練學(xué)輝

(海軍駐南京地區(qū)雷達(dá)系統(tǒng)軍事代表室，南京 210003)

1 引言

隨著微電子化和數(shù)字技術(shù)的飛速發(fā)展，數(shù)字波束形成技術(shù)在相控陣?yán)走_(dá)中得到了廣泛的應(yīng)用。數(shù)字波束形成技術(shù)充分利用了陣列天線所接收到的空間信息，可以快速、靈活地實(shí)現(xiàn)波束掃描，并具有抗干擾能力強(qiáng)、可靠性好等多方面的優(yōu)點(diǎn)。但是，由于各通道間幅相特性的不一致，因而導(dǎo)致了波束指向不正確和旁瓣抬高等問題。這是每個(gè)陣列雷達(dá)設(shè)計(jì)者都非常關(guān)注的。本文首先分析了引起通道幅相不一致的原因，并且仿真了通道幅相誤差對(duì)波束形成的影響，最后結(jié)合工程實(shí)際闡述了有源相控陣?yán)走_(dá)中收發(fā)通道幅相監(jiān)測(cè)與校準(zhǔn)方法［1-2］。

2 通道幅相誤差分析

2.1 通道幅相誤差來源分析

有源相控陣?yán)走_(dá)系統(tǒng)基本組成如圖1所示。

圖1 有源相控陣陣面系統(tǒng)框圖

在不考慮安裝誤差和通道間互耦的情況下，影響系統(tǒng)各通道幅相一致性的因素主要包括:

(1）天線陣列幅相誤差；

(2）TR組件幅相誤差；

(3）數(shù)字化信號(hào)的量化誤差；

(4）溫度不一致性造成的誤差；

(5）寬頻帶帶內(nèi)幅相不一致。

由模擬電路、數(shù)字電路組成的TR組件很難做到各通道間的幅度、相位一致性，是其主要的誤差源，而且受到溫度不同的影響，幅相一致性惡化很大。捷變頻工作方式下的雷達(dá)在多個(gè)頻率點(diǎn)間幅相一致性是有差異的。

2.2 幅相誤差對(duì)波束形成影響的仿真分析

陣列信號(hào)的理想形式為

式中，波程差γ=－2π(d/c）fsinθ，f為射頻，θ為觀察方向與陣面法線的夾角，d 是陣元間距。當(dāng)考慮通道間的幅相誤差時(shí)，陣列信號(hào)的形式為

其中ai和φi分別為整個(gè)傳輸鏈路引入的幅度和相位誤差。波束形成結(jié)果變?yōu)?/p>

其中，K為波束號(hào)，M為形成的波束數(shù)，N為陣元數(shù)。

不同ai和φi對(duì)合成波束的影響如圖2所示。

圖2 不同幅相誤差對(duì)波束形成的影響

分別使用了3組參數(shù)與沒有幅相誤差的波束形成結(jié)果對(duì)比，其中σφ和σa分別表示相位和幅度誤差的均方值，沒有進(jìn)行加窗處理。在沒有幅相誤差時(shí)主旁瓣比－13.2 dB；σφ=1.4°，σa=0.1時(shí)，主旁瓣比－12.9 dB；σφ=4.7°，σa=0.1時(shí)，主旁瓣比－12.49 dB；σφ=8.9°，σa=0.1時(shí)，主旁瓣比－11.17 dB。

3 通道幅相監(jiān)測(cè)方法及系統(tǒng)構(gòu)建

在研制過程中，相控陣?yán)走_(dá)的通道幅相校準(zhǔn)可以借助近場(chǎng)測(cè)試系統(tǒng)，而在裝備服役期間則難以借助輔助設(shè)備，必須有其他合理的輔助測(cè)量方法對(duì)通道的特性進(jìn)行監(jiān)測(cè)和校正。校正的過程一般是在監(jiān)測(cè)到幅相特性數(shù)據(jù)后，對(duì)于上行通道可以通過調(diào)整波控方式或者修改數(shù)字移相器完成預(yù)期的波束賦形，而下行通道則可以在DBF的數(shù)字加權(quán)網(wǎng)絡(luò)中實(shí)現(xiàn)各通道間的幅相修正［3-4］。

按照監(jiān)測(cè)信號(hào)饋入的位置，將經(jīng)典的監(jiān)測(cè)方法分為內(nèi)監(jiān)測(cè)和外監(jiān)測(cè)兩種，分別包含接收監(jiān)測(cè)和發(fā)射監(jiān)測(cè)。

(1）內(nèi)監(jiān)測(cè)

內(nèi)監(jiān)測(cè)法在技術(shù)上是一種傳統(tǒng)的、較為成熟的方法。使用內(nèi)監(jiān)測(cè)時(shí)需要在發(fā)射末級(jí)加入定向耦合器，從耦合器耦合出或者饋入監(jiān)測(cè)信號(hào)，通過分析各通道回饋的監(jiān)測(cè)信號(hào)間的相位從而進(jìn)行發(fā)射監(jiān)測(cè)和接收監(jiān)測(cè)。

圖3 描述的是發(fā)射監(jiān)測(cè)和接收監(jiān)測(cè)基本功能模塊組成和工作流程。綜合控制器包括采集下行信號(hào)、生成監(jiān)測(cè)信號(hào)、控制各種開關(guān)和移相器等功能。

圖3 內(nèi)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)原理框圖

接收內(nèi)監(jiān)測(cè)時(shí)，監(jiān)測(cè)轉(zhuǎn)換開關(guān)將綜合控制器輸出的監(jiān)測(cè)信號(hào)經(jīng)過電子開關(guān)送到發(fā)射組件末級(jí)的定向耦合器，耦合回來的信號(hào)經(jīng)過環(huán)流器饋入正常的接收支路，綜合控制器采集回饋的監(jiān)測(cè)信號(hào)，并將數(shù)據(jù)傳給后端的操控計(jì)算機(jī)進(jìn)行幅度相位計(jì)算。

發(fā)射內(nèi)監(jiān)測(cè)時(shí)，綜合控制器產(chǎn)生射頻監(jiān)測(cè)信號(hào)送入正常發(fā)射通道，通過發(fā)射組件送入各陣元，而部分信號(hào)通過定向耦合器耦合到監(jiān)測(cè)支路，并通過下變頻進(jìn)入綜合控制器進(jìn)行數(shù)字化轉(zhuǎn)換。

內(nèi)監(jiān)測(cè)的優(yōu)點(diǎn)是:能實(shí)現(xiàn)在線監(jiān)測(cè)，監(jiān)測(cè)速度快；技術(shù)成熟、可靠性高、性能穩(wěn)定；精確度高，可以在整機(jī)架設(shè)之前通過儀表對(duì)監(jiān)測(cè)通道進(jìn)行校準(zhǔn)。

由于內(nèi)監(jiān)測(cè)時(shí)沒有包括陣元的影響，監(jiān)測(cè)的是收發(fā)分機(jī)通道的幅相特性，必然會(huì)有其不足的地方:監(jiān)測(cè)的結(jié)果不包括天線單元的幅相誤差和其互耦作用，與實(shí)際檢測(cè)到的幅相數(shù)據(jù)有一定的差異；不能監(jiān)測(cè)天線安裝誤差和陣元本身排列方向所引起的相位不一致性；監(jiān)測(cè)通路引入了電子開關(guān)的系統(tǒng)誤差，必須預(yù)先得到監(jiān)測(cè)通路的不一致性。

利用內(nèi)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)可以進(jìn)行雷達(dá)系統(tǒng)自檢、TR組件狀態(tài)監(jiān)測(cè)、TR組件更換前后的比較、自動(dòng)故障定位等工作。

(2）外監(jiān)測(cè)

常規(guī)外監(jiān)測(cè)法需要在距離較近、較空曠的地區(qū)進(jìn)行。在天線陣面外設(shè)置一個(gè)或幾個(gè)外監(jiān)測(cè)天線，從遠(yuǎn)場(chǎng)源獲得監(jiān)測(cè)信號(hào)，或者發(fā)射監(jiān)測(cè)信號(hào)；穩(wěn)定的相參信號(hào)經(jīng)過各通道，改變后的幅相信息能夠被采集到，從而得到通道的不一致性數(shù)據(jù)。

本文提出了一種較為簡(jiǎn)單的外監(jiān)測(cè)方法，相比于經(jīng)典的外監(jiān)測(cè)法減少了一部分設(shè)備量。系統(tǒng)原理框圖如圖4所示。將反射體架設(shè)在雷達(dá)陣面的遠(yuǎn)場(chǎng)，用脈沖形式的監(jiān)測(cè)信號(hào)對(duì)其照射。由于脈沖信號(hào)的初相是固定的，從天線單元發(fā)出，經(jīng)反射體回到天線，這個(gè)過程中不考慮環(huán)境的影響，回波信號(hào)滿足平面波入射條件，信號(hào)幅度相位變化是固定的。

圖4 外監(jiān)測(cè)系統(tǒng)原理框圖

在發(fā)射外監(jiān)測(cè)時(shí)，單獨(dú)控制某一路發(fā)射組件發(fā)射信號(hào)，用獨(dú)立的接收通道去接收回波，采集后計(jì)算出回波幅相。用此法遍歷各通道獲得完整的幅相監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)。

接收外監(jiān)測(cè)時(shí)，發(fā)射監(jiān)測(cè)信號(hào)，所有接收通道同時(shí)工作，采集此時(shí)反射的監(jiān)測(cè)信號(hào)回波，分析其幅相特性，確定各通道的幅度和相位差。

這種外監(jiān)測(cè)法相對(duì)于經(jīng)典外監(jiān)測(cè)法的優(yōu)越性在于:設(shè)備量得到了簡(jiǎn)化，而且不需要在遠(yuǎn)場(chǎng)的反射物處放置設(shè)備和安排保障人員；硬件實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單，成本低，在不影響雷達(dá)性能的前提下通過雷達(dá)自身的功能做完全部監(jiān)測(cè)過程，不需要其他設(shè)備配合；考慮到了天線陣元自身幅相誤差等因素的影響，更加接近真實(shí)的接收通道幅相特性；接收外監(jiān)測(cè)時(shí)可以迅速定位損壞的TR組件的位置。

外監(jiān)測(cè)的缺點(diǎn)在于必須要選擇滿足遠(yuǎn)場(chǎng)測(cè)試條件的場(chǎng)地，在雷達(dá)裝備服役以后很難準(zhǔn)確實(shí)施。

兩種通道監(jiān)測(cè)手段適用于不同的場(chǎng)合，內(nèi)監(jiān)測(cè)更適合經(jīng)常性的系統(tǒng)自檢，而外監(jiān)測(cè)的通道一致性數(shù)據(jù)更加真實(shí)。在外場(chǎng)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)穩(wěn)定后，記錄此時(shí)通道幅相不一致性數(shù)據(jù)，可以當(dāng)作真值使用，方便以后系統(tǒng)維護(hù)。

下面通過接收外監(jiān)測(cè)實(shí)驗(yàn)說明監(jiān)測(cè)方法的正確性。

在外場(chǎng)實(shí)驗(yàn)中，天線由N個(gè)線陣組成，間距0.05 m，波長0.1 m。使用上文提到的外監(jiān)測(cè)方法，將角反射體擺放在遠(yuǎn)場(chǎng)相對(duì)于天線陣面法線夾角－11.2°的位置，得到了接收通道幅相不一致的數(shù)據(jù)。通過多次重復(fù)試驗(yàn)，通道不一致性數(shù)據(jù)穩(wěn)定。

圖5 接收入射角－7.2°監(jiān)測(cè)信號(hào)幅相

圖6 接收通道校正前后DBF合成結(jié)果與理論分析結(jié)論比較

圖6 是校正前后DBF 結(jié)果與理論分析結(jié)論比較，可以明顯看出陣面的空間指向正確、旁瓣降低，與理論分析結(jié)果接近，充分說明接收外監(jiān)測(cè)方法是正確的。

4 結(jié)論

對(duì)于DBF 體制的雷達(dá)，通道一致性對(duì)雷達(dá)性能影響很大。將內(nèi)監(jiān)測(cè)和外監(jiān)測(cè)的數(shù)據(jù)合理地結(jié)合起來，就可以快速而精確地校準(zhǔn)通道的幅相誤差，為雷達(dá)整機(jī)的精度、威力、可靠性保駕護(hù)航。

［1］張光義，趙玉潔.相控陣?yán)走_(dá)技術(shù)［M］.北京:電子工業(yè)出版社，2006.

［2］束咸榮，何炳發(fā)，高鐵.相控陣?yán)走_(dá)天線［M］.北京:國防工業(yè)出版社，2007.

［3］呂繼榮，朱子平.通道間幅相差異對(duì)DBF的影響及解決方法［J］.中國科技信息，2008(11）.

［4］吳祖權(quán).有源相控陣?yán)走_(dá)陣面監(jiān)測(cè)方法及其實(shí)驗(yàn)研究［J］.現(xiàn)代雷達(dá)，1998(8）.