肖 鵬，溫 燕，郭建軍

（中國(guó)西南電子設(shè)備研究所，四川 成都 610036）

0 引 言

陣列天線收發(fā)系統(tǒng)典型設(shè)備包括干涉儀接收機(jī)和相控陣干擾機(jī)等，其系統(tǒng)測(cè)試往往偏重于靜態(tài)性能測(cè)試，對(duì)運(yùn)動(dòng)目標(biāo)的精確測(cè)向和跟蹤、干擾等動(dòng)態(tài)測(cè)試一般外場(chǎng)進(jìn)行，試驗(yàn)成本高，周期長(zhǎng)，測(cè)試不充分，重復(fù)性差。

以雷達(dá)尋的導(dǎo)彈制導(dǎo)系統(tǒng)為代表的裝備也存在類(lèi)似需求，其典型解決辦法就是采用三元組等效輻射方式的動(dòng)目標(biāo)射頻仿真測(cè)試，通過(guò)天線陣面模擬雷達(dá)目標(biāo)信號(hào)的空間連續(xù)運(yùn)動(dòng)來(lái)實(shí)現(xiàn)半實(shí)物仿真試驗(yàn)[1-2]。

但是陣列天線收發(fā)系統(tǒng)的天線口徑和視場(chǎng)角遠(yuǎn)大于導(dǎo)彈導(dǎo)引頭的天線口徑和視場(chǎng)角，同時(shí)具有寬頻帶的特點(diǎn)，信號(hào)波長(zhǎng)在很大的范圍內(nèi)變化，很難在暗室射頻仿真中滿(mǎn)足“遠(yuǎn)場(chǎng)條件”的要求[3]。

因此，文章闡述了陣列天線收發(fā)系統(tǒng)的動(dòng)目標(biāo)射頻仿真測(cè)試原理，給出了測(cè)試系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)方案，同時(shí)對(duì)多個(gè)輻射元射頻仿真模擬的近場(chǎng)效應(yīng)誤差對(duì)測(cè)試的影響進(jìn)行了仿真分析，得出射頻仿真測(cè)試應(yīng)用的限制條件。

1 動(dòng)目標(biāo)射頻仿真測(cè)試的基本原理

動(dòng)目標(biāo)射頻仿真測(cè)試系統(tǒng)采用陣列饋電方式，通過(guò)控制目標(biāo)天線陣列實(shí)現(xiàn)射頻仿真目標(biāo)的運(yùn)動(dòng)模擬[4]。天線陣列單元按照一定規(guī)律排列，如圖1所示。

圖1 射頻仿真測(cè)試系統(tǒng)天線陣列

射頻仿真測(cè)試系統(tǒng)所模擬的目標(biāo)信號(hào)以陣列上相鄰3個(gè)天線單元輻射的合成信號(hào)來(lái)表示，3個(gè)天線單元按等邊三角形排列，稱(chēng)為三元組[5]。模擬的目標(biāo)信號(hào)通過(guò)三元組3個(gè)輻射信號(hào)空間矢量合成得到1個(gè)等效的輻射中心，該輻射中心的位置通過(guò)精確控制3個(gè)輻射信號(hào)幅度和相位來(lái)改變，從而模擬出輻射目標(biāo)的空間運(yùn)動(dòng)。

假設(shè)等效輻射中心的角度坐標(biāo)為（φ，θ），E1、E2、E3為三元組 3 個(gè)輻射信號(hào)的幅度，（φ1，θ1），（φ2，θ2），（φ3，θ3）為三元組 3 個(gè)天線的角度坐標(biāo)，則

如果三元組3個(gè)天線輻射信號(hào)的幅度和歸一化為1，即E1+E2+E3=1，同時(shí)假設(shè)三元組相鄰兩行的天線在方位和俯仰的角度差分別為φ0，θ0，三元組3個(gè)天線的角度坐標(biāo)分別為：（φ1，θ1），（φ1+φ0/2，θ1+θ0），（φ1+φ0，θ1）。由式（1）就可以求解 3 個(gè)輻射信號(hào)的幅度值：

在給定三元組3個(gè)天線輻射信號(hào)和等效輻射中心角度位置時(shí)，通過(guò)式（2）可以快速計(jì)算出3個(gè)輻射信號(hào)的歸一化幅度控制值，實(shí)現(xiàn)模擬目標(biāo)的快速精確移動(dòng)位置控制[6]。

2 陣列天線收發(fā)系統(tǒng)測(cè)試應(yīng)用

以干涉儀測(cè)向系統(tǒng)和相控陣干擾機(jī)為代表的新一代技術(shù)體制陣列天線收發(fā)系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)測(cè)試驗(yàn)證，需要以動(dòng)目標(biāo)射頻仿真技術(shù)為基礎(chǔ)構(gòu)建測(cè)試應(yīng)用系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)以下功能：

圖2 陣列饋電多目標(biāo)模擬原理框圖

（1）對(duì)干涉儀接收機(jī)，通過(guò)模擬目標(biāo)快速連續(xù)變化的運(yùn)動(dòng)特性，測(cè)試驗(yàn)證其動(dòng)目標(biāo)精確測(cè)向性能。

（2）對(duì)相控陣干擾機(jī)，通過(guò)模擬多目標(biāo)的運(yùn)動(dòng)特性，測(cè)試驗(yàn)證其多目標(biāo)快速跟蹤響應(yīng)和干擾性能。

動(dòng)目標(biāo)射頻仿真測(cè)試系統(tǒng)主要由陣列饋電系統(tǒng)、雷達(dá)信號(hào)模擬器和測(cè)試轉(zhuǎn)臺(tái)構(gòu)成。試驗(yàn)時(shí)，在轉(zhuǎn)臺(tái)上安裝被試設(shè)備，陣列饋電系統(tǒng)的天線面陣球心位于轉(zhuǎn)臺(tái)回轉(zhuǎn)中心。

陣列饋電系統(tǒng)主要包括天線面陣，粗、精位控制單元和目標(biāo)位置解算控制單元等。其中，天線面陣安裝在球面支撐結(jié)構(gòu)上，如圖1所示。

雷達(dá)信號(hào)模擬器通過(guò)陣列饋電系統(tǒng)的三元組輻射信號(hào)，在開(kāi)關(guān)矩陣控制下，信號(hào)可由1個(gè)三元組轉(zhuǎn)移到另1個(gè)三元組，實(shí)現(xiàn)目標(biāo)位置的粗略控制；三元組內(nèi)3個(gè)天線單元的輻射信號(hào)，分別通過(guò)幅度衰減器及移相器來(lái)改變幅度及相位，從而實(shí)現(xiàn)等效合成的模擬信號(hào)在三元組內(nèi)精確位置的控制。同時(shí)，通過(guò)對(duì)多路雷達(dá)信號(hào)模擬器的射頻輸出精、粗位控制，合路放大后送天線單元輻射，可以實(shí)現(xiàn)多目標(biāo)的射頻仿真模擬，如圖2所示。

3 陣列天線收發(fā)系統(tǒng)測(cè)試的仿真分析

三元組陣列射頻仿真技術(shù)構(gòu)建的測(cè)試系統(tǒng)，應(yīng)用到干涉儀和相控陣干擾機(jī)的系統(tǒng)測(cè)試時(shí)，由于3個(gè)輻射元等效合成的幅度和相位特性與單個(gè)輻射元的差別，需要定量分析該差別對(duì)測(cè)試造成的影響。

3.1 測(cè)試誤差來(lái)源

動(dòng)目標(biāo)特性測(cè)試驗(yàn)證時(shí)，被測(cè)陣列接收天線所觀測(cè)到的目標(biāo)視在方向就是射頻仿真模擬目標(biāo)輻射的電磁波在接收天線口徑面上的相位波前法線方向。如果輻射天線口徑很小，則接收天線所接收到的是1個(gè)球面波，其相位波前法線方向正好指向輻射單元所在位置，不會(huì)引起測(cè)向誤差。

實(shí)際在陣列天線收發(fā)系統(tǒng)的測(cè)試應(yīng)用中，射頻仿真測(cè)試系統(tǒng)利用3個(gè)輻射單元的輻射信號(hào)在被試系統(tǒng)接收天線口徑面上產(chǎn)生電磁場(chǎng)相互疊加，得到一個(gè)合成場(chǎng)，其相位波前不再是一個(gè)球面，會(huì)產(chǎn)生畸變[7]。此時(shí)接收天線所觀測(cè)到的復(fù)合目標(biāo)視在方向，是合成場(chǎng)在接收天線口徑面上的相位波前法線方向。當(dāng)接收天線口徑面大小不可忽略時(shí)，合成場(chǎng)在口徑面上各個(gè)點(diǎn)的相位波前畸變不同，同時(shí)這種畸變不對(duì)稱(chēng)，會(huì)引起接收系統(tǒng)的測(cè)向誤差[8]，即射頻仿真測(cè)試系統(tǒng)的“近場(chǎng)效應(yīng)誤差”。

另外，動(dòng)目標(biāo)射頻仿真測(cè)試系統(tǒng)的模擬目標(biāo)位置是根據(jù)三元組的歸一化饋電幅度求得，由于三元組各元輻射的信號(hào)只在轉(zhuǎn)臺(tái)轉(zhuǎn)動(dòng)中心（被試系統(tǒng)接收天線相位中心）處是等相位的，而偏離該點(diǎn)的天線口徑其他位置上三元組輻射到達(dá)的相位不一致，也存在“近場(chǎng)效應(yīng)誤差”。

3.2 仿真分析

為了便于分析，按圖3建立坐標(biāo)系，圖中A、B、C分別表示射頻仿真測(cè)試系統(tǒng)三元組的3個(gè)單元天線。假設(shè)測(cè)試面為1m2的平面，用來(lái)模擬最長(zhǎng)基線為1m的干涉儀天線或等效口徑為1m相控陣天線，同時(shí)假定測(cè)試面處于三元組法向38m遠(yuǎn)處，A、B、C間隔0.04rad（約2.3°，單元天線之間間隔約為1.48m）。

圖3 三元組天線與測(cè)試面的坐標(biāo)關(guān)系

按照輻射信號(hào)空間矢量合成原理，A、B、C 3個(gè)輻射源到達(dá)測(cè)試面某一點(diǎn)的輻射信號(hào)可以分別表示為

式中：Am、Bm、Cm——3個(gè)輻射信號(hào)的幅度；

RA、RB、RC——3個(gè)輻射信號(hào)到達(dá)測(cè)試面某一點(diǎn)的距離。

按照式（3），在3個(gè)輻射元等幅同相激勵(lì)條件下，對(duì)3個(gè)輻射信號(hào)計(jì)算矢量和，可以繪制出6GHz、18 GHz在1m×1m測(cè)試面上各點(diǎn)合成幅值和相位，如圖4所示。

圖4 等幅同相激勵(lì)的幅值和相位合成圖

從圖4的仿真結(jié)果可以看出，隨著輻射信號(hào)頻率的增加，三元組等效合成信號(hào)的幅度和相位波動(dòng)越大，對(duì)測(cè)試的影響越大。

假設(shè)3個(gè)輻射元的幅值分別為0.25，0.25，0.5，對(duì)三元組非等幅激勵(lì)的情況進(jìn)行仿真，圖5為3個(gè)輻射元在18 GHz的非等幅激勵(lì)合成幅值和相位變化曲線。

圖5 非等幅同相激勵(lì)的幅值和相位合成曲線

從圖5的仿真結(jié)果分析，非等幅激勵(lì)時(shí)，合成信號(hào)幅值和相位與等幅激勵(lì)時(shí)類(lèi)似，只要保證3個(gè)輻射元?dú)w一化幅度和為1，不會(huì)影響系統(tǒng)測(cè)試的結(jié)果。

假設(shè)測(cè)試面上的被測(cè)天線基線的法向?qū)?zhǔn)3個(gè)輻射元中心，3個(gè)輻射元等幅同相激勵(lì)，其他假設(shè)條件與圖3一致。其中，幅度差、相位差分別為基線邊緣與中心的信號(hào)電平和相位之比，都用對(duì)數(shù)表示，可得到表1的仿真計(jì)算結(jié)果。

表1 不同口徑天線邊緣與中心幅相差計(jì)算表

從表1的計(jì)算結(jié)果可以看出，3個(gè)輻射元等幅同相激勵(lì)時(shí)，隨著被測(cè)系統(tǒng)等效天線口徑的增加，三元組等效輻射引起被測(cè)系統(tǒng)接收天線邊緣與中心幅度差和相位差變大，會(huì)使測(cè)試誤差變大。

3.3 測(cè)試應(yīng)用的限制條件

利用射頻仿真測(cè)試系統(tǒng)對(duì)相控陣干擾機(jī)進(jìn)行目標(biāo)方位跟蹤測(cè)試時(shí)，干擾機(jī)利用幾個(gè)子陣的差信號(hào)獲得目標(biāo)相對(duì)于陣面法向的角偏移，然后控制主波束對(duì)準(zhǔn)目標(biāo)，實(shí)現(xiàn)對(duì)目標(biāo)的跟蹤。由于這是一種相對(duì)測(cè)試，對(duì)目標(biāo)信號(hào)的絕對(duì)精度要求不高，一般而言，射頻仿真測(cè)試系統(tǒng)合成的等效輻射信號(hào)邊緣幅值與中心幅值相差小于2.5dB時(shí)，可滿(mǎn)足測(cè)試的幅度條件。因此，從表1的計(jì)算結(jié)果分析，對(duì)于等效口徑為400 mm的相控陣干擾機(jī)在2～10 GHz頻段內(nèi)，可用射頻仿真測(cè)試系統(tǒng)進(jìn)行測(cè)試。

4 結(jié)束語(yǔ)

動(dòng)目標(biāo)射頻仿真測(cè)試系統(tǒng)的多輻射點(diǎn)電磁場(chǎng)疊加合成的原理，決定了其測(cè)試應(yīng)用中存在“近場(chǎng)效應(yīng)誤差”。從仿真分析的結(jié)果看，接收天線口徑面越小，測(cè)試引起的“近場(chǎng)效應(yīng)誤差”越小；測(cè)試應(yīng)用的頻率越低，多個(gè)輻射元等效輻射引起的幅相波動(dòng)越小，測(cè)試引起的“近場(chǎng)效應(yīng)誤差”也越小。

因此，動(dòng)目標(biāo)射頻仿真測(cè)試系統(tǒng)用于干涉儀和相控陣干擾機(jī)等天線等效口徑較大的陣列收發(fā)系統(tǒng)測(cè)試時(shí)，必須限定頻率、天線口徑等應(yīng)用邊界條件。

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