一种在波束倾斜跟踪系统中调试耦合的新方法

王喜明

(中国电子科技集团集团公司第五十四研究所,河北 石家庄 050081)



一种在波束倾斜跟踪系统中调试耦合的新方法

王喜明

(中国电子科技集团集团公司第五十四研究所,河北 石家庄 050081)

摘要：针对在电子波束倾斜跟踪系统中，接收机解调出的方位和俯仰误差电压存在耦合，在相互的交叉耦合比较大的情况下，既不利于天线跟踪，也容易引起结构件的磨损，降低设备使用寿命，构建并提出了一种通过移相技术降低交叉耦合的方法。同时对电子波束倾斜原理以及实现的方法进行了简要介绍，给出了电子波束倾斜以及基准的时序图，最后给出了在单片机定时器里实现这种算法的程序，此方法在某C频段跟踪天线系统中成功运用。

关键词：卫星通信；波束倾斜；接收机；相位；交叉耦合；跟踪

0引言

在卫星通信系统中，有多种跟踪体制[1]可以选用，常用的跟踪体制有程序跟踪、单脉冲跟踪[2]、圆锥扫描跟踪[3]、步进跟踪和电子波束倾斜[4]跟踪。每一种跟踪方法，都有自己的特点。其中电子波束倾斜跟踪方法使用电子开关技术有效的实现信标信号空间测量，由此可以确定跟踪误差，其跟踪精度接近于单脉冲跟踪体制[5]。本文简单介绍一种电子波束倾斜技术的实现方法，以及通过单片机的定时器的延时功能调节接收机的误差电压耦合，这种方法可以把耦合调整到最佳状态，使天线能够精确的跟踪目标。

1电子波束倾斜跟踪原理

图1给出了电子波束倾斜原理[5]。

图1　波束倾斜原理图

图1中，AZ代表方位，EL代表俯仰，O点表示孔径轴方向轨迹圆的中心轴，而位置1、2、3、4表示开启4个波束倾斜器件而实现的波束倾斜位置，为了确定出卫星偏离天线孔径轴的位置x(图中的黑点),分别短路每个波束倾斜器件，这样波束将分别指向等值曲线的1、2、3、4点。对于给定的位置X，在点1、3波束所接收到的信号比点2、4所接收的信号强，并且点1波束所接收到的信号要比点3波束所接收到的信号强，利用这些偏轴方向性能的数据，可计算出卫星方向的X值，这样就可以对进行跟踪的反馈环路提供一个误差信号。点1、2代表俯仰方向，4、3代表方位方向，这样把信号送给接收机，接收机就能解算一个方位误差信号、一个俯仰误差信号，误差信号送给伺服系统，伺服系统就能驱动天线跟踪目标卫星[6,7]。

2电子波束倾斜实现方法

馈源上面对称放置4个矩形波导，每个波导端接以PIN二极管。4个PIN二极管的空间放置位置及顺序如图2所示。

图2　PIN二极管空间布置图

图3　PIN电子倾斜时序以及基准示意图

PIN二极管高电平导通，低电平截止。可以设计一个推挽电路，用单片机的I/O口高低电平，通过推挽电路去控制PIN二极管的导通与截止。PIN二极管顺时针依次轮流导通，就可以实现波束倾斜。PIN二极管轮流导通的频率是可以通过单片机控制的。这种4个PIN二极管轮流导通的波束倾斜技术，类似于圆锥扫描跟踪方法。用单片机的4个IO口去控制PIN二极管的轮流导通，4个PIN二极管轮流导通时序图如图3所示。

3通过移相调节耦合的原理

馈源输出的信号包络中含有角误差信息，包络函数相对于波束扫描位置的相位含有方向信息[8]。一对相位检波器利用从单片机送来的参考输入完成角跟踪误差信号的检测。这2个检波器实际上是求点积的器件，他们的正弦波频率是扫描的频率，而相互之间有一定的相位关系，以至于从一个检波器获得俯仰角误差，而从另外的检波器获得方位角误差。在天线对准目标后，以A-E两轴的天线为例来说，当天线方位偏离目标时(在波束范围内)，方位误差电压明显增大，俯仰误差电压很小；当天线俯仰轴偏离目标时(在波束范围内)，天线方位不动，俯仰误差电压明显增大，方位误差电压很小。这是比较理想的情况，这样天线跟踪比较平稳。如果天线方位偏离目标，俯仰不动，方位误差电压，俯仰误差电压都很大的情况，即方位和俯仰角跟踪误差相互偶合[9]，天线跟踪目标时，天线晃动很厉害，不仅使机械结构磨损厉害，也使天线无法跟踪目标。因此可以通过调节相位，使方位俯仰的误差电压耦合降到最小，这样才能使天线平稳的跟踪目标。

4移相的实现方法

由于接收机要解调出方位误差电压、俯仰误差电压，需要提供基准信号[10]。方位基准信号与俯仰基准信号相差90°[11]。图3上半部分是提供基准的示意图，可以通过控制提供基准的时间来到达移相得目的。在单片机中启用一个定时器，以定时器延时起动进入中断的方法达到移相得目的。如果波速倾斜扫描频率为100 Hz，对应于PIN二极管顺序导通一圈为360o，360o对应于10 ms。可以计算定时器第一次延时启动的时间，把这个时间换算成定时器第一次启动的延迟常数，这个实现起来比较简单，具体方法如下；

使用的单片机的时钟频率为22 118 400，定时2.5 ms的时间常数为22 118 400121004;单片机的一个中断对应90°，所以移相一度对应的定时器常数为4 60890=51.2；以定时器2为例。

定时器初始化的函数

void Timer2_Init(void)

{

SFRPAGE_SAVE=SFRPAGE;

SFRPAGE=TMR2_PAGE;

TMR2CN=0x00;

RCAP2H=0xff &((-THETA)>>8);

RCAP2L=0xff &(-THETA);

TMR2H=RCAP2H;

TMR2L=RCAP2L；

SFRPAGE=SFRPAGE_SAVE;

}

其中，THETA为要移的相位与51.2的乘积。

给接收机送基准是在定时器中断里实现的。

void TIMER2_INT(void)interrupt 5 using 1

{

SFRPAGE_SAVE=SFRPAGE;

SFRPAGE=TMR2_PAGE;

TF2=0;

if(gc_tmr2run ==0)∥第一次进中断

{

RCAP2H=0xff &((-TC_3MS)>>8);

RCAP2L=0xff &(-TC_3MS);

TMR2H=RCAP2H;

TMR2L=RCAP2L;

gc_tmr2run=1;

}

{

flag2++;

if((flag2 ==1)||(flag2 ==2))COS=1;

elseCOS=0;

if((flag2 ==2)||(flag2 ==3))SIN=1;

elseSIN=0;

if(flag2 ==4)flag2=0;

}

SFRPAGE=SFRPAGE_SAVE;

}

其中,SIN为方位基准信号，COS为俯仰基准信号，这2个信号是送给接收机的。可以通过改变定时器第一次进入中断的时间常数达到移相得目的。通过移相值把接收机输出的误差电压[12]交叉耦合调整到最小，这样天线在跟踪目标时，运动比较平稳，也不会丢失目标。

5结束语

本文在波束倾斜跟踪系统中通过移相的方法调节接收机方位误差电压、俯仰误差电压的耦合，可以把交叉耦合调整到一定的范围内。其交叉偶合越小，跟踪天线运动越平稳，跟踪精度越高。该方法简单，易于用程序实现，并且这种方法在某C频段跟踪天线系统中成功运用，取得了良好的效果，具有一定的推广价值。

参考文献

[1]王德存，丁家会，程望东，等.精密跟踪测量雷达技术[M].北京：电子工业出版社,2006：24-27.

[2]李长勇，闫英敏，靳英卫.“动中通”系统中的跟踪识别技术[J].火力与指挥控制，2009，34(8)：154-156.

[3]刘杰，孙海祥.卫星跟踪技术[J].广播与电视技术，2008(8)：140-142.

[4]赵来定，胡正飞，曹伟，等.卫星通信圆锥扫描跟踪[J].现代雷达，2006，28(3)：76-78.

[5]林昌禄.天线工程手册[M].北京：电子工业出版社，2002：932-939.

[6]黎孝存.星间链路角跟踪系统校相分析[J].空间电子技术，2009，(2)：109-114.

[7]李靖，李强，李硕.单脉冲跟踪接收机相位自动校正的研究[J].无线电工程，2008，38(5)：56-58.

[8](美)MerrillI Skolnik.雷达手册[M].王军，译.北京：电子工业出版社，2003：699-706.

[9]康振梅，宋万杰，吴顺君.圆锥扫描体制雷达跟踪旋转目标的方法研究[J].雷达科学与技术，2007，5(6)：415-418.

[10]张德.临近空间卫星通信天线伺服跟踪的研究[J].无线电通信技术，2013，39(2)：52-54.

[11]弋稳.雷达接收机技术[M].北京：电子工业出版社，2005：104-108.

[12]闫世明，刘孔水，朱其涛.舰载卫通站C轴应用研究与改进[J].无线电工程，2012，42(8)：56-58.

A New Method of Debugging Cross Coupling in Beam Deviation Tracking System

WANG Xi-ming

(The 54th Research Institute of CETC,Shijiazhuang Hebei 050081,China)

Abstract：In beam deviation tracking system,there is cross coupling between azimuth and elevation error voltages demodulated from receiver.The higher cross coupling may be disadvantageous to antenna tracking,result in damage of structural parts,and shorten the service life of equipment.This paper proposes a method of reducing cross coupling with phase shift.The electronic beam deviation theory and implement method are introduced in brief,and the sequence chart of electronic beam deviation and reference are given.Finally the program of implementing the method is presented in single chip timer.The method is used in some C-band antenna,and the perfect result is obtained.

Key words：satellite communication;beam deviation;receiver;phase;cross coupling;tracking

中图分类号：TN82

文献标志码：A

文章编号：1003-3114(2016)03-79-3

作者简介：王喜明(1978—)，男，工程师，主要研究方向：天线伺服控制系统研究与设计。

收稿日期：2016-01-20

doi:10.3969/j.issn.1003-3114.2016.03.21

引用格式：王喜明.一种在波束倾斜跟踪系统中调试耦合的新方法[J].无线电通信技术,2016,42(3):79-81.