一种低轨卫星接收的相控阵天线校准方法

2019-04-24王志永刘磊浩

无线电通信技术 2019年3期

王志永，刘磊浩，高杰

(中国电子科技集团公司第五十四研究所，河北石家庄 050081)

0 引言

在相控阵天线系统中，为了使天线波束的指向准确，必须对各阵元的相位和幅度一致性进行严格控制，且能够在运行中根据环境变化定期检测调整，这对于相控阵天线的持续工作尤为重要。在实际应用时，无线信道的不确定性，各通道的射频电路对温度、湿度等环境变化的响应及自身性能的漂移都会影响到理想多波束的形成。形成误差的来源很多，但均可归结于天线阵列单元的幅相误差。阵列信号的幅相误差会使副瓣电平升高，产生波束指向误差并使方向性下降。相控阵天线各通道的幅相误差可以通过定期校准来减小或消除，因此校准在相控阵天线中非常重要，是必不可少的。

校准流程比较复杂，尤其是要做到方便和易用，难度更大。本文针对低轨卫星接收的应用，提出了一种新的系统校准方法，利用实际卫星信号进行校准。这样，无需特意搭建校准环境，也无需人为地在远场发射校准信号即可实现整个校准过程，方便快捷可靠。

1 校准原理

假设在相控阵天线法线方向上，满足远场条件的位置处有一个信号辐射源，其发射的信号为：

s(t)=Aej(ωt+φ)。

满足远场条件，可以认为信号以平面波入射，当辐射源位于天线面的法线方向时，理想情况下天线阵各单元收到的信号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，使得接收的信号幅度和相位各不相同，即：

si(t)=Aiej(ωt+φi)i=1,2,…,N，

式中，N为天线单元个数。

通道校准的一个前提就是各通道的幅相不一致性在短期内是稳定的。这样可以进行定期校准，保证阵列合成能够持续正常工作。无论采用模拟方式还是数字方式，校准的基本原理就是人为对每个通道的幅度和相位进行调整，使每个通道对信号延迟和对信号幅度的衰减达到基本一致。校准基本原理如图1所示。

图1 校准基本原理

各个通道的校准系数用公式表达为：

ci=Ciejθi,i=1,2,…,N。

2 传统校准方法

基于DBF的相控阵天线组成框图[10]如图2所示。

DBF相控阵天线总体由三部分组成：天线部分、处理部分和校准源[15]。每个单元通道从天线一直到A/D后的输出，其中的每个环节都会带来不一致性。

传统校准方法将整个通道分为两部分：天线部分和处理部分(如图2所示)，两部分的校准独立进行。处理部分采用闭环的方式，校准源产生校准信号，通过开关馈入处理通道，从A/D后的数据中计算通道间的幅相误差，并产生校准系数。天线部分校准采用开环模式，在远场发射电磁波信号，计算各通道幅相误差。天线部分校准的前提是处理部分的校准已经完成，这样计算结果只是天线部分产生的误差。

图2 相控阵天线组成

传统的校准方法存在如下缺点：

① 两级校准流程复杂；

② 闭环校准时需要独立的自校源设备；

③ 开环校准的操作条件要求很高，设备出厂后难以实现。

3 校准方法改进

利用相控阵天线对低轨卫星进行跟踪接收时，可以用实际卫星信号对各通道整个通路的幅相误差进行一次性校准。校准流程如图3所示。

图3 改进校准流程图

3.1 角度计算

假设相控阵天线水平放置，其经纬度高位置坐标为(ωa,θa,0)，低轨卫星的位置坐标为(ωs,θs,h)。则卫星相对于天线的方位和俯仰角分别为：

方位角AZ=arctan(tanΔω/sinΔθ)，

俯仰角EL=arctan[(cosβ-C)/sinβ)]，

式中， Δω为天线与卫星的经度差；

Δθ为天线与卫星的纬度差；

β=arccos(cosΔω*cosΔθ)；

低轨卫星的动态坐标(ωs,θs,h)可以通过星历获取。

3.2理论相位差计算

假设相控阵天线为方形布阵，阵元间距为d，卫星信号入射的方位角为AZ，俯仰角为EL，如图4所示。

图4 波程差计算示意图

则卫星信号到达阵元O和阵元P之间的路径距离差可以通过下式计算[10]：

l=cos(EL)*(dx*cos(AZ)+dy*sin(AZ))，

式中，dx为OP之间X方向的距离差；dy为OP之间Y方向的距离差。

路径距离差再转换为相位差：

式中，c为光速，3×108m/s；f为接收信号的频率；{ }表示取小数部分。由此OP两阵元间的相位差即可求得。以阵元O为参考点，按这种计算方法可以计算所有其他阵元和阵元O之间的相位差序列ΔΦ,即相控阵天线阵元间相位差的理论值。

3.3 实际幅相误差测量

参考图2，基于DBF的相控阵天线进行阵元间实际相位差测量时，天线各个阵元接收的射频信号经过各自通路，在AD输出端得到N路数据(N为阵元个数)。对N路数据进行FFT运算，并计算各路数据的幅度和相位。然后，仍然以O阵元为参考，计算其他各阵元和O阵元之间的幅度差ΔA′和相位差ΔΦ′。测量值即为考虑到各种影响因素在内的实测幅相误差。