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CN103954956A - 一种自适应四端口对消网络结构及自适应对消方法 - Google Patents

一种自适应四端口对消网络结构及自适应对消方法 Download PDF

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Abstract

一种自适应四端口对消网络结构及自适应对消方法，包括幅度相位对消网络、自适应调整结构，其中幅度相位对消网络包括耦合器、可调增益放大器、模拟移相器、功率放大器、匹配负载和衰减器，实现发射链路耦合部分能量，对此耦合信号进行幅度相位调整后在接收链路耦合器与接收同频率干扰信号达到幅度近似相等、相位近似相反，最终将接收同频干扰信号幅度抑制到较低水平，从而改善接收信道载噪比。自适应调整结构包括耦合器、检波器、比较器匹配负载和增益可调放大器，对并联比较器公共参考端设置接收同频干扰信号幅度抑制到目标电平检波电压，闭环自适应调整结构就可以实现对幅度相位对消网络中可调增益放大器、模拟移相器的自动调整。

Description

一种自适应四端口对消网络结构及自适应对消方法
技术领域
本发明涉及一种对消网络的拓扑结构，并具体涉及一种包括幅度相位对消网络、自适应调整结构的自适应四端口对消网络，属微波设计领域。
背景技术
微位移收发信道是同频、同时、同天线的工作体制，所以发射信号会通过环形器泄露到接收信道中，造成接收通道饱和，恶化接收信道对有用信号的信噪比，影响最后的系统测量精度；或者使得整个系统的测量距离很小，无法实际工程应用。为了在接收信道中将发射信号通过环形器泄露到接收信道中的信号进行抑制，采用的方法是在发射信道末端通过耦合器耦合一定信号能量，并使耦合信号经过可调衰减器和移相器对其幅度和相位进行调整，使耦合信号与泄露信号的幅度相等、相位相差180°，从而达到对环形器泄露信号的抑制抵消。传统的超高隔离环形器接收对发射端口隔离度稳态75dB，隔离度较低，在一些测量距离要求较高的场合受到非常大的限制，影响了系统的测量距离。所以在目前航天微波测距领域，急需研究一种能够使得隔离环形器接收对发射端口隔离度达到更高的网络结构。
发明内容
本发明的主要内容是：克服现有技术的不足，提出了一种自适应四端口对消网络结构，通过发射链路的耦合器耦合一定的信号到对消支路，该信号经过并行自适应幅度、相位调整后通过耦合器与接收链路泄露的发射信号达到幅度相等，相位相差180°实现信号抵消，从而实现微位移测量系统接收对发射高隔离度的要求。
本发明的技术解决方案是：
一种自适应四端口对消网络结构包括：幅度相位对消网络、自适应调整结构，所述幅度相位对消网络又包括耦合器Z1、Z8、可调增益放大器Z3、模拟移相器Z5、功率放大器Z7、匹配负载Z14、Z15、Z16，衰减器Z2、Z4、Z6；所述自适应调整结构又包括耦合器Z9，比较器Z12、Z13，检波器Z11，可调增益放大器Z10，匹配负载Z16；
发射信号从端口1输入、端口2输出，含有泄漏发射信号的接收信号从端口3输入、端口4输出；
幅度相位对消网络的耦合器Z1输入端口与发射信号的输入端口1相连，耦合器Z1的输出端口与发射信号的输出端口2相连，耦合器Z1的隔离端口与匹配负载Z14相连，耦合器Z1的耦合端口耦合一定能量的端口1输入的发射信号到衰减器Z2的输入端；
衰减器Z2将接收到的信号进行幅度衰减后输出到可调增益放大器Z3的输入端，可调增益放大器Z3将接收的信号进行幅度调整后输出到级间增益可调衰减器Z4，衰减器Z4将接收到的信号进行幅度衰减后输出到模拟移相器Z5，模拟移相器Z5将将接收的信号进行相位调整后输出到级间增益可调衰减器Z6，级间增益可调衰减器Z6将将接收到的信号进行幅度衰减后输出到功率放大器Z7，功率放大器Z7将信号进行放大后由耦合器Z8的隔离端口D进入耦合器Z8；
从耦合器Z8的隔离端口进入耦合器Z8的信号与耦合器Z8的输入端口接收的由接收信号的输入端口3输出的干扰信号，在耦合器Z8的输出端口矢量合成为合成信号，耦合器Z8耦合端口接匹配负载Z15；
自适应调整结构的耦合器Z9的输入端与耦合器Z8的输出端口相连接收合成信号，耦合器Z9的耦合端口耦合一定能量的合成信号到可调增益放大器Z10，可调增益放大器Z10将接收到的信号进行幅度调整后输出到检波器Z11，检波器Z11将接收到的信号进行检波输出并联比较器Z12和Z13的参考电压偏置目标值到并联比较器Z12和Z13的输入端，比较器Z12和Z13的参考端连接外接参考电压(外接参考电压值与参考电压偏置目标值相同)，比较器Z12和Z13的输出端输出电压信号到可调增益放大器Z3和模拟移相器Z5的调节端用于控制两者的调节，耦合器Z9输出端口与接收信号的输出端口4相连，隔离端口与匹配负载Z16相连。
所述幅度相位对消网络中的耦合器Z1、Z8的耦合度不小于20dB。
所述幅度相位对消网络中的可调增益放大器衰减精度不大于0.1dB。
所述幅度相位对消网络中的模拟移相器Z5相移量不小于360°，相移精度不大于1°。
所述幅度相位对消网络功率放大器输出压缩点不小于20dBm。
所述自适应调整结构检波器检波电平动态范围大于接收干扰信号电平抑制范围。
所述自适应调整结构比较器是并联关系，共用同一个参考电压。
所述衰减器Z2、Z4、Z5为增益可调衰减器
四端口对消网络结构的自适应对消方法，包括步骤如下：
(1)断开比较器Z12和Z13输出与可调增益放大器Z3和模拟移相器Z5之间连接；
(2)通过外供电压控制可调增益放大器Z3与模拟器移相器Z5进行幅度和相位调整，使得耦合器Z8的输出端输出的合成信号经过耦合器Z9后由端口4输出时达到规定电平，同时检波器Z11检波测量耦合器Z9耦合端输出的信号，得到检波电压，并将该检波电压值作为比较器Z12和Z13的参考电压偏置目标值，通过外部输出与参考电压偏置目标值相同的电压值到比较器Z12和Z13的参考端；
(3)恢复比较器Z12和Z13输出与可调增益放大器Z3和模拟移相器Z5之间连接，，四端口对消网络即可实现自适应调整。
所述的步骤(2)中的可调增益放大器和模拟移相器相移量的调整可以重复进行三到四次以找到最优的泄露发射信号被对消时的最低电平值。
本发明与现有技术相比的优点在于：
(1)本发明解决了收发同时、同频、同天线的“三同系统”的信道隔离度与实际应用差距较大问题，大大提高了信道隔离度，同时应用范围较广，除在航天等大型国防项目有应用价值外，在大型建筑、水利工程微位移测量中也均有应用前景和实用价值，同时，解决了制约和限制连续波雷达应用和发展的主要因素收发隔离，打破雷达问世以来一直以脉冲体制为主，也即同频、同天线不同时的“二同系统”格局，开创“三同系统”新局面，大大提高信息传输量、距离分辨率和速度分辨率、以及雷达在战场上的生存能力。
(2)本发明提出一种对泄露信号目标电平耦合检波电压值作为并联比较器共同参考电压，并联比较器输出两路电压对可调增益放大器和模拟移相器自适应调整，实现自适应对消，结构简单，自动化程度高，节省了大量的人力成本，提高了效率。
(3)本发明无需单片机以及复杂编程要求，大大降低成本，同时本发明在实现上采用常规成熟器件，成本低风险小，在更高频段使用时只需选用同类型高频率器件即可替换，适用性较强，可靠性高。
附图说明
图1是本发明自适应四端口对消网络结构示意图；
图2是本发明四端口对消网络测试结果示意图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的具体实施方式做进一步的描述。
本发明提出了一种通过耦合器从发射链路耦合一定发射信号到对消支路，该耦合信号经过大动态可调增益放大器和大于360°模拟移相器进行幅度相位调试，该耦合信号与接收链路接收的同频发射链路的前端泄露的发射信号通过耦合器合路后达到幅度相等相位相差180°，矢量合成后实现泄露干扰信号抑制。合理分布对消支路的增益分布，保证关键模块模拟移相器处在线性工作状态，对消支路中可调增益放大器必须保证可调范围大于30dB，模拟移相器必须保证可调范围大于360°才能大动态对消能力，耦合器耦合度20dB，保证端口3至端口4的热噪声系数，同时本发明提出了一种自适应对消，设定自适应大动态四端口对消网络的对消能力，也即设定端口4的输出电平，通过端口4耦合一定能量进行检波输出电压V检波作为并联比较器负管脚输入电压，而调试时在并联比较器正管脚设定自适应起控参考电压为V参考＝V检波。环路闭合后，就可以实现自适应幅度、相位调整，最终实现自适应对消功能。
如图1所示，本发明一种自适应四端口对消网络结构包括：幅度相位对消网络、自适应调整结构，所述幅度相位对消网络又包括耦合器Z1、Z8、可调增益放大器Z3、模拟移相器Z5、功率放大器Z7、匹配负载Z14、Z15、Z16，衰减器Z2、Z4、Z6；所述自适应调整结构又包括耦合器Z9，比较器Z12、Z13，检波器Z11，可调增益放大器Z10，匹配负载Z16；
发射信号从端口1输入、端口2输出，含有泄漏发射信号的接收信号从端口3输入、端口4输出；
幅度相位对消网络的耦合器Z1输入端口与发射信号的输入端口1相连，耦合器Z1的输出端口与发射信号的输出端口2相连，耦合器Z1的隔离端口与匹配负载Z14相连，耦合器Z1的耦合端口耦合一定能量的端口1输入的发射信号到衰减器Z2的输入端；
衰减器Z2将接收到的信号进行幅度衰减后输出到可调增益放大器Z3的输入端，可调增益放大器Z3将接收的信号进行幅度调整后输出到级间增益可调衰减器Z4，衰减器Z4将接收到的信号进行幅度衰减后输出到模拟移相器Z5，模拟移相器Z5将将接收的信号进行相位调整后输出到级间增益可调衰减器Z6，级间增益可调衰减器Z6将将接收到的信号进行幅度衰减后输出到功率放大器Z7，功率放大器Z7将信号进行放大后由耦合器Z8的隔离端口D进入耦合器Z8；
从耦合器Z8的隔离端口进入耦合器Z8的信号与耦合器Z8的输入端口接收的由接收信号的输入端口3输出的干扰信号，在耦合器Z8的输出端口矢量合成为合成信号，耦合器Z8耦合端口接匹配负载Z15；
自适应调整结构的耦合器Z9的输入端与耦合器Z8的输出端口相连接收合成信号，耦合器Z9的耦合端口耦合一定能量的合成信号到可调增益放大器Z10，可调增益放大器Z10将接收到的信号进行幅度调整后输出到检波器Z11，检波器Z11将接收到的信号进行检波输出并联比较器Z12和Z13的参考电压偏置目标值到并联比较器Z12和Z13的输入端，比较器Z12和Z13的参考端连接外接参考电压(外接参考电压值与参考电压偏置目标值相同)，比较器Z12和Z13的输出端输出电压信号到可调增益放大器Z3和模拟移相器Z5的调节端用于控制两者的调节，耦合器Z9输出端口与接收信号的输出端口4相连，隔离端口与匹配负载Z16相连。
幅度相位对消网络中的耦合器Z1、Z8的耦合度不小于20dB。
幅度相位对消网络中的可调增益放大器衰减精度不大于0.1dB。
幅度相位对消网络中的模拟移相器Z5相移量不小于360°，相移精度不大于1°。
幅度相位对消网络功率放大器输出压缩点不小于20dBm。
自适应调整结构检波器检波电平动态范围大于接收干扰信号电平抑制范围。
自适应调整结构比较器是并联关系，共用同一个参考电压。
衰减器Z2、Z4、Z5为增益可调衰减器
四端口对消网络结构的自适应对消方法，包括步骤如下：
(1)断开比较器Z12和Z13输出与可调增益放大器Z3和模拟移相器Z5之间连接；
(2)通过外供电压控制可调增益放大器Z3与模拟器移相器Z5进行幅度和相位调整，使得耦合器Z8的输出端输出的合成信号经过耦合器Z9后由端口4输出时达到规定电平，同时检波器Z11检波测量耦合器Z9耦合端输出的信号，得到检波电压，并将该检波电压值作为比较器Z12和Z13的参考电压偏置目标值，通过外部输出与参考电压偏置目标值相同的电压值到比较器Z12和Z13的参考端；
(3)恢复比较器Z12和Z13输出与可调增益放大器Z3和模拟移相器Z5之间连接，，四端口对消网络即可实现自适应调整。
步骤(2)中的可调增益放大器和模拟移相器相移量的调整可以重复进行三到四次以找到最优的泄露发射信号被对消时的最低电平值。
下面以一个具体实施例进一步说明本发明的结构组成和工作原理：
自适应四端口对消网络实现的功能指标和接口关系如下：
输入输出频率：100MHz；
3dB带宽：10kHz；
端口1输入电平：10dBm；
端口3输入电平：+10dBm；
端口4输出电平：不大于-60dBm；
端口特性：端口1至端口2插入损耗不大于1dB
端口3至端口4插入损耗不大于1dB
端口1至端口4幅度连续可调范围大于30dB，相位连续可调范围大于360°
电压驻波比：小于等于1.50:1；
端口1输入信号经过耦合器耦合到对消支路信号，经过幅度相位调整后与端口3输入的同频信号在耦合器Z8的输出端口O合成，两路信号幅度相等即V1＝V2，相位满足θ2＝θ1±n×180°条件时，两路信号达到完全对消，其中θ2、θ1分别为端口1和端口3输入信号的相位。隔离度要求是70dB，端口3输入电平是+10dBm，因此端口4输出电平是-60dBm，其中关键在于如何实现幅度相位自适应调整，实现方法是在开环条件下在端口3输入信号使得端口4电平保证-60dBm(端口1、2接匹配负载)，此时测出检波器检波输出电压V检波，设置两个并行比较器的参考电压V参考＝V检波，然后将两个比较器控制电压与可调增益放大器、模拟移相器控制电压端相连进行闭环，在端口1输入100MHz电平+10dBm信号，端口2接匹配负载，端口3输入100MHz电平+10dBm，从端口4测试100MHz信号输出电平保证不大于-60dBm。
如图2中所示的测试结果，自适应四端口对消网络端口3至端口4的参数S43动态范围是-70.22dB至-0.36dB，该对消网络总的对消范围达到70.13dB。
本发明已经成功应用于某通信卫星型号上，成功完成了航天器的收发信号良好设计。本发明解决了收发同时、同频、同天线的“三同系统”的信道隔离度与实际应用差距较大问题，应用范围广，在大型建筑、水利工程微位移测量中均有应用前景和实用价值。同时，很好的解决了制约和限制连续波雷达应用和发展的主要因素收发隔离，打破雷达问世以来一直以脉冲体制为主，也即同频、同天线不同时的“二同系统”格局，开创“三同系统”新局面，大大提高信息传输量、距离分辨率和速度分辨率、以及雷达在战场上的生存能力。
本发明说明书中未作详细描述的内容属于本领域技术人员的公知技术。

Claims (10)

1.一种自适应四端口对消网络结构，其特征在于包括：幅度相位对消网络、自适应调整结构，所述幅度相位对消网络又包括耦合器Z1、Z8、可调增益放大器Z3、模拟移相器Z5、功率放大器Z7、匹配负载Z14、Z15、Z16，衰减器Z2、Z4、Z6；所述自适应调整结构又包括耦合器Z9，比较器Z12、Z13，检波器Z11，可调增益放大器Z10，匹配负载Z16； 
发射信号从端口1输入、端口2输出，含有泄漏发射信号的接收信号从端口3输入、端口4输出； 
幅度相位对消网络的耦合器Z1输入端口与发射信号的输入端口1相连，耦合器Z1的输出端口与发射信号的输出端口2相连，耦合器Z1的隔离端口与匹配负载Z14相连，耦合器Z1的耦合端口耦合一定能量的端口1输入的发射信号到衰减器Z2的输入端； 
衰减器Z2将接收到的信号进行幅度衰减后输出到可调增益放大器Z3的输入端，可调增益放大器Z3将接收的信号进行幅度调整后输出到级间增益可调衰减器Z4，衰减器Z4将接收到的信号进行幅度衰减后输出到模拟移相器Z5，模拟移相器Z5将将接收的信号进行相位调整后输出到级间增益可调衰减器Z6，级间增益可调衰减器Z6将将接收到的信号进行幅度衰减后输出到功率放大器Z7，功率放大器Z7将信号进行放大后由耦合器Z8的隔离端口D进入耦合器Z8； 
从耦合器Z8的隔离端口进入耦合器Z8的信号与耦合器Z8的输入端口接收的由接收信号的输入端口3输出的干扰信号，在耦合器Z8的输出端口矢量合成为合成信号，耦合器Z8耦合端口接匹配负载Z15； 
自适应调整结构的耦合器Z9的输入端与耦合器Z8的输出端口相连接收合成信号，耦合器Z9的耦合端口耦合一定能量的合成信号到可调增益放大器Z10，可调增益放大器Z10将接收到的信号进行幅度调整后输出到检波器Z11， 检波器Z11将接收到的信号进行检波输出并联比较器Z12和Z13的参考电压偏置目标值到并联比较器Z12和Z13的输入端，比较器Z12和Z13的参考端连接外接参考电压，比较器Z12和Z13的输出端输出电压信号到可调增益放大器Z3和模拟移相器Z5的调节端用于控制两者的调节，耦合器Z9输出端口与接收信号的输出端口4相连，隔离端口与匹配负载Z16相连。 
2.根据权利1所述的一种自适应四端口对消网络结构，其特征在于：所述幅度相位对消网络中的耦合器Z1、Z8的耦合度不小于20dB。 
3.根据权利1所述的一种自适应四端口对消网络结构，其特征在于：所述幅度相位对消网络中的可调增益放大器衰减精度不大于0.1dB。 
4.根据权利1所述的一种自适应四端口对消网络结构，其特征在于：所述幅度相位对消网络中的模拟移相器Z5相移量不小于360°，相移精度不大于1°。 
5.根据权利1所述的一种自适应四端口对消网络结构，其特征在于：所述幅度相位对消网络功率放大器输出压缩点不小于20dBm。 
6.根据权利1所述的一种自适应四端口对消网络结构，其特征在于：所述自适应调整结构检波器检波电平动态范围大于接收干扰信号电平抑制范围。 
7.根据权利1所述的一种自适应四端口对消网络结构，其特征在于：所述自适应调整结构比较器是并联关系，共用同一个参考电压。 
8.根据权利1所述的一种自适应四端口对消网络结构，其特征在于：所述衰减器Z2、Z4、Z5为增益可调衰减器 。
9.基于权利1所述的四端口对消网络结构的自适应对消方法，其特征在于步骤如下： 
(1)断开比较器Z12和Z13输出与可调增益放大器Z3和模拟移相器Z5之间连接； 
(2)通过外供电压控制可调增益放大器Z3与模拟器移相器Z5进行幅度和相位调整，使得耦合器Z8的输出端输出的合成信号经过耦合器Z9后由端口 4输出时达到规定电平，同时检波器Z11检波测量耦合器Z9耦合端输出的信号，得到检波电压，并将该检波电压值作为比较器Z12和Z13的参考电压偏置目标值，通过外部输出与参考电压偏置目标值相同的电压值到比较器Z12和Z13的参考端； 
(3)恢复比较器Z12和Z13输出与可调增益放大器Z3和模拟移相器Z5之间连接，，四端口对消网络即可实现自适应调整。 
10.根据权利要求9所述的自适应对消方法，其特征在于：所述的步骤(2)中的可调增益放大器和模拟移相器相移量的调整可以重复进行三到四次以找到最优的泄露发射信号被对消时的最低电平值。 
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