一种基带端时域校准方法及校准系统技术方案

本发明专利技术公开了一种基带端时域校准方法及校准系统，其中所述的校准方法包括如下：对于MIMO系统的接收通道，采用校准通道发射，其余8个接收通道同时接收，对校准天线到各个接收天线的耦合系数进行测量提取并在数字域进行预先去除，并利用第1路信号作为参考信号的方式，采用自适应时域滤波均衡方法实现校准；对于MIMO系统的发射信道，发射通道校准采用具有宽带特性的正交发射信号进行发射；并采用自适应时域滤波方法实现，参考信号可选择为第一路发射信号的校准通道响应。射信号的校准通道响应。射信号的校准通道响应。

【技术实现步骤摘要】
一种基带端时域校准方法及校准系统


[0001]本专利技术涉及相控阵天线
，更具体的，涉及一种基带端时域校准方法及校准系统。

技术介绍

[0002]作为典型具有多通道特性的相控阵天线是由许多单元通道构成的天线阵列，每个通道包含了若干微波器件，如辐射天线单元、移相器、电调衰减器、功放、变频器、低噪放、滤波器、限幅器等。这些微波器件在使用过程中很难保证通道之间的幅相稳定不变。由于通道的幅相变化会严重影响相控阵的扫描精度、波束宽度以及低旁瓣特性，严重时甚至不能正常工作。因此，在相控阵天线服役期间必须对其各通道幅相变化进行定期监测和校准。因而，相控阵天线的测试和校准技术除包含一般天线测量技术的内涵外，还包含相控阵天线组装好之后的性能校准和相控阵雷达使用过程中阵面性能的监测，该技术贯穿于相控阵雷达天线研制、生产、使用整个过程。
[0003]对于宽带数字阵列雷达，通道间的误差主要来自两个部分，即天线阵列和数字T/R组件，而通道内的误差主要是较宽的工作带宽引起的。
[0004]1)天线阵列带来的通道间误差
[0005]天线阵列带来的通道间误差主要是由于天线阵元上的电流分布导致的天线互耦效应带来的，天线阵元间存在互耦效应使得天线阵列中不同位置的天线阵元的方向图各不相同，进而阵列按原方向图合成的天线波束的旁瓣电平高于正常值。根据互耦效应的原理，天线阵元间距越大，阵元间的互耦效应越小，也可以利用一些补偿方法降低或消除互耦效应带来的影响。同理，天线阵列不一致、重力变形、风力变形等也会产生通道误差。
[0006]2)数字TR组件带来的通道间误差
[0007]数字TR组件作为数字阵列雷达最主要的部分，也是数字阵列雷达的一个主要误差来源。数字阵列雷达由于结构体系的原因，通常有多路天线，而每路天线都有一个TR组件作为独立的接收通道，每个TR组件包含射频放大器、模拟混频器、模拟中频滤波器、AGC控制器、直接频率合成器和模数转换器等模拟器件，这些模拟器件在制造过程中不可避免的存在幅度和相位的不一致性。同时随着时间、环境、温度等外部因素的变化，同样会导致这些模拟器件的频率响应出现一定的幅度和相位的改变，另外在TR组件的数字部分，ADC引入的量化误差、信号处理过程中有限字长效应引入的误差和正交解调过程中引入的正交误差等均会造成通道频率响应的变化，从而使得经过通道的信号产生幅度和相位上的误差。
[0008]3)大带宽引起的通道内误差
[0009]对于宽带数字阵列雷达，其工作频带较宽，阵列雷达每个通道的频率响应随着信号频率变化而变化，这就使得在同一个通道内不同频点上的幅频响应和相频响应出现误差。
[0010]针对以上因素引起的宽带数字阵列雷达的通道间的误差，目前有以下几种校正方法：
[0011]其中，现有技术之一，一种基于射频组件的射频端内校准方法，该方法的技术工作原理如图1所示，具体的工作原理如下：
[0012]1、做发射通道校准时，开关打向K1和K3，射频测试信号先经过一个功分网络，将测试信号均匀的分配到T/R组件的输入端，T/R组件负责将发射信号进行放大和移相等操作后，通过“测试信号馈电网络”也就是一种耦合网络，到达开关K1,并进一步达到信号测试端(此时只有一路信号)，在这里可以是简单的矢量网络分析仪，也可以是一些其他的能测量信号幅度相位的测量系统。通过测量该路信号，结合T/R组件事先设计好的移相组合就能进行校准算法计算。
[0013]2、用做接收通道校准时，开关打向K2和K4，射频测试信号经“测试信号馈电网络”，耦合至天线接收通道，在天线接收通道中，一般要进行一些固定相位的移相操作，然后经过移相的信号经“合成网络”，一般情况下就是一功分器，其在接收的时候是一个合路器，通过该网络后，接收信号被合成一路，并进一步达到信号测试端，在这里可以是简单的矢量网络分析仪，也可以是一些其他的能测量信号幅度相位的测量系统。
[0014]最终通过校准计算后的波控数据将直接作用于波控系统，也就是T/R组件的控制系统，对T/R组件进行校准，从而实现需要的幅相分布馈到天线上。
[0015]该方法存在的缺点主要如下：该方法主要针对射频端的校准，使用该方法进行校准时需要事先设置好内校准网络，主要包括测试信号馈电网络，发射接收波束网络等。
[0016]现有技术之二，一种射频端外校准方法，该校正方法的工作原理如图2所示，该校正方法采用的测试设备包括：用于接收信号的天线、待测试的相控阵天线、功率计。接收天线一般置于天线阵列的正前方，同时与阵面的距离需要满足阵列的远场条件。
[0017]用于测试的探头天线置于整个阵列的远场范围中，当需要测试阵列中某个天线单元的激励时，则将该单元的移相器从0～2π连续旋转，然后按照上述的方法就可以依次求解每一个阵列单元的激励，如图3所示。
[0018]现有技术之二存在的缺点如下：
[0019]用于测试的探头天线需置于整个阵列的远场范围中，当需要测试阵列中某个天线单元的激励时，则将该单元的移相器从0～2π连续旋转，对于某些大口径的天线阵列来说，需要很大的测试场地才能满足远场天线，这会导致测试成本急剧上升。远场校准需要将已安装的天线阵列搬移下来，并不具备便捷性。
[0020]现有技术之三，一种基带端频域方法，如图4所示。通道频域均衡的思想是利用均衡滤波器的频率特性去补偿失配通道的频率特性，使包括均衡器在内的总的系统传递函数满足系统无失真实际性能要求，理论上频域均衡可以对失配通道的幅频特性、相频特性失真给以很高的校正精度。通道频域均衡是一种接近平摊的固定式均衡，对通道特性缓变的校正效果较好。通道均衡频域算法利用傅里叶变换将信号转换到频域，直接对均衡器的期望频率响应和实际频率响应做最小二乘拟合，进而求取均衡器权矢量，因而必需预先详细知道各通道的幅相特性，求解过程中会用到矩阵求逆运算，工程不易实现。
[0021]如图4所示，为频域均衡原理框图，假设阵列共有M个阵元，对应M个通道，同时域均衡一样，频域通道均衡也要选择一条通道作为参考通道，其他M-1通道为待校正通道，其后分别加入均衡滤波器。参考通道的选取方案同上，对失配通道进行均衡校正的关键是求取期望均衡器的权系数，为此，首先必须测量各通道的频率响应，具体方法是利用校正信号源
通过功分网络向各通道注入同一个线性调频校正测试信号并在各通道后接收信号，如果期望均衡器由一抽头数为L、时延间隔为T的FIR横向滤波器实现，考虑到均衡器会引入时延，时延量为D＝(L-1)T/2，为了使均衡校正后参考通道的信号与待均衡通道的信号序列中心对齐，需在参考通道后加一个与均衡器等阶数的延时器，延迟量为D＝(L-1)T/2，它是一全通线性相移网络，其频率响应为H
delay
＝exp[-jw(L-1)T/2]。
[0022]假设参考通道的频率响应为D
ref
(ω)，第m(1,...M-1)个待校正通道的频率响应为D
m
(ω)，对应期望均衡器的频率响应为H<本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种基带端时域校准方法，其特征在于：所述的校准方法包括如下：对于MIMO系统的接收通道，采用校准通道发射，其余8个接收通道同时接收，对校准天线到各个接收天线的耦合系数进行测量提取并在数字域进行预先去除，并利用第1路信号作为参考信号的方式，采用自适应时域滤波均衡方法实现校准；对于MIMO系统的发射信道，发射通道校准采用具有宽带特性的正交发射信号进行发射；并采用自适应时域滤波方法实现，参考信号可选择为第一路发射信号的校准通道响应。2.根据权利要求1所述的基带端时域校准方法，其特征在于：当天线阵列处于接收状态时，根据接收状态时的天线阵列互耦路径，将互耦矩阵看成是受到互耦影响的信号与理想信号间的一个转换矩阵：V＝CV
ideal
其中，V为表示受到互耦影响的阵列接收信号向量，V
ideal
是表示没有互耦影响的信号向量，C为耦合矩阵；如果预得到没有互耦影响的理想信号，需求解互耦矩阵C；假设C为满秩矩阵，那么理想信号可以由受到互耦影响的信号进行恢复V
ideal
＝C-1
V上式表明，来波信号可以通过终端电压乘以耦合矩阵C的逆矩阵来进行恢复。3.根据权利要求2所述的基带端时域校准方法，其特征在于：采用孤立单元方向图法求解互耦矩阵C，具体地：假设终端上某一特定天线单元的互耦电压由两部分组成；第一部分是由该单元天线孤立状态下的方向图对来波信号产生的响应；另一部分其它孤立单元对来波信号响应的线性叠加；天线单元之间的相互耦合用一组复数表示，记为C
mn
，所有天线之间的互耦关系构成的矩阵称为互耦矩阵或者互耦校准矩阵；这一复数矩阵将互耦电压和没有受到互耦影响的电压建立关联，得到：A
true
＝CA
theo
其中，A
true
是实际的阵列响应矩阵，A
theo
是理想阵列没有互耦影响时的阵列响应，C是一个与角度无关的互耦矩阵；A
true
中的每一行是阵列中某一特定天线接收信号的强度，它是阵列对不同方向入射来波的响应；Atheo是没有互耦的单个天线接收信号的响应，是一个只与入射波方向和单元位置相关的量。4.根据权利要求3所述的基带端时域校准方法，其特征在于：还可以采用耦合单元方向图法求解互耦矩阵C。5.根据权利要求1～4任一项所述的基带端时域校准方法，其特征在于：通过采用耦合系数消除滤波器在数字域去除耦合系数。6.根据权利要求5所述的基带端时域校准方法，其特征在于：所述的自适应时域滤波均衡方法，通过对失配通道的失配波形，产生用以补偿的波形与失配波形进行叠加，从而使得合成后的波形不失真。7.根据权利要求5所述的基带端时域校准方法，其特征在于：所述的自适应时域滤波均衡方法，具体如下：以理想通道为参考通道，设均衡器是由抽头数为L，时延为T的数字滤波器来近似，且滤波器的权矢量为
W＝[w0,w1,w2.....w
L-1
]
T
则均衡器输出为：y(n)＝w
H
x(n)＝x(n)
H
w则误差信号为：e(n)＝y
ref
(n)-y(n)＝y
ref
(n)-w
H
x(n)式中：...

【专利技术属性】
技术研发人员：蒲兴月，
申请(专利权)人：中国电子科技集团公司第七研究所，
类型：发明
国别省市：