海軍裝備部駐南京地區(qū)第三軍事代表室 李大成

南京電子技術(shù)研究所 李海波

數(shù)字有源相控陣?yán)走_(dá)天線由少則數(shù)百個(gè)、多則數(shù)千個(gè)T／R組件構(gòu)成，采用單波位、單頻點(diǎn)方法測(cè)試，完整測(cè)試完一個(gè)子陣面，需要約一小時(shí)；如果測(cè)試M個(gè)波位、N個(gè)頻點(diǎn)，則需要MhN小時(shí)。對(duì)于數(shù)字相控陣?yán)走_(dá)動(dòng)輒幾十或幾百個(gè)工作頻點(diǎn)來(lái)說(shuō)，測(cè)試時(shí)間耗費(fèi)巨大。本文介紹一種異步觸發(fā)的多波位、多頻點(diǎn)天線測(cè)試控制技術(shù)，并結(jié)合實(shí)際工程應(yīng)用，驗(yàn)證了測(cè)試控制系統(tǒng)技術(shù)的有效性。

1 需求分析

T／R組件是數(shù)字有源相控陣天線重要部件，一部相控陣?yán)走_(dá)由少則數(shù)百個(gè)、多則數(shù)千個(gè)T／R組件構(gòu)成。T／R組件的性能優(yōu)劣，直接影響雷達(dá)的性能和可靠性，T／R的良好性能是保證整個(gè)雷達(dá)穩(wěn)定、可靠工作的前提。因此，T／R組件在安裝到陣面之前必須進(jìn)行測(cè)試。

雷達(dá)陣面天線進(jìn)行測(cè)試時(shí)，一次陣面測(cè)試數(shù)據(jù)的產(chǎn)生，需要掃描架探頭對(duì)天線陣面進(jìn)行一次完整掃描，耗時(shí)較長(zhǎng)。借助于掃描架，能夠自動(dòng)完成組件的批量測(cè)試；掃描架是機(jī)械式掃描，通過(guò)指令給出的X和Y二維坐標(biāo)點(diǎn)，通過(guò)改變X和Y的值，探頭可對(duì)陣面上所有的組件進(jìn)行測(cè)試。在以前的陣面測(cè)試系統(tǒng)中，采取的是單頻點(diǎn)、單波位測(cè)試，完整測(cè)試一個(gè)子陣面及數(shù)據(jù)分析處理，需要約1h；如果需要測(cè)試N個(gè)頻點(diǎn)、M個(gè)波位，則需要MhN個(gè)小時(shí)。對(duì)于數(shù)字相控陣?yán)走_(dá)動(dòng)輒幾十或幾百個(gè)工作頻點(diǎn)來(lái)說(shuō)，測(cè)試時(shí)間耗費(fèi)巨大。同時(shí)，通過(guò)人為的更改頻點(diǎn)或波位，會(huì)造成漏測(cè)、誤測(cè)和重復(fù)測(cè)試。這對(duì)于大規(guī)模的批量組件測(cè)試，嚴(yán)重影響其測(cè)試效率。因此，有效的減少測(cè)試時(shí)間，提高測(cè)試效率，是非常迫切需要的。

本文介紹一種基于異步觸發(fā)的多波位、多頻點(diǎn)天線測(cè)試控制系統(tǒng)技術(shù)，搭建了一套測(cè)試控制系統(tǒng)，并結(jié)合工程實(shí)際應(yīng)用，驗(yàn)證了測(cè)試控制系統(tǒng)技術(shù)的有效性。

2 數(shù)字有源相控陣天線測(cè)試

2.1 數(shù)字有源相控陣天線原理

數(shù)字相控陣天線的核心技術(shù)是全數(shù)字T/R組件，它集成了接收機(jī)、發(fā)射機(jī)、衰減器、移相器、激勵(lì)本振等，可組成為一個(gè)獨(dú)立完整的收發(fā)系統(tǒng)。

（1）發(fā)射T時(shí)，數(shù)字收發(fā)組件（DTR）根據(jù)控制系統(tǒng)送來(lái)的幅度和相位值，經(jīng)變頻和放大后，再通過(guò)輻射單元，輻射到指定的空域。

（2）接收R時(shí)，數(shù)字收發(fā)組件（DTR）接收信號(hào)，經(jīng)移相器、下變頻及功率放大，轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)，送往后端處理單元。

2.2 數(shù)字天線測(cè)試方法

目前常用的天線陣面測(cè)試系統(tǒng)，大部分是以計(jì)算機(jī)為中心測(cè)試架構(gòu)，只是測(cè)試的控制方式、數(shù)據(jù)采集、處理方式略微不同。如圖1所示。

圖1 天線測(cè)試系統(tǒng)原理框圖

測(cè)試控制系統(tǒng)發(fā)出陣面控制指令，控制被測(cè)陣面的狀態(tài)以及掃描架的工作，陣面本身設(shè)備自動(dòng)完成測(cè)試激勵(lì)和數(shù)據(jù)采集，然后將采集到的測(cè)試數(shù)據(jù)，傳輸?shù)綌?shù)據(jù)記錄設(shè)備或計(jì)算機(jī)，數(shù)據(jù)處理分析記錄的數(shù)據(jù)，給出陣面測(cè)試結(jié)果，從而完成數(shù)據(jù)的解析和數(shù)據(jù)分析。

3 異步觸發(fā)的多波位、多頻點(diǎn)天線測(cè)試控制技術(shù)

在陣面測(cè)試系統(tǒng)中，雷達(dá)控制系統(tǒng)起到了舉足輕重的作用。它一方面接收上位機(jī)同步送來(lái)的指令和掃描架送來(lái)的異步觸發(fā)信號(hào)，另一方面通過(guò)一定的算法，對(duì)指令解析，產(chǎn)生全機(jī)同步時(shí)序，然后把解析后的指令和時(shí)序送給陣面系統(tǒng)。雷達(dá)控制系統(tǒng)對(duì)控制技術(shù)的優(yōu)劣，直接決定了測(cè)試系統(tǒng)的性能和效率。

陣面測(cè)試時(shí)，因?yàn)槭嵌啵∕）波位、多（N）頻點(diǎn)同時(shí)自動(dòng)測(cè)試，雷達(dá)控制系統(tǒng)響應(yīng)掃描架送來(lái)的異步觸發(fā)信號(hào)，接收上位機(jī)一次性送來(lái)的M個(gè)波位、N個(gè)頻點(diǎn)的雷達(dá)控制指令（MhN）K字節(jié)。雷達(dá)控制系統(tǒng)的高速千兆網(wǎng)絡(luò)接收通道和大數(shù)據(jù)存儲(chǔ)能力，有效的保證了數(shù)據(jù)接收不會(huì)出現(xiàn)丟包現(xiàn)象。

雷達(dá)控制系統(tǒng)按照指令表約定，對(duì)指令解析，產(chǎn)生雷達(dá)全機(jī)定時(shí)時(shí)序，從第一個(gè)波位第一個(gè)頻點(diǎn)開(kāi)始，順序依次把M個(gè)波位、N個(gè)頻點(diǎn)對(duì)應(yīng)的控制指令表送給陣面，直至最后一個(gè)頻點(diǎn)、最后一個(gè)波位，雷達(dá)控制系統(tǒng)進(jìn)入等待下一次異步觸發(fā)狀態(tài)。圖2為多波位、多頻點(diǎn)測(cè)試控制技術(shù)的時(shí)序控制原理。

圖2 多波位、多頻點(diǎn)測(cè)試控制技術(shù)的時(shí)序控制原理圖

圖3 控制指令表接收處理框圖

多波位、多頻點(diǎn)測(cè)試控制技術(shù)主要包括以下三個(gè)關(guān)鍵點(diǎn)。

（1）多（M）波位、多（N）頻點(diǎn)控制指令表接收處理；

（2）M波位N頻點(diǎn)測(cè)試任務(wù)結(jié)束后打標(biāo)處理；

（3）測(cè)試起始異步脈沖觸發(fā)響應(yīng)。

3.1 多（M）波位、多（N）頻點(diǎn)控制指令表接收處理

多（M）波位、多（N）頻點(diǎn)同時(shí)自動(dòng)陣面測(cè)試時(shí)，假設(shè)單波位、單頻點(diǎn)雷達(dá)控制指令為1K字節(jié)，那么M波位、N頻點(diǎn)控制指令則為（MhN）K字節(jié)。雷達(dá)控制系統(tǒng)接收上位機(jī)送來(lái)的的（MhN）K字節(jié)控制指令，建立一個(gè)三維數(shù)組。x維是1K字節(jié)控制指令，y維是N個(gè)頻點(diǎn)，z維是M個(gè)波位。按照建立的（x，y，z）三維數(shù)組，依次把對(duì)應(yīng)的指令存儲(chǔ)在相應(yīng)位置上，為中斷處理程序中的指令發(fā)送指針做準(zhǔn)備。

3.2 M波位N頻點(diǎn)測(cè)試任務(wù)結(jié)束后打標(biāo)處理

雷達(dá)控制系統(tǒng)每一次響應(yīng)中斷，發(fā)送指針K加1，根據(jù)K的值，計(jì)算出第m個(gè)波位的第n個(gè)頻點(diǎn)的控制指令表；中斷處理程序退出之前，判斷K是否等于MhN。若相等，則定時(shí)停止標(biāo)志置1；不相等，則定時(shí)停止標(biāo)志置0。

3.3 測(cè)試起始異步脈沖觸發(fā)響應(yīng)

向陣面發(fā)送MhN包指令完畢后，雷達(dá)控制系統(tǒng)的指令發(fā)送指針?lè)祷氐降谝粋€(gè)波位的第一個(gè)頻點(diǎn)位置，等待下一次的測(cè)試開(kāi)始；而此時(shí)掃描架上的探頭由于是機(jī)械式的，還沒(méi)有回歸到原點(diǎn)（0，0）位置，雷達(dá)控制系統(tǒng)不允許向陣面發(fā)送控制指令表，必須等待下一次的掃描架起始異步觸發(fā)。雷達(dá)控制系統(tǒng)向陣面發(fā)送完MhN包指令后，采用打標(biāo)的方法，即在指令約定的位置，置標(biāo)志為1，D觸發(fā)器響應(yīng)此標(biāo)志，禁止定時(shí)導(dǎo)前信號(hào)計(jì)數(shù)器計(jì)數(shù)，雷達(dá)控制系統(tǒng)不再發(fā)送指令，此次陣面測(cè)試結(jié)束，等待下一次掃描架起始異步觸發(fā)。

圖4 測(cè)試任務(wù)結(jié)束后打標(biāo)處理框圖

圖5 測(cè)試起始異步脈沖觸發(fā)響應(yīng)框圖

4 測(cè)試驗(yàn)證

利用該測(cè)試控制技術(shù)，進(jìn)行了實(shí)測(cè)驗(yàn)證，單通道100頻點(diǎn)的收發(fā)測(cè)試項(xiàng)目，測(cè)試時(shí)間單波位、單頻點(diǎn)測(cè)試方案時(shí)，測(cè)試指令發(fā)送重復(fù)周期從原來(lái)的30msü 100ms降低到1ms左右，時(shí)間效率提高近100倍，極大節(jié)約了時(shí)間，提高了效率。

同時(shí)，測(cè)試得到的數(shù)據(jù)更真實(shí)有效更精確，圖6、圖7為測(cè)試得到的天線陣面口徑場(chǎng)分布和一維方位俯仰方向圖和二維方向圖。

圖6 天線陣面口徑場(chǎng)分布圖

圖7 一維和二維方向圖

相控陣天線測(cè)試技術(shù)要求高、工程設(shè)計(jì)和測(cè)試復(fù)雜、繁瑣。異步觸發(fā)的陣面測(cè)試控制系統(tǒng)技術(shù)提高了測(cè)試數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性和可信度，降低了測(cè)試強(qiáng)度，測(cè)試效率提高幾十上百倍，同時(shí)減少了人為原因造成的測(cè)試失誤，為數(shù)字相控陣天線的研制與發(fā)展，提供了有力的支撐和保障。