尹繼凱，蔚保國(guó)

(河北省衛(wèi)星導(dǎo)航技術(shù)與裝備工程技術(shù)研究中心，河北石家莊 050081)

0 引言

數(shù)字多波束天線以其同時(shí)具有陣列天線的波束掃描和數(shù)字信號(hào)高精度靈活處理的獨(dú)特優(yōu)勢(shì)在移動(dòng)通信、雷達(dá)和航天測(cè)控等領(lǐng)域得到越來越廣泛的應(yīng)用。隨著技術(shù)的發(fā)展，數(shù)字多波束天線在導(dǎo)航信號(hào)抗干擾接收和精密測(cè)量等領(lǐng)域獲得了越來越廣泛的應(yīng)用。

在無線測(cè)距應(yīng)用中，對(duì)數(shù)字多波束天線提出了比一般通信系統(tǒng)更為苛刻的測(cè)量精度要求。與傳統(tǒng)天線系統(tǒng)相比，數(shù)字多波束天線特有的多通道結(jié)構(gòu)和波束跟蹤掃描工作模式使其精密測(cè)量功能的實(shí)現(xiàn)變得更為復(fù)雜，通道間的幅度、相位和時(shí)延一致性以及相位中心特性對(duì)測(cè)距性能的影響必須加以重點(diǎn)考慮和解決。文中重點(diǎn)研究了通道間的時(shí)延不一致性對(duì)精密測(cè)距性能的影響和處理方法。

1 多通道系統(tǒng)的測(cè)距原理

基于數(shù)字多波束天線的多通道接收測(cè)距系統(tǒng)原理框圖如圖1所示。

圖1 數(shù)字多波束天線測(cè)距系統(tǒng)原理

系統(tǒng)由接收陣列天線、數(shù)字化接收通道、多波束形成器、偽距測(cè)量和數(shù)據(jù)處理設(shè)備組成。天線陣列接收空間無線電信號(hào)，經(jīng)過數(shù)字化接收信道完成信號(hào)的放大、變頻、濾波和A/D采樣，再由多波束形成器進(jìn)行陣列信號(hào)的空域?yàn)V波，形成指向不同目標(biāo)的多個(gè)數(shù)字化波束信號(hào)，最后通過精密偽距測(cè)量處理完成對(duì)多目標(biāo)接收信號(hào)的測(cè)距。

2 測(cè)距誤差分析

2.1 誤差因素

由圖1可知，數(shù)字多波束天線是一個(gè)多通道的系統(tǒng)，通道間的一致性是數(shù)字多波束天線合成波束的前提條件，關(guān)系到波束合成性能以及系統(tǒng)的測(cè)距精度。

在實(shí)際系統(tǒng)中每個(gè)通道的天線單元、饋線、信道和終端等部分都不可能完全一致，會(huì)存在幅度、相位和群時(shí)延的差異，其中幅度和相位的誤差會(huì)對(duì)形成波束的性能產(chǎn)生影響，而群時(shí)延的誤差則直接影響到系統(tǒng)的精密測(cè)距。在數(shù)字多波束系統(tǒng)中，造成群時(shí)延誤差的的主要因素有:單元天線的相位中心、陣列天線的相位中心與通道間接收信號(hào)群時(shí)延不一致性，下面對(duì)上述誤差因素進(jìn)行分析。

2.2 單元天線相位中心

天線的相位中心是指電波出發(fā)的位置或者等效原點(diǎn)，若一個(gè)天線輻射的電波是一個(gè)球面波，則稱該球面中心為天線的相位中心。實(shí)際中絕大多數(shù)天線輻射的電波并不是一個(gè)球面波，但是在主瓣某一范圍內(nèi)相位保持相對(duì)恒定，由這部分等相面求出的相位中心叫做“視在相心”。當(dāng)視角變化時(shí)，視在相心也會(huì)發(fā)生移動(dòng)，從而引起測(cè)距值發(fā)生變化。

單元天線的相位中心可以通過測(cè)量遠(yuǎn)場(chǎng)等相位面來確定，單元天線的相位中心隨不同方向(尤其是隨俯仰角)的改變而變化。某L頻段微帶天線在法線兩側(cè)90°范圍內(nèi)的相位方向圖測(cè)試曲線如圖2所示。可以看出，相位方向圖并不是一條平直的水平線，相位的波動(dòng)等效折算為相位中心的偏差。

圖2 微帶天線相位方向圖

2.3 陣列天線相位中心

數(shù)字多波束陣列天線的波束形成過程是對(duì)多個(gè)單元天線的輻射或接收信號(hào)的加權(quán)合成處理完成的，合成波束相位中心與數(shù)字波束形成過程密切相關(guān)。

在波束形成時(shí)，通過控制每通道信號(hào)的時(shí)延和相位，使多個(gè)陣元天線接收的信號(hào)載波同相、調(diào)制偽碼時(shí)延對(duì)準(zhǔn)。所有這些相位和時(shí)延的合成，都是以陣列天線某參考位置(陣列的幾何中心或某陣元天線)為基準(zhǔn)，對(duì)每陣元通道信號(hào)作相位和時(shí)延加權(quán)修正而進(jìn)行的。不論空間目標(biāo)的方向如何改變，參考基準(zhǔn)的位置不變，其余各通道通過加權(quán)處理調(diào)整信號(hào)的幅度、相位和時(shí)延，與參考基準(zhǔn)通道的信號(hào)相位對(duì)齊。

數(shù)字多波束天線陣列的相位方向圖主要取決于各個(gè)單元相位方向圖，在各個(gè)陣元完全一致的理想情況下，陣列天線的相位中心等于陣列的參考點(diǎn)與單元相位中心的疊加。因此，從多通道信號(hào)傳播形成的等相位面角度來考察，數(shù)字多波束陣列天線的等效相位中心主要取決于參考基準(zhǔn)點(diǎn)坐標(biāo)和單元天線的相位中心。這樣從時(shí)延測(cè)量的機(jī)理出發(fā)，定義陣列天線的參考基準(zhǔn)點(diǎn)為等效相位中心，該等效相位中心的隨視角的變化會(huì)精確地反映在陣列天線的測(cè)距結(jié)果中。

實(shí)際上由于各個(gè)單元之間性能會(huì)有一定的離散度，陣列天線的等效相位中心與理想值會(huì)有一定的偏差，除此之外陣列的安裝精度和陣元間的互耦等因素也會(huì)影響陣列天線的相位中心，可以通過如下措施盡量減小這些誤差的影響:

①精確標(biāo)定陣元天線的相位中心;

②提高陣元的一致性;

③確保陣列天線加工和安裝精度;

④減小陣列天線互耦，進(jìn)行互耦修正;

⑤提高通道一致性標(biāo)校精度;

⑥提高數(shù)字波束加權(quán)控制精度。

2.4 通道間信號(hào)時(shí)延不一致性

理論上通過控制每個(gè)通道信號(hào)的幅度、相位和時(shí)延參數(shù)，使多個(gè)陣元天線接收的載波信號(hào)等幅、同相且調(diào)制信號(hào)的時(shí)延與固定參考點(diǎn)對(duì)準(zhǔn)，即可精確控制波束的相位中心。

實(shí)際系統(tǒng)中受器件參數(shù)差異和工藝水平的制約，在天線后端的饋線、信道和終端電路中引入了通道不一致性，這些環(huán)節(jié)的通道不一致性可以通過標(biāo)校手段加以校正。由于校準(zhǔn)精度和波束形成精度的限制，校正后各通道間仍不可避免地存在一定的時(shí)延誤差，這些時(shí)延誤差導(dǎo)致在波束形成時(shí)各個(gè)通道信號(hào)的信號(hào)包絡(luò)偏離理想位置而不能精確對(duì)準(zhǔn)，造成對(duì)測(cè)距精度的影響。

2.5 天線孔徑渡越時(shí)延

上述均考慮寬帶陣列系統(tǒng)，即每個(gè)天線單元根據(jù)目標(biāo)方向?qū)π盘?hào)時(shí)延作相應(yīng)的補(bǔ)償，使各通道信號(hào)包絡(luò)能夠?qū)?zhǔn)合成，這就需要每個(gè)通道對(duì)各個(gè)目標(biāo)具備時(shí)延調(diào)整能力，增加了設(shè)備的復(fù)雜度。

在滿足窄帶陣列系統(tǒng)的條件下，陣列孔徑渡越時(shí)延遠(yuǎn)小于信號(hào)帶寬的倒數(shù)時(shí)，由于信號(hào)穿越陣列時(shí)在天線單元上的延遲引起的包絡(luò)變化很小，為簡(jiǎn)化系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，一般不進(jìn)行針對(duì)目標(biāo)方向的時(shí)延調(diào)整。窄帶條件一般按τ≤×10%取值。其中τ為陣列孔徑渡越時(shí)延，B為信號(hào)帶寬。

由于窄帶系統(tǒng)中未對(duì)陣列孔徑渡越時(shí)延進(jìn)行處理，通道間的時(shí)延偏差帶入了后續(xù)的測(cè)量處理過程，引入了測(cè)距誤差。

2.6 多通道系統(tǒng)測(cè)距精度分析

通過分析可以看出，不論是單元和陣列的相位中心偏差、通道間時(shí)延不一致性，還是天線孔徑渡越時(shí)延，最終都體現(xiàn)為各通道信號(hào)群時(shí)延的偏差。

由于在波束形成時(shí)，陣列天線系統(tǒng)必須對(duì)各通道信號(hào)的幅度和相位進(jìn)行校準(zhǔn)，這里只討論通道信號(hào)群時(shí)延不一致性對(duì)測(cè)距的影響。

在通道幅度和相位精確校準(zhǔn)的前提下，設(shè)Di為通道i信號(hào)獨(dú)立測(cè)量時(shí)的偽距，在各通道偽距Di的偏差與碼片寬度相比足夠小(小于碼片寬度的十分之一)的條件下，可以證明在均勻加權(quán)時(shí)，N單元陣列合成波束的整體偽距測(cè)量結(jié)果D0與各通道獨(dú)立的偽距測(cè)量結(jié)果有如下關(guān)系:

式(1)表明，在一定的通道時(shí)延偏差內(nèi)，各通道的群時(shí)延誤差在波束形成輸出端體現(xiàn)為統(tǒng)計(jì)平均效果。也就是說，合成波束的整體測(cè)距誤差會(huì)因統(tǒng)計(jì)平均效果而得到改善，合成波束整體測(cè)距誤差也可以由通道時(shí)延的偏差來估計(jì)。

上述結(jié)論為通道時(shí)延不一致性的處理提供了解決途徑。在實(shí)際系統(tǒng)中，通道校準(zhǔn)后的殘留測(cè)距偏差可以利用式(1)對(duì)合成波束測(cè)距結(jié)果進(jìn)行修正，對(duì)于窄帶波束形成系統(tǒng)，也可以利用上述結(jié)論計(jì)算口徑渡越時(shí)延對(duì)系統(tǒng)造成的影響。

3 測(cè)距試驗(yàn)結(jié)果分析

上述方法在1×16規(guī)模數(shù)字多波束接收試驗(yàn)系統(tǒng)中進(jìn)行了驗(yàn)證，16通道數(shù)字多波束天線試驗(yàn)系統(tǒng)如圖3所示。試驗(yàn)中的偽碼速率設(shè)計(jì)為10 Mcps，載波頻率為L(zhǎng)波段，波束掃描和時(shí)延控制均采用數(shù)字化技術(shù)實(shí)現(xiàn)。

圖3 16通道數(shù)字多波束天線試驗(yàn)系統(tǒng)

在試驗(yàn)過程中，首先校準(zhǔn)各通道幅度和相位的一致性，分別測(cè)得各單通道的測(cè)距值Di，單通道測(cè)距值之間的差異即為通道的不一致性。然后在指定方向合成波束，測(cè)得合成波束的整體測(cè)距值D0，按照式(1)計(jì)算得到多通道測(cè)距的統(tǒng)計(jì)結(jié)果Dx，比較D0和Dx之間的符合程度，驗(yàn)證上述的分析和結(jié)論。

單通道的測(cè)距值如表1所示，試驗(yàn)中通道間的測(cè)距值偏差最大為51 ns。

表1 單通道的偽距值

為了充分驗(yàn)證式(1)的結(jié)論，在試驗(yàn)中設(shè)計(jì)了如表2所列的9種通道組合模式，每種模式分別取不同的天線單元組合，并在不同的波束掃描角進(jìn)行試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果如圖4所示。

表2 通道組合模式

圖4 合成波束測(cè)距值與多通道統(tǒng)計(jì)結(jié)果比較

由以上試驗(yàn)數(shù)據(jù)可以看出，在偽碼速率為10 Mcps、通道間時(shí)延偏差達(dá)51 ns的條件下，在0°～60°波束掃描角范圍內(nèi)，試驗(yàn)結(jié)果與理論計(jì)算值一致，誤差在±1 ns以內(nèi)，驗(yàn)證了上述方法的有效性。

4 結(jié)束語

分析和試驗(yàn)結(jié)果表明，在一定條件下(通道時(shí)延差異滿足窄帶條件)陣列合成波束總的時(shí)延特性是各個(gè)通道時(shí)延特性的統(tǒng)計(jì)平均值，相比單通道測(cè)距系統(tǒng)而言，統(tǒng)計(jì)特性使得陣列合成波束的測(cè)距性能得到提高。該特性對(duì)于多通道測(cè)量系統(tǒng)的數(shù)據(jù)處理、誤差修正和通道失效處理等方面具有指導(dǎo)意義?！?/p>

［1］王 琦，吳 斌.航天測(cè)控系統(tǒng)中偽碼測(cè)距精度分析［J］.無線電工程，2009，39(1):39 －41.

［2］段召亮，劉慧越.導(dǎo)航接收機(jī)測(cè)距通道誤差源分析［J］.無線電工程，2009，39(7):36 －37.

［3］章 屹，陸明泉.偽碼測(cè)距中精確估計(jì)測(cè)距誤差的一種解決方案［J］.電訊技術(shù)，2005(1):103－106.

［4］宋茂忠.多徑和噪聲作用下延遲鎖定環(huán)的測(cè)距誤差分析［J］.數(shù)據(jù)采集與處理，2001，16(1):72 －76.

［5］BROWN A，SILVA R.A GPS Digital Phased Array Antenna and Receiver［J］.Proceedings of IEEE Phased Array Symposium，2000(5):153 －156.

［6］JOHNSON G，ZAUGG T.Measuring Interchannel Bias in GPS Receivers［C］.Proceedings of ION National Technical Meeting，2001:477－480.

［7］ALISON B，NEIL G，LEE S.Multipath Characterization using Digital Phased Arrays［C］.Proceedings of ION National Technical Meeting，2001:469 －476.

［8］DREHER A，NIKLASCH N.Antenna and Receiver System with Digital Beamforming for Satellite Navigation and Communications［J］.IEEE Trans.Microwave Theory and Techniques，2003，51(7):1815－1821.