吳鴻超，徐欣歡，薛 羽

(1.南京電子技術研究所， 南京210039)

(2.天線與微波技術重點實驗室， 南京210039)

0 引言

作為一種新型先進體制的相控陣雷達［1］，數(shù)字相控陣雷達相比較傳統(tǒng)的模擬相控陣雷達，在波束的靈活性［2］、系統(tǒng)時間資源利用率、系統(tǒng)動態(tài)范圍、抗干擾以及多功能應用等多個方面有著得天獨厚的優(yōu)勢，因此，被越來越多地應用到地面、艦載、機載和星載等領域的軍用電子裝備中。

作為數(shù)字相控陣雷達的核心組成，天線陣面的硬件設備量無論是從數(shù)量上還是成本上，都占了整個雷達硬件設備量的三分之二以上，對整個雷達起著舉足輕重的作用，良好的天線陣面性能是保證雷達可靠、穩(wěn)定工作的前提。

經(jīng)過多年的技術積累，模擬相控陣天線陣面的暗室測試技術已經(jīng)相對比較成熟，而數(shù)字相控陣天線陣面的暗室測試則處于起步階段，尚未積累足夠的工程經(jīng)驗，標準的數(shù)字相控陣天線陣面自動測試系統(tǒng)更是從零開始［3-6］。數(shù)字相控陣天線陣面暗室測試的難度在于:對于傳統(tǒng)的模擬相控陣天線陣面，由于收發(fā)波瓣測試時，天線陣面與測試探頭(或中遠場的喇叭天線)之間，一收一發(fā)的均是同頻射頻信號，信號相參同步，因此，其測試系統(tǒng)核心組成是成熟的矢量網(wǎng)絡分析儀，用于數(shù)據(jù)采集和分析的軟件程序也相對比較簡單;而數(shù)字相控陣天線陣面，收發(fā)波瓣測試時，天線陣面與測試探頭之間一個是發(fā)射模擬信號，一個則是經(jīng)過AD采樣之后的接收數(shù)字IQ信號，二者之間的同步相參需要額外的硬件設備，并經(jīng)過特殊的數(shù)據(jù)處理。

本文研究了數(shù)字相控陣雷達天線陣面的工作原理，提出了一個切實有效的暗室測試方法，搭建了一套完備的測試系統(tǒng)，通過對天線陣面樣機的試驗，驗證了方法的正確性。

1 數(shù)字相控陣天線陣面

文中所討論的相控陣天線陣面，并不僅僅是作為輻射單元的天線振子或者無源天線陣列，而是由天線罩、天線陣列、結(jié)構(gòu)骨架和高頻箱(內(nèi)部包含了T/R組件、綜合網(wǎng)絡、陣面電源、陣面監(jiān)測設備等)所組成的(有源)天線陣面，圖1給出了一個典型數(shù)字相控陣雷達天線陣面的基本組成框圖。

圖1 典型數(shù)字相控陣天線陣面組成示意圖

數(shù)字相控陣天線陣面的主要功能是:

1)發(fā)射時，陣面對發(fā)射前級送來的信號進行放大、輻射和空間功率合成。根據(jù)雷達指令，陣面通過直接數(shù)字頻率合成(DDS)技術實現(xiàn)發(fā)射波束掃描，向指定空域輻射;

2)接收時，陣面將天線接收到的目標回波信號放大，經(jīng)過數(shù)字接收通道轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號，交由數(shù)字波束形成(DBF)形成自適應波束。

其工作原理框圖如圖2所示。

圖2 數(shù)字相控陣天線陣面工作原理框圖

2 測試系統(tǒng)組成和原理框圖

在暗室測試階段(不論是近場、中場還是遠場)，同常規(guī)模擬相控陣天線陣測試系統(tǒng)相比，除了電源機柜、冷卻機組之外，數(shù)字相控陣天線陣面測試系統(tǒng)中還必須需要包括DBF機柜和光纖數(shù)據(jù)記錄儀。

根據(jù)數(shù)字相控陣天線陣面暗室測試的特點，搭建了一套測試系統(tǒng)，工作原理框圖如圖3所示，其基本組成如表1所示。

圖3 數(shù)字相控陣天線陣面暗室測試原理框圖

表1 典型數(shù)字相控陣天線陣面測試系統(tǒng)組成表

3 信號的同步與相參

為滿足數(shù)字相控陣天線陣面測試對同步的嚴格要求，測試系統(tǒng)中的控制設備和天線陣面之間必須共用同一個頻率源輸出的時鐘信號。

同時，為保證天線陣面自身多個組成數(shù)字T/R組件之間的同步，天線陣面內(nèi)部的時鐘功分網(wǎng)絡必須穩(wěn)定、同相。

為保證不同時刻采集到的信號之間相參，必須使用監(jiān)測數(shù)字T/R組件。監(jiān)測數(shù)字T/R組件是數(shù)字相控陣天線陣面用于監(jiān)測和暗室測試的核心工作部件。保證每一次被測數(shù)字有源通道數(shù)據(jù)的采集時，有一個同步相參的參考通道數(shù)據(jù)作為基準。通過對比同一個基準信號，來實現(xiàn)多個被測通道，在不同時刻采集到的數(shù)據(jù)之間相參。

圖4給出了數(shù)字相控陣天線陣面的監(jiān)測數(shù)字T/R組件原理框圖。

圖4 監(jiān)測數(shù)字T/R組件原理框圖

整個天線陣面只需要一個監(jiān)測數(shù)字T/R組件，該組件的外部接口方面，電源接口、本振接口、時鐘接口與其他數(shù)字T/R組件可保持一致;在功能和要求與其他數(shù)字T/R組件基本類似;由雷控單獨調(diào)度和控制。

4 暗室波瓣圖測試步驟

以暗室近場測試為例，給出數(shù)字相控陣天線陣面的測試方法，其他如中場測試和遠場測試，方法基本類似。

4.1 發(fā)射波瓣測試

圖5為數(shù)字陣天線發(fā)射波瓣近場測試框圖，其方法和主要步驟如下:

1)控制系統(tǒng)通知伺服掃描架走到第一個通道的位置，當探頭到位時，返回握手信號。

2)測試計算機得到掃描架到位的握手信號后，由數(shù)據(jù)處理軟件，計算出波束加權、掃描所需要的幅度和相位值，并通過控制系統(tǒng)發(fā)送給DDS，DDS根據(jù)指令，預置幅度相位，打開T/R開關，所有數(shù)字T/R通道同時工作(為避免發(fā)射能量過大造成測試系統(tǒng)的損壞，發(fā)射測試需采用極小的占空比)。

3)探頭接收到的模擬信號進入監(jiān)測組件的監(jiān)測路T/R通道，下變頻到中頻信號，并AD采樣最終形成IQ數(shù)字信號，通過光纖下傳;同時，參考T通道產(chǎn)生的參考信號通過參考R通道自閉環(huán)采集，形成IQ數(shù)字信號，同樣通過光纖下傳。

4)光纖下傳的參考和被測信號光纖數(shù)據(jù)經(jīng)數(shù)據(jù)記錄儀進行采集。

5)記錄儀停止采集數(shù)據(jù)，重復第1)步，至掃描架完成所有測試位置為止。

6)后期分析處理光纖數(shù)據(jù):對各點位置上的測試信號對參考信號進行歸一化處理，并轉(zhuǎn)換成幅度相位信息，形成整個天線陣面口徑上的完整幅相分布，并最終通過近遠場變換，得到二維發(fā)射波瓣圖。

圖5 數(shù)字陣天線發(fā)射波瓣近場測試框圖

4.2 接收波瓣測試

測試接收波瓣圖時，其方法和主要步驟如下:

1)控制系統(tǒng)通知伺服掃描架走到第一個通道的位置，當探頭到位時，返回握手信號。

2)測試計算機得到掃描架到位的握手信號后，全陣面接收通道打開，同時接收來自探頭的信號。

3)各個數(shù)字T/R通道接收到的模擬信號經(jīng)下變頻、AD采樣最終形成IQ數(shù)字信號，通過光纖下傳至DBF;同時，參考T通道產(chǎn)生的參考信號通過參考R通道自閉環(huán)采集，形成IQ數(shù)字信號，同樣通過光纖下傳至DBF。

4)DBF根據(jù)預置的數(shù)字域幅相加權函數(shù)，對各個被測數(shù)字T/R通道進行數(shù)字IQ信號合成，合成一路被測數(shù)字信號，同參考數(shù)字信號一起經(jīng)光纖進入經(jīng)數(shù)據(jù)記錄儀進行數(shù)據(jù)采集。

5)記錄儀停止采集數(shù)據(jù)，重復第1)步，至掃描架完成所有測試位置為止。

6)后期分析處理光纖數(shù)據(jù):對各點位置上的測試信號對參考信號進行歸一化處理，并轉(zhuǎn)換成幅度相位信息，形成整個天線陣面口徑上的完整幅相分布，并最終通過近遠場變換，得到二維接收波瓣圖。

5 測試結(jié)果驗證

利用文中的測試方法，對相控陣雷達樣機的天線陣面進行了實驗驗證，得到的近場接收波瓣圖如圖6所示。

圖6 實測接收二維波瓣圖

取其方位主平面的波瓣圖，與雷達在外場測試的遠場波瓣圖進行比對，二者結(jié)果基本一致，如圖7所示;接收低副瓣性能也驗證了該測試方法的精準度，在近場測試中很好地控制了天線陣面的剩余幅相誤差。

圖7 近遠場測試主平面波瓣圖對比

6 結(jié)束語

本文對先進體制的數(shù)字相控陣天線陣面暗室測試方法進行了探索研究，針對其特點，提出了有效可行的測試方法，并搭建了一套高效的測試系統(tǒng)，對數(shù)字相控陣雷達樣機的天線陣面進行了近場測試，良好的測試結(jié)果切實驗證了該方法的正確性，為未來數(shù)字相控陣測試技術的發(fā)展，提供了有效的技術支持。

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