一种PAF接收机方向图的波束合成方法

电气元件制品的制造及其应用技术一种paf接收机方向图的波束合成方法技术领域1.本发明涉及一种paf接收机方向图的波束合成方法，专门用于射电天文领域相控阵馈源接收机的模拟波束合成技术。背景技术：2.相控阵馈源(phased array feed，paf)是近些年在射电天文领域中一项热门的接收机技术，其是利用反射面望远镜结合波束合成技术在天空形成多个连续波束的焦平面阵列技术。paf接收机一般在射电望远镜的焦平面上以矩形、六边形等方式排布电小天线单元阵列，通过波束合成对各个阵元施加不同的激励调控各个阵元的幅度与相位，实际就是焦平面上一个小型的相控阵天线。天线的相位中心紧密相邻，波束相互重叠，从而能够对焦平面区域进行完全采样，提供连续视场以提高巡天效率，从而解决了传统多波束接收机因馈源相互分立而不能实现真正意义上的连续大视场的问题。3.与传统相控阵不同，paf接收机是被放置在射电望远镜焦平面处，用来接收反射面汇聚信号的天线阵列，期望利用paf阵列来尽可能的还原反射面天线在焦面场的信息。因此，在paf接收机阵列设计时，首先需要分析反射面天线在对应工作频率下焦面场的大小及具体分布，以此将paf阵列以一定排列方式放置在该区域内，最终结合阵列后级的波束合成网络来实现方向图的合成。4.波束合成是一种信号处理技术，它利用优化算法为各个阵列单元提供权值，按照需求改变阵列方向图，在期望方向形成尖锐的波束而在干扰方向形成零陷，从而有效地抑制干扰和噪声，使得阵列天线的输出尽可能的接近目标信号。在射电天文领域，使用paf接收机最大优势就是可以利用波束合成赋权形成期望的方向图功能。5.paf接收机所采用的波束合成网络主要分为模拟及数字两种方式。其中，模拟方式主要由各阵元天线后级的移相器和衰减器构成，通过上述两个器件调整各路信号的相位及幅度权值，结合后级合路器最终实现信号合成功能。数字方式是将各阵元天线输出的信号直接进行模数转换，再将各信号的数字量进行赋权并实现信号合成功能。比起模拟波束合成网络，数字方式更为灵活可靠，独特优势在于可对paf接收机各阵元进行复用，即对单个阵元采取多种赋权方式，使其可以参与到多个合成的波束中去，已达到瞬时形成多个波束的功能。二者相比，数字波束合成网络最大的弊端是成本问题，对于当前主流的上百阵元组成的paf接收机来说，对应具备多路高速数据处理能力的数字终端价格昂贵，如果处理带宽需求更宽，成本还会成倍增加，另外还涉及进口采购等相关问题。模拟波束合成网络也是paf接收机波束合成所采取的常规方式，主要应用于阵列设计加工完成后的性能验证等方面，因为数字的方法并不专注各阵元链路的性能，而模拟的方法则可以准确测试及调控各链路的具体参数。技术实现要素：6.本发明的目的在于，提供一种paf接收机方向图的波束合成方法，该方法首先在paf接收机每个阵元后级依次连接一个移相器、衰减器，以及高速射频开关，之后将各个阵元经高速射频开关调制后的多路信号汇总至功分器，并最终输出一路波束合成后的paf接收机信号。其中，移相器用作将各路信号调整为一致的相位，衰减器用作将各路信号调整为一致的幅度，之后通过设定好的时序信号，控制各个高速射频开关的工作时间，以此达到控制各个阵元激励的目的，从而合成了满足paf接收机需求的波束方向图。该方法在使用时仅需调控各阵元对应高速射频开关的通断，便可实现多样化的方向图，且在paf接收机阵列输出端幅相一致性较好时，可直接移除传统模拟波束合成中所必须的移相器和衰减器，直接应用于射电天文领域paf接收机的模拟波束合成系统。7.本发明所述的一种paf接收机方向图的波束合成方法，该方法通过在paf接收机每个阵元后级依次连接移相器、衰减器，以及高速射频开关，之后将各个阵元经高速射频开关调制后的多路信号汇总至功分器，并最终输出一路波束合成后的paf接收机信号，具体操作按下列步骤进行：8.a、测试paf接收机各个阵元在对应工作频率下输出信号的相位，使用各阵元链路上的移相器将各路信号调整为相位相等；9.b、待步骤a完成后，在paf接收机各阵元链路的移相器处于工作状态下，测试paf接收机各个阵元在对应工作频率下添加移相器后输出信号的幅度，使用各阵元链路上的衰减器将各路信号调整为幅度相等；10.c、待步骤b完成后，在paf接收机各阵元链路的移相器、衰减器均处于工作状态下，按照需求的波束方向图设计各阵元开关闭合时间序列，控制paf接收机各阵元链路后级的高速射频开关，调制各个阵元在一个周期范围内工作时间；11.d、步骤c完成后，将paf接收机经各路高速射频开关调制后的信号合路至功分器，并最终输出一路满足方向图预设需求的合成信号，以实现paf接收机的模拟波束合成。12.本发明所述的一种paf接收机方向图的波束合成方法，该方法中：13.所述的移相器，仅用于将paf接收机阵列各阵元输出信号的相位调整为一致，为后级链路提供多路等相位角度的信号。由于阵列在实际加工之后，各阵元输出的信号存在一定差异，这和加工精度、馈电端口焊接、接头性能等均有关系，因此导致各路信号相位不一致。本发明所述的移相器正是为了在实际应用中调平各路相位差，而并非传统模拟波束合成网络中用于调控各阵元输出信号的相位间隔固定度数、实现合成后的波束指向不同角度的功能；14.所述的衰减器，仅用于将paf接收机阵列各阵元输出信号的幅度调整为一致，为后级链路提供多路等幅度的信号。原因如同上段移相器内容中所述，主要用于在实际应用中将阵列各路信号幅度调整为等幅度值，而并非传统模拟波束合成网络中用于调控各阵元输出信号的幅度、实现合成不同增益及旁瓣等需求波束的功能；15.所述的高速射频开关，是本发明所述方法中的核心器件，paf接收机最终合成所需的方向图的各路信号激励即是通过高速射频开关实现的。阵列的各路信号经移相器和衰减器调整为等幅同相信号后，通过为连接在后级的高速射频开关引入一个各阵元开关闭合时间序列，调制各个阵元在一个周期范围内工作时间，以此对各路信号的幅度增加了一项时间控制因子，将各阵元的幅度激励转变为时间激励，最后再经功分器合成时间激励后的各路信号以实现设计的波束方向图，从而使得方向图合成变的更加灵活。16.本发明所述的一种paf接收机方向图的波束合成方法，该方法优点在于：各阵元在波束合成时的赋权激励无需依赖移相器和衰减器，仅需使用设计好的时间序列控制各路高速射频开关通断，即可实现各阵元信号幅度的精确激励，以最终实现理想的方向图。本发明很好的解决了由于移相器及衰减器精度不够而造成的各路激励赋权误差，尤其是在合成低副瓣电平的方向图时，传统模拟波束合成系统需要衰减器可以实现较大的幅度动态范围，故可能会面临中心阵元与边缘阵元电平之比在100以上的情况，这在实际衰减器选型中很难实现；而本方法则可以通过引入时间序列精确控制各路高速射频开关的通断时间，以实现各路信号精确的幅度调控，使得最终方向图的合成具备更为灵活的自由度及准确性，很好的应用于射电天文领域paf接收机的模拟波束合成系统。附图说明17.图1为本发明流程图；18.图2为16阵元paf线阵合成-25db旁瓣泰勒分布时序控制图；19.图3为-25db旁瓣泰勒分布的16阵元paf线阵合成方向图；20.图4为-25db旁瓣泰勒分布的16阵元paf线阵结合25米反射面合成方向图。具体实施方式21.实施例22.本发明所述的一种paf接收机方向图的波束合成方法，该方法通过在paf接收机每个阵元后级依次连接一个移相器、衰减器，以及高速射频开关，之后将各个阵元经高速射频开关调制后的多路信号汇总至功分器，并最终输出一路波束合成后的paf接收机信号，具体操作按下列步骤进行：23.a、测试paf接收机各个阵元在对应工作频率下输出信号的相位，使用各阵元链路上的移相器将各路信号调整为相位相等；24.b、待步骤a完成后，在paf接收机各阵元链路的移相器处于工作状态下，测试paf接收机各个阵元在对应工作频率下添加移相器后输出信号的幅度，使用各阵元链路上的衰减器将各路信号调整为幅度相等；25.c、待步骤b完成后，在paf接收机各阵元链路的移相器、衰减器均处于工作状态下，按照需求的波束方向图设计各阵元开关闭合时间序列，控制paf接收机各阵元链路后级的高速射频开关，调制各个阵元在一个周期范围内工作时间；26.d、步骤c完成后，将paf接收机经各路高速射频开关调制后的信号合路至功分器，并最终输出一路满足方向图预设需求的合成信号，以实现paf接收机的模拟波束合成；27.参见附图2-图4：28.a、使用矢量网络分析仪测试16阵元线阵paf接收机在1.25ghz工作频率下各阵元输出信号的相位，使用各阵元链路上的移相器将各路信号调整为相位相等；29.b、步骤a完成后，在paf接收机各阵元链路的移相器处于工作状态下，使用矢量网络分析仪测试16阵元线阵paf接收机在1.25ghz工作频率下各阵元添加移相器后输出信号的幅度，使用各阵元链路上的衰减器将各路信号调整为幅度相等；30.c、步骤b完成后，在16阵元线阵paf接收机各阵元链路的移相器、衰减器均处于工作状态下，按照-25db旁瓣泰勒分布需求，将1到16号阵元的高速射频开关开启时间分别设置为0.38、0.42、0.52、0.64、0.78、0.87、0.96、1、1、0.96、0.87、0.78、0.64、0.52、0.42、0.38个周期的时间序列，如图2所示，控制paf接收机各阵元链路后级的高速射频开关，按照上述时间序列调制各个阵元在一个周期范围内工作时间，以此达到控制16阵元各激励、实现paf阵列合成波束-25db旁瓣泰勒分布的需求；31.d、步骤c完成后，将16阵元线阵paf接收机经各路高速射频开关调制后的信号合路至功分器(1分16)，并最终输出一路满足方向图预设需求的合成信号，以实现paf接收机的模拟波束合成功能。16阵元paf接收机线阵合成波束方向图如图3所示，图中可以看到阵列合成后的波束增益为18.36dbi,旁瓣电平为-25.74db，满足-25db旁瓣泰勒分布需求。16阵元paf接收机线阵结合25米口径反射面(焦径比为0.3)合成波束方向图如图4所示，图中可以看到paf接收机合成后的波束增益可达30.79dbi,旁瓣电平为-47.63db，进一步实现了低旁瓣的需求。32.本发明所述的一种paf接收机方向图的波束合成方法，该方法无需依赖较难实现大幅度动态范围的衰减器，仅通过使用高速射频开关搭配设计好的时间控制序列，便可实现精确的幅度激励赋权，以便最终合成所需的阵列波束方向图，并使之直接应用于反射面天线系统，从而得到设计的paf接收机合成方向图。









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