基于雷达的串联接收校正网络和校正方法的研究

2021-02-15宋慧李飞

火控雷达技术 2021年4期

宋慧李飞

(武汉滨湖电子有限责任公司武汉 430205)

0 引言

在微波信号接收通道中包括高放、混频、中放、A/D芯片等模拟器件，不同接收通道由于制造工艺或电器性能的不同，不可避免地存在特性上的差异，带来各通道幅度响应和相位响应的不一致性，每个通道幅度响应和相位响应的不同会造成后续信号处理时，对副瓣对消和数字波束形成(DBF)性能有较大影响，精度较低，进而影响对信号中目标的提取[1]。

现有对不同接收通道相位与幅度校正装置为：校正模块产生1路标准波形，通过功分器产生多路并行波形，并分别送给多个校正网络，多个校正网络输出的信号分别送给多路接收通道，多路接收通道输出的信号分别送给多路AD模块，通过AD模块采集该信号并计算相位与幅度偏移量，从而对接收通道进行幅度和相位的校正。但是对于数百个甚至上千个接收通道来说，需要复杂的功分器，不但需要很大的空间来安装功分器，而且需要成百上千根等长的电缆来连接功分器与校正网络，而为了确保不同接收通道接收的信号一致，需要以最长的为基准，造成每一个分支的线路长、衰减大、成本高。功分器与电缆价格不菲，且安装功分器、连接电缆耗时耗力[2]。

本文提出的串联接收校正网络是一种价格便宜、安装简单的多通道校正装置，便于工程应用。

1 串联接收校正网络

本文提出的串联接收校正网络，包括校正模块、N个校正网络、N个接收通道、N个AD模块，N为自然数，N大于等于2。串联接收校正网络采取串联方式连接，校正网络的各输出端分别连接各接收通道的输入端。

校正模块产生标准波形，并输出给校正网络1，N级校正网络串联在一起，即第1级校正网络输出的信号送给第2级校正网络，第2级校正网络输出的信号送给第3级校正网络，……，第N-1级校正网络输出的信号送给第N级校正网络。每一个校正网络输出口分别对应连接接收通道输入口，接收通道输出口对应连接AD模块，每个接收通道包括移相器、衰减器，AD模块采集对应接收通道信号，AD模块输出与对应的移相器、衰减器连接。串联接收校正网络组成框图如图1所示。

图1 串联接收校正网络组成框图

串联接收校正网络的优点：

1)各级校正网络采用串联方式连接，后级的信号幅度会减小，对后级接收通道进行了保护，无形间增加了设备的寿命，采用以往并联的方式，接收通道极其容易损坏。而采用本发明的装置后，第一个接收通道的可靠性与并联的方式一样，其他接收通道在工作过程中，可靠性大幅提高，极大的降低了设备维修成本。

2)相邻校正网络独立设计，电缆连接可以很短，甚至只需要连接器即可，这样衰减很小，既降低了成本，又能确保可以连接多级校正网络。

3)不需要安装大量的功分器与功分电缆，减少了设备安装工作量。

4)不需要安装大量的功分器与功分电缆，节约了大量的空间与制造成本。

5)不需要安装大量的功分器与功分电缆，减轻了设备重量。

2 串联接收校正方法

校正网络输出口与接收通道输入口连接，当校正模块发送校正信号后，每一个接收通道进行接收相位校正和接收幅度校正，测试每个校正网络的幅度衰减值，如校正网络1至校正网络N的幅度衰减值分别为A1至AN；根据校正网络的幅度衰减值确定每一个AD模块的放大系数[3]。下面介绍各接收通道的校正方法。

接收通道1的校正：校正模块产生标准波形(如正弦波)，经过校正网络1、接收通道1后由AD模块1采集，在AD模块1中对采集的数据进行放大、运算处理并获得相位与幅度误差，根据相位误差值设置移相器校正值，根据幅度误差值设置衰减器校正值，从而实现第1个接收通道的自动校正。

接收通道2的校正：校正模块产生标准波形(如正弦波)，经过校正网络1、校正网络2、接收通道2后由AD模块2采集(幅度小于AD模块1采集的信号值)，在AD模块2中对采集的数据进行放大、运算处理并获得相位与幅度误差，根据相位误差值设置移相器校正值，根据幅度误差值设置衰减器校正值，从而实现第2个接收通道的自动校正。

依次类推，接收通道N的校正：校正模块产生标准波形(如正弦波)，经过校正网络1、校正网络2、校正网络3、……、校正网络N、接收通道N后由AD模块N采集(幅度小于AD模块N-1采集的信号值)，在AD模块N中对采集的数据进行放大、运算处理并获得相位与幅度误差，根据相位误差值设置移相器校正值，根据幅度误差值设置衰减器校正值，从而实现第N个接收通道的自动校正。

3 实验验证

3.1 接收相位校正

进入接收相位校正时序，首先由校正模块产生10μs的正弦波形S(t)(正弦波的长度可以根据实际需要设置)，同时打开所有的接收通道，各路AD模块采集正弦波形S(t)信号。AD模块对采集的信号进行放大。AD模块对信号进行放大原因及要求为：由于各AD模块采集的信号经过的校正网络级数不一致，所以AD模块1至AD模块N，采集的信号幅度依次减小，因为该幅度差异并非接收通道导致，所以各AD模块需要根据各级校正网络的幅度衰减值对采集的信号进行数字放大处理，如AD模块3的放大系数为M3=10A3/10。AD模块数字放大处理的流程图如图2所示。

图2 AD模块数字放大处理流程图

然后进行数字下变频处理[4]，数字下变频处理得到I支路、Q支路值，数字下变频处理的流程图如图3所示。

数字下变频处理的具体步骤如下：

首先由NCO产生的-50MHz的本振信号与A/D变换之后的中频信号进行数字混频，接着进行低通滤波[5]、2倍的数据抽取，然后进行低通滤波、10倍的数据抽取输出10Msps的窄带I/Q数据。

s(t)=a(t)cos[2πf0t+φ(t)]

(1)

其中a(t)为信号的幅度；f0为中频信号的中心频率；φ(t)为信号的相位；信号的带宽为B。

s(t)=a(t)cos[2πf0t+φ(t)]
=Re{a(t)ejφ(t)ej2πf0t}

(2)

其中a(t)ejφ(t)称为信号的复包络，可将其表示为

a(t)ejφ(t)=a(t)cosφ(t)+ja(t)sinφ(t)
=xI(t)+jxQ(t)

(3)

其中，xI(t)和xQ(t)分别称为信号复包络的I支路和Q支路，正是数字变频得到的两个相互正交的分量。

图3 数字下变频处理流程图

图3中所示的上支路(简称I支路)乘法器输出信号为

s(nTS)×2cos(2πf0nTS)
=a(nTS)cos[2πf0nTS+φ(nTS)]×
2cos(2πf0nTS)
=a(nTS)cos[4πf0nTS+φ(nTS)]+
a(nTS)cos(φ(nTS))

(4)

经低通滤波器(LPF)后获得I支路为

xI(nTS)=a(nTS)cosφ(nTS)

(5)

而下支路(简称Q支路)乘法器输出信号为

-s(nTS)×2sin(2πf0nTS)
=-a(nTS)cos[2πf0nTS+φ(nTS)]×
2sin(2πf0nTS)
=-a(nTS)sin[4πf0nTS+φ(nTS)]+
a(nTS)sin(φ(nTS))

(6)

经低通滤波器(LPF)后获得Q支路为

xQ(nTS)=a(nTS)sinφ(nTS)

(7)

3.2 接收幅度校正

进入接收幅度校正时序，首先由校正模块产生10μs的正弦波形S(t)(正弦波的长度可以根据实际需要设置)，同时打开所有的接收通道，各路AD模块采集正弦波形S(t)信号。AD模块对采集的信号进行放大，然后进行数字下变频处理，数字下变频处理得到I支路、Q支路值，求出各通道的接收幅度量

共100点(100点=10MHz×10μs)，取中间80点幅度量的平均值，然后，设置对应的衰减器(本文的衰减器位数为6，其中16为最大衰减量为16dB)，完成接收幅度校正，最后，退出校正时序，恢复正常工作时序。

3.3 系统差测试

在雷达整架以后，需要进行一次系统差的测试，系统差测试图如图4所示，测试每个端口的矢量网络分析仪与测试电缆相同。矢量网络分析仪输出一个扫频信号到校正网络1的输入口上,矢量网络分析仪输入口分别在校正网络1与天线阵子1的连接口处、校正网络2与天线阵子2的连接口处、校正网络3与天线阵子3的连接口处、……、校正网络N与天线阵子N的连接口处测试。将测试频段内的相位系统差和幅度系统差记录下来，并将系统差存入AD模块的FLASH中。