代 睿

一種相控陣雷達陣面自動校準方法研究

代 睿

（海軍裝備部，西安 710068）

相控陣雷達；陣面；校準；效率

0 引言

相比于傳統(tǒng)雷達機械伺服控制系統(tǒng)，相控陣雷達具有波束指向靈活、目標容量大、精度高和抗干擾性好等特點，它將雷達的搜索跟蹤反應時間提高了數(shù)萬倍[1]，因此相控陣雷達是雷達的發(fā)展趨勢。相控陣雷達在工作時相當于有很多小雷達組件同時工作，部分單元損壞不會影響正常使用。但隨著雷達功能越來越強大，陣元組件的數(shù)量和成本也在增加，加上與陣面中還有相關的饋電網(wǎng)絡、供電網(wǎng)絡和波控網(wǎng)絡，使得陣面校準變得越來越困難[2]。這種維護的難處更體現(xiàn)在當天線被裝備使用后，在陣面緊湊的結(jié)構空間里，無法或不允許像在微波暗室或?qū)嶒炇乙粯邮褂脙x表或近場測試設備對陣面的狀態(tài)進行測量[3]。為此必須為陣面，特別是有源陣面科學合理地裝配一套自動測量設備即相控陣雷達陣面監(jiān)測校準系統(tǒng)。

1 相控陣雷達校準現(xiàn)狀

副瓣電平、增益和波束指向是相控陣天線的重要性能指標。陣元的幅、相精度是影響天線上述輻射特性的重要因素。天線陣面裝配完成后必須對陣元的幅相進行測試。通過測得的數(shù)據(jù)，分析并診斷出問題陣元，從而修復故障陣元，更換失效陣元，同時計算出各陣元之間的幅相誤差，通過波控系統(tǒng)對被測陣元的可調(diào)器件如移相器和衰減器進行調(diào)節(jié)補償，使陣面的幅相分布得到改善[4]。這一般在出廠前在暗室進行測量，在雷達交付使用后，某些大型陣面根本無法放進暗室進行測量、校準；另外隨著雷達服役時間的延長，器件產(chǎn)生老化、熱變形和有源器件T/R組件的性能變化導致天線性能退化，因此非常需要一種更為精確的可溯源的現(xiàn)場標定校準裝置來對相控陣雷達天線進行現(xiàn)場校準。

根據(jù)測量信號注入或獲取點的不同，相控陣雷達陣面校準的基本方法分為內(nèi)校準和外校準。內(nèi)、外校準又都有發(fā)射和接收兩種不同的工作流程。內(nèi)校準方法的工作流程和基本組成如圖1所示。

圖1 內(nèi)校準方法的基本組成方法

發(fā)射內(nèi)校準時，控制計算機將所有控制開關均置于“T”狀態(tài)，激勵信號通過D/A變換、上變頻進入收發(fā)網(wǎng)絡通過T/R組件中的“T通道”饋送至各陣元，并通過組件與天線間的定向耦合器耦合發(fā)射信號的極小部分（如-30 dB）供校準用，耦合出的校準信號通過校準網(wǎng)絡進入下變頻通道、A/D采樣后進入控制計算機。在控制計算機的控制下，逐一選通被測陣元通道，對陣面所有通道進行發(fā)射內(nèi)校準。接收內(nèi)校準時，控制計算機控制激勵信號通過上變頻、校準切換開關、校準網(wǎng)絡和各陣元的定向耦合器，由控制計算機逐一選通各陣元，注入到接收陣元的“R通道”，并通過收發(fā)網(wǎng)絡進入下變頻通道、A/D采樣后進入控制計算機完成對陣面的接收內(nèi)校準。

外校準方法的工作流程和基本組成如圖2所示。發(fā)射外校準時，控制計算機控制激勵信號通過D/A變換、上變頻進入收發(fā)網(wǎng)絡通過T/R組件中的“T通道”饋送至各陣元，此時發(fā)射路徑的被測信號已形成，并通過空間發(fā)送出去，由校準天線接收，并通過校準通道采樣后進入控制計算機進行處理。接收外校準時，控制計算機控制激勵信號通過D/A變換、上變頻進入校準通道通過校準T/R組件中的“T通道”饋送至校準天線，并通過空間發(fā)送出去，由陣面各陣元接收，并通過接收通道采樣后進入控制計算機進行處理。

圖2 外校準方法的基本組成

待校準陣面共有數(shù)千個輻射陣元，若采用內(nèi)校準的校準方法，則需在系統(tǒng)中增加數(shù)千個定向耦合器及與之相對應龐大復雜的監(jiān)測校準網(wǎng)絡及矩陣開關等，雷達陣面的安裝平臺對整個陣面結(jié)構尺寸及重量都有嚴格限制，同時有源電路及元器件的增加都會影響系統(tǒng)的可靠性，且考慮到外校準相較內(nèi)校準鏈路更加完整準確，故選擇外校準方法作為校準系統(tǒng)的基礎。

2 監(jiān)測校準系統(tǒng)的組成

監(jiān)測校準系統(tǒng)由四個位于陣面四角的監(jiān)測校準天線、一個可分路開關的一分四功分器和一路監(jiān)測校準通道組成，監(jiān)測校準通道包括單通道收發(fā)T/R組件模塊，上下變頻模塊和數(shù)字處理模塊。其架構框圖如圖3所示。

圖3 監(jiān)測校準系統(tǒng)架構框圖

本監(jiān)測校準系統(tǒng)功能的實現(xiàn)是在實驗室測試的基礎上完成的。實驗室測試采用近場測試的方法，以保證天線在出廠時各通道福相值都處于預置的分布狀態(tài)下，并得到校準天線單元與各通道的耦合系數(shù)。在線監(jiān)測校準即自校準，在沒有外置設備的條件下，依據(jù)耦合系數(shù)，檢測各通道電性能的變化量，并通過調(diào)整通道幅相控制碼，使天線陣面恢復到出廠狀態(tài)。

3 實驗測試

實驗室測試的目的為消除由于加工、裝配、各通道不一致性導致的幅相誤差。本實驗采用近場校準方案，實驗室測試分為陣面初相的測試與陣面耦合系數(shù)的測試兩部分，均在近場暗室內(nèi)進行。陣面初相測試時，如圖4所示，近場探頭依次對準4個象限的數(shù)千個天線單元并收發(fā)信號，依次記錄得到S參數(shù)值，并以第一個單元信號的幅相值為參考信號，其他單元的信號幅度相位值同第一個單元的信號進行比較得到誤差補償值，進而將整個陣面矯正為等幅同相分布。在通道測試時，通道精確對準是通過控制掃描架來完成的，精度和效率都得到了保證。

圖4 天線陣面初相測試示意圖

本文的校準系統(tǒng)設計中，鏈路分析關鍵在于陣面每個象限角上放置的校準天線單元至該象限各個單元耦合量的變化范圍能夠滿足接收機的動態(tài)范圍。由于四個象限的校準是依次進行，避免了四個校準單元之間的相位相干導致耦合量極小點的出現(xiàn)。需建立陣面模型并加工測試天線實物，實物如圖5所示。仿真并實測分析單個象限內(nèi)校準單元至其他天線單元之間的耦合量變化范圍，最終得到接收機需要提供的動態(tài)范圍。

圖5 校準系統(tǒng)實測照片

在微波暗室中對1：1加工的陣面子陣天線與校準喇叭之間的耦合量進行了實物測試，以第二象限為例，在第二象限中一些典型位置安裝了子陣天線，對于第二象限的校準喇叭，其與第二象限中大部分輻射單元間的頻帶內(nèi)耦合量穩(wěn)定在-30~-70 dB之間，如圖6所示，測試結(jié)果和設計保持較好的一致。

圖6 第二象限輻射單元頻帶內(nèi)耦合量

4 結(jié)論

針對相控陣雷達天線的現(xiàn)場校準需求，開展基于外校準的相控陣雷達天線現(xiàn)場校準方法的研究，通過動測量設備即相控陣雷達陣面監(jiān)測校準系統(tǒng)，實現(xiàn)了天線陣面的校準，校準精度高、效率高，且測試結(jié)果和設計保持一致，滿足陣面監(jiān)測校準功能的需求。

[1] 李宏，薛冰. 相控陣天線的測試技術[J]. 中國測試技術，2003（9）：10-11.

[2] 張云. 相控陣天線近場幅相校準[J]. 中國電子科學研究院學報，2007（9）：611-612.

[3] 樓世平，薛正輝，楊什明. 天線時域平面近場測試實驗系統(tǒng)的研究[J]. 微波學報，2006（6）：48-49.

[4] 黃春陽. 三維電場矢量微波光子檢測器集成天線的設計與優(yōu)化[D]. 成都：電子科技大學，2011.

Automatic Calibration Method for Phased Array Radar

DAI Rui

The array of a large active phased array antenna has hundreds of thousands or even tens of thousands of transceiver modules and radiation units. It makes the phased array antenna more complex than other types of antennas and thus difficult to maintain. The present situation of array calibration is introduced firstly in the paper, and then the calibration test is carried out by using the method of external calibration. This method realizes automatic calibration of the antenna array and improves the efficiency and precision of the array calibration. The test results show that the coupling amount within the frequency band between the radiation units is stable between -30 dB and -70 dB. The design index is consistent with the test results.

Phased Array Radar; Antenna Array; Calibration; Efficiency

TN958

A

1674-7976-(2021)-06-459-04

2021-10-08。

代睿（1984.12—），四川自貢人，碩士，工程師，研究方向為數(shù)字陣列雷達總體設計和系統(tǒng)測試。