基于AD8302的甚高頻天線陣電纜相位差檢測

樂林株+汪敏+董亮

摘 要： 根據(jù)甚高頻天線陣相位測量原理，提出一種利用相位檢測芯片AD8302將接收機至傳輸饋線的兩兩陣元的定標信源信號的相位差轉(zhuǎn)化為對應(yīng)的直流電壓，再用12 b 量化精度單通道A/D采樣，最后做誤差分析及修正達到修正相位誤差的方法。通過驗證在低頻（2 MHz等）、高頻（300 MHz等）等測量條件下，系統(tǒng)給出的電纜相位誤差的精度，如在300 MHz信號輸入下，電纜之間距離誤差達到了cm精度，可以廣泛用于相關(guān)天線陣誤差修正及電纜誤差測量中。

關(guān)鍵詞： VHF； 射電天文； 相位差檢測； 電纜； AD8302

中圖分類號： TN820.1+5?34 文獻標識碼： A 文章編號： 1004?373X（2017）09?0104?04

Abstract： According to the phase measuring principle of the very high frequency （VHF） antenna array， a method of using the phase detection chip AD8302 to convert the phase difference of the scaling source signal of the two array elements from receiver to transmission feeder line into the corresponding direct voltage. The single channel A/D sampling was realized with 12 bit quantization accuracy. The error is analyzed and corrected to realize the phase error correction method. The accuracy of the cable phase error given by the system was verified in the measuring conditions of low frequency （2 MHz） and high frequency （300 MHz）. The error accuracy of the distance among cables can reach cm level when the input signal is 300 MHz. The system can be widely used for related antenna array error correction and cable error measurement.

Keywords： VHF； radio astronomy； phase difference detection； cable； AD8302

0 引 言

VHF（Very High Frequency，甚高頻）射電天線陣具有天線體積大、分布面積廣的特點，其頻率范圍為30～300 MHz，從各天線單元接收信號經(jīng)過放大，數(shù)控移相加權(quán)形成綜合方向圖，最后由長電纜將多路信號傳到固定點匯合并進行數(shù)字量化，不同的加權(quán)函數(shù)，使天線陣能對應(yīng)不同的天區(qū)進行觀測[1]。甚高頻天線陣的原理決定了整個過程中相位誤差對天線陣方向圖及天區(qū)射電源追蹤的重大影響，其中相位差主要由移相器和長電纜引起，傳統(tǒng)對于電纜相位差的測量方法主要通過測量當前的溫度、濕度等信息，經(jīng)過對電纜材料不同溫度、濕度下的變化經(jīng)驗值來修正，但這種方法不僅復(fù)雜而且很難克服其余電子元件造成的誤差，同時還引入了經(jīng)驗誤差。

本項研究旨在采用STM32與AD8302一起設(shè)計電纜相位差測量系統(tǒng)，在甚高頻天線陣中數(shù)據(jù)接收前端對電纜進行相位誤差測量，從而達到對該相位誤差進行修正的目的。該系統(tǒng)非常適用于射電天文甚高頻天線陣的數(shù)字信號處理方法技術(shù)領(lǐng)域。

1 甚高頻天線陣

從射電天文觀測角度出發(fā)，甚高頻天線陣靈敏度要達到百毫央（mJy）量級，圖像空間分辨率應(yīng)達到亞角秒（arcsec）量級。射電陣列的靈敏度取決于陣列的總接收面積和陣列的幾何尺寸，圖像的空間分辨率主要取決于長基線對的長度和方向。正是由于對射電天文觀測精度和靈敏度的要求，使得甚高頻射電天線陣通常具有天線體積大，分布面積廣的特點[2]。

文中涉及的甚高頻天線陣主要由兩個相距22 km，頻率范圍為30～80 MHz，用于觀測太陽爆發(fā)及行星射電爆發(fā)的干涉陣組成。與其相關(guān)的相控陣數(shù)字信號處理是從各天線單元接收的信號經(jīng)過低噪放大器放大，接入數(shù)控移相器，經(jīng)長電纜將多路信號傳到固定點匯合，最后數(shù)字量化加權(quán)形成綜合方向圖。

不同的加權(quán)函數(shù)使得天線陣可以對不同的天區(qū)進行觀測，根據(jù)陣列天線的相關(guān)知識得陣元的天線陣的加權(quán)向量為：

式中：即為目標所在角度；即為相控陣調(diào)相參數(shù)，包涵了兩部分：由移相器引起的相位差來自長電纜引起的相位差其中前者用于調(diào)整天線陣指向，后者包括電纜本身引起及天氣等外界環(huán)境引起的相位差。后者的總相位為：

式中：是電纜本身引起的誤差；是由于自然環(huán)境引起的電纜誤差，很明顯這個誤差對于天線陣加權(quán)矢量帶來了影響，為了獲得良好的天線方向圖必須修正這個誤差[3?4]。

2 AD8302相位檢測原理

2.1 AD8302性能特點

AD8302是美國ADI公司推出的能夠測量低頻到2.7 GHz頻率范圍內(nèi)RF/IF幅度和相位差的芯片。其內(nèi)部主要含有兩個精密匹配寬帶對數(shù)檢波器、一個相位檢波器、輸出放大器組、一個偏置單元和一個輸出參考電壓緩沖器等。該芯片由于高集成度把誤差源和溫度漂移降低到最小。

兩個輸入信號在50系統(tǒng)中的動態(tài)范圍為-60～0 dBm，輸出電平靈敏度為30 mV/dB，輸出電流為8 mA，轉(zhuǎn)換速率為25 V/μs，相位測量范圍為0°～180°。響應(yīng)時間為40～500 ns。增益及小信號包絡(luò)帶寬[5]均為30 MHz。

2.2 AD8302工作原理

2.3 測量模式

AD8302主要有三種工作模式測量、控制器、電平比較器，本文主要運用其測量工作模式。其測量工作模式如圖1所示。

根據(jù)AD8302芯片資料可知，當和直接與芯片反饋，設(shè)置輸入引腳MSET和PSET相連時，芯片的測量模式將工作在默認的斜率和中心點上，而斜率和中心點可以根據(jù)MSET和PSET分壓改變。本文所用的測量電路為讓其工作在默認的斜率和中心點上。在甚高頻及低頻條件下其相位測量方程如下：

式中：斜率為10 mV/（°）；中心點為900 mV，對應(yīng)相位差相差90°；0°～180°相位范圍對應(yīng)輸出的電壓范圍為0～1.8 V。工作模式為默認測量模式時，相位理想響應(yīng)曲線[7?8]如圖2所示。

3 系統(tǒng)構(gòu)成與硬件軟件實現(xiàn)

3.1 系統(tǒng)組成原理

系統(tǒng)組成基于甚高頻天線陣定標測量模式，其主要實施方案為采用信號源向天線陣定標信號源輸入電路輸入同頻同相的信號，各陣元天線收到的信號和定標信號源信號通過一個微波開關(guān)接入到前端LNA中，微波開關(guān)主要工作為切換天線工作模式及定標模式，在每陣元天線接收鏈路的后端用一個二功分器，一路接入合路器，一路接入微波開關(guān)，通過微波開關(guān)的選擇，每次選擇兩輸入信號進行相位差比較，采用AD8302進行相位檢測，將相位差轉(zhuǎn)化為電壓。

AD8302采用STM32F103ZET6芯片自帶的12 b ADC 12 MHz采樣率對輸出電壓進行實時采集。通過波特率為115 200的串口及TFTLCD屏作為輸出顯示窗口。其系統(tǒng)原理組成框圖如圖3所示。

3.2 硬件實現(xiàn)

硬件系統(tǒng)中，前端系統(tǒng)主要基于已搭好的30～80 MHz甚高頻天線陣，并運用agilent的E8257D信號源作為輸入信號。后端系統(tǒng)主要以STM32單片機作為控制器，運用其芯片內(nèi)置的12 b ADC作為采樣ADC，采樣頻率為12 MHz。STM32芯片內(nèi)置16通道，最大轉(zhuǎn)化速率為1 MHz，即1 μs，其ADC最大時鐘不能超過14 MHz，其ADC采樣周期具有8個分類，采樣周期越長采樣精度越高，本文實現(xiàn)代碼為239.5周期采樣。采樣時間采樣電壓不能高于3.3 V。

采用的TFTLCD即薄膜晶體管液晶顯示器為2.8寸，分辨率為320×240，支持65K色顯示，接口為16位80并口。串口采用STM32自帶的5路串口之一，串口有分數(shù)波特率發(fā)生器、支持同步單線通信和半雙工單線通信、支持LIN、支持調(diào)制解調(diào)器操作等，本文涉及的串口采用全雙工模式。硬件原理框圖如圖4所示。

3.3 軟件實現(xiàn)

每隔2 s讀取A/D通道數(shù)據(jù)并顯示，A/D采樣時間為每21 μs采樣一次。程序編程基于keil公司的MDK5作為編程平臺，其軟件流程圖如圖5所示。

為了適應(yīng)不同頻率下的測試，程序設(shè)置了多種頻率下的測試模式，由外部機械按鍵控制轉(zhuǎn)換不同測試頻率。

4 實測結(jié)果及分析

系統(tǒng)實測采用了三個頻率測試，三個不同頻率對應(yīng)不同的精度需求。為了測出兩根相同電纜在自然環(huán)境等外部因素影響下造成的電長度及物理長度誤差，核心算法主要是對相位進行反向計算得到兩根電纜相差物理長度及電長度。實測數(shù)據(jù)由于實測電纜的條件限制，總共進行了6組電纜相差檢測，分別為0 cm，4 cm，9 cm，15 cm，20 cm及30 cm。

4.1 基于2 MHz，150 MHz，300 MHz，350 MHz信源實測結(jié)果

兩根相同電纜基于2 MHz，150 MHz，300 MHz，350 MHz的實測數(shù)據(jù)見表1～表4。

4.2 誤差分析及矯正

根據(jù)實測數(shù)據(jù)結(jié)果分析可知，測量結(jié)果存在一定的誤差，對數(shù)據(jù)用Matlab分析后，發(fā)現(xiàn)存在的誤差屬于線性誤差，如圖6所示，為了對誤差進行矯正，對誤差進行線性擬合如圖7所示，原因有可能是模擬地及數(shù)字地沒有處理好引入的偏置誤差。修正后兩根相同電纜基于2 MHz，150 MHz，300 MHz，350 MHz的實測數(shù)據(jù)見表5～表8。

5 結(jié) 論

本文以甚高頻天線陣為測試基礎(chǔ)，引入電纜相位差測量系統(tǒng)，用以修正電纜因環(huán)境等因素影響造成的相位誤差，從而使天線陣獲得良好的天線陣方向圖，進而提高甚高頻天線陣追蹤源的精度。相位測量系統(tǒng)采用AD8302在2 MHz，150 MHz，300 MHz下分別進行實測。并以STM32F103ZET6作為控制器，控制ADC采樣并以TFTLCD和USART串口顯示。經(jīng)過誤差分析，線性擬合修正后的測量系統(tǒng)在300 MHz和350 MHz都達到對兩根電纜長度測量精度為1 cm的目標設(shè)計，在150 MHz達到了2 cm的精度。采用該測量系統(tǒng)對天線加權(quán)向量進行修正，從而達到理想的方向圖及天線陣測量精度。該系統(tǒng)對于射電天文學(xué)數(shù)字信號處理具有非常重要的實際意義。

參考文獻

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