选器、N个接收机、N个耦合器、一个开关矩阵和M个变频器，所述N大于等于3，2≤M≤N；其特征在于：校准信号源通过校准馈源与所述N个接收馈源相连，校准处理器与所述M个变频器相连，所述方法包括如下步骤：第一步：打开所述校准信号源；

第二步：以开关矩阵前第l路通道为基准，l路通道在1～N路通道中任意选取；

第三步：控制开关矩阵的导通方式，使开关矩阵输入的第i、第l路校准信号，i∈[1，N]，i≠l，从开关矩阵输出的第c路和第d路输出，第c路和第d路是从开关矩阵输出的M路通道中任选两个不同的通道；第c路和第d路通道输出的校准信号经相应通道的变频器变频到基带后，由校准处理器使用基于快速傅里叶变换的幅相特性估计算法对两路校准信号的幅相进行估计，令此时校准处理器估计出的两路校准信号幅相特性为x1，x2；

第四步：控制开关矩阵的导通方式，使开关矩阵输入的第i、第l路校准信号，i∈[1，N]，i≠l，从开关矩阵输出的第d路和第c路输出，经变频器变频到基带后，由校准处理器使用基于快速傅里叶变换的幅相特性估计算法对两路校准信号的幅相进行估计，令此时校准处理器估计出的两路校准信号幅相特性为y1，y2；

第五步：校准处理器根据估计得到的两组幅相特性x1，x2，y1，y2，计算开关矩阵前i、l两个通道的幅相误差；

所述开关矩阵前第i、第l两个通道的幅度误差为：

相位误差为： 式(9)

第六步：令i在1～N之间遍历，且i≠l，以第l路通道为基准，则开关矩阵前N组通道幅相误差为第七步：以开关矩阵后第l路通道为基准，l在1～M路通道中任意选取；

第八步：控制开关矩阵的导通方式，使开关矩阵输入的第c、第d路校准信号，从开关矩阵输出的第i和第l路输出，i∈[1，M]，i≠l，第c、第d路是从开关矩阵前的N路通道中任选两个不同的通道；第i和第l路输出的两路校准信号经变频器变频到基带后，由校准处理器使用基于快速傅里叶变换的幅相特性估计算法对两路校准信号的幅相进行估计，令此时校准处理器估计出的两路校准信号幅相特性为x11，x22；

第九步：控制开关矩阵的导通方式，使开关矩阵输入的第d、第c路校准信号，从开关矩阵输出的第i和第l路输出，i∈[1，M]，i≠l，经变频器变频到基带后，由校准处理器使用基于快速傅里叶变换的幅相特性估计算法对两路校准信号的幅相进行估计，令此时校准处理器估计出的两路校准信号幅相特性为y11，y22；

第十步：校准处理器根据估计得到的两组幅相特性x11，x22，y11，y22，计算开关矩阵后i、l两个通道的幅相误差；

开关矩阵后第i、第l两个通道的幅度误差为：

相位误差为：

第十一步：令i在1～M之间遍历，且i≠l，以第l路通道为基准，则开关矩阵后M组通道幅相误差为

2.根据权利要求1所述的一种星载阵列天线测向通道幅相误差的确定方法，其特征在于：所述星载阵列天线为星载调零天线。

说明书

一种星载阵列天线测向通道幅相误差的确定方法

技术领域

[0001] 本发明涉及一种星载阵列天线的校准方法，特别是星载阵列天线测向通道幅相误差的确定方法，能够广泛地应用在星载阵列天线系统中。

背景技术

[0002] 一般星载阵列天线，尤其是星载调零天线，测向通道由阵列天线的N路通信通道耦合而来，在对干扰进行测向时，为了减小后续测向处理部分的规模，简化系统结构，使用开关矩阵从N路测向通道中选取M路进行处理(M代表处理维数，2≤M≤N)，但同时也把阵列天线测向通道分为两段，即开关矩阵前的N路通道和开关矩阵后的M路通道，继而使得阵列天线测向通道幅相误差分为开关矩阵前的N路通道误差和开关矩阵后的M路通道误差两部分，公开资料均没有对这种数目变化的多段式通道幅相误差的校准方法进行介绍，使得对其进行校准变得困难。

[0003] 为了精确的对干扰进行测向，需要知道天线各通道实际的幅度、相位响应。然而，实际的幅度、相位响应受各种不可避免的误差以及制造公差的影响并且是时间和温度的函数，所以校准被用来确定实际的幅度、相位响应误差并对实际的幅度、相位进行补偿。

[0004] 目前出现的阵列天线校准方法很多，按照校准时其信号注入的不同路径可以分为内校准和外校准两大类。

[0005] 外校准包括近场测量、中场测量、远场测量、换相测量以及REV方法等。外校准是距待测天线一定距离处架设辅助天线进行信号注入或采样，再经过幅相监测和比较，得出单元通道幅相误差，辅助天线的架设可在相控阵天线的近场、中场和远场。与内校准相比，外校准在天线阵内没有大量定向耦合器和矩阵开关元件，但某些外校准方法要求被监测的各路应有高频开关用于接通被测通道。

[0006] Dan Davis提出了一个远场测量相控阵天线的模型，它需要一个远距离测试场、辅助天线和转台系统，被测天线装在一个精密的旋转定位装置上，并接收一远场辐射信号，在N个预定的角位置，在天线端口精确地测出天线的幅度相位值，接着进行矩阵求逆运算得到孔径的相位和幅度值。该方法的关键在于要有精密的旋转定位装置。

[0007] Mano等人提出了REV(Rotating-element Electric Field Vector)方法，是上世纪八十年代在机载有源相控阵天线的开发过程中提出的一种相控阵天线检测校正方法。它是一种基于功率测量的方法，通过连续改变被测单元移相器的相位，其余所有单元相位状态不变，测量接收功率的变化，然后计算出各单元产生的电场相对于初始合成场的相对幅度和相对相位，由此可以确定各单元的幅相一致性。REV方法虽然数据处理简单，但存在解的模糊性问题，并要求相位连续改变。

[0008] Ron Sorace提出的一种在四个正交相位状态下根据功率采样结果进行单元幅度和相位校正的方法，具体校准方法为：为了校准阵列第n个通道的幅相，将所有通道的相位设置成阵波束指向某一特定方位(如基站)，把此时相位状态记作0状态，在第n个通道所有相位状态下测量所接收到的或所发射的功率，把产生最大功率的设置与所假设的0状态设置的差作为校准偏移。对阵列中的每个阵元重复该过程，并根据检测误差调整每个通道的前次相位校正。重复阵列的相位校准和校正直到相位误差在低于可接收的程度时达到收敛，这样就形成了每个通道的新校正值。Ron Sorace的方法不必在所有相位状态下进行测量，只在四个正交相位状态(0°、180°、90°和270°)下进行测量，根据测量值就可得到最大校准偏移量的似然估值。该方法数据处理过程复杂，并且花费时间较长。

[0009] Silverstein提出了UTE(Unitary Transform Encoding)和CCE(Control Circuit Encoding)校准方法，其中CCE方法主要用于模拟波束形成；UTE方法主要适用于数字波束形成，当用于模拟波束形成时需要增加额外的硬件设施，并且这两种方法都要求正交码的个数要大于等于阵元数，都需要矩阵求逆。

[0010] 以上背景技术均未给出天线通道由于开关矩阵等组件的存在，而使天线通道数目发生变化的情况下如何校准。

发明内容

[0011] 本发明所要解决的技术问题是：提供一种操作方便的星载阵列天线测向通道幅相误差的确定方法，能够精确确定阵列天线测向通道的幅相误差。

[0012] 本发明包括如下技术方案：

[0013] 一种星载阵列天线测向通道幅相误差的确定方法，其中星载阵列天线测向通道包括N个接收馈源、N个输入预选器、N个接收机、N个耦合器、一个开关矩阵和M个变频器，所述N大于等于3，2≤M≤N；其特征在于：校准信号源通过校准馈源与所述N个接收馈源相连，校准处理器与所述M个变频器相连，所述方法包括如下步骤：

[0014] 第一步：打开所述校准信号源；

[0015] 第二步：以开关矩阵前第l路通道为基准，l路通道在1～N路通道中任意选取；

[0016] 第三步：控制开关矩阵的导通方式，使开关矩阵输入的第i、第l路校准信号，i∈[1，N]，i≠l，从开关矩阵输出的第c路和第d路输出，第c路和第d路是从开关矩阵输出的M路通道中任选两个不同的通道；第c路和第d路通道输出的校准信号经相应通道的变频器变频到基带后，由校准处理器使用基于快速傅里叶变换的幅相特性估计算法对两路校准信号的幅相进行估计，令此时校准处理器估计出的两路校准信号幅相特性为x1，x2；

[0017] 第四步：控制开关矩阵的导通方式，使开关矩阵输入的第i、第l路校准信号，i∈[1，N]，i≠l，从开关矩阵输出的第d路和第c路输出，经变频器变频到基带后，由校准处理器使用基于快速傅里叶变换的幅相特性估计算法对两路校准信号的幅相进行估计，令此时校准处理器估计出的两路校准信号幅相特性为y1，y2；

[0018] 第五步：校准处理器根据估计得到的两组幅相特性x1，x2，y1，y2，计算开关矩阵前i、l两个通道的幅相误差；

[0019] 所述开关矩阵前第i、第l两个通道的幅度误差为：

[0020] i，l∈[1，N]，i≠l

[0021] 相位误差为：

[0022] i，l∈[1，N]，i≠l 式(9)

[0023] 第六步：令i在1～N之间遍历，且i≠l，以第l路通道为基准，则开关矩阵前N组通道幅相误差 为：

[0024] i＝1，2，...，N，i≠l

[0025] 第七步：以开关矩阵后第l路通道为基准，l在1～M路通道中任意选取；

[0026] 第八步：控制开关矩阵的导通方式，使开关矩阵输入的第c、第d路校准信号，从开关矩阵输出的第i和第l路输出，i∈[1，M]，i≠l，第c、第d路是从开关矩阵前的N路通道中任选两个不同的通道；第i和第l路输出的两路校准信号经变频器变频到基带后，由校准处理器使用基于快速傅里叶变换的幅相特性估计算法对两路校准信号的幅相进行估计，令此时校准处理器估计出的两路校准信号幅相特性为x11，x22；

[0027] 第九步：控制开关矩阵的导通方式，使开关矩阵输入的第d、第c路校准信号，从开关矩阵输出的第i和第l路输出，i∈[1，M]，i≠l，经变频器变频到基带后，由校准处理器使用基于快速傅里叶变换的幅相特性估计算法对两路校准信号的幅相进行估计，令此时校准处理器估计出的两路校准信号幅相特性为y11，y22；

[0028] 第十步：校准处理器根据估计得到的两组幅相特性x11，x22，y11，y22，计算开关矩阵后i、l两个通道的幅相误差；

[0029] 开关矩阵后第i、第l两个通道的幅度误差为：

[0030] i，l∈[1，M]，i≠l

[0031] 相位误差为：

[0032] i，l∈[1，M]，i≠l

[0033] 第十一步：令i在1～M之间遍历，且i≠l，以第l路通道为基准，则开关矩阵后M组通道幅相误差为

[0034] i＝1，2，…，M，i≠l。

[0035] 所述星载阵列天线为星载调零天线。

[0036] 本发明与现有技术相比，其有益效果是：针对阵列天线测向通道数目变化、误差分段的特点，本发明只需增加少量设备即可完成对天线测向通道误差的精确计算，方法简单易懂，只需利用开关矩阵开关导通的特点，依次改变开关矩阵的导通关系，得到N路通道对校准信号在开关矩阵不同导通关系下的响应，多个不同状态下的响应组成一个方程组，通过对方程组的求解得到N路通道的相对幅度和相对相位，并由此得到阵列天线测向通道各通道的幅相误差，且使用基于快速傅里叶变换的幅相特性估计算法对两路校准信号的幅相进行估计，不需进行复杂的数学运算。

附图说明

[0037] 图1为本发明星载阵列天线的校准结构示意图；

[0038] 图2为测量开关矩阵前通道误差时开关矩阵导通方式1；

[0039] 图3为测量开关矩阵前通道误差时开关矩阵导通方式2；

[0040] 图4为测量开关矩阵后通道误差时开关矩阵导通方式1；

[0041] 图5为测量开关矩阵后通道误差时开关矩阵导通方式2；

[0042] 图6为校准信号源和天线馈源的距离差引起的幅相差示意图。

[0043] 具体实施方法

[0044] 如图1所示，本发明包括一般星载调零天线测向通道的基本结构(N个接收馈源、N个输入预选器、N个接收机、N个耦合器、一个开关矩阵和M个变频器，如图1中实线部分所示)和校准系统的增加的配置(一个校准信号源、一个校准馈源和一个校准处理器，如图1中虚线所示)两部分。

[0045] 本发明的一种星载阵列天线测向通道幅相误差的确定方法，步骤如下：

[0046] 第一步：打开校准信号源；

[0047] 第二步：确定开关矩阵前第l路通道为基准，l可在1～N路通道中任意选取；

[0048] 第三步：控制开关矩阵的导通方式，控制开关矩阵输入的第i、第l路校准信号(i∈[1，N]，i≠l)，从开关矩阵输出的第1和第2路输出(如图2所示)，经变频器变频到基带后，由校准处理器内部的A/D转换器转换为数字信号后，使用基于快速傅里叶变换的幅相特性估计算法对两路校准信号的幅相进行估计，令此时校准处理器估计出的经过不同通道的两路校准信号幅相特性为x1，x2；

[0049] 第四步：控制开关矩阵的导通方式，控制开关矩阵输入的第i、第l路校准信号(i∈[1，N]，i≠l)，从开关矩阵输出的第2和第1路输出(如图3所示)，经变频器变频到基带后，由校准处理器内部的A/D转换器转换为数字信号后，使用基于快速傅里叶变换的幅相特性估计算法对两路校准信号的幅相进行估计，令此时校准处理器估计出的经过不同通道的两路校准信号幅相特性为y1，y2；

[0050] 第五步：校准处理器根据估计得到的两组幅相特性x1，x2，y1，y2，计算开关矩阵前i、l两个通道的幅相误差；

[0051] 若开关矩阵前第i、第l路通道的幅相特性为：

[0052] 和 i，l∈[1，N]，i≠l 式(1)

[0053] 开关矩阵后第1、第2路通道的幅相特性为：

[0054] 和 式(2)

[0055] 则

[0056] x1＝ai*b1 式(3)

[0057] x2＝al*b2 式(4)

[0058] y1＝al*b1 式(5)

[0059] y2＝ai*b2 式(6)

[0060] 由式(1)～式(6)可得：

[0061] 式(7)

[0062] 则开关矩阵前第i、第l两个通道的幅度误差为：

[0063] i，l[1，N]，i≠l 式(8)

[0064] 相位误差为：

[0065] i，l[1，N]，i≠l 式(9)

[0066] 第六步：令i在1～N之间遍历，且i≠l，l为基准通道号，则开关矩阵前N组幅相误差 为

[0067] i＝1，2，...，N，i≠l以第l路通道为基准

[0068] 式(10)

[0069] 第七步：确定开关矩阵后第l路通道为基准，l可在1～M路通道中任意选取；

[0070] 第八步：控制开关矩阵的导通方式，使开关矩阵输入的第1、第2路校准信号，从开关矩阵输出的第i和第l路输出(i∈[1，M]，i≠l，如图4所示)，经变频器变频到基带后，由校准处理器内部的A/D转换器转换为数字信号后，使用基于快速傅里叶变换的幅相特性估计算法对两路校准信号的幅相进行估计，令此时校准处理器估计出的经过不同通道的两路校准信号幅相特性为x11，x22；

[0071] 第九步：控制开关矩阵的导通方式，使开关矩阵输入的第1、第2路校准信号，从开关矩阵输出的第l和第i路输出(i∈[1，M]，i≠l，如图5所示)，经变频器变频到基带后，由校准处理器内部的A/D转换器转换为数字信号后，使用基于快速傅里叶变换的幅相特性估计算法对两路校准信号的幅相进行估计，令此时校准处理器估计出的经过不同通道的两路校准信号幅相特性为y11，y22；

[0072] 第十步：校准处理器根据估计得到的两组幅相特性x11，x22，y11，y22，计算开关矩阵后i、l两个通道的幅相误差；

[0073] 若开关矩阵前第1、第2路通道的幅相为：

[0074] 和 式(11)

[0075] 开关矩阵后第i、第l路通道的幅相为：

[0076] 和 i，l[1，M]，i≠l 式(12)

[0077] 则

[0078] x11＝a1*bi 式(13)

[0079] x22＝a2*bl 式(14)

[0080] y11＝a2*bi 式(15)

[0081] y22＝a1*bl 式(16)

[0082] 由式(11)～式(16)可得：

[0083] 式(17)

[0084] 则开关矩阵后第i、第l两个通道的幅度误差为：

[0085] i，l[1，M]，i≠l 式(18)

[0086] 相位误差为：

[0087] i，l[1，M]，i≠l 式(19)

[0088] 第十一步：令i在1～M之间遍历，且i≠l，l为基准通道号，则开关矩阵后M组幅相误差 为

[0089] i＝1，2，…，M，i≠l以第l路通道为基准

[0090] 式(20)

[0091] 第十二步：幅相误差的修正。如校准信号源到天线馈源不满足远场条件，校准信号到天线各个馈源存在一个固定的幅度相位差，如图6所示，这部分误差需要在开关矩阵前校准权值中予以修正，根据校准源距离N个馈源的距离，可以精确计算出这组幅相误差，假设这组幅相误差为：

[0092] i＝1～N 式(21)

[0093] 则补偿后新的开关矩阵前校准权值为：

[0094] i＝1～N 式(22)

[0095] 本发明未详细说明部分属本领域技术人员公知常识。