樂林株+汪敏+董亮

摘 要： 根據(jù)甚高頻天線陣相位測(cè)量原理，提出一種利用相位檢測(cè)芯片AD8302將接收機(jī)至傳輸饋線的兩兩陣元的定標(biāo)信源信號(hào)的相位差轉(zhuǎn)化為對(duì)應(yīng)的直流電壓，再用12 b 量化精度單通道A/D采樣，最后做誤差分析及修正達(dá)到修正相位誤差的方法。通過驗(yàn)證在低頻（2 MHz等）、高頻（300 MHz等）等測(cè)量條件下，系統(tǒng)給出的電纜相位誤差的精度，如在300 MHz信號(hào)輸入下，電纜之間距離誤差達(dá)到了cm精度，可以廣泛用于相關(guān)天線陣誤差修正及電纜誤差測(cè)量中。

關(guān)鍵詞： VHF； 射電天文； 相位差檢測(cè)； 電纜； AD8302

中圖分類號(hào)： TN820.1+5?34 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： A 文章編號(hào)： 1004?373X（2017）09?0104?04

Abstract： According to the phase measuring principle of the very high frequency （VHF） antenna array， a method of using the phase detection chip AD8302 to convert the phase difference of the scaling source signal of the two array elements from receiver to transmission feeder line into the corresponding direct voltage. The single channel A/D sampling was realized with 12 bit quantization accuracy. The error is analyzed and corrected to realize the phase error correction method. The accuracy of the cable phase error given by the system was verified in the measuring conditions of low frequency （2 MHz） and high frequency （300 MHz）. The error accuracy of the distance among cables can reach cm level when the input signal is 300 MHz. The system can be widely used for related antenna array error correction and cable error measurement.

Keywords： VHF； radio astronomy； phase difference detection； cable； AD8302

0 引 言

VHF（Very High Frequency，甚高頻）射電天線陣具有天線體積大、分布面積廣的特點(diǎn)，其頻率范圍為30～300 MHz，從各天線單元接收信號(hào)經(jīng)過放大，數(shù)控移相加權(quán)形成綜合方向圖，最后由長(zhǎng)電纜將多路信號(hào)傳到固定點(diǎn)匯合并進(jìn)行數(shù)字量化，不同的加權(quán)函數(shù)，使天線陣能對(duì)應(yīng)不同的天區(qū)進(jìn)行觀測(cè)[1]。甚高頻天線陣的原理決定了整個(gè)過程中相位誤差對(duì)天線陣方向圖及天區(qū)射電源追蹤的重大影響，其中相位差主要由移相器和長(zhǎng)電纜引起，傳統(tǒng)對(duì)于電纜相位差的測(cè)量方法主要通過測(cè)量當(dāng)前的溫度、濕度等信息，經(jīng)過對(duì)電纜材料不同溫度、濕度下的變化經(jīng)驗(yàn)值來(lái)修正，但這種方法不僅復(fù)雜而且很難克服其余電子元件造成的誤差，同時(shí)還引入了經(jīng)驗(yàn)誤差。

本項(xiàng)研究旨在采用STM32與AD8302一起設(shè)計(jì)電纜相位差測(cè)量系統(tǒng)，在甚高頻天線陣中數(shù)據(jù)接收前端對(duì)電纜進(jìn)行相位誤差測(cè)量，從而達(dá)到對(duì)該相位誤差進(jìn)行修正的目的。該系統(tǒng)非常適用于射電天文甚高頻天線陣的數(shù)字信號(hào)處理方法技術(shù)領(lǐng)域。

1 甚高頻天線陣

從射電天文觀測(cè)角度出發(fā)，甚高頻天線陣靈敏度要達(dá)到百毫央（mJy）量級(jí)，圖像空間分辨率應(yīng)達(dá)到亞角秒（arcsec）量級(jí)。射電陣列的靈敏度取決于陣列的總接收面積和陣列的幾何尺寸，圖像的空間分辨率主要取決于長(zhǎng)基線對(duì)的長(zhǎng)度和方向。正是由于對(duì)射電天文觀測(cè)精度和靈敏度的要求，使得甚高頻射電天線陣通常具有天線體積大，分布面積廣的特點(diǎn)[2]。

文中涉及的甚高頻天線陣主要由兩個(gè)相距22 km，頻率范圍為30～80 MHz，用于觀測(cè)太陽(yáng)爆發(fā)及行星射電爆發(fā)的干涉陣組成。與其相關(guān)的相控陣數(shù)字信號(hào)處理是從各天線單元接收的信號(hào)經(jīng)過低噪放大器放大，接入數(shù)控移相器，經(jīng)長(zhǎng)電纜將多路信號(hào)傳到固定點(diǎn)匯合，最后數(shù)字量化加權(quán)形成綜合方向圖。

不同的加權(quán)函數(shù)使得天線陣可以對(duì)不同的天區(qū)進(jìn)行觀測(cè)，根據(jù)陣列天線的相關(guān)知識(shí)得陣元的天線陣的加權(quán)向量為：

式中：即為目標(biāo)所在角度；即為相控陣調(diào)相參數(shù)，包涵了兩部分：由移相器引起的相位差來(lái)自長(zhǎng)電纜引起的相位差其中前者用于調(diào)整天線陣指向，后者包括電纜本身引起及天氣等外界環(huán)境引起的相位差。后者的總相位為：

式中：是電纜本身引起的誤差；是由于自然環(huán)境引起的電纜誤差，很明顯這個(gè)誤差對(duì)于天線陣加權(quán)矢量帶來(lái)了影響，為了獲得良好的天線方向圖必須修正這個(gè)誤差[3?4]。

2 AD8302相位檢測(cè)原理

2.1 AD8302性能特點(diǎn)

AD8302是美國(guó)ADI公司推出的能夠測(cè)量低頻到2.7 GHz頻率范圍內(nèi)RF/IF幅度和相位差的芯片。其內(nèi)部主要含有兩個(gè)精密匹配寬帶對(duì)數(shù)檢波器、一個(gè)相位檢波器、輸出放大器組、一個(gè)偏置單元和一個(gè)輸出參考電壓緩沖器等。該芯片由于高集成度把誤差源和溫度漂移降低到最小。

兩個(gè)輸入信號(hào)在50系統(tǒng)中的動(dòng)態(tài)范圍為-60～0 dBm，輸出電平靈敏度為30 mV/dB，輸出電流為8 mA，轉(zhuǎn)換速率為25 V/μs，相位測(cè)量范圍為0°～180°。響應(yīng)時(shí)間為40～500 ns。增益及小信號(hào)包絡(luò)帶寬[5]均為30 MHz。

2.2 AD8302工作原理

2.3 測(cè)量模式

AD8302主要有三種工作模式測(cè)量、控制器、電平比較器，本文主要運(yùn)用其測(cè)量工作模式。其測(cè)量工作模式如圖1所示。

根據(jù)AD8302芯片資料可知，當(dāng)和直接與芯片反饋，設(shè)置輸入引腳MSET和PSET相連時(shí)，芯片的測(cè)量模式將工作在默認(rèn)的斜率和中心點(diǎn)上，而斜率和中心點(diǎn)可以根據(jù)MSET和PSET分壓改變。本文所用的測(cè)量電路為讓其工作在默認(rèn)的斜率和中心點(diǎn)上。在甚高頻及低頻條件下其相位測(cè)量方程如下：

式中：斜率為10 mV/（°）；中心點(diǎn)為900 mV，對(duì)應(yīng)相位差相差90°；0°～180°相位范圍對(duì)應(yīng)輸出的電壓范圍為0～1.8 V。工作模式為默認(rèn)測(cè)量模式時(shí)，相位理想響應(yīng)曲線[7?8]如圖2所示。

3 系統(tǒng)構(gòu)成與硬件軟件實(shí)現(xiàn)

3.1 系統(tǒng)組成原理

系統(tǒng)組成基于甚高頻天線陣定標(biāo)測(cè)量模式，其主要實(shí)施方案為采用信號(hào)源向天線陣定標(biāo)信號(hào)源輸入電路輸入同頻同相的信號(hào)，各陣元天線收到的信號(hào)和定標(biāo)信號(hào)源信號(hào)通過一個(gè)微波開關(guān)接入到前端LNA中，微波開關(guān)主要工作為切換天線工作模式及定標(biāo)模式，在每陣元天線接收鏈路的后端用一個(gè)二功分器，一路接入合路器，一路接入微波開關(guān)，通過微波開關(guān)的選擇，每次選擇兩輸入信號(hào)進(jìn)行相位差比較，采用AD8302進(jìn)行相位檢測(cè)，將相位差轉(zhuǎn)化為電壓。

AD8302采用STM32F103ZET6芯片自帶的12 b ADC 12 MHz采樣率對(duì)輸出電壓進(jìn)行實(shí)時(shí)采集。通過波特率為115 200的串口及TFTLCD屏作為輸出顯示窗口。其系統(tǒng)原理組成框圖如圖3所示。

3.2 硬件實(shí)現(xiàn)

硬件系統(tǒng)中，前端系統(tǒng)主要基于已搭好的30～80 MHz甚高頻天線陣，并運(yùn)用agilent的E8257D信號(hào)源作為輸入信號(hào)。后端系統(tǒng)主要以STM32單片機(jī)作為控制器，運(yùn)用其芯片內(nèi)置的12 b ADC作為采樣ADC，采樣頻率為12 MHz。STM32芯片內(nèi)置16通道，最大轉(zhuǎn)化速率為1 MHz，即1 μs，其ADC最大時(shí)鐘不能超過14 MHz，其ADC采樣周期具有8個(gè)分類，采樣周期越長(zhǎng)采樣精度越高，本文實(shí)現(xiàn)代碼為239.5周期采樣。采樣時(shí)間采樣電壓不能高于3.3 V。

采用的TFTLCD即薄膜晶體管液晶顯示器為2.8寸，分辨率為320×240，支持65K色顯示，接口為16位80并口。串口采用STM32自帶的5路串口之一，串口有分?jǐn)?shù)波特率發(fā)生器、支持同步單線通信和半雙工單線通信、支持LIN、支持調(diào)制解調(diào)器操作等，本文涉及的串口采用全雙工模式。硬件原理框圖如圖4所示。

3.3 軟件實(shí)現(xiàn)

每隔2 s讀取A/D通道數(shù)據(jù)并顯示，A/D采樣時(shí)間為每21 μs采樣一次。程序編程基于keil公司的MDK5作為編程平臺(tái)，其軟件流程圖如圖5所示。

為了適應(yīng)不同頻率下的測(cè)試，程序設(shè)置了多種頻率下的測(cè)試模式，由外部機(jī)械按鍵控制轉(zhuǎn)換不同測(cè)試頻率。

4 實(shí)測(cè)結(jié)果及分析

系統(tǒng)實(shí)測(cè)采用了三個(gè)頻率測(cè)試，三個(gè)不同頻率對(duì)應(yīng)不同的精度需求。為了測(cè)出兩根相同電纜在自然環(huán)境等外部因素影響下造成的電長(zhǎng)度及物理長(zhǎng)度誤差，核心算法主要是對(duì)相位進(jìn)行反向計(jì)算得到兩根電纜相差物理長(zhǎng)度及電長(zhǎng)度。實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)由于實(shí)測(cè)電纜的條件限制，總共進(jìn)行了6組電纜相差檢測(cè)，分別為0 cm，4 cm，9 cm，15 cm，20 cm及30 cm。

4.1 基于2 MHz，150 MHz，300 MHz，350 MHz信源實(shí)測(cè)結(jié)果

兩根相同電纜基于2 MHz，150 MHz，300 MHz，350 MHz的實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)見表1～表4。

4.2 誤差分析及矯正

根據(jù)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)結(jié)果分析可知，測(cè)量結(jié)果存在一定的誤差，對(duì)數(shù)據(jù)用Matlab分析后，發(fā)現(xiàn)存在的誤差屬于線性誤差，如圖6所示，為了對(duì)誤差進(jìn)行矯正，對(duì)誤差進(jìn)行線性擬合如圖7所示，原因有可能是模擬地及數(shù)字地沒有處理好引入的偏置誤差。修正后兩根相同電纜基于2 MHz，150 MHz，300 MHz，350 MHz的實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)見表5～表8。

5 結(jié) 論

本文以甚高頻天線陣為測(cè)試基礎(chǔ)，引入電纜相位差測(cè)量系統(tǒng)，用以修正電纜因環(huán)境等因素影響造成的相位誤差，從而使天線陣獲得良好的天線陣方向圖，進(jìn)而提高甚高頻天線陣追蹤源的精度。相位測(cè)量系統(tǒng)采用AD8302在2 MHz，150 MHz，300 MHz下分別進(jìn)行實(shí)測(cè)。并以STM32F103ZET6作為控制器，控制ADC采樣并以TFTLCD和USART串口顯示。經(jīng)過誤差分析，線性擬合修正后的測(cè)量系統(tǒng)在300 MHz和350 MHz都達(dá)到對(duì)兩根電纜長(zhǎng)度測(cè)量精度為1 cm的目標(biāo)設(shè)計(jì)，在150 MHz達(dá)到了2 cm的精度。采用該測(cè)量系統(tǒng)對(duì)天線加權(quán)向量進(jìn)行修正，從而達(dá)到理想的方向圖及天線陣測(cè)量精度。該系統(tǒng)對(duì)于射電天文學(xué)數(shù)字信號(hào)處理具有非常重要的實(shí)際意義。

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