专利名称：电子相位扫描跟踪接收机的制作方法
技术领域：
本实用新型涉及无线电通信领域中的一种电子相位扫描跟踪接收机，特别适用于作移动海事卫星通信站的天线跟踪接收机装置，也可以作为跟踪天线为阵列天线与目标的相对移动速度较快的跟踪接收机。
背景技术：
对波束宽度小于60°的阵列天线来说，目前对于相对移动目标的跟踪接收机，国内主要采用步进跟踪方式和单脉冲跟踪方式，步进跟踪方式的跟踪速度慢，但价格较低，只适合作为天线与目标的相对移动速度较慢时应用，单脉冲跟踪方式的跟踪速度快，但馈源复杂，需要单独的差信号支路和低噪声放大器，体积功耗大，调试复杂，提高了通信设备的价格，给用户应用带来了经济困难。
发明内容
本实用新型的目的在于避免上述背景技术中的不足之处而提供一种类似步进跟踪接收机价格低的、类似单脉冲跟踪接收机跟踪速度快的电子相位扫描跟踪接收机，本实用新型还具有集成化程度高、可适应信号种类多、可适应信号频段跨度大、不需要采用AGC对误差信号归一化、体积小、功耗低、调试简单、性能稳定可靠、成本低等特点。
本实用新型的目的是这样实现的它由天线方位方向右阵列单元1、天线俯仰方向上阵列单元2、天线方位方向左阵列单元3、天线俯仰方向下阵列单元4、方位电控移相器5、俯仰电控移相器6、功率合成器7、功率合成器8、功率合成器9、低噪声放大器10、分路器11、射频下变频器12、信号频谱匹配带通滤波器13、对数幅度检波器14、有源低通滤波限幅相加放大器15、模数转换器16、数字信号处理器或微处理器17、电控移相器驱动电路18、电控移相器驱动电路19、电源20、小步进变频器21组成，其中天线方位方向右阵列单元1的输出1脚与方位电控移相器5的入端1脚连接，天线方位方向左阵列单元3的输出1脚与功率合成器7的入端1脚连接，天线俯仰方向下阵列单元4的输出1脚与俯仰电控移相器6的入端1脚连接，天线俯仰方向上阵列单元2的输出1脚与功率合成器8的入端1脚连接，方位电控移相器5的出端3脚与功率合成器7的入端2脚连接，俯仰电控移相器6的出端3脚与功率合成器8的入端2脚连接，功率合成器7的出端3脚与功率合成器9的入端1脚连接，功率合成器8的出端3脚与功率合成器9的入端2脚连接，功率合成器9的出端3脚与低噪声放大器10的入端1脚连接，低噪声放大器10的出端2脚与分路器11的入端1脚连接，分路器11的出端2脚与通信端口A连接，分路器11的出端3脚与射频下变频器12的入端1脚连接，射频下变频器12的出端3脚与小步进变频器21的入端1脚连接，小步进变频器21的出端3脚与信号频谱匹配带通滤波器13的入端1脚连接，信号频谱匹配带通滤波器13的出端2脚与对数幅度检波器14的入端1脚连接，对数幅度检波器14的出端2脚与有源低通滤波限幅相加放大器15的入端1脚连接，有源低通滤波限幅相加放大器15的出端2脚与模数转换器16的入端1脚连接，模数转换器16的出端口2通过数据总线与数字信号处理器或微处理器17的入端端口2连接，数字信号处理器或微处理器17的出端8脚与有源低通滤波限幅相加放大器15的入端3脚连接，数字信号处理器或微处理器17的出端1脚与模数转换器16的入端3脚连接，数字信号处理器或微处理器17的输出数据端口6通过信号总线与伺服设备端口B连接，数字信号处理器或微处理器17的输出频率控制字端口3通过数据总线与小步进变频器21入端口2、射频下变频器12的入端口2连接，数字信号处理器或微处理器17的数据端口7通过监控总线与监控端口C连接，数字信号处理器或微处理器17的数据输出端口4通过数据总线与方位电控移相器驱动电路18的输入端口1连接，数字信号处理器或微处理器17的数据输出端口5通过数据总线与俯仰电控移相器驱动电路19的输入端口2连接，方位电控移相器驱动电路18的输出端口2与方位电控移相器5的入端2连接，俯仰电控移相器驱动电路19的输出端口1通过数据总线与俯仰电控移相器6的入端口2连接，电源20出端口+V1、+V2、+V3电压端与各部件相应电源端连接。
本实用新型的目的还可以通过以下措施达到本实用新型的信号频谱匹配带通滤波器13由晶体滤波器22构成；对数幅度检波器14由检波器23构成；有源低通滤波限幅相加放大器15由集成运算放大器24至27、稳压管V1组成，其中小步进变频器21的出端3脚串接电阻R1后与晶体滤波器22的入端1脚连接，晶体滤波器22入端2脚接地端，晶体滤波器22的出端3脚与电阻R2的一端、电容C1一端连接，电阻R2的另一端接地端，电容C1另一端接到检波器23入端8脚，检波器23的入端1脚串接电容C2后接地端，检波器23入端2脚接地端，电源20出端+V1电压端与电阻R3的一端连接，电阻R3的另一端接到检波器23的入端6脚、7脚和电容C3的一端，电容C3的另一端接地端，检波器23的出端4脚串接电阻R4后与电容C4的一端、集成运算放大器24的同相端1脚连接，电容C4的另一端接地端，集成运算放大器24的输出端3脚与电阻R7一端、电阻R6的一端、模数转换器16的输入端口15脚连接，电阻R6的另一端与集成运算放大器24的反相端2脚、电阻R5的一端连接，电阻R5的另一端接地端，电阻R7的另一端与电容C5的一端、集成运算放大器25的同相端1脚连接，电容C5的另一端接地端，集成运算放大器25的输出端3脚与电阻R8的一端连接，电阻R8的另一端与电阻R10的一端、稳压管V1的负端、集成运算放大器26的同相端1脚连接，电阻R10的另一端与电阻R9的一端、集成运算放大器25的反相端2脚连接，稳压管V1的正端接地端，集成运算放大器26的反相端2脚与电阻R11的一端连接，电阻R11的另一端与集成运算放大器26的输出端3脚、模数转换器16的信号输入端口0至14脚连接，数字信号处理器或微处理器17出端8脚串接电阻R12后与电阻R13的一端、电容C6的一端连接，电容C6的另一端接地端，电阻R13的另一端与集成运算放大器27的同相端1脚、电容C7的一端连接，电容C7的另一端与集成运算放大器27的输出端、电阻R9的另一端、电阻R15的一端连接，电阻R15的另一端与集成运算放大器27的反相端2脚、电阻R14的一端连接，电阻R14的另一端接地端，集成运算放大器26入端4脚与电源20出端电压+V1连接，集成运算放大器26入端5脚接地端。
本实用新型的方位电控移相器驱动电路18由电子开关组28构成，方位电控移相器5由第一至第三PIN管移相开关组29至31构成；俯仰电控移相器驱动电路19由电子开关组32构成，俯仰电控移相器6由第四至第六PIN管移相开关组33至35构成，其中数字信号处理器或微处理器17通用数据输出端口4通过两根数据线分别与电子开关组28的控制输入端9脚、10脚连接，电子开关组28的6脚、8脚接地端，电子开关组28入端16脚接到电源20的出端+V1电压端、电容C8一端、电感L1一端，电容C8的另一端接地端，电感L1的另一端与电容C9的一端、电子开关组28的开关公共端3脚、13脚连接，电容C9的另一端接地端，电子开关组28的开关一端2脚、15脚并接后接到电容C12、电感L2的一端，电容C12的另一端接地端，电感L2的另一端接到第一PIN管移相开关组29的控制输入1脚，电子开关组28的开关一端5脚、14脚并接后接到电容C13、电感L3的一端，电容C13的另一端接地端，电感L3另一端接到第二PIN管移相开关组30的控制输入1脚，电子开关组28的开关一端1脚、12脚并接后接到电容C14、电感L4的一端，电容C14的另一端接地端，电感L4的另一端接到第三PIN管移相开关组31的控制输入1脚，第一PIN管移相开关组29的控制输入2脚接地端，第二PIN管移相开关组30的控制输入2脚接地端，第三PIN管移相开关组31的控制输入2脚接地端，数字信号处理器或微处理器17出端口5通过两根数据线分别与电子开关组32的控制输入端9脚、10脚连接，电子开关组32的6脚、8脚接地端，电子开关组32的16脚接到电源20的出端+V1电压端、电容C11一端、电感L5一端，电容C11的另一端接地端，电感L5的另一端与电容C10的一端、电子开关组32的开关公共端3脚、13脚连接，电容C10的另一端接地端，电子开关组32的开关一端2脚、15脚并接后与电容C15、电感L6的一端连接，电容C15的另一端接地端，电感L6的另一端接到第四PIN管移相开关组33的控制输入1脚，电子开关组32的开关一端5脚、14脚并接后与电容C16、电感L7的一端连接，电容C16的另一端接地端，电感L7的另一端接到第五PIN管移相开关组34的控制输入1脚，电子开关组32的开关一端1脚、12脚并接后与电容C17、电感L8的一端连接，电容C17的另一端接地端，电感L8的另一端接到第六PIN管移相开关组35的控制输入1脚，第四PIN管移相开关组33的控制输入2脚接地端，第五PIN管移相开关组34的控制输入2脚接地端，第六PIN管移相开关组35的控制输入2脚接地端，天线方位方向右阵列单元1输出1脚分别与第一PIN管移相开关组29信号入端3脚、第二PIN管移相开关组30信号入端3脚、第三PIN管移相开关组31信号入端3脚连接，第一PIN管移相开关组29信号出端4脚、第二PIN管移相开关组30信号出端4脚、第三PIN管移相开关组31信号出端4脚分别与功率合成器7的信号入端2脚连接，天线俯仰方向下阵列单元4输出1脚分别与第四PIN管移相开关组33信号入端3脚、第五PIN管移相开关组34信号入端3脚、第六PIN管移相开关组35信号入端3脚连接，第四PIN管移相开关组33信号出端4脚、第五PIN管移相开关组34信号出端4脚、第六PIN管移相开关组35的信号出端4脚分别与功率合成器8的信号入端2脚连接。
本实用新型的小步进变频器21由声表面波滤波器36、场效应管V2、V3、晶振37、数字直接频率合成芯片38构成，其中射频下变频器12的输出3脚与声表面波滤波器36的输入1脚、电阻R16的一端连接，电阻R16的另一端接地端，声表面波滤波器36的2脚接地端，声表面波滤波器36的输出3脚与电阻R17的一端、电容C19的一端连接，电阻R17的另一端接地端，电容C19的另一端与场效应管V2的第一栅极、电阻R19、R20的一端连接，电阻R19的另一端接地端，电阻R20的另一端与电阻R18的一端、电感L9的一端、电容C23、C24的一端、场效应管V3的漏极连接，电容C24的另一端接地端，电阻R18的另一端与电源20出端+V3电压端、电容C18的一端连接，电容C18的另一端接地端，电感L9的另一端与场效应管V2的漏极、电容C22、C21的一端连接，电容C22的另一端与电容C21的另一端、电容C23的另一端、电阻R29的一端、场效应管V3的栅极连接，电阻R29的另一端接地端，场效应管V3的源极与电阻R30、R1的一端连接，电阻R1的另一端与信号频谱匹配带通滤波器13入端1脚连接，电阻R30的另一端接地端，电容C28的一端与电容C27的一端、数字直接频率合成芯片38的入端6脚、29脚、电感L10的一端连接，电容C27、C28的另一端接地端，电感L10的另一端与电源20出端+V1电压端、电容C25的一端、电容C26的一端、电阻R31的一端、数字直接频率合成芯片38的入端11脚、18脚并接，电容C25的另一端接地端，电容C26的另一端接地端，电阻R31的另一端与晶振37的入端4脚、电容C29的一端并接，电容C29的另一端接地端，晶振37的入端2脚接地端，晶振37的出端3脚与数字直接频率合成芯片38的入端9脚连接，数字直接频率合成芯片38的入端5脚、24脚接数字地端，数字直接频率合成芯片38的入端10脚、19脚接地端，数字直接频率合成芯片38的入端7脚、8脚、25脚通过三根数据线与数字信号处理器或微处理器17的出端口3连接，数字直接频率合成芯片38的入端12脚与电阻R32的一端连接，数字直接频率合成芯片38的入端20脚与电阻R33的一端连接，数字直接频率合成芯片38的入端21脚与电阻R34的一端、电感L11、L12的一端、电容C30的一端连接，电阻R32、R33、R34的另一端接地端，电感L11的另一端接地端，电容C30的另一端接地端，电感L12的另一端与电容C31的一端连接，电容C31的另一端与电容C32的一端、电感L13的一端、电阻R21的一端、场效应管V2的第二栅极连接，电容C32的另一端接地端，电感L13的另一端接地端，电阻R21的另一端接地端，场效应管V2的源极与电阻R28、电容C20的一端连接，电阻R28的另一端接地端，电容C20的另一端接地端。
本实用新型的模数转换器16、数字信号处理器或微处理器17由数字信号处理芯片39构成，它包括模数转换A/D接口、串行通信SCI接口、脉宽调制PWM1接口、通用数据输入输出I/O接口、同步串行通信SPI接口，其中数字信号处理芯片39的SCI接口21脚、22脚通过两根监控线与监控端口C连接，数字信号处理芯片39的入端A/D接口第24脚至第39脚并接后与有源低通滤波限幅相加放大器15的出端口2连接，数字信号处理芯片39的A/D接口输入端第23脚与有源低通滤波限幅相加放大器15的出端口2连接，数字信号处理芯片39的PWM1接口出端20脚后与有源低通滤波限幅相加放大器15的入端3脚连接，数字信号处理芯片39的SPI接口16至19脚通过四根信号线与伺服接口B连接，数字信号处理芯片39的I/O接口出端1脚、2脚通过两根数据线与方位电控移相器驱动电路18的入端口1连接，I/O接口出端3脚、4脚通过两根数据线与俯仰电控移相器驱动电路19的入端口2连接，I/O接口出端5脚、6脚、7脚通过三根数据线与小步进变频器21的入端口2连接，I/O接口出端8脚至15脚通过8根数据线与射频下变频器12的入端口2连接，数字信号处理芯片39的入端40脚接数字地端、41脚接地端、42脚、43脚分别与电源20出端+V1、+V2电压端连接。
本实用新型与背景技术相比具有如下优点1.本实用新型采用在方位和俯仰合成支路上附加一个三种相位值的电控移相器5、6，电控移相器5、6通过电子开关来选通并在以后采用数字处理的方式来产生方位和俯仰角误差信号，具有类似单脉冲跟踪接收机的跟踪速度快的优点，同时具有电路简单、调试方便、价格低廉、选择灵活、适应性广的优点。
2.本实用新型采用对数幅度检波器14进行对数检波的方式并在数字信号处理器或微处理器17中完成误差信号的归一化，消除了AGC电路的延时滞后，同时可得到对数的功率指示，具有步进接收机价格低的显著特点，同时具有简单、紧凑、响应速度快的优点。
3.本实用新型采用数字信号处理器或微处理器17进行数字方式解调输出，具有滤波方式灵活、后续处理灵活的显著特点。
4.本实用新型集成化程度高、体积小，除电控移相器外可集成到一块印制板上，结构简单，内部紧凑，功耗低，性能稳定可靠，具有推广应用价值。
图1是本实用新型的电原理方框图。
图2是本实用新型信号频谱匹配带通滤波器13、对数幅度检波器14、有源低通滤波限幅相加放大器15的电原理图。
图3是本实用新型方位电控移相器驱动电路18、方位电控移相器5、俯仰电控移相器驱动电路19、俯仰电控移相器6的电原理图。
图4是本实用新型小步进变频器21的电原理图。
图5是本实用新型模数转换器16、数字信号处理器或微处理器17的电原理图。
图6是本实用新型采样控制、设置、计算、数据处理时序图。
图7是本实用新型接收天线与卫星的几何关系图。
图8是本实用新型接收幅度信号合成矢量图。
具体实施方式
参照图1至图8，本实用新型由天线方位方向右阵列单元1、天线俯仰方向上阵列单元2、天线方位方向左阵列单元3、天线俯仰方向下阵列单元4、方位电控移相器5、俯仰电控移相器6、功率合成器7、功率合成器8、功率合成器9、低噪声放大器10、分路器11、射频下变频器12、信号频谱匹配带通滤波器13、对数幅度检波器14、有源低通滤波限幅相加放大器15、模数转换器16、数字信号处理器或微处理器17、电控移相器驱动电路18、电控移相器驱动电路19、电源20、小步进变频器21组成，实施例按图1连接线路组成本实用新型。其中天线方位方向右阵列单元1、天线俯仰方向上阵列单元2、天线方位方向左阵列单元3、天线俯仰方向下阵列单元4组成多元天线阵列，它们的作用是接收信号能量和发送信号能量，它们可以制作成微带天线或螺旋天线，实施例采用制作在同一块印制板上的四个相应的微带天线阵列单元。功率合成器7、功率合成器8、功率合成器9的作用是将接收信号功率合成以提供足够的天线增益，实施例均采用市售的微波功率合成器制作。低噪声放大器10的作用是对信号进行放大，只增加很小的噪声能量，实施例采用市售的低噪声放大器制作。分路器11的作用是将接收的信号分成通信路和跟踪接收机两路，实施例采用市售的微波分路器制作。射频下变频器12的作用是将信号载波频率降低到可以进行信号频谱匹配带通滤波和对数幅度检波的载波上并将信号进行滤波和放大，实施例采用通用的通信射频下变频器制作。
本实用新型信号频谱匹配带通滤波器13的作用是尽可能的抑制接收信号以外的杂波信号能量；对数幅度检波器14的作用是将交流信号转换成与其对数功率成正比的直流信号；有源低通滤波限幅相加放大器15的作用是对直流信号进行平滑滤波以降低A/D采样的频率混叠，并对直流信号进行放大以提高分辨率，对放大后的信号电平进行限制以适应A/D采样的输入信号要求，对PWM1的输出信号进行滤波放大以进行电平调整后与直流信号相减，使A/D采样工作在最佳点并与信号直流放大器配合，可有效的提高A/D采样的有效分辨位数。信号频谱匹配带通滤波器13由晶体滤波器22构成；对数幅度检波器14由检波器23构成；有源低通滤波限幅相加放大器15由集成运算放大器24至27、稳压管V1组成。图2是本实用新型信号频谱匹配带通滤波器13、对数幅度检波器14、有源低通滤波限幅相加放大器15实施例的电原理图，并且按其连接电路。其中晶体滤波器22的作用是滤除信号以外的杂散，电阻R1、R2用作提供晶体滤波器所需的阻抗匹配。检波器23的作用是将交流信号转换成与其对数功率成正比的直流信号，电阻R3和电容C3构成低通滤波器提供对电源杂波的抑制；电阻R4和电容C4构成低通滤波器提供对检波输出直流信号杂波的抑制。集成运算放大器24至27的作用是对直流信号进行平滑滤波以降低A/D采样的频率混叠，并对直流信号进行放大以提高分辨率，稳压管V1的作用是对放大后的信号电平进行限制以适应A/D采样的输入信号要求，电阻R5、R6和运算放大器24构成同相放大器放大直流信号；电阻R7和电容C5构成低通滤波器提供对检波直流信号杂波的抑制；电阻R12、R13、R14、R15和电容C6、C7和运算放大器27构成有源二阶低通滤波器提供对PWM(或D/A)信号的杂波滤除；电阻R9、R10和运算放大器25构成同相放大和反相器相加器，放大直流信号，移动工作电平；电阻R8、稳压管V1和运算放大器25构成限幅器，使A/D输入信号匹配，不至于过大；运算放大器26和电阻R11构成电压跟随器，用于驱动A/D。实施例晶体滤波器22采用市售采用市售的21.4MHz基波晶体滤波器制作，也可选用窄带陶瓷滤波器，应用在其它场合时，也可选用声表面波滤波器，LC滤波器等其它类型。检波器23采用市售的集成电路AD8307芯片制作，也可以采用AD8309、AD606、NE604等类似的芯片或电路达到目的。集成运算放大器24至27采用市售的一块集成电路OP434制作，也可以采用OP495、TLO74、OP496等类似的芯片或电路达到目的。稳压管V1采用市售的3.3V贴片稳压管制作。
本实用新型方位、俯仰电控移相器驱动电路18、19的作用是给PIN管提供足够的驱动电流和必要的隔离，方位电控移相器5、6的作用是通过在不同时间选通不同轴的PIN管开关使流过信号的相位不同，从而使合成的信号幅度带有角误差信息。方位电控移相器驱动电路18由电子开关组28构成，方位电控移相器5由第一至第三PIN管移相开关组29至31构成；俯仰电控移相器驱动电路19由电子开关组32构成，俯仰电控移相器6由第四至第六PIN管移相开关组33至35构成。图3是本实新用型方位电控移相器驱动电路18、方位电控移相器5、俯仰电控移相器驱动电路19、俯仰电控移相器6实施例的电原理图，并且按其连接电路。电子开关组28、32的作用是给PIN管提供足够的驱动电流，第一至第六PIN管移相开关组29至31、33至35的作用是在驱动电流的作用下，使流过信号的相位不同，从而使合成的信号幅度带有角误差信息。其中电容C8、C9、电感L1构成低通滤波器，C10、C11、电感L5构成低通滤波器，降低PIN二极管的驱动电流对电源的影响；电容C12和电感L2、电容C13和电感L3、电容C14和电感L4、电容C15和电感L6、电容C16和电感L7、电容C17和电感L8分别构成低通滤波器，降低发射功率对开关芯片的影响，其中的电感L2、L3、L4、L6、L7、L8还具有阻止接收信号的作用；第一至第六PIN管移相开关组29至31、33至35的2脚接地端，提供控制电流通道。实施例电子开关组28、32均采用市售的MAX4618芯片制作，并使用两组开关并作一组以提高电流驱动能力，类似的电子开关MAX4617、MAX4619、CD4052、CD4051、MAX441、MAX444等稍加改动也可用在此处。第一至第六PIN管移相开关组29至31、33至35采用专用的开关线移相器制作。
本实用新型小步进变频器21的作用是与数字信号处理器或微处理器17配合提供信号载波频率的跟踪和信号的滤波放大，它由声表面波滤波器36、场效应管V2、V3、晶振37、数字直接频率合成芯片38构成。图4是本实用新型小步进变频器21实施例的电原理图，并且按其连接电路。声表面波滤波器36的作用是抑制混频器前的镜像频率信号；并且滤除接收频段外的杂波信号，提高信号的信噪比，场效应管V2的作用是作为混频器将信号和数字直接频率合成芯片38的输出频率进行混频和放大；场效应管V3的作用是对信号功率进行放大；晶振37的作用是为数字直接频率合成芯片38提供参考时钟；数字直接频率合成芯片38的作用是提供受控于数字信号处理器或微处理器17的微步进的频率合成器，与其它电路配合完成对信号频率的选择和跟踪。其中电阻R16、R17用作提供声表面波滤波器36所需的阻抗匹配；电容C19用作隔直流通交流；电阻R18、电容C18、C24构成低通滤波器，用作隔离电源对电路的影响；电阻R19、R20给场效应管V2的第一栅极提供合适的直流偏置；电感L9、C22、C21、C23构成调谐滤波器，滤除混频杂散，提供信号增益，可调电容C21用作调整滤波器的中心频率；电阻R29作为调谐滤波器的负载电阻，并对场效应管V3提供直流偏置；场效应管V3、电阻R30构成电压跟随器，放大信号功率，提供较低的输出电阻；电阻R28、电容C20给场效应管V2的源极提供合适的直流工作点；电感L10、电容C25、C26、C27、C28构成电源低通滤波器，用于隔离芯片38的数字电源和模拟电源；电阻R31、C29构成降压低通滤波器，用于给晶振提供合适的工作电压；电阻R32用于定义数字直接频率合成芯片38的输出电流大小；电阻R33构成数字直接频率合成芯片38的差分输出的平衡电阻；电感L11、L12、L13和电容C30、C31、C32构成三阶带通滤波器，滤除数字直接频率合成芯片38输出的杂散；电阻R34、R21为三阶带通滤波器的输入和输出电阻，同时电感L13为场效应管V2的第二栅极提供直流偏置。实施例声表面波滤波器36采用市售的通用36MHz声表面波滤波器制作。晶振27采用20MHz的标准晶振制作。数字直接频率合成芯片38采用AD9851芯片制作，也可以采用AD9350芯片等类似芯片或NCO+D/A制作。场效应管V2采用市售BF995、BF994同系列的场效应管制作。场效应管V3采用市售通用的2SK302等器件制作，也可以用三极管制作。
本实用新型模数转换器16的作用是完成模拟信号和数字信号的转换；数字信号处理器或微处理器17的作用是用于完成通过对A/D、D/A、方位、俯仰电控移相器5、6、方位、俯仰电控移相器驱动电路18、19及射频下变频器12、小步进变频器21的控制，对误差角信号和幅度信号完成解调和后续处理并输出，同时控制小步进变频器21的数字直接频率合成芯片38完成对载波的频率跟踪，通过串口与监控通信接口及把数据传送到伺服控制端口B。模数转换器16、数字信号处理器或微处理器17由数字信号处理芯片39构成，它包括模数转换A/D接口、串行通信SCI接口、脉宽调制PWM1接口、通用数据输入输出I/O接口、同步串行通信SPI接口。图5是本实用新型模数转换器16、数字信号处理器或微处理器17实施例的电原理图，并且按其连接电路。其中数字信号处理芯片39的入端24至39脚构成15个A/D通道接到集成运算放大器26的输出上完成对输入幅度信号的多点采样，其23脚构成的通道接到集成运算放大器24的输出，完成初始状态时PWM1端口输出电压的设置，同步串行通信SPI接口16至19脚作为数据输出口，串行通信SCI接口21、22脚作为与监控端口C的通信接口，通用数据输入输出I/O接口1脚至15脚分别作为方位、俯仰电控移相器驱动18、19、小步进变频器21、射频下变频器12的控制。实施例的数字信号处理芯片39用TMS320LF2406A制作，也可以用其它市售集成电路C3051F021系列芯片、TMS320LF240x芯片或DSP扩展其它芯片制作。
本实用新型电源20其作用是提供各级部件直流工作电压，实施例采用定制电源WRB1205S和KRB1203S模块制作，其输出+V1电压为+5V、输出+V2电压为+3.3伏，+V3为+12V。
电路中所用的电阻R、电容C、电感L均采用市售的通用常规元器件制作。
本实用新型简要工作原理如下天线的方位方向阵列单元1、3如图7所示，图7是本实用新型接收天线与卫星的几何关系图。在天线没有对准卫星时，设由于两个单元波程不同造成波程差d，两个天线单元间距为2a，卫星偏离天线方位轴的垂直方向的误差角为θ，卫星到两个天线单元的中心的距离为b，卫星到天线阵列单元1的距离为b1，卫星到天线阵列单元3的距离为b2，则由三角公式得到b12＝a2+b2-2ab×cos(90°+θ)＝a2b2+2×sin(θ)由于b≥a，a2+b2≈a2sin2(θ)+b2，所以b12≈(b+asinθ)2所以b1＝b+asinθb2＝a2+b2-2ab×cos(90°-θ)＝a2+b2-2ab×sin(θ)同理b2＝b-asinθ则波程差 d＝b1-b2＝2asinθ设信号波长为λ，则相位延时为 在θ≤π6]]>时，θ≈sinθ，即∝θ同理可得到φ=2aλsinβ,]]>其中β为卫星偏离天线俯仰轴的误差角，φ为俯仰轴的相位延时。
由于天线方位方向阵列单元1、3收到的信号相位不同，设信号幅度为A，则可设天线方位方向阵列单元3收到的信号为U2＝Aej(ωt)，则天线方位方向阵列单元1收到的信号为U1＝Aej(ωt+)，收到的信号相加的矢量表达如图8所示，图8是本实用新型接收幅度信号合成矢量图。
其中OA2表示矢量U2，OA1表示矢量U1，相加的合成矢量长度|U|＝2Acos。
对方位方向阵列单元1的相位加以+ψ和-ψ的交替，则+ψ相移时U+＝|2Acos(+ψ)|-ψ相移时U-＝|2Acos(-ψ)|对数检波和采样后，在数字信号处理器或微处理器17中对信号进行减法运算 级数展开上式得201gU+-201gU-＝-17.37(tgtgψ+tg3tg3ψ/3+......)≈-17.37tgtgψ≈-17.37ψ 即Δc≈-17.37ψ同理可以得出Δe≈-17.37φσ，σ为俯仰轴电子相位偏转。实施例中取ψ＝σ。
可以看出，经过对数检波后相减能够完成误差电压与来波幅度无关的目的，实现误差信号归一化，在误差角较小时输出对误差角线性。
具体实施中在误差信号提取后对误差角的符号进行正负校正以适应伺服驱动要求，对误差信号滤波以减少杂散干扰，对误差信号乘以固定值调整误差信号的斜率，对误差信号加上或减去固定值以抵消每轴的两个天线单元合成为一路时的固定相差。具体控制相移和计算实施的步骤见图6，图6是本实用新型采样控制、设置、计算、数据处理时序图。其中在图6中的t1时刻，设置方位轴移相器移相+ψ°，在延时τ时间后，对集成运算放大器26的输出进行采样，可采样一点到多点的固定点数，采样结束后的t2时刻设置方位轴移相器移相-ψ°，然后对采样数据进行滤波处理得到数据A(c+)，在t2时刻延时τ时间后，对集成运算放大器26的输出进行采样，可采样一点到多点的固定点数，采样结束后的t3时刻设置方位轴移相器移相0°、设置俯仰轴移相器移相+ψ°，然后对采样数据进行滤波处理得到数据A(c-)，然后计算A(c+)-A(c-)得到方位轴误差角Δc，然后对Δc进行低通滤波、正负符号调整、增益调节、零点调节、方位轴误差角输出等的后续处理，在t3时刻延时τ时间后，对集成运算放大器26的输出进行采样，可采样一点到多点的固定点数，采样结束后的t4时刻设置俯仰轴移相器移相-ψ°，然后对采样数据进行滤波处理得到数据A(e+)，在t4时刻延时τ时间后，对集成运算放大器26的输出进行采样，可采样一点到多点的固定点数，采样结束后的t5时刻设置俯仰轴移相器移相0°，然后对采样数据进行滤波处理得到数据A(e-)，然后计算A(e+)-A(e-)得到俯仰轴误差角Δe，然后对Δe进行低通滤波、正负符号调整、增益调节、零点调节、俯仰轴误差角输出等后续处理，在t5时刻延时τ时间后，对集成运算放大器26的输出进行采样，可采样一点到多点的固定点数，采样结束后的t6时刻设置数字直接频率合成芯片38频率为f+df，然后对采样数据进行滤波处理得到数据A(f)，在t6时刻延时τ时间后，对集成运算放大器26的输出进行采样，可采样一点到多点的固定点数，采样结束后的t7时刻设置数字直接频率合成芯片38频率为f-df，然后对采样数据进行滤波处理得到数据A(f+df)，在t7时刻延时τ时间后，对集成运算放大器26的输出进行采样，可采样一点到多点的固定点数，采样结束后的t8时刻设置方位轴移相器移相+ψ°，然后对采样数据进行滤波处理得到数据A(f-df)，然后计算max[A(f)，A(f+df)，A(f-df)]得到最大幅度和对应频率fm，之后对A(fm)进行低通滤波、场强信号的增益调节、场强信号的零点调节、场强输出等后续处理，在延时τ时间后，对集成运算放大器26的输出进行采样，可采样一点到多点的固定点数，采样结束后的t9时刻设置方位轴移相器移相-ψ°，然后对采样数据进行滤波处理得到数据A(c+)，在t9时刻延时τ时间后，对集成运算放大器26的输出进行采样，可采样一点到多点的固定点数，采样结束后的t10时刻设置方位轴移相器移相0°、设置俯仰轴移相器移相+ψ°，设置数字直接频率合成芯片38的频率为f＝fm，如此循环下去。当所有的采样固定点数一样时，得到图6。在采用本类单脉冲的电子相位扫描跟踪接收机的海事卫星应用中，循环次序可方位轴、俯仰轴、频率跟踪三种任意组合得到六种排列；系统的工作周期可在得到方位轴误差、俯仰轴误差、对应频率最大后分别或单个再加一个或多个处理时间；各轴的采样固定点数可不一样；在某些应用中可去掉频率跟踪，只剩下方位轴、俯仰轴的设置、采样、计算。
本实用新型的安装结构如下把本实用新型图1至图5中天线方位方向右阵列单元1、天线俯仰方向上阵列单元2、天线方位方向左阵列单元3、天线俯仰方向下阵列单元4、方位电控移相器5、俯仰电控移相器6、功率合成器7、功率合成器8、功率合成器9、低噪声放大器10、分路器11安装在天线上，其余所有各部件安装在一块200×140mm2的四层印制板上，中间为一层电源和一层地端，对数字和模拟电源隔离滤波，模拟地端和数字地端分开在电源处合在一起，印制板采用屏蔽盒屏蔽，既可实现电磁信号的空间隔离，又方便射频信号的就近接地端，避免了射频信号在机器内部的相互干扰；天线上部件和印制板上部件通过电缆连接，组装成本实用新型。
权利要求1.一种由天线方位方向右阵列单元(1)、天线俯仰方向上阵列单元(2)、天线方位方向左阵列单元(3)、天线俯仰方向下阵列单元(4)、功率合成器(7)、功率合成器(8)、功率合成器(9)、低噪声放大器(10)、分路器(11)、射频下变频器(12)、电源(20)组成的电子相位扫描跟踪接收机，其特征在于还有方位电控移相器(5)、俯仰电控移相器(6)、信号频谱匹配带通滤波器(13)、对数幅度检波器(14)、有源低通滤波限幅相加放大器(15)、模数转换器(16)、数字信号处理器或微处理器(17)、方位电控移相器驱动电路(18)、俯仰电控移相器驱动电路(19)、小步进变频器(21)组成，其中天线方位方向右阵列单元(1)的输出1脚与方位电控移相器(5)的入端1脚连接，天线方位方向左阵列单元(3)的输出1脚与功率合成器(7)的入端1脚连接，天线俯仰方向下阵列单元(4)的输出1脚与俯仰电控移相器(6)的入端1脚连接，天线俯仰方向上阵列单元(2)的输出1脚与功率合成器(8)的入端1脚连接，方位电控移相器(5)的出端3脚与功率合成器(7)的入端2脚连接，俯仰电控移相器(6)的出端3脚与功率合成器(8)的入端2脚连接，功率合成器(7)的出端3脚与功率合成器(9)的入端1脚连接，功率合成器(8)的出端3脚与功率合成器(9)的入端2脚连接，功率合成器(9)的出端3脚与低噪声放大器(10)的入端1脚连接，低噪声放大器(10)的出端2脚与分路器(11)的入端1脚连接，分路器(11)的出端2脚与通信端口(A)连接，分路器(11)的出端3脚与射频下变频器(12)的入端1脚连接，射频下变频器(12)的出端3脚与小步进变频器(21)的入端1脚连接，小步进变频器(21)的出端3脚与信号频谱匹配带通滤波器(13)的入端1脚连接，信号频谱匹配带通滤波器(13)的出端2脚与对数幅度检波器(14)的入端1脚连接，对数幅度检波器(14)的出端2脚与有源低通滤波限幅相加放大器(15)的入端1脚连接，有源低通滤波限幅相加放大器(15)的出端2脚与模数转换器(16)的入端1脚连接，模数转换器(16)的出端口2通过数据总线与数字信号处理器或微处理器(17)的入端端口2连接，数字信号处理器或微处理器(17)的出端8脚与有源低通滤波限幅相加放大器(15)的入端3脚连接，数字信号处理器或微处理器(17)的出端1脚与模数转换器(16)的入端3脚连接，数字信号处理器或微处理器(17)的输出数据端口6通过信号总线与伺服设备端口(B)连接，数字信号处理器或微处理器(17)的输出频率控制字端口3通过数据总线与小步进变频器(21)入端口2、射频下变频器(12)的入端口2连接，数字信号处理器或微处理器(17)的数据端口7通过监控总线与监控端口(C)连接，数字信号处理器或微处理器(17)的数据输出端口4通过数据总线与方位电控移相器驱动电路(18)的输入端口1连接，数字信号处理器或微处理器(17)的数据输出端口5通过数据总线与俯仰电控移相器驱动电路(19)的输入端口2连接，方位电控移相器驱动电路(18)的输出端口2与方位电控移相器(5)的入端2连接，俯仰电控移相器驱动电路(19)的输出端口1通过数据总线与俯仰电控移相器(6)的入端口2连接，电源(20)出端口+V1、+V2、+V3电压端与各部件相应电源端连接。
2.根据权利要求1所述的电子相位扫描跟踪接收机，其特征在于信号频谱匹配带通滤波器(13)由晶体滤波器(22)构成；对数幅度检波器(14)由检波器(23)构成；有源低通滤波限幅相加放大器(15)由集成运算放大器(24)至(27)、稳压管(V1)组成，其中小步进变频器(21)的出端3脚串接电阻R1后与晶体滤波器(22)的入端1脚连接，晶体滤波器(22)入端2脚接地端，晶体滤波器(22)的出端3脚与电阻R2的一端、电容C1一端连接，电阻R2的另一端接地端，电容C1另一端接到检波器(23)的入端8脚，检波器(23)的入端1脚串接电容C2后接地端，检波器(23)入端2脚接地端，电源(20)出端+V1电压端与电阻R3的一端连接，电阻R3的另一端接到检波器(23)的入端6脚、7脚和电容C3的一端，电容C3的另一端接地端，检波器(23)出端4脚串接电阻R4后与电容C4的一端、集成运算放大器(24)的同相端1脚连接，电容C4的另一端接地端，集成运算放大器(24)的输出端3脚与电阻R7一端、电阻R6的一端、模数转换器(16)的输入端口15脚连接，电阻R6的另一端与集成运算放大器(24)的反相端2脚、电阻R5的一端连接，电阻R5的另一端接地端，电阻R7的另一端与电容C5的一端、集成运算放大器(25)的同相端1脚连接，电容C5的另一端接地端，集成运算放大器(25)的输出端3脚与电阻R8的一端连接，电阻R8的另一端与电阻R10的一端、稳压管(V1)的负端、集成运算放大器(26)的同相端1脚连接，电阻R10的另一端与电阻R9的一端、集成运算放大器(25)的反相端2脚连接，稳压管(V1)的正端接地端，集成运算放大器(26)的反相端2脚与电阻R11的一端连接，电阻R11的另一端与集成运算放大器(26)的输出端3脚、模数转换器(16)的信号输入端口0至14脚连接，数字信号处理器或微处理器(17)出端8脚串接电阻R12后与电阻R13的一端、电容C6的一端连接，电容C6的另一端接地端，电阻R13的另一端与集成运算放大器(27)的同相端1脚、电容C7的一端连接，电容C7的另一端与集成运算放大器(27)的输出端3脚、电阻R9的另一端、电阻R15的一端连接，电阻R15的另一端与集成运算放大器(27)的反相端2脚、电阻R14的一端连接，电阻R14的另一端接地端，集成运算放大器(26)入端4脚与电源(20)出端电压+V1连接，集成运算放大器(26)入端5脚接地端。
3.根据权利要求1或2所述的电子相位扫描跟踪接收机，其特征在于方位电控移相器驱动电路(18)由电子开关组(28)构成，方位电控移相器(5)由第一至第三PIN管移相开关组(29)至(31)构成；俯仰电控移相器驱动电路(19)由电子开关组(32)构成，俯仰电控移相器(6)由第四至第六PIN管移相开关组(33)至(35)构成，其中数字信号处理器或微处理器(17)通用数据输出端口4通过两根数据线分别与电子开关组(28)的控制输入端9脚、10脚连接，电子开关组(28)的6脚、8脚接地端，电子开关组(28)入端16脚接到电源(20)的出端+V1电压端、电容C8一端、电感L1一端，电容C8的另一端接地端，电感L1的另一端与电容C9的一端、电子开关组(28)开关公共端3脚、13脚连接，电容C9另一端接地端，电子开关组(28)开关一端2脚、15脚并接后接到电容C12、电感L2的一端，电容C12另一端接地端，电感L2另一端接到第一PIN管移相开关组(29)控制输入1脚，电子开关组(28)开关一端5脚、14脚并接后接到电容C13、电感L3一端，电容C13另一端接地端，电感L3另一端接到第二PIN管移相开关组(30)控制输入1脚，电子开关组(28)开关一端1脚、12脚并接后接到电容C14、电感L4一端，电容C14另一端接地端，电感L4的另一端接到第三PIN管移相开关组(31)控制输入1脚，第一PIN管移相开关组(29)控制输入2脚接地端，第二PIN管移相开关组(30)控制输入2脚接地端，第三PIN管移相开关组(31)控制输入2脚接地端，数字信号处理器或微处理器(17)出端口5通过两根数据线分别与电子开关组(32)控制输入端9脚、10脚连接，电子开关组(32)6脚、8脚接地端，电子开关组(32)的16脚接到电源(20)的出端+V1电压端、电容C11一端、电感L5一端，电容C11另一端接地端，电感L5的另一端与电容C10一端、电子开关组(32)的开关公共端3脚、13脚连接，电容C10的另一端接地端，电子开关组(32)开关一端2脚、15脚并接后与电容C15、电感L6一端连接，电容C15另一端接地端，电感L6的另一端接到第四PIN管移相开关组(33)控制输入1脚，电子开关组(32)开关一端5脚、14脚并接后与电容C16、电感L7的一端连接，电容C16另一端接地端，电感L7的另一端接到第五PIN管移相开关组(34)控制输入1脚，电子开关组(32)开关一端1脚、12脚并接后与电容C17、电感L8一端连接，电容C17的另一端接地端，电感L8另一端接到第六PIN管移相开关组(35)控制输入1脚，第四PIN管移相开关组(33)的控制输入2脚接地端，第五PIN管移相开关组(34)的控制输入2脚接地端，第六PIN管移相开关组(35)的控制输入2脚接地端，天线方位方向右阵列单元(1)输出1脚分别与第一PIN管移相开关组(29)信号入端3脚、第二PIN管移相开关组(30)的信号入端3脚、第三PIN管移相开关组(31)的信号入端3脚连接，第一PIN管移相开关组(29)的信号出端4脚、第二PIN管移相开关组(30)的信号出端4脚、第三PIN管移相开关组(31)信号出端4脚分别与功率合成器(7)的信号入端2脚连接，天线俯仰方向下阵列单元(4)输出1脚分别与四PIN管移相开关组(33)信号入端3脚、第五PIN管移相开关组(34)的信号入端3脚、第六PIN管移相开关组(35)信号入端3脚连接，第四PIN管移相开关组(33)信号出端4脚、第五PIN管移相开关组(34)的信号出端4脚、第六PIN管移相开关组(35)信号出端4脚分别与功率合成器(8)的信号入端2脚连接。
4.根据权利要求3所述的电子相位扫描跟踪接收机，其特征在于小步进变频器(21)由声表面波滤波器(36)、场效应管(V2)、(V3)、晶振(37)、数字直接频率合成芯片(38)构成，其中射频下变频器(12)的输出3脚与声表面波滤波器(36)的输入1脚、电阻R16的一端连接，电阻R16的另一端接地端，声表面波滤波器(36)的2脚接地端，声表面波滤波器(36)的输出3脚与电阻R17的一端、电容C19的一端连接，电阻R17的另一端接地端，电容C19的另一端与场效应管(V2)的第一栅极、电阻R19、R20的一端连接，电阻R19的另一端接地端，电阻R20的另一端与电阻R18的一端、电感L9的一端、电容C23、C24的一端、场效应管(V3)的漏极连接，电容C24的另一端接地端，电阻R18的另一端与电源(20)出端+V3电压端、电容C18的一端连接，电容C18的另一端接地端，电感L9的另一端与场效应管(V2)的漏极、电容C22、C21的一端连接，电容C22的另一端与电容C21的另一端、电容C23的另一端、电阻R29的一端、场效应管(V3)的栅极连接，电阻R29的另一端接地端，场效应管(V3)的源极与电阻R30、R1的一端连接，电阻R1的另一端与信号频谱匹配带通滤波器(13)入端1脚连接，电阻R30的另一端接地端，电容C28的一端与电容C27的一端、数字直接频率合成芯片(38)的入端6脚、29脚、电感L10的一端连接，电容C27、C28的另一端接地端，电感L10的另一端与电源(20)出端+V1电压端、电容C25的一端、电容C26的一端、电阻R31的一端、数字直接频率合成芯片(38)的入端11脚、18脚并接，电容C25的另一端接地端，电容C26的另一端接地端，电阻R31的另一端与晶振(37)的入端4脚、电容C29的一端并接，电容C29的另一端接地端，晶振(37)的入端2脚接地端，晶振(37)的出端3脚与数字直接频率合成芯片(38)的入端9脚连接，数字直接频率合成芯片(38)的入端5脚、24脚接数字地端，数字直接频率合成芯片(38)的入端10脚、19脚接地端，数字直接频率合成芯片(38)的入端7脚、8脚、25脚通过三根数据线与数字信号处理器或微处理器(17)的出端口3连接，数字直接频率合成芯片(38)的入端12脚与电阻R32的一端连接，数字直接频率合成芯片(38)的入端20脚与电阻R33的一端连接，数字直接频率合成芯片(38)的入端21脚与电阻R34的一端、电感L11、L12的一端、电容C30的一端连接，电阻R32、R33、R34的另一端接地端，电感L11的另一端接地端，电容C30的另一端接地端，电感L12的另一端与电容C31的一端连接，电容C31的另一端与电容C32的一端、电感L13的一端、电阻R21的一端、场效应管(V2)的第二栅极连接，电容C32的另一端接地端，电感L13的另一端接地端，电阻R21的另一端接地端，场效应管(V2)的源极与电阻R28、电容C20的一端连接，电阻R28的另一端接地端，电容C20的另一端接地端。
5.根据权利要求4所述的电子相位扫描跟踪接收机，其特征在于模数转换器(16)、数字信号处理器或微处理器(17)由数字信号处理芯片(39)构成，它包括模数转换A/D接口、串行通信SCI接口、脉宽调制PWM1接口、通用数据输入输出I/O接口、同步串行通信SPI接口，其中数字信号处理芯片(39)的SCI接口21脚、22脚通过两根监控线与监控端口(C)连接，数字信号处理芯片(39)的入端A/D接口第24脚至第39脚并接后与有源低通滤波限幅相加放大器(15)的出端口2连接，数字信号处理芯片(39)的A/D接口输入端第23脚与有源低通滤波限幅相加放大器(15)出端口2连接，数字信号处理芯片(39)的PWM1接口出端20脚与有源低通滤波限幅相加放大器(15)的入端3脚连接，数字信号处理芯片(39)的SPI接口16至19脚通过四根信号线与伺服接口(B)连接，数字信号处理芯片(39)的I/O接口出端1脚、2脚通过两根数据线与方位电控移相器驱动电路(18)的入端口1连接，I/O接口出端3脚、4脚通过两根数据线与俯仰电控移相器驱动电路(19)的入端口2连接，I/O接口出端5脚、6脚、7脚通过三根数据线与小步进变频器(21)的入端口2连接，I/O接口出端8脚至15脚通过8根数据线与射频下变频器(12)的入端口2连接，数字信号处理芯片(39)的入端40脚接数字地端、41脚接地端、42脚、43脚分别与电源(20)出端+V1、+V2电压端连接。
专利摘要本实用新型公开了一种电子相位扫描跟踪接收机，它是涉及通信领域中的天线自跟踪接收机装置。它由移相器、下变频器、滤波器、检波器、模数转换、数字信号处理器等部分组成。它通过数字信号处理器控制移相器，再通过特定算法解出信号场强、方位误差电压、俯仰误差电压，实现天线的快速跟踪目的。该实用新型具有馈源结构简单、不需要差模网络和差模低噪、集成化程度高、不需要AGC来完成误差信号归一化、可以工作在多种输入信号的状态下、体积小、功耗低、调试简单、性能稳定可靠、成本低等的特点，特别适用于海事卫星通信移动地面站的自跟踪系统使用，也可以用在各种阵列天线与天线对准的目标有相互移动的天线自跟踪系统。
文档编号H04B1/16GK2779733SQ20052002379
公开日2006年5月10日 申请日期2005年4月8日 优先权日2005年4月8日
发明者李强, 闵洁 申请人:中国电子科技集团公司第五十四研究所