一种数字相控阵天线的相位校准方法及相控阵天线

摘要

本发明公开了一种数字相控阵天线的相位校准方法，设定校准信号

说明书

技术领域

本发明属于相控阵雷达领域，涉及一种数字相控阵天线的相位校准方法及相控阵天线。

背景技术

相控阵天线起源于军事领域，各种与军事相关的需求推动着相控阵天线的发展。随着半导体微电子技术的迅速发展，数字相控阵天线应运而生。数字相控阵天线中每一个阵列单元由固态发射/接收组件构成，组件中发射信号功率放大器和低噪声放大器均与天线辐射单元直接相连，并以数字方式精确控制天线的波束指向和形成。与传统相控阵天线相比，其具有体积小，成本低的优点，有效提高了天线发射时的有效等向幅射功率值和天线接收时的性能指数，提高了控制精度和响应速度。如今数字相控阵天线以其优异的特性，广泛应用于卫星通信、机间数据链及雷达探测等领域，其应用前景广阔，具有很大的发展空间。

数字相控阵天线，以数字方式改变阵列中每个单元信号的幅度和相位，可快速改变天线波速指向及波速形状，实现大角度灵活扫描和多目标跟踪通信。因此阵列单元幅度和相位的精确控制，阵列单元的幅度和相位一致性，决定了数字相控阵天线的系统性能。在实际工程实现中，引起阵列单元幅度和相位误差的原因有很多。阵列本身器件不一致性的幅相误差，阵列间信号相互影响的互耦误差，阵列安装位置的定位误差，温度漂移、器件老化和物理变形等环境误差，都直接影响阵列单元的幅度和相位的一致性，严重影响天线性能。因此针对此问题，必须在天线中加入校准系统，进行定期或实时地幅度和相位校准。

数字相控阵天线的相位校准中，阵元间的相位误差如何能够精确测量，并准确补偿到阵列单元的路径中，是校准系统需要解决的关键问题。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种数字相控阵天线的相位校准方法，包括如下步骤：

步骤一，设定校准信号，经过阵元0后，得到信号，采集信号样本点，通过傅里叶变换得到阵元0的相位；同理得到除阵元0外任一阵元n的相位；

步骤二，在时钟同源、本振同步和采集同步的条件下，以阵元0为基准，通过阵元0和阵元n两阵元的相位差，得到群时延误差；

步骤三，以阵元0为基准，得到多个群时延误差，将多个群时延误差中的最小值的反向值加到每个阵元的群时延误差中，得到各阵元的群时延校准值，利用群时延校准值对各阵元进行整数时延校准和小数时延校准，完成各阵元群时延校准；

步骤四，完成群时延校准后，以完成群时延校准后的阵元0为基准，获取群时延校准后各阵元的相位误差值，根据值补偿各阵元的相位，完成相位校准。

进一步的，所述的校准信号采用如下公式：

其中：ω为信号频率；θ为信号相位；A为信号幅度，幅度值A保持不变；

经过阵元0后，信号变为：

其中为阵元0群时延误差，为阵元0本振相位误差；

将阵元0的信号样本点，通过快速傅立叶变换得到阵元0的本振相位：

同理，阵元n的本振相位：

，

其中为阵元n群时延误差，为阵元n本振相位误差；公式中的表示的实部、表示的虚部。

进一步的，在时钟同源、本振同步和采集同步的条件下，以阵元0为基准，通过阵元0和阵元n两阵元的相位差，得到群时延误差，其中的相位差采用如下公式：

群时延误差为：

本振相位误差为：

将多个群时延误差中的最小值的反向值加到每个阵元的群时延误差中，得到的各阵元的群时延校准值为：

其中n为阵元号，为阵元0和阵元n的群时延误差，是阵元n的群时延校准值。

进一步的，以完成群时延校准后的阵元0为基准，获取群时延校准后各阵元的相位误差值，得到各阵元需补偿的相位补偿值，根据补偿值补偿各阵元的本振相位，完成相位校准，包括如下过程：

以群时延校准后的阵元0为基准，得到各群时延校准后阵元的相位误差，对各阵元补偿相位补偿，阵元的接收信号为：

相位补偿后，接收信号变为：

根据欧拉公式：

通过产生的信号和信号，与接收信号相乘，实现本振相位校准。

进一步的，所述的整数时延校准是以周期为的参考时钟为基准，阵元n将接收到的校准数据缓存在RAM中，读取校准数据时，以RAM地址0为起始地址；根据阵元n的群时延校准值得到整数时延校准倍数，将该阵元读取校准数据的起始地址，从地址0移动整数时延校准倍数个地址，完成阵元整数时延校准，同理，完成所有阵元的整数时延校准，即完成整数时延校准；

所述的小数时延校准是以周期为的参考时钟为基准，将参考周期分为N份，计算滤波器系数，对应生成N组系数；通过群时延校准值，得到小数时延对应的滤波器系数组号，开始校准时，将接收到的校准数据接入滤波器，加载小数时延对应的滤波器系数到滤波器中，完成小数时延校准。

进一步的，所述的整数时延校准倍数为：阵元n的群时延校准值为，则整数时延校准倍数为:

其中fix函数为截位取整函数；

则整数时延校准值为：

校准开始时，从起始地址移动整数时延校准倍数个地址，该地址为阵元n新的起始地址，完成整数时延校准；

所述的滤波器系数组的个数N为：

其中的为小数时延校准精度，为参考时钟周期；

根据群时延校准得到的整数时延校准值，则小数时延对应的滤波器系数组号为：

其中round函数为四舍五入取整函数；

小数时延校准值为：

将接收到的校准数据接入滤波器，加载第组的系数到滤波器中，完成小数时延校准。

进一步的，滤波器的系统传输函数为如下公式：

小数时延参数d的范围为，每组滤波器系数是d的N阶多项式，则滤波器的冲击响应如下式所示：

其中为实数系数，参考周期分为N份也即为多项式阶数N，d为小数时延参数，M为滤波器阶数，则滤波器的系统传输函数为： QUOTE

其中

。

进一步的，所述的群时延误差获取包括如下过程:

先以的校准信号，得到本振相位误差，由 QUOTE ：

再以带宽内的校准信号，得到群时延误差，由：。

一种数字相控阵天线，包括天线阵子、8通道收发模块、主控模块、校准单元、功分模块；所述的天线阵子与所述的功分模块连接，所述的功分模块与所述的8通道收发模块连接，所述的8通道收发模块与所述的主控模块连接；所述的校准单元一端与所述的功分模块连接，另一端与所述的主控模块连接；

所述的天线阵子用于频段内的无线信号收发；

所述的8通道收发模块包括射频信号处理单元和T/R组件单元；工作模式为TDD，根据时序要求切换收发状态；射频信号处理单元用于无线信号收发数据的校准补偿、基带信号的采集和数模转换、中频到射频的上下变频处理；通过高速收发器和外部实现数据交互；T/R组件单元用于发射信号的功率调整，接收信号的低噪放增益控制和耦合校准信号；

校准单元用于相位测量和校准，通过校准单元内的校准信号源发射校准信号，采集不同通道的数据，得到相位差信息，计算出校准数据传给主控模块，由主控板下发给各通道，完成校准；

所述的主控模块用于与用户完成界面交互，提供各模块的监控信号，采集各通道的数据流，并将其导出到外部设备，通过与外部数据接口对接，实现收发数据流的高速传输；

所述的功分模块包括校准微带功分器和天线安装反射板；校准微带功分器，包括多个微带功分器，用于天线和校准口的耦合信号功分，使耦合信号到校准单元的信号功率适配，实现与校准单元的反馈网络；天线安装反射板，用于天线阵子的安装定位。

一种基于所述的数字相控阵天线的相位校准方法，包括如下过程:

步骤一,校准单元的校准信号源发射的校准信号，通过本机振荡器与数模转换器组成的变频发射模块，经校准耦合口连接到各阵元的T/R组件，T/R组件将接收到的信号传输到阵元中本机振荡器与模数转换器组成的变频采集模块，变频采集模块对信号进行下变频处理和数据采集，得到中频数字信号；

步骤二,校准单元通过数据采集模块采集得到等各阵元的校准数据，由FFT运算模块做快速傅立叶变换得到等各阵元的相位，通过相位测量模块，以阵元0为基准，测量出各阵元与基准阵元的相位差；

步骤三，通过发射的校准信号，重复上述步骤一、二，在校准单元的群时延校准单元中计算得到群时延误差，本振相位校准单元中计算得到本振相位误差，找出群时延误差最小值，将反向值加到每个阵元的群时延误差中，得到各阵元的群时延校准值，通过群时延校准值校准各阵元群时延；

步骤四，校准单元再次采集校准信号，得到各阵元的本振相位校准值；将其传输至对应阵元的本振相位校准单元中，使各阵元的相位和基准阵元保持一致，实现相位校准。

本发明的有益效果是：本发明在天线本身系统外，增加高度集成化的测试系统，使用数字处理算法，就可快速获得高精度的相位差信息。在数字校准法基础上，创新性加入最高精度可达ps级的小数校准,通过设计的滤波器来对小数时延进行校准,实现精度更高,用时更少的效果。

附图说明

图1为一种数字相控阵天线的相位校准方法的流程示意图；

图2为滤波器时延仿真示意图；

图3为一种数字相控阵天线的相位校准方法的实施示意图；

图4为整数时延示意图；

图5为系统硬件组成示意图；

图6为道收发组件的射频信号处理单元组成示意图；

图7为通道收发组件的T/R组件单元组成示意图；

图8为校准单元的校准网络原理框图；

图9为主控模块的组成示意图；

图10相控阵天线结构示意图；

图11为滤波器的实现框图。

具体实施方式

下面结合附图进一步详细描述本发明的技术方案，但本发明的保护范围不局限于以下所述。

如图1所示，本发明提出一种数字相控阵天线的相位校准方法，用以解决以上相位校准问题。发射与接收的校准方法同理，我们以接收校准分析。

天线中阵元间的相位误差，主要包括路径上的群时延误差和本振相位误差。群时延误差主要由构成阵元的器件个体差异、装配差异和温度、湿度等环境差异导致。本振的相位误差，主要由上电后，各阵元的本振锁定时间不同，使本振的初相不同，导致下变频后的中频信号相位不同。

在外界环境稳定情况下，某时间段内，我们认为群时延误差和本振相位误差基本保持不变。因此我们通过测量出阵元间的群时延误差和本振相位误差，并补偿到对应路径中，则可以保证阵元间相位一致性。

设定校准信号为：

ω为信号频率；θ为信号相位；A为信号幅度，幅度值A保持不变；

经过阵元0后，信号变为：

其中为阵元0群时延误差，为阵元0本振相位误差；

将阵元0的信号样本点，通过快速傅立叶变换得到阵元0的本振相位：

同理，阵元n的本振相位：

，

其中为阵元n群时延误差，为阵元n本振相位误差；公式中的表示的实部、表示的虚部；

在时钟同源、本振同步和采集同步的条件下，以阵元0为基准，通过阵元0和阵元n两阵元的相位差，得到群时延误差，其中的相位差采用如下公式：

群时延误差为：

本振相位误差为：

具体步骤为：

先以的校准信号，得到本振相位误差，由 QUOTE ：

再以带宽内的校准信号，得到群时延误差，由：

多阵元的校准过程中，以阵元0为基准，会得到多个群时延误差和本振相位误差，因为时延校准只能为正值，因此需要找到群时延误差最小值，并将其反向值加到每个阵元的群时延误差中，这样就可以实现所有阵元的正向群时延，各阵元的群时延校准值为：

其中n为阵元号，为阵元0和阵元n的群时延误差，是阵元n的群时延校准值。

群时延校准

群时延校准分为整数时延校准和小数时延校准。

整数时延校准以周期为的参考时钟为基准，调节整数倍时延。阵元n将接收到的校准数据缓存到RAM中，默认从地址0为起始地址读取RAM中的校准数据，整数时延示意图如图4所示。

阵元n的群时延校准值，则整数时延校准倍数为:

其中fix函数为截位取整函数。

整数时延校准值为：

校准开始时，起始地址移动，读取缓存在RAM中的校准数据，达到时延校准。

整数时延校准的精度为：

小数时延校准精度为，以周期为的参考时钟为基准，将参考周期分为N份，计算滤波器系数，对应生成N组系数：

滤波器阶数为M，生成N组滤波器系数。

阵元n的群时延校准值，根据整数时延校准计算出整数时延校准值，则小数时延对应的滤波器系数组号为：

其中round函数为四舍五入取整函数。

小数时延校准值为：

将接收到的校准数据接入滤波器，加载第组的系数到滤波器中，完成小数时延校准。

小数时延d有一定的范围，然后每个系数就是d的N阶多项式，则滤波器的冲击响应如下式所示：

其中为实数系数，N为多项式阶数也即参考周期份数N，d为小数时延参数，M为滤波器阶数。则滤波器的传输函数为：

其中

由上式结果分析，滤波器的系统传输函数可看成由N个M阶传输函数为的滤波器组输出的加权和。

滤波器的系数可以以几个固定长度的滤波器以并行的形式，通过小数时延d的幂指数来产生，如图11所示，这种多项式的方法意味着原型滤波器可以以经典滤波器的设计方法来完成。得到原型滤波器之后，那么小数延时滤波器的系数就可以通过d的N阶多项式来确定。

具体的，如图2所示，滤波器系数组个数为17，将clk的周期分为17份，以1/17的精度进行小数时延校准。

本振相位校准，以完成群时延校准后的阵元0为基准，获取群时延校准后各阵元的相位误差值，得到各阵元需补偿的相位补偿值，根据补偿值补偿各阵元的本振相位，完成相位校准，包括如下过程：

以群时延校准后的阵元0为基准，得到群时延校准后的阵元的相位误差，对各阵元补偿相位补偿，阵元的接收信号为：

相位补偿后，接收信号变为：

根据欧拉公式：

通过产生的sin信号和cos信号，与接收信号相乘，实现本振相位校准。

具体的实施例，如图3所示为本发明的方法所采用的系统方案示意图，本发明的主要流程为，校准单元的校准网络原理如图8所示，校准单元的校准信号源发射的校准信号，通过本振加DA组成的变频发射模块，经校准耦合口连接到各阵元的T/R组件，通过阵元中本振加AD组成的变频采集模块，进行下变频处理和数据采集，恢复出的中频数字信号。校准单元通过数据采集模块得到等各阵元的数据，由FFT运算模块做快速傅立叶变换得到等各阵元的相位，通过相位测量模块，以阵元0为基准，测量出各阵元与基准阵元的相位差 QUOTE 。通过发射等不同频率的校准信号，重复以上步骤，在校准单元的群时延校准值模块和本振相位校准值模块，计算得到群时延误差和本振相位误差，找出群时延误差最小值，将其反向值加到每个阵元的群时延误差中，得到各阵元的群时延校准值,校准单元再次采集当前数据，得到各阵元的本振相位校准值。将其传到对应阵元的整数时延校准单元和小数时延校准单元组成的群时延校准单元，和对应阵元的本振相位校准单元中，从而使各阵元的相位和基准阵元保持一致，实现相位一致性。

为了更详细的说明本发明的实际应用方式和效果，本发明将结合具体的应用设备来进行说明，系统硬件组成如图5所示。

本例的应用设备为64阵列单元的数字相控阵天线，相控阵天线结构如图10所示，以3.3GHz为中心频点，100M信号带宽，通过本发明的相位测量和校准方法，完成校准后的64阵元相位一致性小于1°。系统主要包括天线阵子、通道收发组件、校准单元、主控模块和功分模块。其中天线阵子和通道收发组件构成阵列单元，作为数字相控阵天线的基本组成单元。

天线阵子：负责收发频段内3.3GHz～3.4GHz的无线信号收发。

通道收发组件：由射频信号处理单元和T/R组件单元组成。工作模式为TDD，根据时序要求切换收发状态。射频信号处理单元完成收发数据的校准补偿，基带信号的采集和数模转换，中频到射频的上下变频处理，通过高速收发器和外部实现数据交互。T/R组件单元完成发射信号的功率调整，接收信号的低噪放增益控制和耦合校准信号，通道收发组件的射频信号处理单元组成如图6所示，通道收发组件的T/R组件单元组成如图7所示，。

校准单元：作为相位测量和校准的核心单元，通过采集不同通道的数据，得到相位差信息，计算出校准数据传给主控模块，由主控板下发给各通道，完成校准。

主控模块：与用户界面交互，可提供各模块的监控信号，完成健康管理。可随机采集各通道的数据流，并将其导出到外部设备，方便数据分析。通过与外部数据接口对接，实现收发数据流的高速传输，主控模块的组成如图9所示。

功分模块：包括校准微带功分器和天线安装反射板。校准微带功分器，由多个微带功分器组成，完成天线和校准口的耦合信号功分，保证其到校准单元的信号功率适配，实现与校准单元的反馈网络。天线安装反射板，则负责与天线阵子的安装定位。

具体实施例的流程如下所示：

1)校准单元信号源发射频率为的直流信号，校准耦合口输出3.3GHz的射频信号，以阵元0为基准，采集两个阵元的数据，得到它们的本振相位误差，采集63次后得到63个本振相位误差的数据表；

2)校准单元信号源发射频率为的单音信号，校准耦合口输出3.30048GHz的射频信号，以阵元0为基准，采集两个阵元的数据，得到本次测量的相位误差 QUOTE ，采集63次后与步骤1中的数据表做差值，得到63个群时延误差。找出63个中的最小值，此值为负值，表示该对应阵元的绝对群时延最大，以此阵元为基准，其余阵元的群时延校准值为各群时延误差与反向之和，将其传回给各阵元的群时延校准单元，各阵元将其分解为整数时延和小数时延补偿到路径中；

3)校准单元发射频率为的单音信号，校准耦合口输出3.30096GHz的射频信号，重复步骤2，得到各阵元频点3.30096GHz的群时延校准值，并补偿到路径中；

4)校准单元发射频率为的单音信号，校准耦合口输出3.30384GHz的射频信号，重复步骤2，得到各阵元频点3.30384GHz的群时延校准值，并补偿到路径中；

5)校准单元发射频率为的单音信号，校准耦合口输出3.30768GHz的射频信号，重复步骤2，得到各阵元频点3.30768GHz的群时延校准值，并补偿到路径中；

6)以上步骤将带宽内多个频点的群时延校准后，再将步骤1得到的本振相位误差，传给各阵元的本振相位校准单元，补偿到路径后，自此相位测量和校准完成。

7)校准单元发射任意带宽内的频点信号，外部接口同步导出接收信号，经数据处理可得到各阵元信号的相位差，此时相位差在1°以内，达到相位一致性。

8)外部信号源发射任意带宽内的频点信号，外部接口同步导出接收信号，经数据处理可得到各阵元信号的相位差，此时相位差在1°以内，达到相位一致性。

表1本发明方案校准前和校准后的相位差数据

表1为本发明方案的校准前和校准后的相位差数据，根据测试结果对比，证明本发明的相位测量和校准方法，可实现阵元间的相位一致性。

本发明在天线本身系统外，增加高度集成化的测试系统，在数字校准法基础上，优化数字处理算法，可快速获得高精度的相位差信息。在小数时延数字滤波器基础上，创新性加入拉格朗日插值法，实现最高精度可达ps级的小数校准。以多单音的测量流程，切换多频点信号，实现宽带信号的相位校准。该法成本低廉，占用资源小，稳定可靠，算法简单，易实现，可快速实时地达到高精度的校准。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当理解本发明并非局限于本文所披露的形式，不应看作是对其他实施例的排除，而可用于各种其他组合、修改和环境，并能够在本文所述构想范围内，通过上述教导或相关领域的技术或知识进行改动。而本领域人员所进行的改动和变化不脱离本发明的精神和范围，则都应在本发明所附权利要求的保护范围内。