基于AD8302的甚高频天线阵电缆相位差检测
乐林株+汪敏+董亮
摘 要： 根据甚高频天线阵相位测量原理，提出一种利用相位检测芯片AD8302将接收机至传输馈线的两两阵元的定标信源信号的相位差转化为对应的直流电压，再用12 b 量化精度单通道A/D采样，最后做误差分析及修正达到修正相位误差的方法。通过验证在低频（2 MHz等）、高频（300 MHz等）等测量条件下，系统给出的电缆相位误差的精度，如在300 MHz信号输入下，电缆之间距离误差达到了cm精度，可以广泛用于相关天线阵误差修正及电缆误差测量中。
关键词： VHF； 射电天文； 相位差检测； 电缆； AD8302
中图分类号： TN820.1+5?34 文献标识码： A 文章编号： 1004?373X（2017）09?0104?04
Abstract： According to the phase measuring principle of the very high frequency （VHF） antenna array， a method of using the phase detection chip AD8302 to convert the phase difference of the scaling source signal of the two array elements from receiver to transmission feeder line into the corresponding direct voltage. The single channel A/D sampling was realized with 12 bit quantization accuracy. The error is analyzed and corrected to realize the phase error correction method. The accuracy of the cable phase error given by the system was verified in the measuring conditions of low frequency （2 MHz） and high frequency （300 MHz）. The error accuracy of the distance among cables can reach cm level when the input signal is 300 MHz. The system can be widely used for related antenna array error correction and cable error measurement.
Keywords： VHF； radio astronomy； phase difference detection； cable； AD8302
0 引 言
VHF（Very High Frequency，甚高頻）射电天线阵具有天线体积大、分布面积广的特点，其频率范围为30～300 MHz，从各天线单元接收信号经过放大，数控移相加权形成综合方向图，最后由长电缆将多路信号传到固定点汇合并进行数字量化，不同的加权函数，使天线阵能对应不同的天区进行观测[1]。甚高频天线阵的原理决定了整个过程中相位误差对天线阵方向图及天区射电源追踪的重大影响，其中相位差主要由移相器和长电缆引起，传统对于电缆相位差的测量方法主要通过测量当前的温度、湿度等信息，经过对电缆材料不同温度、湿度下的变化经验值来修正，但这种方法不仅复杂而且很难克服其余电子元件造成的误差，同时还引入了经验误差。
本项研究旨在采用STM32与AD8302一起设计电缆相位差测量系统，在甚高频天线阵中数据接收前端对电缆进行相位误差测量，从而达到对该相位误差进行修正的目的。该系统非常适用于射电天文甚高频天线阵的数字信号处理方法技术领域。
1 甚高频天线阵
从射电天文观测角度出发，甚高频天线阵灵敏度要达到百毫央（mJy）量级，图像空间分辨率应达到亚角秒（arcsec）量级。射电阵列的灵敏度取决于阵列的总接收面积和阵列的几何尺寸，图像的空间分辨率主要取决于长基线对的长度和方向。正是由于对射电天文观测精度和灵敏度的要求，使得甚高频射电天线阵通常具有天线体积大，分布面积广的特点[2]。
文中涉及的甚高频天线阵主要由两个相距22 km，频率范围为30～80 MHz，用于观测太阳爆发及行星射电爆发的干涉阵组成。与其相关的相控阵数字信号处理是从各天线单元接收的信号经过低噪放大器放大，接入数控移相器，经长电缆将多路信号传到固定点汇合，最后数字量化加权形成综合方向图。
不同的加权函数使得天线阵可以对不同的天区进行观测，根据阵列天线的相关知识得阵元的天线阵的加权向量为：
式中：即为目标所在角度；即为相控阵调相参数，包涵了两部分：由移相器引起的相位差来自长电缆引起的相位差其中前者用于调整天线阵指向，后者包括电缆本身引起及天气等外界环境引起的相位差。后者的总相位为：
式中：是电缆本身引起的误差；是由于自然环境引起的电缆误差，很明显这个误差对于天线阵加权矢量带来了影响，为了获得良好的天线方向图必须修正这个误差[3?4]。
2 AD8302相位检测原理
2.1 AD8302性能特点
AD8302是美国ADI公司推出的能够测量低频到2.7 GHz频率范围内RF/IF幅度和相位差的芯片。其内部主要含有两个精密匹配宽带对数检波器、一个相位检波器、输出放大器组、一个偏置单元和一个输出参考电压缓冲器等。该芯片由于高集成度把误差源和温度漂移降低到最小。
两个输入信号在50系统中的动态范围为-60～0 dBm，输出电平灵敏度为30 mV/dB，输出电流为8 mA，转换速率为25 V/μs，相位测量范围为0°～180°。响应时间为40～500 ns。增益及小信号包络带宽[5]均为30 MHz。
2.2 AD8302工作原理
2.3 测量模式
AD8302主要有三种工作模式测量、控制器、电平比较器，本文主要运用其测量工作模式。其测量工作模式如图1所示。
根据AD8302芯片资料可知，当和直接与芯片反馈，设置输入引脚MSET和PSET相连时，芯片的测量模式将工作在默认的斜率和中心点上，而斜率和中心点可以根据MSET和PSET分压改变。本文所用的测量电路为让其工作在默认的斜率和中心点上。在甚高频及低频条件下其相位测量方程如下：
式中：斜率为10 mV/（°）；中心点为900 mV，对应相位差相差90°；0°～180°相位范围对应输出的电压范围为0～1.8 V。工作模式为默认测量模式时，相位理想响应曲线[7?8]如图2所示。
3 系统构成与硬件软件实现
3.1 系统组成原理
系统组成基于甚高频天线阵定标测量模式，其主要实施方案为采用信号源向天线阵定标信号源输入电路输入同频同相的信号，各阵元天线收到的信号和定标信号源信号通过一个微波开关接入到前端LNA中，微波开关主要工作为切换天线工作模式及定标模式，在每阵元天线接收链路的后端用一个二功分器，一路接入合路器，一路接入微波开关，通过微波开关的选择，每次选择两输入信号进行相位差比较，采用AD8302进行相位检测，将相位差转化为电压。
AD8302采用STM32F103ZET6芯片自带的12 b ADC 12 MHz采样率对输出电压进行实时采集。通过波特率为115 200的串口及TFTLCD屏作为输出显示窗口。其系统原理组成框图如图3所示。
3.2 硬件实现
硬件系统中，前端系统主要基于已搭好的30～80 MHz甚高频天线阵，并运用agilent的E8257D信号源作为输入信号。后端系统主要以STM32单片机作为控制器，运用其芯片内置的12 b ADC作为采样ADC，采样频率为12 MHz。STM32芯片内置16通道，最大转化速率为1 MHz，即1 μs，其ADC最大时钟不能超过14 MHz，其ADC采样周期具有8个分类，采样周期越长采样精度越高，本文实现代码为239.5周期采样。采样时间采样电压不能高于3.3 V。
采用的TFTLCD即薄膜晶体管液晶显示器为2.8寸，分辨率为320×240，支持65K色显示，接口为16位80并口。串口采用STM32自带的5路串口之一，串口有分数波特率发生器、支持同步单线通信和半双工单线通信、支持LIN、支持调制解调器操作等，本文涉及的串口采用全双工模式。硬件原理框图如图4所示。
3.3 软件实现
每隔2 s读取A/D通道数据并显示，A/D采样时间为每21 μs采样一次。程序编程基于keil公司的MDK5作为编程平台，其软件流程图如图5所示。
为了适应不同频率下的测试，程序设置了多种频率下的测试模式，由外部机械按键控制转换不同测试频率。
4 实测结果及分析
系统实测采用了三个频率测试，三个不同频率对应不同的精度需求。为了测出两根相同电缆在自然环境等外部因素影响下造成的电长度及物理长度误差，核心算法主要是对相位进行反向计算得到两根电缆相差物理长度及电长度。实测数据由于实测电缆的条件限制，总共进行了6组电缆相差检测，分别为0 cm，4 cm，9 cm，15 cm，20 cm及30 cm。
4.1 基于2 MHz，150 MHz，300 MHz，350 MHz信源实测结果
两根相同电缆基于2 MHz，150 MHz，300 MHz，350 MHz的实测数据见表1～表4。
4.2 误差分析及矫正
根据实测数据结果分析可知，测量结果存在一定的误差，对数据用Matlab分析后，发现存在的误差属于线性误差，如图6所示，为了对误差进行矫正，对误差进行线性拟合如图7所示，原因有可能是模拟地及数字地没有处理好引入的偏置误差。修正后两根相同电缆基于2 MHz，150 MHz，300 MHz，350 MHz的实测数据见表5～表8。
5 结 论
本文以甚高频天线阵为测试基础，引入电缆相位差测量系统，用以修正电缆因环境等因素影响造成的相位误差，从而使天线阵获得良好的天线阵方向图，进而提高甚高频天线阵追踪源的精度。相位测量系统采用AD8302在2 MHz，150 MHz，300 MHz下分别进行实测。并以STM32F103ZET6作为控制器，控制ADC采样并以TFTLCD和USART串口显示。经过误差分析，线性拟合修正后的测量系统在300 MHz和350 MHz都达到对两根电缆长度测量精度为1 cm的目标设计，在150 MHz达到了2 cm的精度。采用该测量系统对天线加权向量进行修正，从而达到理想的方向图及天线阵测量精度。该系统对于射电天文学数字信号处理具有非常重要的实际意义。
参考文献
[1] WANG F， LO T， LITVA J， et al. VHF antenna array proces?sing： high accuracy direction finding and performance evaluation with real data [J]. IEE proceedings： radar， sonar and navigation， 1994， 141（3）： 137?143.
[2] VAN HAARLEM M P. LOFAR： the low frequency array [J] Astronomy & astrophysics， 2013， 15（7）： 629?635.
[3] DONG L， BO Z Y， HE L S， et al. GPS and phase detection based on low?frequency antenna array chip phase measurement method and apparatus CN 201320318936X [P]. China： Yunnan Astronomical Observatory， Chinese Academy of Sciences， 2013.
[4] ADDARIO L R D. LWA signal delays and time tagging [R]. US： LWA， 2008.
[5] Analog Devices. AD8302 datasheet [R]. US： Analog Devices， 2001.
[6] 宋长宝，竺小松.AD8302幅相测量芯片的原理与应用[J].国外电子元器件，2003（1）：25?27.
[7] 刘文豹，彭浩.基于AD8302的相位差测量系统的改进和设计[J].电子产品世界，2014（1）：45?46.
[8] 郑珍，王海，周渭，等.AD8302型相位差测量系统的设计[J].电子科技，2005（11）：48?52.
摘 要： 根据甚高频天线阵相位测量原理，提出一种利用相位检测芯片AD8302将接收机至传输馈线的两两阵元的定标信源信号的相位差转化为对应的直流电压，再用12 b 量化精度单通道A/D采样，最后做误差分析及修正达到修正相位误差的方法。通过验证在低频（2 MHz等）、高频（300 MHz等）等测量条件下，系统给出的电缆相位误差的精度，如在300 MHz信号输入下，电缆之间距离误差达到了cm精度，可以广泛用于相关天线阵误差修正及电缆误差测量中。
关键词： VHF； 射电天文； 相位差检测； 电缆； AD8302
中图分类号： TN820.1+5?34 文献标识码： A 文章编号： 1004?373X（2017）09?0104?04
Abstract： According to the phase measuring principle of the very high frequency （VHF） antenna array， a method of using the phase detection chip AD8302 to convert the phase difference of the scaling source signal of the two array elements from receiver to transmission feeder line into the corresponding direct voltage. The single channel A/D sampling was realized with 12 bit quantization accuracy. The error is analyzed and corrected to realize the phase error correction method. The accuracy of the cable phase error given by the system was verified in the measuring conditions of low frequency （2 MHz） and high frequency （300 MHz）. The error accuracy of the distance among cables can reach cm level when the input signal is 300 MHz. The system can be widely used for related antenna array error correction and cable error measurement.
Keywords： VHF； radio astronomy； phase difference detection； cable； AD8302
0 引 言
VHF（Very High Frequency，甚高頻）射电天线阵具有天线体积大、分布面积广的特点，其频率范围为30～300 MHz，从各天线单元接收信号经过放大，数控移相加权形成综合方向图，最后由长电缆将多路信号传到固定点汇合并进行数字量化，不同的加权函数，使天线阵能对应不同的天区进行观测[1]。甚高频天线阵的原理决定了整个过程中相位误差对天线阵方向图及天区射电源追踪的重大影响，其中相位差主要由移相器和长电缆引起，传统对于电缆相位差的测量方法主要通过测量当前的温度、湿度等信息，经过对电缆材料不同温度、湿度下的变化经验值来修正，但这种方法不仅复杂而且很难克服其余电子元件造成的误差，同时还引入了经验误差。
本项研究旨在采用STM32与AD8302一起设计电缆相位差测量系统，在甚高频天线阵中数据接收前端对电缆进行相位误差测量，从而达到对该相位误差进行修正的目的。该系统非常适用于射电天文甚高频天线阵的数字信号处理方法技术领域。
1 甚高频天线阵
从射电天文观测角度出发，甚高频天线阵灵敏度要达到百毫央（mJy）量级，图像空间分辨率应达到亚角秒（arcsec）量级。射电阵列的灵敏度取决于阵列的总接收面积和阵列的几何尺寸，图像的空间分辨率主要取决于长基线对的长度和方向。正是由于对射电天文观测精度和灵敏度的要求，使得甚高频射电天线阵通常具有天线体积大，分布面积广的特点[2]。
文中涉及的甚高频天线阵主要由两个相距22 km，频率范围为30～80 MHz，用于观测太阳爆发及行星射电爆发的干涉阵组成。与其相关的相控阵数字信号处理是从各天线单元接收的信号经过低噪放大器放大，接入数控移相器，经长电缆将多路信号传到固定点汇合，最后数字量化加权形成综合方向图。
不同的加权函数使得天线阵可以对不同的天区进行观测，根据阵列天线的相关知识得阵元的天线阵的加权向量为：
式中：即为目标所在角度；即为相控阵调相参数，包涵了两部分：由移相器引起的相位差来自长电缆引起的相位差其中前者用于调整天线阵指向，后者包括电缆本身引起及天气等外界环境引起的相位差。后者的总相位为：
式中：是电缆本身引起的误差；是由于自然环境引起的电缆误差，很明显这个误差对于天线阵加权矢量带来了影响，为了获得良好的天线方向图必须修正这个误差[3?4]。
2 AD8302相位检测原理
2.1 AD8302性能特点
AD8302是美国ADI公司推出的能够测量低频到2.7 GHz频率范围内RF/IF幅度和相位差的芯片。其内部主要含有两个精密匹配宽带对数检波器、一个相位检波器、输出放大器组、一个偏置单元和一个输出参考电压缓冲器等。该芯片由于高集成度把误差源和温度漂移降低到最小。
两个输入信号在50系统中的动态范围为-60～0 dBm，输出电平灵敏度为30 mV/dB，输出电流为8 mA，转换速率为25 V/μs，相位测量范围为0°～180°。响应时间为40～500 ns。增益及小信号包络带宽[5]均为30 MHz。
2.2 AD8302工作原理
2.3 测量模式
AD8302主要有三种工作模式测量、控制器、电平比较器，本文主要运用其测量工作模式。其测量工作模式如图1所示。
根据AD8302芯片资料可知，当和直接与芯片反馈，设置输入引脚MSET和PSET相连时，芯片的测量模式将工作在默认的斜率和中心点上，而斜率和中心点可以根据MSET和PSET分压改变。本文所用的测量电路为让其工作在默认的斜率和中心点上。在甚高频及低频条件下其相位测量方程如下：
式中：斜率为10 mV/（°）；中心点为900 mV，对应相位差相差90°；0°～180°相位范围对应输出的电压范围为0～1.8 V。工作模式为默认测量模式时，相位理想响应曲线[7?8]如图2所示。
3 系统构成与硬件软件实现
3.1 系统组成原理
系统组成基于甚高频天线阵定标测量模式，其主要实施方案为采用信号源向天线阵定标信号源输入电路输入同频同相的信号，各阵元天线收到的信号和定标信号源信号通过一个微波开关接入到前端LNA中，微波开关主要工作为切换天线工作模式及定标模式，在每阵元天线接收链路的后端用一个二功分器，一路接入合路器，一路接入微波开关，通过微波开关的选择，每次选择两输入信号进行相位差比较，采用AD8302进行相位检测，将相位差转化为电压。
AD8302采用STM32F103ZET6芯片自带的12 b ADC 12 MHz采样率对输出电压进行实时采集。通过波特率为115 200的串口及TFTLCD屏作为输出显示窗口。其系统原理组成框图如图3所示。
3.2 硬件实现
硬件系统中，前端系统主要基于已搭好的30～80 MHz甚高频天线阵，并运用agilent的E8257D信号源作为输入信号。后端系统主要以STM32单片机作为控制器，运用其芯片内置的12 b ADC作为采样ADC，采样频率为12 MHz。STM32芯片内置16通道，最大转化速率为1 MHz，即1 μs，其ADC最大时钟不能超过14 MHz，其ADC采样周期具有8个分类，采样周期越长采样精度越高，本文实现代码为239.5周期采样。采样时间采样电压不能高于3.3 V。
采用的TFTLCD即薄膜晶体管液晶显示器为2.8寸，分辨率为320×240，支持65K色显示，接口为16位80并口。串口采用STM32自带的5路串口之一，串口有分数波特率发生器、支持同步单线通信和半双工单线通信、支持LIN、支持调制解调器操作等，本文涉及的串口采用全双工模式。硬件原理框图如图4所示。
3.3 软件实现
每隔2 s读取A/D通道数据并显示，A/D采样时间为每21 μs采样一次。程序编程基于keil公司的MDK5作为编程平台，其软件流程图如图5所示。
为了适应不同频率下的测试，程序设置了多种频率下的测试模式，由外部机械按键控制转换不同测试频率。
4 实测结果及分析
系统实测采用了三个频率测试，三个不同频率对应不同的精度需求。为了测出两根相同电缆在自然环境等外部因素影响下造成的电长度及物理长度误差，核心算法主要是对相位进行反向计算得到两根电缆相差物理长度及电长度。实测数据由于实测电缆的条件限制，总共进行了6组电缆相差检测，分别为0 cm，4 cm，9 cm，15 cm，20 cm及30 cm。
4.1 基于2 MHz，150 MHz，300 MHz，350 MHz信源实测结果
两根相同电缆基于2 MHz，150 MHz，300 MHz，350 MHz的实测数据见表1～表4。
4.2 误差分析及矫正
根据实测数据结果分析可知，测量结果存在一定的误差，对数据用Matlab分析后，发现存在的误差属于线性误差，如图6所示，为了对误差进行矫正，对误差进行线性拟合如图7所示，原因有可能是模拟地及数字地没有处理好引入的偏置误差。修正后两根相同电缆基于2 MHz，150 MHz，300 MHz，350 MHz的实测数据见表5～表8。
5 结 论
本文以甚高频天线阵为测试基础，引入电缆相位差测量系统，用以修正电缆因环境等因素影响造成的相位误差，从而使天线阵获得良好的天线阵方向图，进而提高甚高频天线阵追踪源的精度。相位测量系统采用AD8302在2 MHz，150 MHz，300 MHz下分别进行实测。并以STM32F103ZET6作为控制器，控制ADC采样并以TFTLCD和USART串口显示。经过误差分析，线性拟合修正后的测量系统在300 MHz和350 MHz都达到对两根电缆长度测量精度为1 cm的目标设计，在150 MHz达到了2 cm的精度。采用该测量系统对天线加权向量进行修正，从而达到理想的方向图及天线阵测量精度。该系统对于射电天文学数字信号处理具有非常重要的实际意义。
参考文献
[1] WANG F， LO T， LITVA J， et al. VHF antenna array proces?sing： high accuracy direction finding and performance evaluation with real data [J]. IEE proceedings： radar， sonar and navigation， 1994， 141（3）： 137?143.
[2] VAN HAARLEM M P. LOFAR： the low frequency array [J] Astronomy & astrophysics， 2013， 15（7）： 629?635.
[3] DONG L， BO Z Y， HE L S， et al. GPS and phase detection based on low?frequency antenna array chip phase measurement method and apparatus CN 201320318936X [P]. China： Yunnan Astronomical Observatory， Chinese Academy of Sciences， 2013.
[4] ADDARIO L R D. LWA signal delays and time tagging [R]. US： LWA， 2008.
[5] Analog Devices. AD8302 datasheet [R]. US： Analog Devices， 2001.
[6] 宋长宝，竺小松.AD8302幅相测量芯片的原理与应用[J].国外电子元器件，2003（1）：25?27.
[7] 刘文豹，彭浩.基于AD8302的相位差测量系统的改进和设计[J].电子产品世界，2014（1）：45?46.
[8] 郑珍，王海，周渭，等.AD8302型相位差测量系统的设计[J].电子科技，2005（11）：48?52.
