專利名稱：一種星載多波束天線系統(tǒng)發(fā)射通道實(shí)時(shí)校準(zhǔn)系統(tǒng)和方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種星載多波束天線系統(tǒng)發(fā)射通道實(shí)時(shí)校準(zhǔn)測(cè)量方法，特別是涉及使用星載數(shù)字波束形成網(wǎng)絡(luò)(Digital Beam format ion，簡(jiǎn)稱DBF)的天線系統(tǒng)多路發(fā)射通道的實(shí)時(shí)校準(zhǔn)測(cè)量方法。
背景技術(shù)：
隨著通信衛(wèi)星技術(shù)的飛速發(fā)展，星載天線技術(shù)也得到了快速發(fā)展，由于多波束天線具有頻帶利用率高，通信容量大，EIRP值高的特點(diǎn)，已成為新一代大容量通信衛(wèi)星普遍采用的技術(shù)。目前通信衛(wèi)星星上多波束天線的波束形成技術(shù)包括模擬波束形成和數(shù)字波束形成，模擬波束形成技術(shù)采用功率分配器和移相器組成波束形成網(wǎng)絡(luò)，給饋源陣列各個(gè)陣元饋以適當(dāng)?shù)姆群拖辔?，合成各陣元輻射?chǎng)產(chǎn)生不同的波束。數(shù)字波束形成(DBF)技術(shù)在天線波束形成的基礎(chǔ)上，引入先進(jìn)的數(shù)字信號(hào)處理方法，在不改變天線物理狀態(tài)的情況下， 改變天線波束方向圖，形成新的數(shù)字波束，比模擬波束形成技術(shù)具有很大的靈活性，可以提高通信容量，增強(qiáng)頻率復(fù)用效率，實(shí)現(xiàn)精確的波束賦形。在星載多波束天線系統(tǒng)中，多路收發(fā)通道的幅相一致性是實(shí)現(xiàn)天線主要性能的前提，由于衛(wèi)星在軌長(zhǎng)期工作時(shí)，其有源器件將隨工作時(shí)間的增加而逐漸老化，并引起不同通道間信號(hào)幅度和相位的變化，因此需要采用通道校準(zhǔn)技術(shù)來保證多路通道的一致性。過去廣泛應(yīng)用在衛(wèi)星通信系統(tǒng)中的遠(yuǎn)程校準(zhǔn)方法利用星地鏈路獲得校準(zhǔn)因子，再進(jìn)行多路通道的校準(zhǔn)，校準(zhǔn)時(shí)間長(zhǎng)，且容易受到星地鏈路性能的影響。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的技術(shù)解決問題是提供一種星載多波束天線系統(tǒng)發(fā)射通道實(shí)時(shí)校準(zhǔn)系統(tǒng)和方法，能夠?qū)崿F(xiàn)發(fā)射通道的快速實(shí)時(shí)校準(zhǔn)和高精度校準(zhǔn)。本發(fā)明包括如下技術(shù)方案一種星載多波束天線系統(tǒng)發(fā)射通道實(shí)時(shí)校準(zhǔn)系統(tǒng)，所述校準(zhǔn)系統(tǒng)包括發(fā)射系統(tǒng)通道校準(zhǔn)模塊、發(fā)射數(shù)字波束形成網(wǎng)絡(luò)和計(jì)算機(jī)；發(fā)射系統(tǒng)通道校準(zhǔn)模塊包括DDS模塊、A/D 變換模塊、數(shù)字下變頻模塊、控制器，比較模塊、信號(hào)采樣和FFT變換模塊；發(fā)射系統(tǒng)通道校準(zhǔn)模塊的DDS產(chǎn)生初始單頻點(diǎn)射頻信號(hào)，通過A/D變換、數(shù)字下變頻和控制器轉(zhuǎn)換為單頻點(diǎn)數(shù)字信號(hào)；發(fā)射數(shù)字波束形成網(wǎng)絡(luò)接收到單頻點(diǎn)數(shù)字信號(hào)，在原始權(quán)的控制下通過波束加權(quán)、數(shù)字上變頻和D/A變換生成射頻信號(hào)；經(jīng)發(fā)射通道傳輸?shù)纳漕l信號(hào)傳回給發(fā)射系統(tǒng)通道校準(zhǔn)模塊，由所述比較模塊將其與DDS模塊產(chǎn)生的初始單頻點(diǎn)信號(hào)進(jìn)行比較，經(jīng)信號(hào)采樣和FFT變換模塊得到發(fā)射通道的幅度和相位信息；將上述幅度和相位信息輸入給計(jì)算機(jī)獲得各射頻通道校準(zhǔn)權(quán)值；將上述校準(zhǔn)權(quán)值輸入給發(fā)射數(shù)字波束形成網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行權(quán)值更新， 由發(fā)射數(shù)字波束形成網(wǎng)絡(luò)生成補(bǔ)償后的射頻信號(hào)輸出給各射頻通道。一種星載多波束天線系統(tǒng)發(fā)射通道實(shí)時(shí)校準(zhǔn)方法，包括如下步驟
(1)發(fā)射系統(tǒng)通道校準(zhǔn)模塊產(chǎn)生初始單頻點(diǎn)射頻信號(hào)，通過A/D變換、數(shù)字下變頻轉(zhuǎn)換為單頻點(diǎn)數(shù)字信號(hào)；(2)發(fā)射DBF接收到單頻點(diǎn)數(shù)字信號(hào)，在原始權(quán)的控制下通過波束加權(quán)、數(shù)字上變頻和D/A變換生成射頻信號(hào)；(3)經(jīng)發(fā)射通道傳輸?shù)纳漕l信號(hào)傳回給發(fā)射系統(tǒng)通道校準(zhǔn)模塊，將其與所述初始單頻點(diǎn)信號(hào)進(jìn)行比較，再進(jìn)行信號(hào)采樣和FFT變換，得到發(fā)射通道的幅度和相位信息；(4)將上述幅度和相位信息輸入給計(jì)算機(jī)獲得各射頻通道校準(zhǔn)權(quán)值；(5)將上述校準(zhǔn)權(quán)值輸入給發(fā)射DBF進(jìn)行權(quán)值更新，最后由發(fā)射DBF生成補(bǔ)償后的射頻信號(hào)輸出給各射頻通道，實(shí)現(xiàn)通道校準(zhǔn)。對(duì)星載多波束天線系統(tǒng)多路發(fā)射通道進(jìn)行分級(jí)校準(zhǔn)，首先進(jìn)行發(fā)射DBF和發(fā)射機(jī)級(jí)聯(lián)后的發(fā)射通道校準(zhǔn)；然后，將發(fā)射機(jī)與Butler矩陣相連構(gòu)成完整的發(fā)射通道，進(jìn)行整個(gè)發(fā)射通道的校準(zhǔn)。本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比，具有如下優(yōu)點(diǎn)(1)本發(fā)明采用星載DBF和通道校準(zhǔn)模塊組成星上校準(zhǔn)系統(tǒng)，通過計(jì)算機(jī)遙控發(fā)出校準(zhǔn)指令，對(duì)各射頻通道進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)和校準(zhǔn)；這種校準(zhǔn)測(cè)量方法避免了星地鏈路遠(yuǎn)程校準(zhǔn)時(shí)間長(zhǎng)和易受鏈路影響的缺點(diǎn)。本發(fā)明適用于星載數(shù)字多波束天線系統(tǒng)在軌長(zhǎng)期工作的狀態(tài)，由于衛(wèi)星有源器件隨工作時(shí)間的增加而逐漸老化，引起不同通道間信號(hào)幅度和相位的變化，本發(fā)明可以對(duì)通道性能進(jìn)行實(shí)時(shí)檢測(cè)并進(jìn)行校準(zhǔn)，比星地鏈路遠(yuǎn)程校準(zhǔn)的精度和效率高，具有很強(qiáng)的實(shí)用性。(2)本發(fā)明對(duì)星載多波束天線系統(tǒng)多路發(fā)射通道進(jìn)行分級(jí)校準(zhǔn)測(cè)量，降低了校準(zhǔn)測(cè)量難度，嚴(yán)格控制了各通道的幅度相位誤差。


圖1為S頻段星載多波束天線系統(tǒng)組成框圖；圖2為本發(fā)明具體應(yīng)用的發(fā)射通道模型；圖3為本發(fā)明校準(zhǔn)系統(tǒng)模型；圖4為本發(fā)明分級(jí)校準(zhǔn)原理框圖；圖5為本發(fā)明整體校準(zhǔn)原理框圖。
具體實(shí)施例方式如圖1所示，S頻段星載多波束天線系統(tǒng)共有64路發(fā)射通道和64路接收通道， 64路發(fā)射通道由發(fā)射數(shù)字波束形成網(wǎng)絡(luò)(DBF)、多通道混合放大矩陣(Multiport Power Amplify, MPA)組成，發(fā)射信號(hào)經(jīng)過發(fā)射DBF將信號(hào)在數(shù)字域進(jìn)行波束加權(quán)，然后轉(zhuǎn)換為模擬信號(hào)，通過MPA將信號(hào)按照要求輸送到規(guī)定的輻射單元，經(jīng)天線在空間形成波束。多波束天線系統(tǒng)64路發(fā)射通道模型如圖2所示，在發(fā)射通道正常工作期間，發(fā)射系統(tǒng)通道校準(zhǔn)模塊產(chǎn)生S頻段單頻點(diǎn)數(shù)字信號(hào)，輸出給發(fā)射DBF ；發(fā)射DBF通過波束加權(quán)和信號(hào)處理轉(zhuǎn)換成射頻信號(hào)，傳輸給發(fā)射機(jī)；發(fā)射機(jī)將射頻信號(hào)進(jìn)行上變頻和功率放大輸出至對(duì)應(yīng)的輻射單元。星載數(shù)字多波束天線系統(tǒng)在軌長(zhǎng)期工作時(shí)，由于衛(wèi)星有源器件隨工作時(shí)間的增加而逐漸老化，引起不同通道間信號(hào)幅度和相位的變化。本發(fā)明利用星載DBF系統(tǒng)的靈活可變性，給DBF網(wǎng)絡(luò)注入校準(zhǔn)測(cè)試信號(hào)，通過信號(hào)處理獲得通道校準(zhǔn)因子，然后由DBF產(chǎn)生校準(zhǔn)后的通道權(quán)值信號(hào)，就可以快速的完成通道校準(zhǔn)，這種方法不受星地鏈路影響，校準(zhǔn)精度高，且能夠?qū)崿F(xiàn)星上實(shí)時(shí)校準(zhǔn)。以下結(jié)合附圖具體說明本發(fā)明的設(shè)計(jì)。1、校準(zhǔn)系統(tǒng)模型本發(fā)明如圖3所示多路發(fā)射通道校準(zhǔn)系統(tǒng)包括發(fā)射DBF和發(fā)射系統(tǒng)通道校準(zhǔn)模塊，首先，發(fā)射系統(tǒng)通道校準(zhǔn)模塊的直接數(shù)字頻率合成(DDQ模塊產(chǎn)生初始單頻點(diǎn)射頻信號(hào)，在同步時(shí)鐘信號(hào)的控制下，通過A/D變換、數(shù)字下變頻和控制器等轉(zhuǎn)換為單頻點(diǎn)數(shù)字信號(hào)；然后，發(fā)射DBF接收到單頻數(shù)字信號(hào)，在原始權(quán)的控制下通過波束加權(quán)、數(shù)字上變頻和 D/A變換生成射頻信號(hào)；最后，經(jīng)發(fā)射通道傳輸?shù)纳漕l信號(hào)傳回給發(fā)射系統(tǒng)通道校準(zhǔn)模塊， 由比較單元將其與DDS產(chǎn)生的初始信號(hào)進(jìn)行比較，再進(jìn)行信號(hào)采樣和FFT變換，得到發(fā)射通道的幅度和相位信息。對(duì)測(cè)量到的各射頻通道性能差值進(jìn)行數(shù)字采樣和FFT變換處理，可以準(zhǔn)確獲得各通道幅度和相位差值，保證了校準(zhǔn)測(cè)量的準(zhǔn)確度。按照上述過程對(duì)64路發(fā)射通道逐個(gè)進(jìn)行測(cè)試，將得到的發(fā)射通道的幅度和相位信息輸入給計(jì)算機(jī)，通過比幅比相處理得到64路通道的歸一化幅度相位差值，將其作為各射頻通道的幅度相位校準(zhǔn)權(quán)值輸入給發(fā)射DBF進(jìn)行權(quán)值更新，最后由發(fā)射DBF生成補(bǔ)償后的射頻信號(hào)輸出給各射頻通道，完成通道校準(zhǔn)。當(dāng)發(fā)射通道工作過一段時(shí)間后，環(huán)境溫度的變化會(huì)使通道一致性變差，可以通過此校準(zhǔn)測(cè)量系統(tǒng)對(duì)通道一致性進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)和校準(zhǔn)。本發(fā)明校準(zhǔn)系統(tǒng)具有A/D、D/A變換功能，可以直接對(duì)輸出的數(shù)字信號(hào)流和輸入的射頻信號(hào)進(jìn)行比較得到通道幅度相位傳輸特性，提高了校準(zhǔn)效率。2、發(fā)射通道分級(jí)校準(zhǔn)發(fā)射機(jī)和發(fā)射DBF級(jí)聯(lián)后的通道校準(zhǔn)測(cè)量原理框圖如圖4所示，首先發(fā)射通道校準(zhǔn)模塊產(chǎn)生S頻段單頻點(diǎn)數(shù)字信號(hào)，輸出給發(fā)射DBF ；發(fā)射DBF通過波束加權(quán)和信號(hào)處理生成64路射頻信號(hào)，輸出給發(fā)射機(jī)；發(fā)射機(jī)經(jīng)過上變頻和功率放大輸出最終的射頻信號(hào)，測(cè)量時(shí)加入30dB功率衰減器對(duì)功率衰減，再通過混頻器下變頻，最后將射頻信號(hào)送回至發(fā)射通道校準(zhǔn)模塊，進(jìn)行輸入輸出信號(hào)比較，再進(jìn)行信號(hào)采樣和FFT變換，得到發(fā)射通道的幅度和相位信息；計(jì)算機(jī)獲得此信息后進(jìn)行處理生成各通道校準(zhǔn)權(quán)值，并輸出給發(fā)射DBF，最后由發(fā)射DBF將補(bǔ)償后的射頻信號(hào)輸出給各通道，完成通道校準(zhǔn)。校準(zhǔn)步驟為(1)首先測(cè)試1號(hào)通道傳輸信號(hào)的幅度相位值，以該通道為基準(zhǔn)對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行歸一化處理；(2)然后測(cè)試其他63路通道與基準(zhǔn)通道之間的相對(duì)幅度相位差值；(3)再根據(jù)測(cè)試結(jié)果，由校準(zhǔn)系統(tǒng)生成補(bǔ)償信號(hào)，進(jìn)行63路通道幅度相位補(bǔ)償，完成通道校準(zhǔn)；(4)最后重復(fù)第一、二步驗(yàn)證校準(zhǔn)后的64路發(fā)射通道幅度相位一致性。3、發(fā)射通道整體校準(zhǔn)在發(fā)射機(jī)和發(fā)射DBF級(jí)聯(lián)通道校準(zhǔn)完成后，與Butler矩陣連接組成完整的發(fā)射通道，然后進(jìn)行64路發(fā)射通道校準(zhǔn)測(cè)量，如圖5所示。首先發(fā)射通道校準(zhǔn)模塊產(chǎn)生S頻段單頻點(diǎn)數(shù)字信號(hào)，輸出給發(fā)射DBF ；發(fā)射DBF通過波束加權(quán)和信號(hào)處理生成64路射頻信號(hào)，輸出給MPA ；MPA網(wǎng)絡(luò)將信號(hào)混合放大后由8個(gè)8 X 8Butler矩陣的64個(gè)端口輸出最終的射頻信號(hào)，同樣加入30dB功率衰減器對(duì)功率衰減，再通過混頻器下變頻，最后將射頻信號(hào)送回至發(fā)射通道校準(zhǔn)模塊，進(jìn)行輸入輸出信號(hào)比較，計(jì)算機(jī)獲得此信息后進(jìn)行處理生成各通道補(bǔ)償權(quán)值，并輸出給發(fā)射DBF，最后由發(fā)射DBF將補(bǔ)償后的射頻信號(hào)輸出給各發(fā)射通道，完成多路發(fā)射通道校準(zhǔn)。校準(zhǔn)步驟為(1)首先測(cè)試1號(hào)Butler矩陣的1號(hào)輸出口信號(hào)的幅度相位值，以該通道為基準(zhǔn)對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行歸一化處理；(2)然后測(cè)試1號(hào)至8號(hào)Butler矩陣剩余的63個(gè)輸出口與基準(zhǔn)通道之間的相對(duì)幅度相位差值；(3)再根據(jù)測(cè)試結(jié)果，由校準(zhǔn)系統(tǒng)生成補(bǔ)償信號(hào)，進(jìn)行63路發(fā)射通道幅度相位補(bǔ)償，完成多路發(fā)射通道校準(zhǔn)；(4)最后重復(fù)第一、二步驗(yàn)證校準(zhǔn)后的64路發(fā)射通道幅度相位一致性。對(duì)S頻段星載多波束天線系統(tǒng)多路發(fā)射通道進(jìn)行分級(jí)校準(zhǔn)測(cè)量，有益于考核通道各部分單機(jī)級(jí)聯(lián)前后的實(shí)際性能，避免各級(jí)累加后發(fā)射通道的幅相誤差過大而增加校準(zhǔn)測(cè)量的難度，使校準(zhǔn)測(cè)量結(jié)果更好的滿足多波束天線系統(tǒng)的要求。本發(fā)明的測(cè)試試驗(yàn)結(jié)果如下64路發(fā)射通道校準(zhǔn)測(cè)量結(jié)果與通道一致性要求的符合情況如表1所示，可見，本發(fā)明能夠滿足多波束天線系統(tǒng)的校準(zhǔn)要求。表1 64路發(fā)射通道幅相一致性符合表
權(quán)利要求
1.一種星載多波束天線系統(tǒng)發(fā)射通道實(shí)時(shí)校準(zhǔn)系統(tǒng)，其特征在于所述校準(zhǔn)系統(tǒng)包括發(fā)射系統(tǒng)通道校準(zhǔn)模塊、發(fā)射數(shù)字波束形成網(wǎng)絡(luò)和計(jì)算機(jī)；發(fā)射系統(tǒng)通道校準(zhǔn)模塊包括 DDS模塊、A/D變換模塊、數(shù)字下變頻模塊、控制器，比較模塊、信號(hào)采樣和FFT變換模塊；發(fā)射系統(tǒng)通道校準(zhǔn)模塊的DDS模塊產(chǎn)生初始單頻點(diǎn)射頻信號(hào)，通過A/D變換、數(shù)字下變頻和控制器轉(zhuǎn)換為單頻點(diǎn)數(shù)字信號(hào)；發(fā)射數(shù)字波束形成網(wǎng)絡(luò)接收到單頻點(diǎn)數(shù)字信號(hào)，在原始權(quán)的控制下通過波束加權(quán)、數(shù)字上變頻和D/A變換生成射頻信號(hào)；經(jīng)發(fā)射通道傳輸?shù)纳漕l信號(hào)傳回給發(fā)射系統(tǒng)通道校準(zhǔn)模塊，由所述比較模塊將其與DDS模塊產(chǎn)生的初始單頻點(diǎn)信號(hào)進(jìn)行比較，經(jīng)信號(hào)采樣和FFT變換模塊得到發(fā)射通道的幅度和相位信息；將上述幅度和相位信息輸入給計(jì)算機(jī)獲得各射頻通道校準(zhǔn)權(quán)值；將上述校準(zhǔn)權(quán)值輸入給發(fā)射數(shù)字波束形成網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行權(quán)值更新，由發(fā)射數(shù)字波束形成網(wǎng)絡(luò)生成補(bǔ)償后的射頻信號(hào)輸出給各射頻通道。
2.如權(quán)利要求1所述的星載多波束天線系統(tǒng)發(fā)射通道實(shí)時(shí)校準(zhǔn)系統(tǒng)，其特征在于所述校準(zhǔn)系統(tǒng)還包括混頻器，通過混頻器將發(fā)射通道傳輸?shù)纳漕l信號(hào)傳回給發(fā)射系統(tǒng)通道校準(zhǔn)模塊。
3.一種星載多波束天線系統(tǒng)發(fā)射通道實(shí)時(shí)校準(zhǔn)方法，其特征在于，包括如下步驟(1)發(fā)射系統(tǒng)通道校準(zhǔn)模塊產(chǎn)生初始單頻點(diǎn)射頻信號(hào)，通過A/D變換、數(shù)字下變頻轉(zhuǎn)換為單頻點(diǎn)數(shù)字信號(hào)；(2)發(fā)射DBF接收到單頻點(diǎn)數(shù)字信號(hào)，在原始權(quán)的控制下通過波束加權(quán)、數(shù)字上變頻和 D/A變換生成射頻信號(hào)；(3)經(jīng)發(fā)射通道傳輸?shù)纳漕l信號(hào)傳回給發(fā)射系統(tǒng)通道校準(zhǔn)模塊，將其與所述初始單頻點(diǎn)信號(hào)進(jìn)行比較，再進(jìn)行信號(hào)采樣和FFT變換，得到發(fā)射通道的幅度和相位信息；(4)將上述幅度和相位信息輸入給計(jì)算機(jī)獲得各射頻通道校準(zhǔn)權(quán)值；(5)將上述校準(zhǔn)權(quán)值輸入給發(fā)射DBF進(jìn)行權(quán)值更新，最后由發(fā)射DBF生成補(bǔ)償后的射頻信號(hào)輸出給各射頻通道，實(shí)現(xiàn)通道校準(zhǔn)。
4.如權(quán)利要求3所述的星載多波束天線系統(tǒng)發(fā)射通道實(shí)時(shí)校準(zhǔn)方法，其特征在于對(duì)星載多波束天線系統(tǒng)多路發(fā)射通道進(jìn)行分級(jí)校準(zhǔn)，首先進(jìn)行發(fā)射DBF和發(fā)射機(jī)級(jí)聯(lián)后的發(fā)射通道校準(zhǔn)；然后，將發(fā)射機(jī)與Butler矩陣相連構(gòu)成完整的發(fā)射通道，進(jìn)行整個(gè)發(fā)射通道的校準(zhǔn)。
全文摘要
一種星載多波束天線系統(tǒng)發(fā)射通道實(shí)時(shí)校準(zhǔn)系統(tǒng)和方法，發(fā)射系統(tǒng)通道校準(zhǔn)模塊產(chǎn)生初始單頻點(diǎn)射頻信號(hào)，通過A/D變換、數(shù)字下變頻和控制器轉(zhuǎn)換為單頻點(diǎn)數(shù)字信號(hào)；發(fā)射DBF接收到單頻點(diǎn)數(shù)字信號(hào)，在原始權(quán)的控制下通過波束加權(quán)、數(shù)字上變頻和D/A變換生成射頻信號(hào)；經(jīng)發(fā)射通道傳輸?shù)纳漕l信號(hào)傳回給發(fā)射系統(tǒng)通道校準(zhǔn)模塊，將其與初始單頻點(diǎn)信號(hào)進(jìn)行比較，經(jīng)信號(hào)采樣和FFT變換模塊得到發(fā)射通道的幅度和相位信息；將上述幅度和相位信息輸入給計(jì)算機(jī)獲得各射頻通道校準(zhǔn)權(quán)值；將上述校準(zhǔn)權(quán)值輸入給發(fā)射DBF進(jìn)行權(quán)值更新，由發(fā)射DBF生成補(bǔ)償后的射頻信號(hào)輸出給各射頻通道。本發(fā)明可以對(duì)通道性能進(jìn)行實(shí)時(shí)檢測(cè)并進(jìn)行校準(zhǔn)，校準(zhǔn)的精度和效率高，具有很強(qiáng)的實(shí)用性。
文檔編號(hào)H04B7/185GK102394679SQ20111029135
公開日2012年3月28日 申請(qǐng)日期2011年9月29日 優(yōu)先權(quán)日2011年9月29日
發(fā)明者周蘭蘭, 張傳林, 張蕾, 曹多禮, 樓大年, 王志華 申請(qǐng)人:西安空間無(wú)線電技術(shù)研究所