一种波导电缆混合宽带系统及配相方法与流程

本发明涉及一种波导电缆混合宽带系统及配相方法，属于空间微波遥感
技术领域：
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背景技术：
：目前未从公开文献上查阅到波导电缆混合宽带系统的配相方法，现有文献主要是纯波导多通道系统的配相方法和纯电缆系统的配相方法，例如，文献“射频无源多通道相位一致性配平方法”(张卫兵，2016年空间电子学学术年会)提出了多通道相位一致性配平方法—归一化相频特性法。这些方法由于传输介质单一，仅适用于波导等长系统或电缆等长系统，对于波导电缆混合系统尤其是波导不等长的系统不适用。如图1所示，现有的多通道相位配平方法应用前提是多通道系统的传播介质相同，因此只能应用于纯波导系统或纯电缆系统，对于多通道非等长电缆波导混合系统无法适用；其次，由于不同频率的电磁波在不同介质中相速度和群速度也不同，因此宽带信号在电缆和波导中传播特性不同，现有方法只能适用于点频信号，用现有方法应用于宽带信号相位配准时无法实现整个信号带宽内相位配准。多通道电缆波导宽带混合系统面临的问题是，电磁波在波导中传输，频率不同，即波长不同，其相速度和群速度也不同，是色散波，电磁波在电缆中传播，相速度和群速度相等，且与频率无关，是非色散波，如何实现这两种介质级联后的相位配准是问题的关键。技术实现要素：本发明解决的技术问题为：克服现有技术不足，提供一种波导电缆混合宽带系统配相方法，该方法先通过测量各通道波导的长度，通过处理得到不同通道的时延差，然后根据同轴电缆的传输特性，计算得到电缆的电气长度和机械长度，通过调整电缆的长度最终实现整个多通道系统的相位配准，解决了宽带信号在非等长电缆波导混合系统的中的配相问题。本发明解决的技术方案为：一种波导电缆混合宽带系统，包括：分路移相器(y1)、功放1(y01)～功放m(y0m)、butler矩阵(y2)；分路移相器(y1)将外部输入的宽带射频信号进行一分m分路后再进行移相后得到m路输出，分别通过m根同轴电缆w1～wm送至功放1(y01功放m(y0m)，设定分路移相器(y1)的输入为x5g，分路移相器(y1)的输出分别为x1g、…、xmg，分路移相器(y1)的输出均为同轴sma输出；m大于1，且m为正整数；功放1(y01)～功放m(y0m)为行波管放大器，实现对输入其自身的宽带射频信号的功率放大后通过m个波导b1～bm分别送至butler矩阵(y2)的m个输入x1g～xmg，每个功放输入设定为x1g，每个功放输出设定为x2g；波导b1～bm不等长；butler矩阵(y2)包括m个输入和m个输出，输入为x1g～xmg，，butler矩阵(y2)的输入、输出均为波导接口，当butler矩阵的m路输入信号满足设定的相位关系时，butler矩阵会把输入的m路信号功率合成为一路，从而实现功率合成。同轴电缆w1与波导b1的电气长度的和、…、同轴电缆wm与波导bm电气长度的和，均等长同相；外部输入的宽带射频信号的中心频率为9.6ghz,带宽为800mhz，移相范围为0°～360°。每个功放输入设定为x1g，为同轴接口，类型为sma，每个功放输出设定为x2g，为波导接口，类型为bj100。butler矩阵(y2)的输入、输出均为波导接口，类型为bj100。如图3所示，本发明的一种波导电缆混合宽带系统配相方法，包括步骤如下：(1)根据波导群时延的定义和波导中电磁波的传播理论，对于长度为l的波导，则不同频率的波导时延τbd，公式如下：式中：τbd表示波导时延，单位秒，s；l表示波导长度，单位米，m；c自由空间的光速，单位米/秒，m/s，定义值299792458m/s；λ波导工作波长，即波导电缆混合宽带系统的波长，单位米，m；λc波导截止波长，单位米，m；(2)由于矩形波导常工作于主模，即te10模，te10模的波导截止波长为λc＝2a(2)式中，a为波导的宽边长度；(3)，将步骤(2)的公式代入步骤(1)公式中，式(1)表示为(4)计算波导长度l，即当波导为直波导时，波导长度l为波导的机械长度，当波导为弯波导时，按照中心线的几何长度计算，长度l计算公式为：式中，弯波导包括三部分，分别为第一直线段、弯段、第二直线段，第一直线段和弯段的一端连接，弯段的另一端连接第二直线段；l1表示第一直线段的长度，l2表示第二直线段的长度，r为弯段中心轴线的转弯半径；(5)将步骤(4)求得到的波导长度l代入步骤(3)的公式中，得到不同频率的波导时延τbd；(6)设波导电缆混合宽带系统的工作中心频率为f0(hz),带宽为b(hz)，f0＝c/λ，则最低工作频率fl和最高工作频率fr分别表示为fl＝f0-b/2(5)fr＝f0+b/2(6)将工作频带的带宽b等间隔的分为n段，则工作频带内的平均时延表示为：(7)m个波导b1～bm长度分别为l1、…、lm，对应的波导平均时延分别为…、假设第n路时延最大，第n路的时延为τmax,n大于等于1且小于等于m且n为整数,即则第1路～第m路波导的时延相对于第n路对应的最大时延的差值，即平均时延归一化的值如下：δt1＝τ1-τmax(9)……(10)δtn＝τn-τmax＝0(11)δtm＝τm-τmax(12)(8)根据步骤(7)的得到的平均时延归一化的值，计算第1路～第m路波导对应的配相电缆长度差，公式如下：……(14)εeff1～εeffm分别是m根同轴电缆w1～wm的有效介电常数；εeffn表示第n根电缆wn的有效介电常数；(9)以波导时延最大一路对应的电缆wn长度为基准，设该路长度为ln则其他m-1路电缆长度分别为l1＝ln+δl1(17)ln＝ln+δln(18)lm＝ln+δlm(19)(10)根据步骤(9)得到的电缆长度和波导长度，使同轴电缆w1与波导b1的电气长度的和、…、同轴电缆wm与波导bm电气长度的和，均等长同相，实现配相。根据实际配相要求，针对800mhz带宽，n选取的值为n>300。本发明与现有技术相比的优点在于：(1)本发明通过计算多个通道的波导、电缆的时延差，然后通过调整电缆长度实现多通道相位一致性配准，解决了现有相位配准技术无法应用于电缆波导混合系统的问题；(2)本发明通过计算波导电缆的平均时延进行相位配准，解决了现有技术无法应用于宽带信号系统的问题；(3)本发明解决了波导电缆混合宽带系统的跨周期配相问题，适用于多通道波导电缆非分别等长混合系统；(4)提出了计算平均时延的处理方法，避免了直接测量波导系统时延测量误差大，受噪声影响大问题，提高了配相精度；(5)提出了基于平均时延差计算电缆电气长度和物理长度的配相方法，准确度高，提高了率配相效率，避免了电缆制作返工，节约了成本。(6)本发明提出的波导电缆混合系统配相方法，通过测量多通道波导系统的相位，通过处理和计算，得到波导系统的平均时延，进而计算出对应电缆的电气长度和机械长度，通过加工和微调电缆长度从而实现多通道波导电缆混合宽带系统的相位配准，该方法经工程实践检验，方法正确有效，实现简单。附图说明图1传统的射频通道相位一致性配平方法流程图；图2本发明基本构成方框图；图3本发明的波导电缆混合宽带系统配相方法示意图原理图；图4本发明的波导长度计算示意图；图5本发明配准后的多通道时延图6本发明配准后的多通道归一化相位。具体实施方式本发明一种易于实现的相位配准方法，针对多通道波导电缆宽带混合系统，该方法先通过计算波导中心线长度得到各通道波导的长度，通过计算不同频率信号在各个通道波导中的平均时延差得到需要配准的电缆对应的时延差，然后根据同轴电缆的传输特性，计算得到电缆的电气长度和机械长度，通过调整电缆的长度最终实现整个多通道系统的相位配准，该方法解决了现有配相技术无法适用于宽带信号系统和非等长波导电缆混合系统的问题，该方法不仅适用于波导电缆混合点频系统，也适用于波导电缆混合宽带系统；该方法不仅适用于多通道波导电缆混合的功率合成网络，也适用于多极化、全极化等多通道雷达系统。下面结合附图和具体实施例对本发明做进一步详细描述，如图2所示，为本发明的波导电缆混合宽带系统基本构成图，其特征在于包括：分路移相器(y1)、功放1(y01)、功放2(y02)、功放3(y03)、功放4(y04)、butler矩阵(y2)；分路移相器(y1)将外部输入中心频率为9.6ghz,带宽为800mhz的宽带射频信号进行一分4路后再进行移相后得到4路输出，分别通过4根同轴电缆w1～w4送至功放1(y01)～功放4(y04)，设定分路移相器(y1)的输入为x5g，分路移相器(y1)的输出分别为x1g、…、x4g，分路移相器(y1)的输出均为同轴sma输出，分路移相器移相范围为0°～360°；功放1(y01)～功放m(y04)为行波管放大器，实现对输入其自身的宽带射频信号的功率放大后通过4个波导b1～b4分别送至butler矩阵(y2)的4个输入x1g～x4g，每个功放输入设定为x1g，为同轴接口，类型为sma，每个功放输出设定为x2g，为波导接口，类型为bj100；波导b1～b4不等长；butler矩阵(y2)包括4个输入和4个输出，输入为x1g～x4g，，butler矩阵(y2)的输入、输出均为波导接口，类型为bj100，当butler矩阵的4路输入信号满足设定的相位关系时，butler矩阵会把输入的4路信号功率合成为一路，从而实现功率合成。因此为了保证butler矩阵的4路输入信号满足设定的相位关系，需要将4个通道进行相位配准，即同轴电缆w1与波导b1的电气长度的和、…、同轴电缆w4与波导b4电气长度的和，均等长同相，具体实施步骤如下：步骤1：计算波导b1-b4的截止波长，矩形波导常工作于主模，即te10模，te10模的波导截止波长为λc＝2a(2)式中，a为波导b1-b4的宽边长度；步骤2：计算b1-b4波导长度l1-l4，即当波导为直波导时，波导长度l为波导的机械长度，当波导为弯波导时，如图4所示，按照中心线的几何长度计算，长度l计算公式为：式中，弯波导包括三部分，分别为第一直线段、弯段、第二直线段，第一直线段和弯段的一端连接，弯段的另一端连接第二直线段；l1表示第一直线段的长度，l2表示第二直线段的长度，r为弯段中心轴线的转弯半径；步骤3：计算波导b1-b4的平均时延，波导电缆混合宽带系统的工作中心频率f0为9.6(ghz),带宽b为800(mhz)，f0＝c/λ，则最低工作频率fl和最高工作频率fr分别表示为将工作频带[fl:fr]等间隔的分为n段，则工作频带内的平均时延表示为：表示波导平均时延，单位秒，s；l表示波导长度，单位米，m；c自由空间的光速，单位米/秒，m/s，定义值299792458m/s；f表示波导工作频率，单位hz；λc波导截止波长，单位米，m；n满足n>300，这里取n＝1600；步骤4：计算波导b1～b4平均时延归一化的值，波导b1～b4平均时延分别为…、假设第n路时延最大，第n路的时延为τmax,n大于等于1且小于等于m且n为整数,即则第1路～第4路波导的时延相对于第n路对应的最大时延的差值，即平均时延归一化的值如下：δt1＝τ1-τmax(9)……(10)δtn＝τn-τmax＝0(11)δt4＝τ4-τmax(12)步骤5：根据步骤(4)得到的平均时延归一化的值，计算第1路～第4路波导对应的配相电缆长度差，公式如下：……(14)εeff1～εeff4分别是4根同轴电缆w1～w4的有效介电常数；εeffn表示第n根电缆wn的有效介电常数；步骤6：根据步骤(5)得到的配相电缆长度差得到配相电缆的长度，电缆以波导时延最大一路对应的电缆wn长度为基准，设该路长度为ln则其他3路电缆长度分别为l1＝ln+δl1(17)ln＝ln+δln(18)l4＝ln+δl4(19)步骤7:复测各个通道的归一化相位，根据步骤(6)得到的电缆长度和波导长度，使用矢量网络分析仪测量通道1的相位、通道2相位、…、通道4的相位，矢量网络分析仪优选设置如下：频率范围：9.2～10ghz；点数：1600；中频带宽：700khz；孔径：10％；对各个通道测量的相位求均值后的得到通道1的相位均值p1,通道2相位均值p2、…、通道4的相位均值p4。步骤8:根据步骤(7)复测的结果，以四路通道相位均值最小的为基准对其他三路配相电缆进行微调整，假设第n路相位最小，则归一化相位均值误差为：δp1＝p1-pn(20)δpn＝0(21)δp4＝p4-pn(22)则配相电缆的长度修改为：ln＝ln(21)步骤9按照步骤(7)的方法复测各个通道的归一化相位，如果δpn>5°，则重复步骤(7)～步骤(8)，如果δpn<5°，则得到的电缆长度和波导长度，使同轴电缆w1与波导b1的电气长度的和、…、同轴电缆wm与波导bm电气长度的和，均等长同相，实现配相。该方法已经经过试验验证，试验数据及结果如表1和图5、图6所示：通道号电缆电气长度/m波导电气长度/m通道时延/ns归一化相位均值误差12.71541.567815.4460°22.68431.598915.4551.2172°32.77731.505915.434-1.2807°41.29352.989815.4554.1757°图5中的四条曲线分别代表了通过本发明配相后四条通路的时延，图6中的四条曲线分别代表了通过本发明配相后四条通路的归一化相位，表1中为四条通路配相后电缆的电气长度、波导电气长度已经通道延时均值和归一化相位均值误差，通过本发明配相后各个通路的时延差最大为0.02ns，归一化相位均值误差最大为4.18°，提高了波导电缆混合宽带系统的配相精度。当前第1页12