专利名称：一种星载波束形成接收通道幅相误差校准系统及其方法
技术领域：
本发明涉及一种星载阵列天线的校准系统和方法，特别是星载阵列天线波束形成接收通道幅相误差校准系统和方法，能够广泛地应用在星载阵列天线系统中。
背景技术：
星载波束形成阵列天线由N个通道组成，每个通道的相位、幅度独立可控，各通道信号经过不同的相位、幅度调整，共同叠加后形成波束输出。对多个接收通道独立可控移相衰减器的相位和衰减值进行控制，可以形成所需要的接收波束。为了精确的形成波束，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。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。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。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。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。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η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η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
3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。Silverstein提出了 UTE (Unitary Transform Encoding)禾口 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。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是提供一种结构简单，操作方便的星载波束形成接收通道幅相误差校准系统和方法，能够实现对阵列天线波束形成接收通道的精确校准。本发明包括如下技术方案一种星载波束形成接收通道幅相误差校准系统，包括N个接收馈源、N个输入预选器、N个接收机、N个可控移相衰减器和一个功率合成器，所述N大于等于2 ；每个接收馈源与相应的输入预选器、接收机、可控移相衰减器相连构成一个接收通道，共形成N个接收通道，N个接收通道形成的波束通过所述功率合成器输出合成波束；所述系统还包括两个耦合器、两个变频器、一个校准信号源、一个校准馈源和一个校准处理器，所述校准信号源通过校准馈源输入到N个接收馈源，耦合器1位于N个接收通道的任意一路，并位于接收机和可控移相衰减器之间，同时耦合器1与变频器1相连；耦合器2位于所述功率合成器的输出端，并与变频器2相连；所述变频器将耦合器输入的中频信号变频成基带信号；所述校准处理器与变频器1、2相连，用于确定幅相误差；同时校准处理器与N个可控移相衰减器相连， 用于控制所述可控移相衰减器的衰减值和校准所确定的幅相误差。一种星载波束形成接收通道幅相误差校准方法，包括如下步骤第一步确定耦合器1的通道号M，耦合器1位于1 N任意一路通道，耦合器1输出的信号作为校准的基准信号；第二步打开校准信号源；第三步控制第1路通道的移相衰减器的衰减值为0，其余N-I路移相衰减器的衰减值为最大，校准处理器采集两路变频器输出的校准信号，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第1路通道输出的校准信号和所述的基准信号的幅相特性进行估计，并计算第1路通道与基准通道M的幅度误差和相位误差；第四步控制第2路通道的移相衰减器的衰减值为0，其余N-I路移相衰减器的衰减值为最大，获得第2路通道与基准通道M的幅度误差和相位误差；第五步依次类推，采用相同的方法，直至获得第N路通道与基准通道M的幅度误差和相位误差；第六步使用测得的幅度误差和相位误差对初始天线波束形成权值进行修正，把修正后的天线波束形成权值置入N组移相衰减器中，最终实现波束形成接收通道的校准。本发明与现有技术相比，其有益效果是本发明结构简单，只需增加少量设备即可完成对天线通道的精确校准；本发明方法简单易懂，只需对移相衰减器进行衰减值的控制，即可完成对天线通道的精确校准，且使用基于快速傅里叶变换的幅相特性估计算法进行幅相特性估计，不需进行复杂的数学运
笪弁。
图1为本发明校准系统结构示意图；图2为校准源和天线馈源的距离差引起的幅相差示意图。
具体实施例方式如图1所示，本发明的校准系统在一般星载阵列天线形成波束的基本结构的基础上(N个接收馈源、N个输入预选器、N个接收机、N个可控移相衰减器和一个功率合成器，如图1中实线部分所示)，增加了两个耦合器、两个变频器、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，其中校准馈源的摆放远场或近场条件均可，耦合器1 可以灵活位于接收N个通道的任意一路。每个接收馈源与相应的输入预选器、接收机、可控移相衰减器相连构成一个接收通道，共形成N个接收通道，N个接收通道形成的波束通过所述功率合成器输出合成波束；所述校准信号源通过校准馈源输入到N个接收馈源，耦合器1 位于接收机和可控移相衰减器之间，同时耦合器1与变频器1相连；耦合器2位于所述功率合成器的输出端，并与变频器2相连；所述变频器将耦合器输入的中频信号变频成基带信号；所述校准处理器与变频器1、2相连，用于确定幅相误差；同时校准处理器与N个可控移相衰减器相连，用于控制所述可控移相衰减器的衰减值和校准所确定的幅相误差。本发明的星载波束形成接收通道幅相误差校准方法，步骤如下第一步确定耦合器1的通道号M，耦合器1可位于I-N任意一路通道，耦合器1耦合输出的校准信号作为本校准系统的基准信号；第二步打开校准信号源；第三步控制第1路移相衰减器的衰减值为0，其余N-I路移相衰减器的衰减值为最大(大于30dB)，校准处理器采集两路变频器输出的校准信号，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第1路通道输出的校准信号和第M路耦合器1耦合的基准信号的幅相特性进行估计，并计算第1路通道与基准通道的幅相差；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Cll = A产，第ι路通道幅相特性式⑴bM = BMeiP"，校准基准通道幅相特性，M路通道式O)由式(1)和式( 得第1路通道和第M路通道幅度差为M = ^ 式⑶
bM IVI相位差为Ψχ=αχ~βΜ = arCtan^式(4)第四步依次类推，控制第2路移相衰减器的衰减值为0，其余N-I路移相衰减器的衰减值为最大(大于30dB)，获得第2路通道和第M路通道幅度差为= M式(5) BM U
相位差为
权利要求
1.一种星载波束形成接收通道幅相误差校准系统，包括N个接收馈源、N个输入预选器、N个接收机、N个可控移相衰减器和一个功率合成器，其中N大于等于2 ；每个接收馈源与相应的输入预选器、接收机、可控移相衰减器相连构成一个接收通道，共形成N个接收通道，N个接收通道形成的波束通过所述功率合成器输出合成波束；其特征在于所述系统还包括两个耦合器、两个变频器、一个校准信号源、一个校准馈源和一个校准处理器，所述校准信号源通过校准馈源输入到N个接收馈源，耦合器1位于N个接收通道的任意一路，并位于接收机和可控移相衰减器之间，同时耦合器1与变频器1相连；耦合器2位于所述功率合成器的输出端，并与变频器2相连；所述变频器将耦合器输入的中频信号变频成基带信号； 所述校准处理器与变频器1、2相连，用于确定幅相误差；同时校准处理器与N个可控移相衰减器相连，用于控制所述可控移相衰减器的衰减值和校准所确定的幅相误差。
2.一种星载波束形成接收通道幅相误差校准方法，采用权利要求1所述的校准系统进行校准，其特征在于包括如下步骤第一步确定耦合器1的通道号M，耦合器1位于1 N任意一路通道，耦合器1输出的信号作为校准的基准信号；第二步打开校准信号源；第三步控制第1路通道的移相衰减器的衰减值为0，其余N-I路移相衰减器的衰减值为最大，校准处理器采集两路变频器输出的校准信号，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第1路通道输出的校准信号和所述的基准信号的幅相特性进行估计，并计算第1路通道与基准通道M的幅度误差和相位误差；第四步控制第2路通道的移相衰减器的衰减值为0，其余N-I路移相衰减器的衰减值为最大，获得第2路通道与基准通道M的幅度误差和相位误差；第五步依次类推，采用相同的方法，直至获得第N路通道与基准通道M的幅度误差和相位误差；第六步使用测得的幅度误差和相位误差对初始天线波束形成权值进行修正，把修正后的天线波束形成权值置入N组移相衰减器中，最终实现波束形成接收通道的校准。
3.根据权利要求2所述的一种星载波束形成接收通道幅相误差校准方法，其特征在于假设校准处理器估计出的经过不同通道的校准信号幅相特性为二 A^m，第i路通道幅相特性式(1)K = Bm^m，基准通道M幅相特性式O)由式(1)和式( 得第i路通道和第M路通道幅度误差为
全文摘要
本发明公开了一种星载波束形成接收通道幅相误差校准系统及其方法。为了实现对阵列天线接收通道幅相误差的校准，本发明在星载阵列天线合成波束的基本结构上，增加两个耦合器、两个变频器、一个校准信号源、一个校准馈源和一个校准处理器，从阵列天线N个通道任选一路耦合输出，并依次改变N个通道移相衰减器的衰减值，得到每个通道与基准信号的幅度相位关系，并由此得到阵列天线各通道的幅相一致性误差，从而实现校准。本发明结构简单，操作方便，能够实现对阵列天线波束形成接收通道的精确校准。
文档编号G01R29/08GK102426300SQ20111025494
公开日2012年4月25日 申请日期2011年8月31日 优先权日2011年8月31日
发明者夏猛, 张宁, 楼大年 申请人:西安空间无线电技术研究所