一種高精度寬帶干涉儀相位校準方法
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摘要：為了提高寬帶干涉儀測向系統的測向精度，提出了一種動靜結合的干涉儀通道相位校準方法。將干涉儀測向系統劃分為校準電路單元和測向電路單元，采用事先對校準電路單元相位參數靜態測量獲取各通道準確的相位參數表，再結合該參數表完成測向電路單元中多路接收通道動態校準。通過樣機測試驗證，相對傳統校準方法，該方法校準精度高，提升了系統測向精度，能隨系統進行在線動態校準，在干涉儀測向、相控陣雷達收發通道相位校準方面具有很好的推廣意義。
關鍵詞：干涉儀;測向;校準;高精度;多通道;寬帶
中圖分類號：TH744.3 文獻標識碼：A 文章編號：1007-9416（2019）03-0210-03
0 引言
相位干涉儀測向技術具有測向精度高、瞬時測向范圍寬、測向速度快、能被動測向等優點[1]，被廣泛應用于電子偵察和無線電監測領域。由于各接收通道輸出信號的相位差直接對應目標輻射源方位，因此為了保證測向精度，相位干涉儀測向系統必須控制相位差測量誤差。通過減小接收通道之間的相位失配誤差可減小相位差測量誤差，對接收通道進行相位校準通常是減小相位適配誤差的一種簡單有效的手段[2-3]。
按校準時機不同，相位校準方法可分為靜態校準和動態校準。工程上測向系統會面臨環境變化、電纜更換等各種原因帶來的通道相位參數變化，因此幾乎都采用動態校準方案。動態校準電路通常由校準電路單元、測向電路單元構成，校準電路單元通過精心設計，并認為在帶內各通道間一致性非常好，其誤差不會影響系統校準誤差。但在寬帶條件下，整個帶內通道間的相位一致性誤差就不可忽略。本文提出了一種動靜結合的相位校準方法，可實現寬頻帶內的高精度相位校準。
1 干涉儀測向原理及誤差
1.1 測向原理
相位法測向主要是利用多個天線所接收輻射源信號之間的相位差進行測向，干涉儀測向技術就是一種基于相位法的測向技術，水平面內單基線一維相位干涉儀測向原理見圖1。
天線1和天線2之間距離即基線長為D，入射信號與視軸夾角為θ，入射信號波長為λ，則鑒相器輸出端接收通道1與接收通道2之間的相位差φ，與入射角θ滿足如下關系[4-5]：
通過對相位差φ的測量可間接得到得入射角θ：
1.2 測向誤差分析
鑒相器無模糊相位檢測范圍為[-π，π]，所以單基線相位干涉儀最大的無模糊測角范圍為[-θmax，+θmax]，其中θmax為：
可見，當D小于等于半個信號波長時，在視軸±90度范圍內都能無模糊測向，而大于半個波長其測向無模糊范圍會減小?；€長度D一旦確定（D為常量），針對工作在某一頻率的信號，在頻率保持不變的時間內（λ為常量），對（1）式中的變量φ、θ微分[6-7]：
用增量表示，可得到相位誤差Δφ對測向誤差Δθ的影響如下[8]：
可見測向誤差除了與入射角θ有關外，還與相位誤差Δφ有關，減小相位誤差Δφ可直接減小測向誤差Δθ。相位誤差Δφ由接收信道間的相位失配誤差Δφc、相位測量誤差Δφq、系統噪聲引起的相位誤差Δφn構成[5]，即：
因此控制接收通道間的相位失配誤差Δφc，可減小相位誤差Δφ，進而減小測向誤差Δθ。在系統設計、材料選擇、生產裝配等環節可對各通道間相位適配誤差進行控制，比如將所有接收通道集成在一個模塊內，以便于實現各通道采用相同長度、相同路徑走線布局;選擇器件個體之間參數一致性非常好的放大器、濾波器等器件;通過邊裝配、邊測試、邊調整等生產工藝控制相位適配誤差等。這些措施在實際工程實現時會受到空間限制、器件成本限制、可生產性及裝配成本限制等，特別是當某一通道出現故障，須對該通道器件、線纜等進行更換維修時，更難以保證維修前后的參數一致性。所以工程上通常采用相位校準措施來消除通道之間固有的相位適配誤差，以提高系統各通道間的相位一致性[9-10]。
2 傳統校準方法
以常用的4通道測向接收機為例，將干涉儀測向系統主要功能單元劃分為校準電路單元、測向電路單元，傳統校準方法原理見圖2。
傳統相位校準方法，認為校準信號經功分器，到達各耦合器輸入端處的相位一致性非常好，相位差異可忽略，φa、φb、φc、φd大小相同，同時認為各耦合器的一致性也很好，因此在執行校準處理時，只需將各接收通道輸出端口處的相位φ1、φ2、φ3、φ4修正到相同值即可，比如以φ1為參考通道，則通道2、3、4的相位適配誤差如下：
在測向精度要求不高、工作頻率不寬時，傳統的相位校準方法已能滿足多數應用需求。但在一些測向精度高，特別是針對需寬頻帶測向的應用系統，在整個頻帶內，校準信號經功分器、耦合器、傳輸線等鏈路后的一致性誤差也不能忽略，即φa、φb、φc、φd的差異需要考慮，需對傳統相位校準方法進行改進。
3 高精度校準方法
還是以4通道測向接收機為例，將測向系統主要功能單元劃分為校準電路單元、測向電路單元，并對各功能單元電路進行調整，對校準處理方法進行改進，改進后的高精度傳統校準方法原理見圖3。
圖3中校準電路單元主要包括功分器和多路耦合器，完成校準信號輸入、功率分配，并通過多路耦合器進入各接收通道，同時提供多路射頻輸入接口，對接各測向天線單元。測向電路單元由多路并行接收通道組成，完成多路信號并行接收和相位校準處理。整個校準過程包括如下兩個步驟：
3.1 校準電路相位誤差靜態測量
將校準電路單元各天線端口接上匹配負載，校準輸出端口除待測端口外其余端口也全部接上匹配負載，用矢量網絡分析儀按圖4框圖完成對應通道相位數據靜態測量，依次獲取帶內各工作頻率處校準電路單元各校準通道固有的相移值（可理解為校準電路帶人的誤差）φa、φb、φc、φd。
3.2 動態校準 獲取校準電路單元固有相位誤差φa、φb、φc、φd后，生成相位參數表，在執行系統校準前需加裝該參數表，具體校準原理參照圖3，測向電路單元各接收通道輸出端口處實際由接收通道產生的相移（扣除校準通道帶人的相移），即各通道耦合器輸出端到接收通道輸出端口的相移φ1’、φ2’、φ3’、φ4’，須根據相位參數表按下式進行修正處理：
（8）
其中φ1、φ2、φ3、φ4為執行校準處理時，各接收通道實際測量得到的相位值，則通道2、3、4的實際相位適配誤差如下：
（9）
由公式（9）可知，改進后的校準方法對應的通道相位適配誤差Δφ21'、Δφ31'、Δφ41'由兩部分組成：一部分為傳統校準方法通道適配誤差Δφ21、Δφ31、Δφ41，另外一部分為校準電路帶來的通道間相位適配誤差。通過消除校準電路帶來的相位不一致性誤差，進一步提升了干涉儀通道相位校準精度，圖5為采用高精度校準方法前、后某兩通道間相位一致性的實測校準效果對比圖，采用本方法后，該兩通道間的相位一致性誤差由±10°壓縮到±4°以內。
4 結語
本校準方法利用了耦合器、功分器等無源器件對溫度變化不敏感，但寬頻帶內幅相參數存在一定差異的特點，采用動靜結合的方法，巧妙地解決了寬帶干涉儀相位校準精度不高的難題，已成功應用于某寬帶干涉儀測向系統，極大地提高了整個頻帶內的信號測向精度。該方法原理簡單，易于工程實現，也可推廣應用于寬帶相控陣系統收發通道的幅相校準。
參考文獻
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A High-accuracy Broadband Interferometer Phase Calibration Method
XIAN Deng-fei
?。⊿ichuan Jiuzhou Electric Group Co.， Ltd.， Mianyang Sichuan 621000）
Abstract：In order to increase direction-finding accuracy of direction-finding system， an interferometer phase calibration method based on association of static measure and dynamic calibration is projected. Interferometer direction-finding system is divided into calibration circuit unit and direction-finding circuit unit. Calibration circuit unit completes static measure of phase differences among channels of calibration circuit unit，at the same time generates a parameter sheet. Then direction-finding circuit unit calibrates phase of all direction-find channels based on the parameter sheet. The method was proved to be effective by actual measure， and has increased system direction-finding accuracy. The method has greate extended worth in calibration of interferometer direction-finding and phased array radars’TR channel because of dynamic calibration ability.
Key words：interferometer;direction-finding;calibration;high-accuracy;multichannel;broadband
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