汪安民，劉 芳，劉德保，萬義和

(1.同方電子科技有限公司研究所，江西 九江332003；2.航天華迅科技有限公司，陜西 西安 710071)

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基于現(xiàn)有天線設(shè)備對(duì)數(shù)字定向發(fā)射系統(tǒng)的研究

汪安民1，劉 芳2，劉德保1，萬義和1

(1.同方電子科技有限公司研究所，江西 九江332003；2.航天華迅科技有限公司，陜西 西安 710071)

在通信基地或艦載通信平臺(tái)現(xiàn)有設(shè)備的基礎(chǔ)上，利用多付獨(dú)立工作的天線，構(gòu)成一個(gè)分布式陣列天線系統(tǒng)。在此天線系統(tǒng)上，介紹了數(shù)字定向發(fā)射波束形成的原理，分析了實(shí)際發(fā)射過程中的存在的各種誤差，及其對(duì)波束合成的影響，并提出采用校準(zhǔn)的方法以降低這些誤差對(duì)發(fā)射波束合成的影響。以不規(guī)則圓陣布陣為例進(jìn)行仿真，結(jié)果表明數(shù)字定向發(fā)射系統(tǒng)可以有效地實(shí)現(xiàn)對(duì)某一定點(diǎn)目標(biāo)方向的功率增強(qiáng)。系統(tǒng)可以在線實(shí)時(shí)調(diào)整相位參數(shù)，能夠分時(shí)實(shí)現(xiàn)對(duì)某一段方向的掃描發(fā)射或者多點(diǎn)定向發(fā)射。

陣列天線；不規(guī)則圓陣；數(shù)字發(fā)射波束合成；天線校準(zhǔn)

0 引言

通信基地或艦載通信平臺(tái)經(jīng)過長時(shí)期發(fā)展，各種設(shè)備的不斷更新和增加，使得這些平臺(tái)具有多付獨(dú)立天線，這些天線呈不規(guī)則的分布，各自獨(dú)立工作。如果將這些天線構(gòu)成陣列系統(tǒng)，利用波束合成方法就可以實(shí)現(xiàn)數(shù)字定向發(fā)射，數(shù)字定向發(fā)射具有對(duì)某一定點(diǎn)方向?qū)崿F(xiàn)功率增強(qiáng)；波束方向具備快速捷變能力；還具有特定方位零陷以及數(shù)字多波束等優(yōu)點(diǎn)，其應(yīng)用將大大提高基地的信號(hào)處理能力[1-2]。但是在實(shí)際天線系統(tǒng)中，由于安裝誤差、相互遮擋、互耦和通道幅相不一致等帶來的誤差，使得期望的方向畸變，尤其是天線處于復(fù)雜多變的環(huán)境中，電路熱特性變化劇烈，從而導(dǎo)致各通道幅相失真增大[3-4]。

1 數(shù)字定向發(fā)射模型及誤差校準(zhǔn)

1.1 數(shù)字定向發(fā)射系統(tǒng)模型

數(shù)字定向發(fā)射技術(shù)是通過使用陣列天線，通過數(shù)字方法調(diào)整每路天線發(fā)射信號(hào)的相位，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)某些定點(diǎn)目標(biāo)方向的功率增強(qiáng)或抑制。如果組成N元分布式陣列天線，根據(jù)陣列信號(hào)處理理論，可以實(shí)現(xiàn)N-1個(gè)方向的增強(qiáng)或者抑制[5]。

利用通信基地或艦載平臺(tái)上的N個(gè)獨(dú)立天線，組成N元分布式陣列天線，若每一個(gè)陣元均發(fā)射同一信號(hào)s(t)，則位于θ方位的遠(yuǎn)場(chǎng)點(diǎn)P的接收信號(hào)為[6]：

(1)

圖1 數(shù)字定向發(fā)射系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)框圖

1.2 數(shù)字定向發(fā)射系統(tǒng)中的誤差校準(zhǔn)方法

在實(shí)際的DBF天線系統(tǒng)中，各個(gè)天線陣上總是存在幅度上和相位上的誤差，這些誤差由很多原因?qū)е?。主要可以分成時(shí)變和非時(shí)變誤差。非時(shí)變誤差是隨著天線布陣完成而確定的，主要因素由陣元安裝位置失配、陣元互耦、饋線阻抗長度差異和切換矩陣差異等。時(shí)變誤差是指陣列各通道中電子元器件非線性，尤其是溫度敏感的放大器、混頻器和濾波器等模擬器件，其時(shí)延及其幅頻相頻特性容易隨溫度引起較大的失真，這些誤差對(duì)天線的增益、波束指向和副瓣電平均有重要影響。時(shí)變和非時(shí)變誤差，會(huì)一起共同反應(yīng)到數(shù)字端，表現(xiàn)為各個(gè)通道的幅相差[7,8]。不失一般性，以幅相差來表示由各種原因引起的所有誤差，可表示為[9]：

(2)

式中，δn為第n個(gè)陣元上的幅度誤差，Φn為其相位誤差。

圖2 具備校正功能的數(shù)字定向發(fā)射天線系統(tǒng)

通過開關(guān)控制器來控制校正誤差A(yù)n或Cn，當(dāng)開關(guān)控制器連接到陣列天線上時(shí)，校正的是整個(gè)系統(tǒng)誤差A(yù)n，連接到合路器時(shí)校正的是時(shí)變誤差Cn。誤差A(yù)n或Cn的校正步驟是相同的，以校正誤差Cn為例，校正步驟如下所示：

① 產(chǎn)生N個(gè)復(fù)合正交碼信號(hào)sk(l)，k=1,2…,N;l=1,2…,L；N、L分別為陣元數(shù)和正交碼的長度。這可以事先算好存儲(chǔ)在存儲(chǔ)器中。sk(l)經(jīng)過DFT變換產(chǎn)生N個(gè)校正測(cè)試信號(hào)testn(l) n=1,2…,N;l=1,2…,L。

(3)

②N個(gè)校正測(cè)試信號(hào)testn(l)同時(shí)進(jìn)入N個(gè)發(fā)射通道，乘上射頻通道引入的誤差{C1,C2,…,CN-1,CN}。經(jīng)過合路器后的信號(hào)為：

(4)

合路器輸出的信號(hào)經(jīng)過校正網(wǎng)絡(luò)。sk為第k個(gè)正交碼信號(hào)，有：

(5)

(6)

(7)

(8)

考慮到校正系數(shù)對(duì)發(fā)射系統(tǒng)每個(gè)射頻通道中器件尤其是功放的非線性影響，對(duì)校正系數(shù)進(jìn)行歸一化處理：

(9)

2 仿真實(shí)驗(yàn)

以非均勻圓陣布陣為例進(jìn)行仿真，仿真條件如下：① 陣型：非均勻圓陣(如圖3所示)；② 陣元數(shù)：5個(gè)；③ 半徑：6m；④ 載波頻率：33.3MHz；⑤ 發(fā)射信號(hào)強(qiáng)度：1dBw；⑥SNR：5dB；⑦ 掃描范圍：-180°～180°；⑧ 發(fā)射方位：0°。

圖3 非均勻圓陣天線的陣元排列及相鄰陣元間的夾角

當(dāng)形成的分布式陣列天線系統(tǒng)處于變化的環(huán)境中時(shí)，其射頻信號(hào)之間幅度不一致在-2～3.5dB之間變化，相位不一致在-120°～180°之間變化。根據(jù)這些條件，仿真中設(shè)校正前的幅度誤差在-2～3.5dB之間均勻分布，相位誤差在-120°～180°之間均勻分布。每個(gè)采樣點(diǎn)之間的相位抖動(dòng)服從均值為0，標(biāo)準(zhǔn)差為2的高斯分布。

圖4(a)為理想狀態(tài)下的發(fā)射波束圖，圖4(b)為校正前后發(fā)射波束圖的比較，可以看出校正前的發(fā)射波束圖由于存在誤差，使得發(fā)射波束圖產(chǎn)生嚴(yán)重的畸變，主瓣的指向有偏差，旁瓣的電平明顯升高。圖4(c)為校正后與理想狀態(tài)下的發(fā)射波束圖的比較，由于采樣點(diǎn)間的相位抖動(dòng)影響無法消除，校正后發(fā)射波束圖與理想的發(fā)射波束圖有些偏差，主瓣偏移2°～3°，但仍處在3dB波束寬度內(nèi)。

圖4 發(fā)射波束圖

圖5表示校正后接收信號(hào)合成功率和單路接收信號(hào)的頻譜圖，從圖中可以看出，在0°方向五路合成功率相對(duì)于單路功率可增強(qiáng)約13dB。若每個(gè)陣元發(fā)射功率為100W，則合成后功率可增強(qiáng)為1 900W。

圖5 校正后接收信號(hào)合成功率與單路信號(hào)的頻譜圖

3 結(jié)束語

利用通信基地或者艦載通信平臺(tái)上的現(xiàn)有設(shè)備，由多付獨(dú)立工作的天線構(gòu)成一個(gè)分布式陣列天線系統(tǒng)，在此陣列天線系統(tǒng)的基礎(chǔ)上介紹了數(shù)字定向發(fā)射的系統(tǒng)模型，分析了發(fā)射過程中所產(chǎn)生的誤差并對(duì)其進(jìn)行校準(zhǔn)。并以不規(guī)則圓陣布陣為例進(jìn)行仿真，表明數(shù)字定向發(fā)射系統(tǒng)可以有效地在某一定點(diǎn)方向?qū)崿F(xiàn)功率增強(qiáng)。數(shù)字定向發(fā)射不僅可以用于定向通信，還可以有效地對(duì)特定(已知)方位的敵方通信或接收系統(tǒng)進(jìn)行干擾。

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Research on Digital Directional Transmission System Based on Existing Antenna Equipments

WANG An-min1,LIU Fang2,LIU De-bao1,WAN Yi-he1

(1.Research Institute of Tongfang Science and Technology Co.,Ltd.,Jiujiang Jiangxi 332009,China;2.Hangtian Huaxun Science and Technology Co.,Ltd.,Xi’an Shaanxi 710071,China)

Based on communication base or ship borne communication platform on the existing equipment,a distributed antenna array systemis constitutedusing extra work independently of the antenna.Based on this antenna system,the principle of digital directional transmission beam-forming is studied in this paper.The influence of the errors to the beam and errors calibration are also introduced.And simulation is performed taking irregular circular array as an example.Simulations results show that the digital directional transmission system can effectively achieve power enhanced to a designated target direction.

Array Antenna;Irregular Circular Array;Digital Transmit Beam-forming;Antenna Calibration

10.3969/j.issn.1003-3114.2016.06.17

汪安民 ，劉 芳，劉德保，等.基于現(xiàn)有天線設(shè)備對(duì)數(shù)字定向發(fā)射系統(tǒng)的研究[J].無線電通信技術(shù),2016,42(6):66-69.

2016-07-05

汪安民(1974—)，男，高級(jí)工程師，博士，主要研究方向:信號(hào)處理系統(tǒng)設(shè)計(jì)。劉 芳(1987—)，女，工程師，主要研究方向:陣列信號(hào)處理。

TN911.7

A

1003-3114(2016)06-66-4