一種低軌衛(wèi)星接收的相控陣天線校準(zhǔn)方法

王志永，劉磊浩，高 杰

(中國電子科技集團(tuán)公司第五十四研究所，河北 石家莊 050081)

0 引言

在相控陣天線系統(tǒng)中，為了使天線波束的指向準(zhǔn)確，必須對各陣元的相位和幅度一致性進(jìn)行嚴(yán)格控制，且能夠在運(yùn)行中根據(jù)環(huán)境變化定期檢測調(diào)整，這對于相控陣天線的持續(xù)工作尤為重要。在實(shí)際應(yīng)用時(shí)，無線信道的不確定性，各通道的射頻電路對溫度、濕度等環(huán)境變化的響應(yīng)及自身性能的漂移都會影響到理想多波束的形成。形成誤差的來源很多，但均可歸結(jié)于天線陣列單元的幅相誤差。陣列信號的幅相誤差會使副瓣電平升高，產(chǎn)生波束指向誤差并使方向性下降。相控陣天線各通道的幅相誤差可以通過定期校準(zhǔn)來減小或消除，因此校準(zhǔn)在相控陣天線中非常重要，是必不可少的。

校準(zhǔn)流程比較復(fù)雜，尤其是要做到方便和易用，難度更大。本文針對低軌衛(wèi)星接收的應(yīng)用，提出了一種新的系統(tǒng)校準(zhǔn)方法，利用實(shí)際衛(wèi)星信號進(jìn)行校準(zhǔn)。這樣，無需特意搭建校準(zhǔn)環(huán)境，也無需人為地在遠(yuǎn)場發(fā)射校準(zhǔn)信號即可實(shí)現(xiàn)整個(gè)校準(zhǔn)過程，方便快捷可靠。

1 校準(zhǔn)原理

假設(shè)在相控陣天線法線方向上，滿足遠(yuǎn)場條件的位置處有一個(gè)信號輻射源，其發(fā)射的信號為：

s(t)=Aej(ωt+φ)。

滿足遠(yuǎn)場條件，可以認(rèn)為信號以平面波入射，當(dāng)輻射源位于天線面的法線方向時(shí)，理想情況下天線陣各單元收到的信號幅度和相位是相同的，即：

s′(t)=A′ej(ωt+φ′)。

但是由于各通道的幅相不一致性，使得接收的信號幅度和相位各不相同，即：

si(t)=Aiej(ωt+φi)i=1,2,…,N，

式中，N為天線單元個(gè)數(shù)。

通道校準(zhǔn)的一個(gè)前提就是各通道的幅相不一致性在短期內(nèi)是穩(wěn)定的。這樣可以進(jìn)行定期校準(zhǔn)，保證陣列合成能夠持續(xù)正常工作。無論采用模擬方式還是數(shù)字方式，校準(zhǔn)的基本原理就是人為對每個(gè)通道的幅度和相位進(jìn)行調(diào)整，使每個(gè)通道對信號延遲和對信號幅度的衰減達(dá)到基本一致。校準(zhǔn)基本原理如圖1所示。

圖1 校準(zhǔn)基本原理

各個(gè)通道的校準(zhǔn)系數(shù)用公式表達(dá)為：

ci=Ciejθi,i=1,2,…,N。

2 傳統(tǒng)校準(zhǔn)方法

基于DBF的相控陣天線組成框圖[10]如圖2所示。

DBF相控陣天線總體由三部分組成：天線部分、處理部分和校準(zhǔn)源[15]。每個(gè)單元通道從天線一直到A/D后的輸出，其中的每個(gè)環(huán)節(jié)都會帶來不一致性。

傳統(tǒng)校準(zhǔn)方法將整個(gè)通道分為兩部分：天線部分和處理部分(如圖2所示)，兩部分的校準(zhǔn)獨(dú)立進(jìn)行。處理部分采用閉環(huán)的方式，校準(zhǔn)源產(chǎn)生校準(zhǔn)信號，通過開關(guān)饋入處理通道，從A/D后的數(shù)據(jù)中計(jì)算通道間的幅相誤差，并產(chǎn)生校準(zhǔn)系數(shù)。天線部分校準(zhǔn)采用開環(huán)模式，在遠(yuǎn)場發(fā)射電磁波信號，計(jì)算各通道幅相誤差。天線部分校準(zhǔn)的前提是處理部分的校準(zhǔn)已經(jīng)完成，這樣計(jì)算結(jié)果只是天線部分產(chǎn)生的誤差。

圖2 相控陣天線組成

傳統(tǒng)的校準(zhǔn)方法存在如下缺點(diǎn)：

① 兩級校準(zhǔn)流程復(fù)雜；

② 閉環(huán)校準(zhǔn)時(shí)需要獨(dú)立的自校源設(shè)備；

③ 開環(huán)校準(zhǔn)的操作條件要求很高，設(shè)備出廠后難以實(shí)現(xiàn)。

3 校準(zhǔn)方法改進(jìn)

利用相控陣天線對低軌衛(wèi)星進(jìn)行跟蹤接收時(shí)，可以用實(shí)際衛(wèi)星信號對各通道整個(gè)通路的幅相誤差進(jìn)行一次性校準(zhǔn)。校準(zhǔn)流程如圖3所示。

圖3 改進(jìn)校準(zhǔn)流程圖

3.1 角度計(jì)算

假設(shè)相控陣天線水平放置，其經(jīng)緯度高位置坐標(biāo)為(ωa,θa,0)，低軌衛(wèi)星的位置坐標(biāo)為(ωs,θs,h)。則衛(wèi)星相對于天線的方位和俯仰角分別為：

方位角AZ=arctan(tanΔω/sinΔθ)，

俯仰角EL=arctan[(cosβ-C)/sinβ)]，

式中， Δω為天線與衛(wèi)星的經(jīng)度差；

Δθ為天線與衛(wèi)星的緯度差；

β=arccos(cosΔω*cosΔθ)；

低軌衛(wèi)星的動(dòng)態(tài)坐標(biāo)(ωs,θs,h)可以通過星歷獲取。

3.2理論相位差計(jì)算

假設(shè)相控陣天線為方形布陣，陣元間距為d，衛(wèi)星信號入射的方位角為AZ，俯仰角為EL，如圖4所示。

圖4 波程差計(jì)算示意圖

則衛(wèi)星信號到達(dá)陣元O和陣元P之間的路徑距離差可以通過下式計(jì)算[10]：

l=cos(EL)*(dx*cos(AZ)+dy*sin(AZ))，

式中，dx為OP之間X方向的距離差；dy為OP之間Y方向的距離差。

路徑距離差再轉(zhuǎn)換為相位差：

式中，c為光速，3×108m/s；f為接收信號的頻率；{ }表示取小數(shù)部分。由此OP兩陣元間的相位差即可求得。以陣元O為參考點(diǎn)，按這種計(jì)算方法可以計(jì)算所有其他陣元和陣元O之間的相位差序列ΔΦ,即相控陣天線陣元間相位差的理論值。

3.3 實(shí)際幅相誤差測量

參考圖2，基于DBF的相控陣天線進(jìn)行陣元間實(shí)際相位差測量時(shí)，天線各個(gè)陣元接收的射頻信號經(jīng)過各自通路，在AD輸出端得到N路數(shù)據(jù)(N為陣元個(gè)數(shù))。對N路數(shù)據(jù)進(jìn)行FFT運(yùn)算，并計(jì)算各路數(shù)據(jù)的幅度和相位。然后，仍然以O(shè)陣元為參考，計(jì)算其他各陣元和O陣元之間的幅度差ΔA′和相位差ΔΦ′。測量值即為考慮到各種影響因素在內(nèi)的實(shí)測幅相誤差。

3.4 通道校準(zhǔn)

具體實(shí)現(xiàn)時(shí)，AD后的數(shù)據(jù)乘以各個(gè)通道的校準(zhǔn)系數(shù)，即可完成通道校準(zhǔn)。

4 測試結(jié)果及限制條件

4.1 測試結(jié)果

按照新的校準(zhǔn)方法，對相控陣天線進(jìn)行了實(shí)際多波束測試，測試指標(biāo)包含合成增益、波束寬度、角域范圍等指標(biāo)。

測試天線：L波段相控陣天線，8行8列方陣，陣元間距90 mm；

測試頻率：1 621 MHz；

測試環(huán)境：微波暗室，常溫條件；

測試源：符號速率為25 kbps的QPSK信號；

測量參數(shù)：信噪比。

測量結(jié)果如表1所示。

表1 相控陣天線測試結(jié)果

指標(biāo)名稱測試結(jié)果合成增益16.2 dB(合成后的SNR比單元天線接收數(shù)據(jù)的SNR提高16.2個(gè)dB)波束寬度18°(3 dB波束寬度)角域掃描范圍±45°(-3 dB范圍)±60°(-5 dB范圍)±70°(-9 dB范圍)

表1測試結(jié)果表明波束合成結(jié)果正確，則說明該校準(zhǔn)方法正確且有效。

4.2 新校準(zhǔn)方法的優(yōu)點(diǎn)

傳統(tǒng)校準(zhǔn)方法相比，改進(jìn)后的校準(zhǔn)方法有如下優(yōu)點(diǎn)：

① 由兩級校準(zhǔn)改為一級校準(zhǔn)，流程極大簡化；

② 不再需要額外的校準(zhǔn)源設(shè)備；

③ 操作簡單，可隨時(shí)隨地校準(zhǔn)，為出廠后的定期校準(zhǔn)提供了非常簡易的手段。

4.3 使用限制條件

改進(jìn)后的校準(zhǔn)方法只有滿足如下條件才能適用：

① 每個(gè)陣元能夠收到目標(biāo)信號，并且信噪比足夠,如對銥星的接收；

② 需要星歷支持。

5 結(jié)束語

相控陣天線的校準(zhǔn)是相控陣天線中至關(guān)重要的環(huán)節(jié)，針對低軌衛(wèi)星信號接收中的應(yīng)用，采用實(shí)星信號進(jìn)行校準(zhǔn)，不禁簡化了校準(zhǔn)流程，而且校準(zhǔn)操作可隨時(shí)隨地在設(shè)備后臺進(jìn)行，達(dá)到隱蔽和無感的效果，靈活方便實(shí)用。在滿足應(yīng)用條件的前提下，具有很高的工程價(jià)值。