相控阵校正系统和方法与流程

本发明涉及无线通信及雷达领域，特别是涉及一种相控阵校正系统。本发明还涉及一种相控阵校正方法。

背景技术：

相控阵天线技术是在无线通信及雷达领域中广泛使用的技术，通过对发送和接收装置应用相控阵天线技术，可进行发射的波束指向性的形成和波束的电子扫描，还可以进行接收的定位。例如，可在无线通信领域中，形成波束而使天线增益提高来扩展通信区域的范围，或者在电子不停车收费系统(ETC)中控制覆盖区域而避免前后误操作，或者根据基站中容纳用户数来动态地控制覆盖区域。此外，相控阵天线能提高主波束的增益并抑制副瓣，可以抑制干扰(杂乱回波)，有提高检测精度的效果。

ETC系统中，使用相控阵技术，可以对发射覆盖区域进行控制同时对车载单元(OBU)进行来车定位。相控阵技术能有效的提高收费识别率，防止邻车道干扰及前后车跟车误检测，正逐渐成为ETC路测单元(RSU)的发展趋势。

相控阵各分支的相位和增益上存在误差，会大大降低相控阵技术的区域覆盖和定位精度，因而精确的校正系统是必要的。传统的相位误差及振幅误差的校正技术设有用于检测各发送分支的振幅相位误差的校正用射频接收单元、快速傅立叶变换单元、校正值测定单元。为了实现误差校正， 通过依次接收处理由切换开关抽取的各发送分支的发送信号，计算用于误差检测和校正的校正值。然后通过基于算出的校正值，反馈到各发送分支来校正相位误差及振幅误差。

传统的使用相控阵技术的校正方法中，电路结构比较复杂，实现的成本和技术难度比较大。

技术实现要素：

本发明要解决的技术问题是提供一种相控阵校正系统，能够简单有效的实现多分支的发射和接收通道的幅度和相位校正，提高系统定位精度；为此，本发明还要提供一种相控阵校正方法。

为解决上述技术问题，本发明的相控阵校正系统，包括：

多个并行的收发分支单元，用于接收信号和发射信号，并对接收信号和发射信号进行幅度调整和相位调整；

一功分合路器，与所述收发分支单元相连接，为功分器与合路器的合一单元，在发射校正时用作校正信号功率同相合路器，对提取出的各收发分支单元的发射信号进行合路；在接收校正时用作校正信号的功率等分器，将校正信号加载到各收发分支单元进行解调；

一校正选择开关，与所述功分合路器相连接，用于选择接收校正模式和发射校正模式；

一校准源，与所述校正选择开关相连接，在接收校正模式，用于提供接收校正信号；

一检波器，与所述校正选择开关相连接，在发射校正模式，用于检测 各收发分支单元的发射信号的合路信号(功率检波)，输出直流电平(发射信号幅度电平)；

一模数转换器，与所述检波器相连接，对所述直流电平进行采样并转换为可处理的数字信号；

一幅度相位控制电路，与所述各收发分支单元及模数转换器相连接，用于调节各收发分支单元的幅度和相位，完成校正。

所述收发分支单元，包括：

一天线，用于辐射和接收无线信号；

一模式选择开关，是一个二选一的单刀双掷开关，分别与所述天线和功分合路器相连接，用于收发模式(正常工作模式)和校正模式的切换；

一收发切换开关，是一个二选一的单刀双掷开关，与所述模式选择开关相连接，用于选择接收工作状态或发射工作状态；

一接收电路，与所述收发切换开关相连接，是一个组合电路，通常由上变频器、放大器和滤波器组成，与所述收发切换开关相连接，用于将高频(或射频)无线信号放大、滤波并下变频到中频或者基带信号；

一接收幅度调整电路，与所述接收电路和幅度相位控制电路相连接，用于调整接收信号的增益(幅度)；

一接收相位调整电路，与所述的接收幅度调整电路和幅度相位控制电路相连接，用于调整接收信号的相位；

一模数转换电路，与所述接收相位调整电路和幅度相位控制电路相连接，对接收信号采样，并转换为可处理的数字信号；

一发射电路，与所述收发切换开关相连接，是一个组合电路，通常由下变频器、放大器和滤波器组成，用于将无线信号(中频或者基带信号)放大、滤波并上变频到高频或射频；

一发射相位调整电路，与所述发射电路和幅度相位控制电路相连接，用于调整发射信号的相位(即调节发射信号的相位延时)；

一发射幅度调整电路，与所述发射相位调整电路和幅度相位控制电路相连接，用于调整发射通道的增益(即调节发射信号的功率范围)；

一数模转换电路，与所述发射幅度调整电路和幅度相位控制电路相连接，用于将调制的数字信号转变成模拟信号。

所述收发分支单元，包括：

一天线，用于辐射和接收无线信号；

一模式选择开关，分别与所述天线和功分合路器相连接，用于收发模式和校正模式的切换；

一收发切换开关，与所述模式选择开关相连接，用于选择接收工作状态或发射工作状态；

一接收电路，与所述收发切换开关相连接，用于将高频或射频无线信号放大、滤波并下变频到中频或者基带信号；

一接收幅度调整电路，与所述接收电路和幅度相位控制电路相连接，用于调整接收信号的增益；

一模数转换电路，与所述接收幅度调整电路和幅度相位控制电路相连接，对接收信号采样，并转换为可处理的数字信号；

一发射电路，与所述收发切换开关相连接，用于将无线信号放大、滤波并上变频到高频或射频；

一发射幅度调整电路，与所述发射电路和幅度相位控制电路相连接，用于调整发射通道的增益；

一数模转换电路，与所述发射幅度调整电路和幅度相位控制电路相连接，用于将调制的数字信号转变为模拟信号。

一种相控阵校正系统，其特征在于，包括：

多个并行的发射分支单元，用于发射信号，并对发射信号进行幅度调整和相位调整；

一合路器，与所述发射分支单元相连接，在发射校正时，对提取出的各发射分支单元的发射信号进行合路；

一检波器，与所述合路器相连接，在发射校正模式，用于检测各发射分支单元的发射信号的合路信号，输出直流电平；

一模数转换器，与所述检波器相连接，对所述直流电平进行采样并转换为可处理的数字信号；

一幅度相位控制电路，与所述各发射分支单元及模数转换器相连接，用于调节各发射分支单元的幅度和相位，完成校正。

所述发射分支单元，包括：

一天线，用于辐射和接收无线信号；

一耦合器，分别与所述天线和合路器相连接，用于实时随时校正；

一发射电路，与所述耦合器相连接，用于将无线信号放大、滤波并上 变频到高频或射频；

一发射相位调整电路，与所述发射电路和幅度相位控制电路相连接，用于调整发射信号的相位；

一发射幅度调整电路，与所述发射相位调整电路和幅度相位控制电路相连接，用于调整发射通道的增益；

一数模转换电路，与所述发射幅度调整电路和幅度相位控制电路相连接，用于将调制的数字信号转变为模拟信号。

一种相控阵校正系统，包括：

多个并行的接收分支单元，用于接收信号，并对接收信号进行幅度调整和相位调整；

一功分器，与所述接收分支单元相连接，在接收校正时，将校正信号加载到各接收分支单元进行解调；

一校准源，与所述功分器相连接，在接收校正模式，用于提供接收校正信号；

一幅度相位控制电路，与所述各接收分支单元相连接，用于调节各接收分支单元的幅度和相位，完成校正。

所述接收分支单元，包括：

一天线，用于辐射和接收无线信号；

一耦合器，分别与所述天线和功分器相连接，用于实时随时校正；

一接收电路，与所述耦合器相连接，用于将高频或射频无线信号放大、滤波并下变频到中频或者基带信号；

一接收幅度调整电路，与所述接收电路和幅度相位控制电路相连接，用于调整接收信号的增益；

一接收相位调整电路，与所述接收幅度调整电路和幅度相位控制电路相连接，用于调整接收信号的相位；

一模数转换电路，与所述接收相位调整电路和幅度相位控制电路相连接，对接收信号采样，并转换为可处理的数字信号。

所述相控阵校正方法，包括发射电路校正和接收电路校正，其中发射电路校正包括以下步骤：

第1步、切换为发射校正模式，发射幅度调整和相位调整置初始值；

第2步、调整第二收发分支单元的发射功率至最小或者关闭第二收发分支单元的发射信号，检测第一收发分支单元的发射信号功率P1；

第3步、调整第一收发分支单元的发射功率至最小或者关闭第一收发分支单元的发射信号，调整第二收发分支单元的发射幅度调整电路使发射信号功率等于P1；

第4步、恢复第一收发分支单元的发射功率至P1，检测此时两个收发分支单元合路后的功率P2；

第5步、如果P2＝2*P1则发射校正成功，如果P2<2*P1，则调整第二收发分支单元的相位，直至P2＝2*P1；其中：P1和P2均为大于0的正整数，单位为毫瓦(mW)；“*”表示乘号。

接收电路的校正包括以下步骤：

第一步、切换为接收校正模式，接收幅度调整和相位调整置初始值；

第二步、校正源发射校正信号，等分后进入各个接收通道，并进行中频(或者基带)信号采样；

第三步、计算第一收发分支单元和第二收发分支单元的接收信号强度R1和R2，调整第二收发分支单元的接收幅度调整电路，使得R2＝R1；

第四步、计算第一收发分支单元和第二收发分支单元的相位T1和T2，调整第二收发分支单元的接收相位调整电路，使得T1＝T2；其中：R2、R1均为大于0的正整数，单位为毫瓦(mW)；T1、T2为-180～+180之间的整数，单位为度。

本发明采用简单的结构和方法，可以校正发送分支间的发送信号的相位误差及振幅误差，并且可以校正接收分支间的接收信号的相位差及增益差。

本发明能够简单有效的实现发射和接收通道的幅度相位校正，提高系统定位精度。

本发明可以用于一般用途的相控阵系统。

附图说明

下面结合附图与具体实施方式对本发明作进一步详细的说明：

图1是相控阵校正系统实施例一的结构方框图；

图2是相控阵校正系统相位校正原理示意图；

图3是相控阵校正系统实施例二的结构方框图；

图4是相控阵校正系统实施例三的结构方框图；

图5是收发分离的相控阵校正系统实施例的结构方框图。

具体实施方式

相控阵系统中各分支的相位和幅度被高精度地控制，发射时相位和幅度用于精确的波束赋形，接收时又关系到来波的精确定位。因此需要在相控阵上寻求校正误差的技术。

实际应用中产生误差的原因很多，例如各分支电路的性能的不均、集成电路上的工艺的差异、使用环境(如温度)造成的变化、各分支中使用的电源的性能(如电压)的不均等各种各样的因素。

传统的发射幅度相位校正方法，是在天线馈入口使用耦合的方式，耦合出校正信号支路，再分别检测各分支的相位误差及振幅误差，通常都附加了发送信号环回下变频处理的结构，以及通过进行FFT(快速傅立叶变换)运算来检测相位误差的接收系统的结构。因此电路量及消耗功率都将大大的增加。

而接收幅度相位校正方法，也是采用一个校正源等分后接入各个接收分支，利用FFT运算分别检测各自的延时并进行补偿，同样电路量及及消耗功率增大。

下面结合附图和具体实施例对本发明的技术方案进一步详细阐述。

实施例1

如图1所示，在本实施例中，作为多个并联分支系统，表示具有两个收发分支单元的结构。在具有三个以上收发分支单元的结构中也可适用，区别仅仅在于使用1-N的等功分合路器。

所述相控阵校正系统包括如下的硬件模块：

收发分支单元、功分合路器、校正选择开关1、校准源、检波器、检波采样单元(模数转换器)以及控制单元(幅度相位控制电路)。

收发分支单元完成接收和发射电路的基本功能外，还具有幅度和相位调整功能。

功分合路器是一个功分器和合路器合一单元，各个收发分支单元完全相等对称结构，发射校正时作为合路器，信号由各收发分支单元流向合路器；接收校正时作为功分器，信号由功分器流向各个收发分支单元。本实施例中功分合路单元的分配合成通道数为2，实际应用时根据收发分支的数目可以增加。

校正选择开关1，是一个单刀双掷二选一开关，完成接收校正模式和发射校正模式的选择，接收校正模式时联通校准源与功分器；发射校正模式时联通检波器与合路器。

校准源，是指提供接收校正信号的电路，通常由锁相环完成，在收发切换的系统中，接收校正信号也可以由发射电路中的锁相环提供。

检波器与校正选择开关1相连接，在发射校正模式时，用于检测合成的发射信号幅度电平。检波器可以通过如二极管或场效应管的平方检波器这类简单的电路来实现。还可以根据需要通过将放大器和检波器组合来提高检波性能。

检波采样单元与检波器相连接，用于检波输出电平的采样，输出数字信号，实际是一个模数转换电路，可以根据需要增加输入的滤波放大等接口电路，以提高模数转换电路的性能降低干扰。

控制单元，发射校正时，根据检波采样单元提供的采样信号计算功率值，调节发射通道中的幅度和相位，完成校正；接收校正时根据接收电路提供的采样信号，计算并调节接收通道中的幅度和相位，完成校正。

所述收发分支单元是结构相同的多个分支并行结构，每个收发分支单元又包含一天线、一模式选择开关2、一收发切换切换开关3、一接收电路、一接收幅度调整电路、一接收相位调整电路、一接收采样单元(模数转换电路)、一发射电路、一发射相位调整电路、一发射幅度调整电路和一数模转换电路。

所述天线，用于辐射和接收无线信号；

所述模式选择开关2，是一个二选一的单刀双掷开关，分别与所述天线和功分合路器相连接，用于收发模式(正常工作模式)和校正模式的切换；收发模式时连通收发分支单元和天线，校正模式时连通收发分支电路和功分合路器。

所述收发切换开关3，是一个二选一的单刀双掷开关，根据收发时序的要求，进行接收和发射功能的选择切换。接收时连接接收电路与模式选择开关(此处的接收包含正常接收模式和接收校正模式)；发射时连接发射电路(此处的发射包含正常发射模式和发射校正模式)。

所述接收电路，是一个组合电路，通常由上变频器、放大器和滤波器组成，具有将高频(或射频)无线信号放大、滤波并下变频到中频或者基带信号的功能。

所述接收幅度调整电路，具有调整接收信号的幅度(增益)功能，可 以由可变增益放大器、可变衰减器这类的电路来实现。相控阵系统中，对接收幅度的调整，可以有效的提高系统的接收动态范围，提高接收的性能，方便对接收的信号进行加权处理。

所述接收相位调整电路，具有调整接收信号相位的功能。一般由可调延时器、数控移相器这类电路来实现。相控阵校正系统中，各个分支之间的相位变换组合，可以形成对源信号的扫描，定位来波的方位。

接收采样单元对接收中频信号采样，输出数字信号进行信号处理，实际是一个模数转换电路，可以根据需要增加输入的滤波放大等接口电路，以提高模数转换电路的性能降低干扰。接收采样单元与所述控制单元相连接。

所述发射电路电路，是一个组合电路，通常由下变频器、放大器和滤波器组成，具有将中频或者基带信号放大、滤波并上变频到高频(或射频)信号的功能。

所述发射相位调整电路，与接收相位调整电路类似，可以调节发射信号的相位延时，用于对发射天线进行波束赋形，完成发射信号的空间扫描。

所述发射幅度调整电路，与接收幅度调整电路类似，可以调节发射信号的功率范围(即调整发射通道的增益)，以及配合进行发射天线的波束赋形。

一数模转换电路，与所述发射幅度调整电路和幅度相位控制电路相连接，用于将调制的数字信号转变成模拟信号。

下面说明本实施方式中各收发分支单元间的发射校正，相位误差及振 幅误差的误差校正的过程。

第1步，控制单元控制系统切换到发射校正模式，信号按照发射电路、收发切换开关、模式选择开关、功分合路器、校正选择开关和检波器行进。

第2步，控制单元关闭第二收发分支单元的发射信号，调整第一收发分支单元的幅度调整电路使发射的电平至预设值P_T0。控制单元关闭第一收发分支单元的发射信号，调整第二收发分支单元的幅度调整电路使发射的电平至预设值P_T0。此时已经完成两个分支间的振幅误差校正。

第3步，在调整两个分支发射信号相同的前提下，控制单元同时打开第一收发分支单元和第二收发分支单元的发射信号，此时两路发射信号合路后的电平为P_T1。

以其中一路信号为固定基准状态，对另外一路的相位进行调整，使得P1值最大，此时两路信号的相位相同。实际上此时P_T1＝2*P_T0–P_IL，其中P_IL为合路器损耗。两个分支间的相位延时调整差即为两路分支间的相位差。

以其中一路信号为固定基准状态，对另外一路的相位进行微调，使得P1值最小，此时两路信号的相位相差180°。两个分支间的相位延时调整差即为两路分支间的相位差+180°。

第4步，将校准的幅度调整及相位结果写入系统存储器。

此外，还可以根据系统精度需要，还可以调整两个分支间的相位差为+90°或-90°，其合成后的目标功率可以进行计算P_T2＝√2*(P_T0-P_IL)。

其他所需的相位差值可以根据已知的值进行插值取得，如果是采用数控的移相器，也可以根据移相器本身的调整步进值计算取得所需相位差。

下面说明本实施方式中各接收分支间的接收校正，相位误差及振幅误差的误差校正的过程。

第一步，控制单元控制系统切换到接收校正模式，信号按照校准源、校正选择开关、功分合路器、模式选择开关单元、收发切换开关和接收电路行进。

第二步，控制单元对各接收分支采样信号进行功率计算，可调整各分支中的幅度调整电路，使得第一收发分支电路和第二收发分支电路的接收信号电平相等。此时已经完成两个分支间的振幅误差校正。调整是为了使接收机获得最佳的解调信号噪声比，调整幅度过程中，要注意进入采样单元的中频信号的幅度不要超过模数转换芯片的最高量程，通常是不大于2V_p-p。

第三步，在调整两个分支的接收电平相等的前提下，对两路信号进行相加并计算合成的电平值P_R0。

以其中一路信号为固定基准状态，调整另外一个收发分支单元的相位，使得P_R0的值最大，此时两路信号的相位相同。

以其中一路信号为固定基准状态，调整另外一个收发分支单元的相位，使得P_R0的值最小，此时两路信号的相位相差180°。两个分支间的相位延时调整差即为两路分支间的相位差+180°。

第四步，将校准的幅度调整及相位结果写入系统存储器。

图2是相位校正的原理示意图，其中，

A表示幅度归一化的正弦波Sin(wt)；

B表示2个基准的正弦波叠加Sin(wt)*2；

C表示2个累计偏离5°的正弦波叠加Sin(wt)+Sin(wt+5)；

D表示C-B的结果。

D表示的曲线中，最大的绝对幅度值为0.088，按照12位ADC，5度相位误差的分辨数值为180，完全可以在ADC中采样后分辨出来。

实施例2

本发明中所述的发射相位调整电路不限于具体电路的形式，也可以是数字信号处理的方式实现，如图3所示。在进入数模转换电路以前完成相位调整，经数模转换，各个收发分支单元之间可以随意产生相位不同的发射信号；

同理接收相位调整电路也不限于具体的电路形式，也可以是数字信号处理的方式实现，在模数转换电路之后，对每个收发分支单元加相应的延时，可以实现随意调整各个收发分支单元之间的接收信号相位。

实施例3

本实施例是在实施例1的基础上，以4个收发分支单元为例，描述大于2个收发分支单元的情况。如图4所示，其中，收发分支包括：一收发切换切换开关、一接收电路、一接收幅度调整电路、一接收相位调整电路、一接收采样单元、一发射电路、一发射相位调整电路、一发射幅度调整电路和一数模转换电路。

与实施例1不同的是功分合路器为4路等功分/合路器，可以由3个2比一的魏金森功分合路器或者1个4比1的魏金森功分合路器实现，设计 时需要保证各收发分支单元从模式选择开关到功分合路器的距离相等。

校正过程中，仅是校正的步骤要有所增加。

多收发分支单元发射幅度校正时，每一个收发分支单元单独幅度校正时，需要关闭其他收发分支单元的发射信号。相位校正时，以某一个收发分支单元为基准，用实施例1中的方法两个分支的合成进行校正，逐步完成各个收发分支单元的相位校正。

多分支接收幅度校正的方法与实施例1相同，相位校正时，以某一个收发分支单元为基准，用实施例1中的方法两个收发分支单元的合成进行校正，逐步完成各个收发分支单元的相位校正。

采用本发明所使用的结构和方法，发射校正时不需要额外的下变频解调结构，仅利用功率合成检测来同时达到幅度和相位校正目的，对于多分支结构，只是增加合路器的路数，而没有其他增加，可以节省电路空间。接收校正时，不需要对每个支路进行FFT计算，仅需要进行数字域的简单电平比较相加，节省了计算资源，简单易行。在收发分离的系统中，功分器和合路器可以复用。

本发明所用的系统和方法，同样适用于收发分离的结构，例如对发射校正系统，仅需要在实施例中去掉相应的收发切换部分单元和接收部分系统，同时校正开关可以换成耦合器，能达到实时随时校正的目的。如图5所示。同理可以适用于接收部分的校正系统。

本发明所述的系统和方法，尤其适用于较小功率的系统或者芯片，成本低控制简单。

以上所述，仅为本发明的较佳实施例而已，并非用于限定本发明的保护范围，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。