某TDRSS信号模拟器研制与校准

摘 要：文中实现了一种TDRSS信号模拟器，可应用于相控阵系统地面部分射频通道特性测试与补偿。文中对适合该模拟器的信号特性校准方法进行了有效研究，介绍了其组成以及工作流程。所研究校准方法性能满足地面部分波束合成要求，并已得到实际验证。

关键词：TDRSS；信号模拟器；相控阵；校准

中图分类号：TN820.12 文献标识码：A 文章编号： 2095-8595（2017） 01-001-03

电子科学技术 URL： http：//.cn DOI： 10.16453/j.issn.2095-8595.2017.01.001

引言

跟踪与数据中继卫星系统（Tracking and Data Relay Satellite System，TDRSS）[1-2]。可为中低轨道航天器间、航天器与地面站间提供全球数据中继、连续跟踪与轨道测控服务。其相控阵系统由于具备全球多用户灵巧接入、无缝覆盖与测控通信能力，更是成为国际上航天测控领域重要发展方向。

TDRSS相控阵系统地面部分射频通道包含丰富微波器件、线缆，例如变频器、放大器、衰减器等，由于器件不一致性、制造公差、装配误差、环境变化等多种原因，往往会出现较大的幅度和相位误差，使得合成增益降低，甚至难以正常工作，所以需要对其通道特性进行测试与补偿。目前已经存在较多测试方法及相应系统，例如REV、CCE、UTE等[3-6]。文中实现了一种TDRSS信号模拟器，可用于相控阵系统地面部分射频通道特性测试与补偿，并对该TDRSS信号模拟器的信号特性校准方法进行了有效研究。

1 TDRSS信号模拟器构成与原理

所研TDRSS信号模拟器可用于模拟产生相控阵系统地面部分多通道射频信号，其构成如图1。

由图1可见，该TDRSS信号模拟器主要由控制计算机、基带数据模块、数字上变频与D/A组、功率合成器、Ka上变频放大滤波共五大部分构成，其中N=30表示TDRSS的相控阵系统天线阵元数量，由于该模拟器采用通用总线平台设计，可通过增加数字上变频与D/A板卡数量模拟产生更多的通道信号，具备良好的自扩展性。其工作原理与流程如下：

（1）控制计算机控制基带数据模块，产生对应多通道基带信号，其中多通道基带信号间的幅度差、相位差可调，实现方式是通过调整各通道信号的实际幅度与相位；

（2）基带数据模块将多通道基带信号对应分配给各自数字上变频与D/A板卡，完成数字上变频与数模变换输出，且各输出为符合TDRSS相控阵系统地面部分多通道频率特性的异频信号，相邻通道频率间隔为9M，信号带宽为5M；

（3）各数模变换输出经功率合成器合成为带宽270M的多载波信号；

（4）Ka上变频放大滤波对功率合成器输出信号进行上变频放大滤波，输出对应射频信号，带宽为270M。

从而利用该TDRSS信号模拟器产生信号馈入相控阵系统地面部分，可完成其多通道频率特性测试与补偿，即多通道幅度差、相位差测试与补偿。测试原理如图2。

测试流程如下：

（1）显控计算机控制TDRSS信号模拟器产生带宽为270M 的Ka频段模拟信号；

（2）TDRSS信号模拟器将产生信号馈入相控阵系统地面部分；

（3）相控阵系统地面部分将输出信号馈入信号采集与处理设备；

（4）信号采集与处理设备对输入信号进行下变频、数字采样、数字下变频后，分析并测量各通道间的幅度差、相位差，送往显控计算机；

（5）显控计算机接收来自信号采集与处理设备的各通道间幅度差、相位差值，在对应扣除TDRSS信号模拟器各通道幅度差、相位差特性的校准值后，形成相控阵系统地面部分多通道间实际幅度差、相位差，并进行存储，留在TDRSS相控阵系统实际工作时进行地面部分多通道间实际幅度差、相位差补偿时使用，确保TDRSS相控阵系统地面部分波束合成增益满足使用要求。

2 TDRSS信号模拟器校准方法

分析可知，要利用TDRSS信号模拟器实现对TDRSS相控阵系统地面部分多通道频率特性的有效测试与补偿，确保地面合成增益，必须较好地实现对TDRSS信号模拟器各通道幅度差、相位差特性的校准。

通過对校准溯源要求的分析，形成对应校准方法如下：

2.1 幅度校准

分析可知，TDRSS信号模拟器的多载波信号输出特性不影响通道间幅度校准，从而可采用PNA-X矢网的“SMC+Phase（标量+相位）”模式进行各通道幅度校准，参见图3。

（1）将矢网测量模式设置为Scalar Mixer/Converter+Phase，输入频率为140±2.5MHz，输出频率为f1±2.5MHz（f1为通道1中心频率），进行校准；

（2）校准后连接矢网和TDRSS信号模拟器，调整TDRSS信号模拟器通道1幅度参数，进行测量得到具体幅度值；

（3）依次改变矢网输出中心频率至f2……f30，重复上述操作可测得通道2至30幅度值；

（4）将通道2～30分别与通道1相比，则得到该通道以通道1为参考的幅度差校准值。

2.2 相位校准

分析对通道间相位差校准，需采用矢网VMC（Vector Mixer/Converter）模式。由于不同通道间频率不同，直接进行异频通道间相位差测量与校准并不可行，解决方案是引入可参考变频链路。利用文中给出的二次相干检测法实现异频通道间相位差测量与校准。参见图4。

具体方法如下：

（1）信号源频率设置为通道1中心频率与中频输入频率之差：f1-fIF，功率设置为10dBm；

（2）将矢网输入与接收连接设置为外部，并选择VMC模式测试相位，输入频率数值为fIF±2.5MHz；本振频率数值为f1-fIF，变频模式选择上变频；

（3）将模拟器相位参数设置为全“0”，此时可测得“0”态时，通道1相位φ1，0和参考通道相位φc之差：

φ1，0c=φ1，0-φc （1）

（4）将模拟器相位参数设置为全“φ”，此时可测得x态时，通道1和参考通道之间的相位差：

φ1，ψc=φ1， ψ-φc （2）

（5）由此可得通道1相位设置值“ψ”与“0”态的相位差，即通道1相位校准值：

φ1，ψ0=φ1，ψc -φ1，0c =φ1， ψ-φ1，0 （3）

（6）同理可得通道n相位设置值“ψ”与“0”态的相位差，即通道n相位校准值：

φn，ψ0=φn，ψc –φn，0c =φn，ψ-φn，0 （4）

（7）可得通道n相对于通道1的相位校准值为：

φn，1=φn，ψ0-φn，ψ0，n=1，…，30 （5）

3 应用情况分析

结合实际研制与测试情况，TDRSS信号模拟器各通道幅度差、相位差特性的校准精度可分别控制在±0.3dB、±3º以内，从而应用于某模拟TDRSS相控阵系统地面部分射频通道特性测试与补偿中可达各通道幅度差、相位差特性补偿精度为±0.5dB、±7º以内，从而满足相控阵系统地面部分波束合成增益损失小于0.3dB的要求。

4 结论

文中实现了一种TDRSS信号模拟器，可应用于TDRSS相控阵系统地面部分射频通道特性测试与补偿，并且文中还对该TDRSS信号模拟器的信号特性校准方法进行了有效研究，其各通道幅度差、相位差特性的校准精度可分别控制在±0.3dB、±3º以内，可满足相控阵系统地面部分波束合成增益损失小于0.3dB的要求。

参考文献

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