司 軍，張 鵬

(中國船舶重工集團公司第723研究所，揚州 225001)

一種收發(fā)分置雷達的幅相監(jiān)測網(wǎng)絡

司 軍，張 鵬

(中國船舶重工集團公司第723研究所，揚州 225001)

介紹了一種收發(fā)分置雷達的幅相監(jiān)測網(wǎng)絡設計方法，分析了不同幅相監(jiān)測方法的優(yōu)缺點。結合收發(fā)分置雷達特點，提出了利用接收通道進行發(fā)射通道監(jiān)測的方法。與傳統(tǒng)方法相比，采用本方法減少了幅相監(jiān)測網(wǎng)絡設備量。對本方法進行了試驗驗證，結果表明，可有效的實現(xiàn)幅相監(jiān)測和校正。

收發(fā)分置雷達；幅相監(jiān)測網(wǎng)絡；監(jiān)測

0 引 言

相控陣天線由許多收發(fā)通道組成，每個通道包含了若干微波器件，如天線子陣、移相器、電調(diào)衰減器、功放、低噪放、限幅器等。通過控制每個天線子陣的幅度相位關系來形成所需要的波束形狀和指向。這些微波器件在使用過程中很難保證通道之間幅相穩(wěn)定不變，有些甚至出現(xiàn)失效。由于通道的幅相變化會嚴重影響相控陣的低旁瓣特性，嚴重時甚至不能正常工作。為了保證天線的性能,必須對天線子陣之間的幅相關系進行測試、修正和補償。對有源相控陣天線來說，每個陣元后都接有一個收/發(fā)(T/R)組件，必須準確、實時地判斷它們的工作狀況，以便及時地進行補償和維修。因此,為了使相控陣天線性能在雷達工作期間處于規(guī)定的技術條件范圍內(nèi)，必須要有對天線陣面性能進行監(jiān)測的系統(tǒng)。良好的監(jiān)測系統(tǒng)對縮短雷達的調(diào)試周期、提供陣面各子陣通道幅相數(shù)據(jù)以便及時進行補償或維修等起著非常重要的作用。

目前有源相控陣天線的校正方法很多，國內(nèi)不同雷達研制單位采取的方法各不相同，從信號注入路徑來分，主要有內(nèi)部注入信號監(jiān)測法和外部耦合監(jiān)測法。但對收發(fā)分置相控陣天線的幅相監(jiān)測目前還沒有公開論文發(fā)表。

本文首先介紹相控陣天線幅相監(jiān)測基本流程，提出了一種收發(fā)分置雷達的幅相監(jiān)測方法，并進行了驗證。

1 幅相監(jiān)測分類及優(yōu)缺點

任何校準或監(jiān)測系統(tǒng),其最關鍵的部分是陣列單元信號采樣或測試信號注入的路徑。按照這種路徑的不同,相控陣天線的通道幅相監(jiān)測方法可分內(nèi)監(jiān)測和外監(jiān)測兩大類。每類里面又可以根據(jù)監(jiān)測鏈路的具體設計方法和適用情況不同分為許多種小類。內(nèi)監(jiān)測法通常是在天線系統(tǒng)內(nèi)利用附加設備實現(xiàn)監(jiān)測，該方法通常在天線系統(tǒng)內(nèi)設置開關矩陣、饋電網(wǎng)絡等[1]。外監(jiān)測法又有遠場和近場監(jiān)測之分，遠場監(jiān)測需要一個遠距離測試場、輔助天線和轉(zhuǎn)臺系統(tǒng)，基本原理是在多個預定的角度上，分別測出天線總輸出端口的幅度和相位值[2]，再通過矩陣求逆運算得到天線口徑分布的幅度和相位值；近場方法是在天線陣的四周或陣中不同位置設置若干輔助單元，通過測試輔助單元和陣單元之間的相互耦合來進行校準[3]。

1.1 內(nèi)監(jiān)測法

內(nèi)監(jiān)測法在技術上是一種較為成熟的方法[4]，圖1所示為收發(fā)共用饋電網(wǎng)絡的內(nèi)檢測原理框圖。這種方法的測試信號由定向耦合器獲得。

圖1 內(nèi)監(jiān)測法框圖

內(nèi)監(jiān)測法的優(yōu)缺點如表1所示。

表1 內(nèi)監(jiān)測法的優(yōu)缺點

1.2 外監(jiān)測法

外監(jiān)測法的測試信號從1個或幾個遠場源獲得，或者由安裝在陣列附近的1個或幾個探頭將測試信號直接注入每個陣列單元，其原理框圖如圖2所示。表2所示為外監(jiān)測法的優(yōu)缺點。

圖2 外監(jiān)測法框圖

優(yōu)點缺點考慮互耦，監(jiān)測更接近真實值。從各個單元接收或發(fā)射的相位和幅度都是不同的，每個單元的信號之間的關系是探頭與各單元相對位置的函數(shù)，在校準中必須把它考慮進去，有極化損耗。設備量大大減少。標校困難，從理論上很難算出各單元的幅度和相位，只有在陣面系統(tǒng)完全調(diào)試正常后，才能在微波暗室內(nèi)測試一組標準數(shù)據(jù)，作為監(jiān)測收發(fā)通道好壞和進行收發(fā)通道幅度及相位補償?shù)囊罁?jù)。由于減少了大量電纜、矩陣開關及其驅(qū)動電路，省去了監(jiān)測矩陣網(wǎng)絡，節(jié)約了陣面高頻箱內(nèi)的有限空間，降低了電磁兼容性和結構設計的難度。由于監(jiān)測系統(tǒng)的監(jiān)測和校正是在陣面調(diào)試正常后進行的，外監(jiān)測無法給陣面的調(diào)試提供依據(jù)；但其實際環(huán)境中較難應用，受環(huán)境的多徑影響大。

2 監(jiān)測方案

2.1 監(jiān)測方案選擇

因發(fā)射陣與接收陣分開，發(fā)射與接收陣不共用饋電系統(tǒng)，故需設計一種新型的監(jiān)測網(wǎng)絡。從國內(nèi)外廠家實際工程經(jīng)驗來看，結合課題實際，選擇內(nèi)監(jiān)測法，從減少硬件設備量考慮，擬選擇耦合法來實現(xiàn)。

2.2 監(jiān)測方案——內(nèi)監(jiān)測法

基本思路是利用收發(fā)分置相控陣天線的天然優(yōu)勢，采取發(fā)射通道監(jiān)測利用接收通道一一對應監(jiān)測的方法，詳見圖3、圖4。

圖3 收發(fā)互校正示意圖

實施的前提：先對接收通道實施監(jiān)測校正，確保R組件通道正確性，因為T組件是以R組件為參考的。

按照圖5所示的時序，發(fā)射通道校正時，每個重頻打開1個T組件和對應的R組件，T組件正常工作，該信號經(jīng)空間耦合進入對應的R組件內(nèi)，該信號經(jīng)放大、混頻后進入數(shù)字波束形成(DBF)，得到幅度和相位。依次打開所有T組件和對應的R組件，DBF處理機記錄下每個T組件相位、幅度，測試完成后將測試結果送顯控顯示，顯控繪制成曲線。

圖4 原理框圖

圖5 發(fā)射通道監(jiān)測時序圖

按照圖5所示的時序，接收通道校正時，頻綜射頻不輸出，頻綜產(chǎn)生的測試信號通過開關矩陣以N個PRF時間逐路開啟R組件，DBF處理機記錄下每個R組件信號對應的相位、幅度，測試完成后將測試結果送顯控顯示，顯控繪制成曲線。

圖6 接收通道監(jiān)測時序圖

3 監(jiān)測流程及誤差分析

3.1 生成幅相真值表

雷達天線調(diào)試完成后，將雷達系統(tǒng)置于接收監(jiān)測狀態(tài)，頻綜送出接收檢測信號，所有T/R組件置于接收狀態(tài)且移相器零相移，系統(tǒng)自動測試每個天線子陣接收通道幅相特性，生成天線接收通道幅相真值表。將雷達系統(tǒng)置于發(fā)射監(jiān)測狀態(tài)，頻綜送出激勵信號，T/R組件根據(jù)系統(tǒng)指令將對應組件置于發(fā)射狀態(tài)且移相器零相移，其余組件置于負載狀態(tài)，系統(tǒng)自動測試對應天線子陣發(fā)射通道幅相特性，依次更換組件開關狀態(tài)直至完成所有子陣發(fā)射通道幅相測試，生成天線發(fā)射通道幅相真值表。

3.2 幅相監(jiān)測及故障判斷

同生成幅相真值表一樣，分別測試天線子陣發(fā)射和接收通道幅相特性，并和真值表對比，找出有故障的通道。若只有相位出現(xiàn)偏差或幅度偏離在±2 dB以內(nèi)直接修正即可；若幅度偏離>2 dB，應分析故障原因并排除故障，若是檢測通道故障，直接更換檢測通道電纜即可，無需更改真值表。

3.3 幅相校正誤差分析

不論內(nèi)監(jiān)測還是外監(jiān)測法，其幅度和相位校正精度與系統(tǒng)誤差、測量誤差等有直接關系。

幅相監(jiān)測網(wǎng)絡的實質(zhì)是為閉合的天線系統(tǒng)網(wǎng)絡注入監(jiān)測信號，因監(jiān)測系統(tǒng)本身為無源系統(tǒng)，接收到的信號直接進入監(jiān)測計算機處理，其幅相監(jiān)測精度與處理精度直接相關。

接收機的幅相穩(wěn)定性對接收數(shù)字波束的形成至關重要，它直接影響波束形成的副瓣電平。研究表明，在溫度變化范圍較小時，對溫度的穩(wěn)定性比較好，幅相變化均方根值較小。在溫度變化較大時，幅相變化較大。同時，當接收機在全頻段變頻工作時，不同頻率點的初相的離散性也較大。因此，在對多通道接收機進行幅相校準時，應考慮多組校準因子，即根據(jù)不同的工作頻率點和不同的溫度來進行校準。

圖7 監(jiān)測前方向圖

從某種程度上說，幅相監(jiān)測精度即為雷達幅相測試誤差，從多個單位成熟應用的經(jīng)驗來看，內(nèi)監(jiān)測法能夠較好地實現(xiàn)校正(天線副瓣電平校正后可實現(xiàn)-30 dB,校正前較差)，如圖7所示，副瓣電平為-20 dB左右，進行監(jiān)測并校正后，如圖8所示，副瓣電平可達到-30 dB，滿足使用要求。

圖8 監(jiān)測并校正后方向圖

4 結束語

本文針對收發(fā)分置雷達幅相監(jiān)測的問題，開展了不同監(jiān)測方案的比對，設計了一種幅相監(jiān)測網(wǎng)絡，可為后續(xù)其他類似產(chǎn)品提供參考。

[1] 劉邦余.基于耦合線的有源相控陣雷達幅相監(jiān)測校準方法[J].現(xiàn)代雷達,2001,33(8):20-22.

[2] 吳祖權.有源相控陣雷達陣面監(jiān)測方法及其實驗研究 [J].現(xiàn)代雷達,1998,20(5):1-3.

[3] 陳翱.幅相校準在機載有源相控陣雷達中的應用[J].現(xiàn)代雷達,2012,34(5):17-19.

[4] 練學輝.有源相控陣雷達通道幅相監(jiān)測方法研究 [J].雷達與對抗,2011,31(4):62-64.

An Amplitude/Phase Monitoring Network of Bistatic Radar

SI Jun,ZHANG Peng

(The 723 Institute of CSIC,Yangzhou 225001,China)

This paper introduces a design method of amplitude/phase monitoring network for bistatic radar,analyzes the advantages and disadvantages of different amplitude/phase monitoring methods,puts forward a method using reception channel to monitor the transmitting channel combining with the characteristics of bistatic radar.Compared with traditional methods,the method proposed in this paper reduces the device quantity of amplitude/phase monitoring network.The method is validated through test,and the result shows that the effective amplitude/phase monitoring and correction can be realized.

bistatic radar;amplitude and phase monitoring network;monitoring

2016-02-26

TN957.51

A

CN32-1413(2016)06-0051-04

10.16426/j.cnki.jcdzdk.2016.06.011