专利名称：一种星载微波散射计多耦合回路内定标方法
技术领域：
本发明属于微波遥感技术领域，特别是涉及一种星载微波散射计多耦合回路内定 标方法。
背景技术：
定标是微波散射计散射测量中必不可少的环节。内定标主要解决的是发射机发射 功率的不确定性、接收机增益的不确定性因素对微波散射测量带来的影响。在雷达方程中 因此，如果测出pypt，则除了天线增益以外，不用测出系统的其他特性就能确定 σ °值。将发射信号的取样值来给接收机定标，也就不需要对发射功率和接收机特性作分别 测量，而只需要直接测定其比值就可以。微波散射计就是采用这种方法来消除由于发射机 和接收机的增益不稳定性带来的误差。目前，星载微波散射计常采用单回路内定标方法，单 回路内定标方法的原理框图如图1所示。定标信号通过回路耦合到接收通道，与回波信号 相比较来消除发射机和接收机的增益不稳定性对测量的影响。单回路内定标方法的不足就 是要求系统有较高的隔离度。计算隔离度的原则是保证从天线或环形器等杂散的途径泄漏的信号比从LNA输 入(即定标信号)的信号小20dB以上。假设自发射机来的信号功率为OdBm，经功率放大器后到达天线的功率为50dBm， LNA的增益为30dB，定标信号的大小取为-60dBm(定标信号选取的原则是使接收机不产生 饱和)，这里假定，要使定标信号不受污染，就必须保证定标信号比泄露信号高20dB以上， 那么就至少要求隔离度为50-(-60-20) = 130dB。由此可见单回路内定标法对隔离度的要 求很高。高隔离度的前端研制困难很大。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术的上述不足，提供一种星载微波散射计多耦合回 路内定标方法，该方法引入一条测增益差的回路，并通过控制低噪声放大器电源的方法来 提高定标信号的功率，进而降低对系统隔离度的要求。本发明的上述目的是通过如下技术方案予以实现的一种星载微波散射计多耦合回路内定标方法，通过定标回路与测增益差回路完成 内定标过程，其中定标回路包括耦合器2与固定衰减器2，测增益差回路包括耦合器1与固 定衰减器1，具体的实现过程如下(1)接通定标回路，首先关断低噪声放大器的电源，信号源产生的信号经过行波管 放大器放大后经过耦合器2耦合出一部分信号，再经过固定衰减器2后进入接收机的输入 端作为定标信号，在接收机的输出端得到定标信号的功率P。。
4 其中Pt为发射信号的发射功率，发射信号为信号源产生的信号经过行波管放大器 放大后得到的信号，Ln为低噪声放大器对信号的衰减，Lf为耦合器2及固定衰减器2的总 损耗，L。为数控衰减器的衰减量，G为除了低噪声放大器和数控衰减器以外的接收机的总增 之后接通低噪声放大器的电源，在接收机的输出端得到回波信号的功率
其中已为回波信号的功率,G1为低噪声放大器的增益，k为数控衰减器的衰减量；
(2)将步骤⑴得到的定标信号的功率P。。与回波信号的功率P 相比得到下式
进一步得到
(3)接通测增益差回路，首先接通低噪声放大器的电源，信号源产生的信号经过耦 合器1耦合出一部分信号，再经过固定衰减器1后进入接收机的输入端作为测增益差信号， 在接收机的输出端得到信号功率g 其中为经过固定衰减器1的固定信号，L为数控衰减器的衰减值；之后关断低噪声放大器的电源，在接收机的输出端得到信号功率P: 其中Ltl为数控衰减器的衰减值；(4)将步骤(3)中得到的信号功率P。’与信号功率P:相比得到下式 (5)将步骤(4)得到的
代入步骤⑵得到的
中，
求得
，完成星载微波散射计多耦合回路内定标，其中接收机包括低噪声放大器、混频器、中放、数控衰减器和A/D。在上述星载微波散射计多耦合回路内定标方法中，接收机通过选择开关与固定衰 减器1和固定衰减器2连接，并通过选择开关选择接通定标回路或接通测增益差回路。在上述星载微波散射计多耦合回路内定标方法中，接收机还通过选择开关与环形 器连接，当步骤(1)中接通低噪声放大器的电源时，选择开关与环形器连通，接收机的输入 端接收来自环形器的回波信号，其中回波信号的功率为Pr。在上述星载微波散射计多耦合回路内定标方法中，低噪声放大器为两阶放大器， 当步骤(1)和步骤(3)中关断低噪声放大器的电源时，为满足一定的信噪比，设置第一阶低 噪声放大器不断电，第二阶低噪声放大器关断电源。在上述星载微波散射计多耦合回路内定标方法中，步骤(3)中数控衰减器的衰减 值L与Ltl均为数控衰减器最大衰减值Lmax与最小衰减值Lmin之间的取值。本发明与现有技术相比具有如下优点(1)本发明内定标方法通过采用定标回路与测增益差回路两条回路完成内定标过 程，其中引入测增益差回路用来测量低噪声放大器接通和关断电源时的增益差G1Ln，同时 在定标回路中通过关断和接通低噪声放大器的电源分别得到定标信号功率P。。和回波信号 功率，在测增益差回路中通过关断和接通低噪声放大器的电源分别得到信号功率Pi；和 信号功率g,通过计算得到pypt，完成内定标，本发明通过采用控制低噪声放大器电源的方 法，大大提高了定标信号的功率，因而大幅度降低了对系统隔离度的要求；(2)本发明内定标方法由于大大降低了对系统隔离度的要求，因而克服了现有技 术中高隔离度的前端研制存在较大困难的缺陷，降低了实际应用中前端设备的研制难度， 易于工程实现；(3)本发明中的低噪声放大器关断电源后相当于一个衰减器，接收系统噪声较大， 为了满足一定的信噪比要求，可以采用两阶的低噪声放大器，其中第一阶低噪声放大器不 断电，第二阶低噪声放大器关断电源，可以得到20 30dB的较小衰减。
图1为现有技术中单回路内定标方法；图2为本发明多耦合回路内定标方法实现原理图；图3为本发明低噪声放大器组成框图；图4为本发明低噪声放大器测试结果图；图5为本发明内定标方法实施例中接收机结构及各点电平分配值图。
具体实施例方式下面结合附图通过具体实施例对本发明进行进一步详细的描述
如图2所示为本发明多耦合回路内定标方法实现原理图，由图可知定标回路包 括耦合器2与固定衰减器2，信号源输出的发射信号经过行波管放大器TWTA放大后经过 耦合器2耦合出一部分信号，再经过固定衰减器2后进入接收机的输入端作为定标信号， 在接收定标信号时低噪声放大器LNA的电源断开，此时LNA就失去了原有的放大功能， 反而对信号有一定的衰减，假设对信号的衰减为Ln,那么接收机输出的定标信号功率为
C，其中Lf为耦合器2及固定衰减器2的总损耗，Lc为数控衰减器的衰减
量，G为除了低噪声放大器和数控衰减器以外的接收机的总增益，其中接收机包括低噪声放 大器、混频器、中放、数控衰减器和A/D，图1中仅示出了接收机的部分组件。接收回波信号时，从天线接收的信号经过环形器进入接收机的输入端，由于回波 信号功率较小，所以要接通LNA的电源，此时LNA的增益为G1,那么接收机输出端的回波信
号功率为巧，=」~7^^，其中已为回波信号的接收功率，Lr为数控衰减器的衰减量。根据内定标的定标公式Pr 的功率P 与相比得到
A，将接收机接收到的定标信号的功率P。。与回波信号
R 由公式(1)可知，要求Pr/Pt，LnG1 (即LNA接通、关断电源时的增益差)必须为已 知量，因此引出一条测量增益差的回路(如图2中虚线所示的回路)，测增益差回路包括耦 合器1与固定衰减器1，信号源产生的信号经过耦合器1耦合出一部分信号，再经过固定衰 减器1后进入接收机的输入端作为测增益差信号，接通测增益差回路，然后分别接通、关断 低噪声放大器LNA的电源，在接收机的输出端分别得到接通LNA电源状态下的信号功率P。’， 和关断LNA电源状态下的信号功率P:。当接通LNA电源时，为防止接收机饱和，将数控衰减器的衰减值置为L ；断开LNA 电源时，将数控衰减器的衰减值置为Ltl，其中数控衰减器的衰减值L与Ltl均为数控衰减器 最大衰减值Lmax与最小衰减值Lmin之间的取值。
P
LnLQ
(2) (3)
其中Pm为经过固定衰减器ι的固定信号< 将式⑵与式⑶相比较得到
7
将式(4)代入式⑴得到式(5)Pr/Pt
剛培哉通过上述定标回路与测增益差回路完成了内定标的过程，其中选择开关用来选择 接通定标回路或接通测增益差回路，选择开关连接在接收机与固定衰减器1、固定衰减器 2及环形器之间，当选择开关选择接通定标回路，并接通LNA电源时，选择开关与环形器连 通，接收机的输入端接收从环形器输出的回波信号，当关断LNA电源时，选择开关与固定衰 减器2接通，接收机的输入端接收定标信号；当选择开关选择接通测增益差回路时，选择开 关与固定衰减器1接通，接收机的输入端接收测增益差信号。本发明通过关断低噪声放大器的电源，将其变成一个衰减器，进而来提高定标信 号的功率，由于微波散射计信号带宽较窄，所以低噪声放大器关断电源后，在较窄的带宽里 频率特性不会有较大变化，可以保证幅频特性平坦。信号通过关断电源的低噪声放大器后， 信号不会受大的影响，因此本发明方案是可行的。如图3所示为本发明低噪声放大器的组成结构图，低噪声放大器包括偏置电路、 输入匹配、晶体管放大和输出匹配，其中输入匹配和输出匹配完成信号源和负载与晶体管 之间的阻抗变换，其中起放大作用的是场效应管放大器，关断了 LNA的电源，实际上就等于 使LNA中场效应管放大器失效。选取了一个工作频率在Ku频段，分两级放大、放大倍数25dB的低噪声放大器进行 测试，测试结果是在矢网分析仪上测得的，。测试结果如图4所示，由图4可以看出，在中心 频率13. 256GHz，带宽为IOMHz的频带内，幅度变化基本是平稳的，由实验测试结果看低噪 声放大器在较窄的带宽里，幅频特性是平坦的。实验采用的低噪声放大器增益为25dB，分两 级放大，关断电源后衰减为_51dB左右，实际设计中不需要如此大的衰减，为了得到较小的 衰减(20 30dB)，可以采用只关断一级或其中两级的方法。下面通过具体实例分析采用本发明内定标方法降低隔离度的情况由于低噪声放大器关断电源后相当于一个衰减器，接收系统噪声较大。为了满足 一定的信噪比要求，采用的方法是第一阶低噪声放大器不断电，第二阶低噪声放大器关断 电源，如图5所示为本发明内定标方法实施例中接收机结构及各点电平分配值图，图5中接 收机除LNA外(LNA1为15dB，LNA2为15/_35dB)，还包括两个混频器(混频器1与混频器 2)、数控衰减器、三个中放和A/D，其中三个中放的增益分别为25dB、25dB和60dB，两个混频 器的损耗均为-10dB，数控衰减器的最大衰减值Lmax = 64dB，最小衰减值Lmin = OdB。隔离度的计算原则是保证从天线或环形器等杂散的途径泄漏的信号比从LNA输 入(即定标信号)的信号小20dB以上。由上面的接收结构，定标信号最大可以取为_15dBm， 若定标信号的取值再大，则LNA放大器关断电源后的线性特性不能保证，这里假定A/D的最大输入信号为4dBm，LNA关断电源后的最大输入信号可选为OdBm，定标信号的选取原则是 保证LNA、A/D不饱和，这样计算下来的隔离度为50-(-15-20) = 85dB，其中假设发射机的 发射功率为50dBm，现有技术单回路内定标方法中，定标信号的大小取为-60dBm(定标信号 选取的原则是使接收机不产生饱和)，要使定标信号不受污染，就必须保证定标信号比泄露 信号高20dB以上，那么就至少要求隔离度为50-(-60-20) = 130dB,由此可见本发明内定标 方法的隔离度相比于单回路内定标方法的130dB的隔离度要求小得多。以上所述，仅为本发明最佳的具体实施方式
，但本发明的保护范围并不局限于此， 任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换， 都应涵盖在本发明的保护范围之内。本发明说明书中未作详细描述的内容属于本领域专业技术人员的公知技术。
权利要求
一种星载微波散射计多耦合回路内定标方法，其特征在于通过定标回路与测增益差回路完成内定标过程，其中定标回路包括耦合器2与固定衰减器2，测增益差回路包括耦合器1与固定衰减器1，具体的实现过程如下(1)接通定标回路，首先关断低噪声放大器的电源，信号源产生的信号经过行波管放大器放大后经过耦合器2耦合出一部分信号，再经过固定衰减器2后进入接收机的输入端作为定标信号，在接收机的输出端得到定标信号的功率Poc <mrow><msub> <mi>P</mi> <mi>oc</mi></msub><mo>=</mo><mfrac> <msub><mi>P</mi><mi>t</mi> </msub> <mrow><msub> <mi>L</mi> <mi>f</mi></msub><msub> <mi>L</mi> <mi>N</mi></msub><msub> <mi>L</mi> <mi>c</mi></msub> </mrow></mfrac><mo>·</mo><mi>G</mi> </mrow>其中Pt为发射信号的发射功率，LN为低噪声放大器对信号的衰减，Lf为耦合器2及固定衰减器2的总损耗，Lc为数控衰减器的衰减量，G为除了低噪声放大器和数控衰减器以外的接收机的总增益；之后接通低噪声放大器的电源，在接收机的输出端得到回波信号的功率Por <mrow><msub> <mi>P</mi> <mi>or</mi></msub><mo>=</mo><mfrac> <mrow><msub> <mi>P</mi> <mi>r</mi></msub><mo>·</mo><msub> <mi>G</mi> <mn>1</mn></msub><mo>·</mo><mi>G</mi> </mrow> <msub><mi>L</mi><mi>r</mi> </msub></mfrac> </mrow>其中Pr为回波信号的功率，G1为低噪声放大器的增益，Lr为数控衰减器的衰减量；(2)将步骤(1)得到的定标信号的功率Poc与回波信号的功率Por相比得到下式 <mrow><mfrac> <msub><mi>P</mi><mi>oc</mi> </msub> <msub><mi>P</mi><mi>or</mi> </msub></mfrac><mo>=</mo><mfrac> <mrow><mfrac> <msub><mi>P</mi><mi>t</mi> </msub> <mrow><msub> <mi>L</mi> <mi>f</mi></msub><msub> <mi>L</mi> <mi>N</mi></msub><msub> <mi>L</mi> <mi>c</mi></msub> </mrow></mfrac><mo>·</mo><mi>G</mi> </mrow> <mfrac><mrow> <msub><mi>P</mi><mi>r</mi> </msub> <mo>·</mo> <msub><mi>G</mi><mn>1</mn> </msub> <mo>·</mo> <mi>G</mi></mrow><msub> <mi>L</mi> <mi>r</mi></msub> </mfrac></mfrac> </mrow>进一步得到 <mrow><mfrac> <msub><mi>P</mi><mi>r</mi> </msub> <msub><mi>P</mi><mi>t</mi> </msub></mfrac><mo>=</mo><mfrac> <mrow><msub> <mi>P</mi> <mi>or</mi></msub><msub> <mi>L</mi> <mi>r</mi></msub> </mrow> <mrow><msub> <mi>P</mi> <mi>oc</mi></msub><msub> <mi>L</mi> <mi>f</mi></msub><msub> <mi>L</mi> <mi>c</mi></msub> </mrow></mfrac><mfrac> <mn>1</mn> <mrow><msub> <mi>L</mi> <mi>N</mi></msub><msub> <mi>G</mi> <mn>1</mn></msub> </mrow></mfrac><mo>;</mo> </mrow>(3)接通测增益差回路，首先接通低噪声放大器的电源，信号源产生的信号经过耦合器1耦合出一部分信号，再经过固定衰减器1后进入接收机的输入端作为测增益差信号，在接收机的输出端得到信号功率 <mrow><msubsup> <mi>P</mi> <mi>o</mi> <mo>′</mo></msubsup><mo>=</mo><mfrac> <mrow><msubsup> <mi>P</mi> <mi>ot</mi> <mo>′</mo></msubsup><msub> <mi>G</mi> <mn>1</mn></msub><mi>G</mi> </mrow> <mi>L</mi></mfrac> </mrow>其中为经过固定衰减器1的固定信号，L为数控衰减器的衰减值；之后关断低噪声放大器的电源，在接收机的输出端得到信号功率 <mrow><msubsup> <mi>P</mi> <mi>o</mi> <mrow><mo>′</mo><mo>′</mo> </mrow></msubsup><mo>=</mo><mfrac> <mrow><msubsup> <mi>P</mi> <mi>ot</mi> <mo>′</mo></msubsup><mi>G</mi> </mrow> <mrow><msub> <mi>L</mi> <mi>N</mi></msub><msub> <mi>L</mi> <mn>0</mn></msub> </mrow></mfrac> </mrow>其中L0为数控衰减器的衰减值；(4)将步骤(3)中得到的信号功率与信号功率相比得到下式 <mrow><mfrac> <msubsup><mi>P</mi><mi>o</mi><mo>′</mo> </msubsup> <msubsup><mi>P</mi><mi>o</mi><mrow> <mo>′</mo> <mo>′</mo></mrow> </msubsup></mfrac><mo>=</mo><mfrac> <mrow><msubsup> <mi>P</mi> <mi>ot</mi> <mo>′</mo></msubsup><msub> <mi>G</mi> <mn>1</mn></msub><mi>G</mi><mo>/</mo><mi>L</mi> </mrow> <mfrac><mrow> <msubsup><mi>P</mi><mi>ot</mi><mo>′</mo> </msubsup> <mi>G</mi></mrow><mrow> <msub><mi>L</mi><mi>N</mi> </msub> <msub><mi>L</mi><mn>0</mn> </msub></mrow> </mfrac></mfrac><mo>=</mo><msub> <mi>G</mi> <mn>1</mn></msub><msub> <mi>L</mi> <mi>N</mi></msub><mrow> <mo>(</mo> <mfrac><msub> <mi>L</mi> <mn>0</mn></msub><mi>L</mi> </mfrac> <mo>)</mo></mrow> </mrow>进一步得到 <mrow><msub> <mi>G</mi> <mn>1</mn></msub><msub> <mi>L</mi> <mi>N</mi></msub><mo>=</mo><mfrac> <mrow><msubsup> <mi>P</mi> <mi>o</mi> <mo>′</mo></msubsup><mi>L</mi> </mrow> <mrow><msubsup> <mi>P</mi> <mi>o</mi> <mrow><mo>′</mo><mo>′</mo> </mrow></msubsup><msub> <mi>L</mi> <mn>0</mn></msub> </mrow></mfrac><mo>;</mo> </mrow>(5)将步骤(4)得到的代入步骤(2)得到的中，求得完成星载微波散射计多耦合回路内定标，其中接收机包括低噪声放大器、混频器、中放、数控衰减器和A/D。FSA00000180448800022.tif,FSA00000180448800024.tif,FSA00000180448800025.tif,FSA00000180448800027.tif,FSA00000180448800028.tif,FSA000001804488000211.tif,FSA000001804488000212.tif,FSA000001804488000213.tif
2.根据权利要求1所述的一种星载微波散射计多耦合回路内定标方法，其特征在于 所述接收机通过选择开关与固定衰减器1和固定衰减器2连接，并通过选择开关选择接通 定标回路或接通测增益差回路。
3.根据权利要求1所述的一种星载微波散射计多耦合回路内定标方法，其特征在于 所述接收机还通过选择开关与环形器连接，当步骤(1)中接通低噪声放大器的电源时，选 择开关与环形器连通，接收机的输入端接收来自环形器的回波信号，其中回波信号的功率 为Pr。
4.根据权利要求1所述的一种星载微波散射计多耦合回路内定标方法，其特征在于 所述低噪声放大器为两阶放大器，当步骤(1)和步骤(3)中关断低噪声放大器的电源时，为 满足一定的信噪比，设置第一阶低噪声放大器不断电，第二阶低噪声放大器关断电源。
5.根据权利要求1所述的一种星载微波散射计多耦合回路内定标方法，其特征在于 所述步骤(3)中数控衰减器的衰减值L与Ltl均为数控衰减器最大衰减值Lmax与最小衰减值 Lmin之间的取值。
全文摘要
本发明涉及一种星载微波散射计多耦合回路内定标方法，该定标方法通过采用定标回路与测增益差回路两条回路完成内定标过程，其中引入测增益差回路用来测量低噪声放大器接通和关断电源时的增益差G1LN，同时在定标回路中通过关断和接通低噪声放大器的电源分别得到定标信号功率Poc和回波信号功率Por，在测增益差回路中通过关断和接通低噪声放大器的电源，在接收机输出端分别得到信号功率和信号功率进而得到增益差G1LN，再通过计算得到Pr/Pt，完成内定标。本发明通过采用控制低噪声放大器电源的方法，大大提高了定标信号的功率，因而大幅度降低了对系统隔离度的要求，降低了实际应用中微波前端设备的研制难度，易于工程实现。
文档编号G01S7/34GK101915908SQ201010221240
公开日2010年12月15日 申请日期2010年6月29日 优先权日2010年6月29日
发明者刘丽霞, 吕爱玲, 欧祥荣, 田栋轩 申请人:西安空间无线电技术研究所