基于雷達的串聯接收校正網絡和校正方法的研究

宋 慧 李 飛

(武漢濱湖電子有限責任公司 武漢 430205)

0 引言

在微波信號接收通道中包括高放、混頻、中放、A/D芯片等模擬器件，不同接收通道由于制造工藝或電器性能的不同，不可避免地存在特性上的差異，帶來各通道幅度響應和相位響應的不一致性，每個通道幅度響應和相位響應的不同會造成后續信號處理時，對副瓣對消和數字波束形成(DBF)性能有較大影響，精度較低，進而影響對信號中目標的提取[1]。

現有對不同接收通道相位與幅度校正裝置為：校正模塊產生1路標準波形，通過功分器產生多路并行波形，并分別送給多個校正網絡，多個校正網絡輸出的信號分別送給多路接收通道，多路接收通道輸出的信號分別送給多路AD模塊，通過AD模塊采集該信號并計算相位與幅度偏移量，從而對接收通道進行幅度和相位的校正。但是對于數百個甚至上千個接收通道來說，需要復雜的功分器，不但需要很大的空間來安裝功分器，而且需要成百上千根等長的電纜來連接功分器與校正網絡，而為了確保不同接收通道接收的信號一致，需要以最長的為基準，造成每一個分支的線路長、衰減大、成本高。功分器與電纜價格不菲，且安裝功分器、連接電纜耗時耗力[2]。

本文提出的串聯接收校正網絡是一種價格便宜、安裝簡單的多通道校正裝置，便于工程應用。

1 串聯接收校正網絡

本文提出的串聯接收校正網絡，包括校正模塊、N個校正網絡、N個接收通道、N個AD模塊，N為自然數，N大于等于2。串聯接收校正網絡采取串聯方式連接，校正網絡的各輸出端分別連接各接收通道的輸入端。

校正模塊產生標準波形，并輸出給校正網絡1，N級校正網絡串聯在一起，即第1級校正網絡輸出的信號送給第2級校正網絡，第2級校正網絡輸出的信號送給第3級校正網絡，……，第N-1級校正網絡輸出的信號送給第N級校正網絡。每一個校正網絡輸出口分別對應連接接收通道輸入口，接收通道輸出口對應連接AD模塊，每個接收通道包括移相器、衰減器，AD模塊采集對應接收通道信號，AD模塊輸出與對應的移相器、衰減器連接。串聯接收校正網絡組成框圖如圖1所示。

圖1 串聯接收校正網絡組成框圖

串聯接收校正網絡的優點：

1)各級校正網絡采用串聯方式連接，后級的信號幅度會減小，對后級接收通道進行了保護，無形間增加了設備的壽命，采用以往并聯的方式，接收通道極其容易損壞。而采用本發明的裝置后，第一個接收通道的可靠性與并聯的方式一樣，其他接收通道在工作過程中，可靠性大幅提高，極大的降低了設備維修成本。

2)相鄰校正網絡獨立設計，電纜連接可以很短，甚至只需要連接器即可，這樣衰減很小，既降低了成本，又能確保可以連接多級校正網絡。

3)不需要安裝大量的功分器與功分電纜，減少了設備安裝工作量。

4)不需要安裝大量的功分器與功分電纜，節約了大量的空間與制造成本。

5)不需要安裝大量的功分器與功分電纜，減輕了設備重量。

2 串聯接收校正方法

校正網絡輸出口與接收通道輸入口連接，當校正模塊發送校正信號后，每一個接收通道進行接收相位校正和接收幅度校正，測試每個校正網絡的幅度衰減值，如校正網絡1至校正網絡N的幅度衰減值分別為A1至AN；根據校正網絡的幅度衰減值確定每一個AD模塊的放大系數[3]。下面介紹各接收通道的校正方法。

接收通道1的校正：校正模塊產生標準波形(如正弦波)，經過校正網絡1、接收通道1后由AD模塊1采集，在AD模塊1中對采集的數據進行放大、運算處理并獲得相位與幅度誤差，根據相位誤差值設置移相器校正值，根據幅度誤差值設置衰減器校正值，從而實現第1個接收通道的自動校正。

接收通道2的校正：校正模塊產生標準波形(如正弦波)，經過校正網絡1、校正網絡2、接收通道2后由AD模塊2采集(幅度小于AD模塊1采集的信號值)，在AD模塊2中對采集的數據進行放大、運算處理并獲得相位與幅度誤差，根據相位誤差值設置移相器校正值，根據幅度誤差值設置衰減器校正值，從而實現第2個接收通道的自動校正。

依次類推，接收通道N的校正：校正模塊產生標準波形(如正弦波)，經過校正網絡1、校正網絡2、校正網絡3、……、校正網絡N、接收通道N后由AD模塊N采集(幅度小于AD模塊N-1采集的信號值)，在AD模塊N中對采集的數據進行放大、運算處理并獲得相位與幅度誤差，根據相位誤差值設置移相器校正值，根據幅度誤差值設置衰減器校正值，從而實現第N個接收通道的自動校正。

3 實驗驗證

3.1 接收相位校正

進入接收相位校正時序，首先由校正模塊產生10μs的正弦波形S(t)(正弦波的長度可以根據實際需要設置)，同時打開所有的接收通道，各路AD模塊采集正弦波形S(t)信號。AD模塊對采集的信號進行放大。AD模塊對信號進行放大原因及要求為：由于各AD模塊采集的信號經過的校正網絡級數不一致，所以AD模塊1至AD模塊N，采集的信號幅度依次減小，因為該幅度差異并非接收通道導致，所以各AD模塊需要根據各級校正網絡的幅度衰減值對采集的信號進行數字放大處理，如AD模塊3的放大系數為M3=10A3/10。AD模塊數字放大處理的流程圖如圖2所示。

圖2 AD模塊數字放大處理流程圖

然后進行數字下變頻處理[4]，數字下變頻處理得到I支路、Q支路值，數字下變頻處理的流程圖如圖3所示。

數字下變頻處理的具體步驟如下：

首先由NCO產生的-50MHz的本振信號與A/D變換之后的中頻信號進行數字混頻，接著進行低通濾波[5]、2倍的數據抽取，然后進行低通濾波、10倍的數據抽取輸出10Msps的窄帶I/Q數據。

s(t)=a(t)cos[2πf0t+φ(t)]

(1)

其中a(t)為信號的幅度；f0為中頻信號的中心頻率；φ(t)為信號的相位；信號的帶寬為B。

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

(2)

其中a(t)ejφ(t)稱為信號的復包絡，可將其表示為

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

(3)

其中，xI(t)和xQ(t)分別稱為信號復包絡的I支路和Q支路，正是數字變頻得到的兩個相互正交的分量。

圖3 數字下變頻處理流程圖

圖3中所示的上支路(簡稱I支路)乘法器輸出信號為

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

(4)

經低通濾波器(LPF)后獲得I支路為

xI(nTS)=a(nTS)cosφ(nTS)

(5)

而下支路(簡稱Q支路)乘法器輸出信號為

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

(6)

經低通濾波器(LPF)后獲得Q支路為

xQ(nTS)=a(nTS)sinφ(nTS)

(7)

3.2 接收幅度校正

進入接收幅度校正時序，首先由校正模塊產生10μs的正弦波形S(t)(正弦波的長度可以根據實際需要設置)，同時打開所有的接收通道，各路AD模塊采集正弦波形S(t)信號。AD模塊對采集的信號進行放大，然后進行數字下變頻處理，數字下變頻處理得到I支路、Q支路值，求出各通道的接收幅度量

共100點(100點=10MHz×10μs)，取中間80點幅度量的平均值，然后，設置對應的衰減器(本文的衰減器位數為6，其中16為最大衰減量為16dB)，完成接收幅度校正，最后，退出校正時序，恢復正常工作時序。

3.3 系統差測試

在雷達整架以后，需要進行一次系統差的測試，系統差測試圖如圖4所示，測試每個端口的矢量網絡分析儀與測試電纜相同。矢量網絡分析儀輸出一個掃頻信號到校正網絡1的輸入口上,矢量網絡分析儀輸入口分別在校正網絡1與天線陣子1的連接口處、校正網絡2與天線陣子2的連接口處、校正網絡3與天線陣子3的連接口處、……、校正網絡N與天線陣子N的連接口處測試。將測試頻段內的相位系統差和幅度系統差記錄下來，并將系統差存入AD模塊的FLASH中。

圖4 系統差測試圖

3.4 接收相位/幅度補償效果

接收相位校正或接收幅度校正完成后，AD模塊的相位值補償：減去相位校正值，并加上相位系統差值；AD模塊的幅度值補償：減去幅度校正值，并加上幅度系統差值，從而實現對N個接收通道的自動校正。

串聯接收校正前后波形的對比如圖5所示，校正前波形相位和幅度都不同，先校正相位，然后再校正幅度。在具體操作時，也可以先校正幅度，后校正相位。

圖5 校正前后波形對比圖

4 結束語