寬頻帶相位測向系統相位補償方法

李明亮， 劉曉寧， 李懸雷

（1．上海無線電設備研究所，上海200090；2．海軍駐上海地區航天系統軍代室，上海200233）

0 引言

被動導引頭是反輻射導彈（ARM）的關鍵部件。被動導引頭截獲目標輻射的信號并實時檢測出導彈與目標的角信息，傳送給控制系統，導引導彈實時跟蹤直至命中目標。方向角信息由導引頭前端的微波接收機獲得，再由后面的信號分選裝置進行信號分選及角度處理。微波接收機是一個寬帶的信號及角信息的接收系統，用于接收目標的角度信息和脈沖信息，由于目標輻射源頻率范圍較廣，微波接收機的工作頻帶較寬，通常在幾個GHz甚至十幾個GHz以上。

為了消除信號幅度起伏的影響，以及提高測角精度并實現測角的實時性，多數被動導引頭采用單脈沖體制，單脈沖的測角測向方法是用兩個及兩個以上的獨立支路同時接收目標信號，然后再將這些信號加以比較［1］。單脈沖側向法有振幅測向法和相位測向法，本文涉及的被動導引頭測角系統采用的是相位測向法。對于相位測向系統，相位測量誤差和零位誤差直接決定了系統的測角精度。本文介紹了一種寬頻帶測向系統的相位補償方法，以提高測向系統的測角精度，并給出了試驗結果。

1 單脈沖相位測向原理

單脈沖的測向原理就在于用兩個及兩個以上的獨立支路同時接收目標信號，然后將這些信號加以比較。通常對每個測向坐標平面都要采用兩個獨立的接收支路。單脈沖測向法可分為兩種：振幅測向法和相位測向法。這里主要介紹相位測向法的原理。

相位測向法系統中，是將兩個天線所接收到信號的相位進行比較來確定目標在一個坐標平面內的角度和方向。在遠場區域內，兩個天線都照射著同一空間范圍，因此點目標輻射的信號，實際是振幅相同而相位不同。

如圖1中所示，在兩個距離為L的天線間連線，在連線上作中垂線（即等強信號方向），目標觀測線與此垂線間的夾角為θ。設天線1與目標間的距離為R1，天線2與目標間的距離為R2，目標至L中心點的距離為R，R1與R2的差值為ΔR，遠場可以認為是平面波，故可得到各表達式為

由此得到相位差為

圖1 相位法測向天線

式中：λ為信號波長。利用式（4），可以根據兩個分開的天線所接收到信號的相位差來確定到達角θ即目標的方向［2］。

2 一種寬頻帶測向系統的相位補償方法

2．1 系統基本構成

本文涉及的一種寬頻帶測向系統，采用兩個獨立通道的相位測角方法，工作帶寬大于10 GHz，最高工作頻率在X波段。微波接收機采用下變頻方式，通過正交鑒相法測量通道相位差。系統簡略原理示意圖，如圖2所示。

射頻信號經混頻后進行濾波放大等處理，最后兩路信號通過正交鑒相器進行鑒相輸出I、Q的正交信號。I、Q信號表示的是兩路信號的相位差，按正余弦變化，I信號為相位差的正弦電壓值；Q信號為相位差的余弦電壓值，均為直流信號；系統輸入單脈沖調制信號時，輸出的I、Q信號為電壓脈沖。其中一個通道加入移相器，其相移量為0°～360°，移相器的作用是補償補償通道的固有相差。對于相位測向系統，相位的準確度和零位誤差將影響系統最終的測角精度。

圖2 寬頻帶測角系統示意圖

移相器為數控移相器，由FPGA控制，相位補償值通過MCU計算后傳送給FPGA。移相器有八位主控、四位輔助控制，四位輔助控制主要進行移相精度補償。

2．2 系統相位分析

當接收的信號的工作頻率和接收機的本振源頻率是恒定時，對公式（4）進行求導可得到角誤差dθ和相位誤差d（Δφ）的關系式為

由式（5）可知：為了使角誤差dθ足夠小，必須使相位誤差d（Δφ）足夠小。為此，對于系統兩個通道的相位差，在硬件電路方面需保持高度的一致性，尤其是射頻端，由于波長很小，較小的不一致也會產生較大的相位誤差。系統兩個通道由于不一致性而產生的相位差稱為固有相位差，此相位差可以通過移相器進行補償，使系統固有相差為零，但實際上，進行補償后的相差不能絕對為零，稱為剩余相差，此剩余相差應盡可能地小。

兩個通道的電路可以等效為兩根微帶傳輸線，當兩根傳輸線電長度完全相同時兩者是沒有相位差的。當信號變頻時，采用可變本振，中頻固定不變。設此時一路信號（天線1）為A1cos（ω0t ＋φ1），另 一 路 信 號 （天 線2）為A2cos（ω0t ＋φ2），兩路信號的相位差為φ2－φ1（φ2＞φ1）；本振信號為B cos（ωLOt＋φLO），當本振為高本振時，天線1通道中頻信號為aBA1cos［ （ωLO－ω0）t＋ （φLO－φ1） ］，天線2通道中頻信號為bBA2cos［ （ωLO－ω0）t＋ （φLO－φ2） ］，變頻后兩路中頻信號的相位差為 （φLO－φ2）－（φLO－φ1）＝φ1－φ2。可以看出經過下邊帶下變頻時，兩路信號的相位差值不變，但符號發生了翻轉；同樣可以證明經過上邊帶下變頻時，兩路信號的相位差值和符號都不變，即信號雖然變頻，但相位差是連續不變的，因此兩路信號鑒相前在任何位置接入移相器都具有相同的相位校準和補償能力，并且需要校準和補償的相位差值是相同的，但由于經過下邊帶下變頻時，相位差符號有翻轉現象，因此在不同位置接入移相器，其相位調整方向需要進行判斷，移相器前有一個下邊帶下變頻，移相方向就需要翻轉一次。

此系統中，移相器放置在中頻端，一方面可以節約成本；另一方面中頻帶寬較窄，有利于相位穩定。兩個通道中只需放置一個移相器即可，且應放在相位差測試的基準通道上，如圖2所示，此系統中輸出的相位差為天線2通道的相位減去天線1通道的相位，移相器需放在天線1的通道中。

由于只在一個通道放置了移相器，且相位差有正負之分，當天線2通道減天線1通道的相位差為正值時，只需將移相器移相應的度數；反之當相位差值為負值時，將相位差加上360，得到一個小于360的正值，控制移相器移相與之相等數值的度數，即實現了通道相位差正負兩個方向的相位補償。

2．3 通道固有相差的補償方法

據前所述，通道的固有相差是由于兩個通道的不一致性而產生的，跟信號頻率有關，并且與頻率相關的部分主要產生于射頻端，因為在第一混頻之后為固定中頻，此后產生的相位差不再與輸入信號的頻率有關，無論兩路產生多大的相差都可以通過移相器進行補償，固有相差補償的難點在射頻部分。

射頻端由于頻率高、頻帶寬，兩個通道的硬件電路要做到高度一致才能保證兩路相位差波動較小，而這在微波頻段很難做到，因此整個頻段內的相位差波動將無規律可循，采用線性插值的方法不能做到每個頻點都能補償的很好。這里采用逐點補償的方法：

a）首先，設置移相器相移量為0°，從射頻輸入端口輸入幅度和相位均相同的掃頻信號，同時控制本振頻率隨之改變；

b）其次，逐個頻點測試通道固有相位差，通道相位差可通過讀取鑒相輸出的I、Q信號獲得；

c）最后，分別記錄每個頻點的通道固有相差，通過移相器移相進行補償，即可將通道的相位差校準為零。

其中，本振頻率的選擇由本振碼（二進制碼）控制，本振碼由外部傳送給MCU，MCU通過讀取的本振碼計算本振頻率控制信息，從而控制本振輸出。

對于相位的溫度補償，由于環境溫度改變時，根據試驗驗證，通道固有相差隨溫度近似呈線性關系且變化范圍較小，故可采用線性插值的方法：

a）首先，測量正負極限溫度及常溫時通道的固有相差，建立成表；

b）其次，由溫度傳感器讀取環境溫度信息，MCU通過ADC將溫度傳感器輸出的模擬電壓信號轉換為數字信號；

c）最后，根據溫度信息，通過對常溫與正負極限溫度的三張數據表進行插值計算，得到當前環境溫度下的通道相位補償值，將此相位值按相位周期性換算至0°～359°之內。

將計算后的相位補償值，通過并行方式傳送給FPGA，由FPGA控制移相器移相，實現相位的補償。FPGA的控制時間可以達到ns級，類似于開關的速度，可以達到相位快速轉換的目的。

3 相位測試結果

某一頻點下，輸入兩路幅度相同的射頻信號，通過外部計算機控制，線性地改變兩路輸入信號之間的相位差，測試不同相位差時I、Q信號的變化。實測I、Q信號曲線，如圖3所示。

在信號輸入口輸入幅度和相位相同的掃頻信號，10 MHz一個頻率點，同時控制本振頻率同步改變，測試兩個通道不同信號頻率下的剩余相差。圖4為通道全頻帶剩余相差的測試曲線，全頻帶剩余相差在±6°之內。根據測試，全溫范圍內的剩余相差也能滿足系統的測角測向精度要求。

圖3 實測I、Q信號曲線

圖4 剩余相差測試曲線

4 結束語

從試驗結果可以看出，通過在雙通道測向系統的基準通道放置一個移相器，由MCU軟件計算，通過FPGA控制移相器逐頻點進行通道固有相差補償的方法，可以得到很好的測試結果，即寬頻帶剩余相差控制在系統允許的范圍內，同時固有相差的溫度變化也得到了很好的補償。經過整個測角系統的試驗驗證，方向角測角誤差小于1°，能滿足高精度的測角測向要求。

［1］ 趙建民，司錫才．寬頻帶被動雷達導引頭的信號選擇［J］．船工科技，1987，（2）．

［2］ 司錫才，等．寬頻帶反輻射導彈導引頭技術基礎［M］．哈爾濱：哈爾濱工業大學出版社，1996．

［3］ 顧其凈，等．微波集成電路設計［M］．北京：人民郵電出版社，1978．