司 軍，張 鵬

(中國(guó)船舶重工集團(tuán)公司第723研究所，揚(yáng)州 225001)

一種收發(fā)分置雷達(dá)的幅相監(jiān)測(cè)網(wǎng)絡(luò)

司 軍，張 鵬

(中國(guó)船舶重工集團(tuán)公司第723研究所，揚(yáng)州 225001)

介紹了一種收發(fā)分置雷達(dá)的幅相監(jiān)測(cè)網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)方法，分析了不同幅相監(jiān)測(cè)方法的優(yōu)缺點(diǎn)。結(jié)合收發(fā)分置雷達(dá)特點(diǎn)，提出了利用接收通道進(jìn)行發(fā)射通道監(jiān)測(cè)的方法。與傳統(tǒng)方法相比，采用本方法減少了幅相監(jiān)測(cè)網(wǎng)絡(luò)設(shè)備量。對(duì)本方法進(jìn)行了試驗(yàn)驗(yàn)證，結(jié)果表明，可有效的實(shí)現(xiàn)幅相監(jiān)測(cè)和校正。

收發(fā)分置雷達(dá)；幅相監(jiān)測(cè)網(wǎng)絡(luò)；監(jiān)測(cè)

0 引 言

相控陣天線由許多收發(fā)通道組成，每個(gè)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(guò)控制每個(gè)天線子陣的幅度相位關(guān)系來(lái)形成所需要的波束形狀和指向。這些微波器件在使用過(guò)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(huì)嚴(yán)重影響相控陣的低旁瓣特性，嚴(yán)重時(shí)甚至不能正常工作。為了保證天線的性能,必須對(duì)天線子陣之間的幅相關(guān)系進(jìn)行測(cè)試、修正和補(bǔ)償。對(duì)有源相控陣天線來(lái)說(shuō)，每個(gè)陣元后都接有一個(gè)收/發(fā)(T/R)組件，必須準(zhǔn)確、實(shí)時(shí)地判斷它們的工作狀況，以便及時(shí)地進(jìn)行補(bǔ)償和維修。因此,為了使相控陣天線性能在雷達(dá)工作期間處于規(guī)定的技術(shù)條件范圍內(nèi)，必須要有對(duì)天線陣面性能進(jìn)行監(jiān)測(cè)的系統(tǒng)。良好的監(jiān)測(cè)系統(tǒng)對(duì)縮短雷達(dá)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(shí)進(jìn)行補(bǔ)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(guó)內(nèi)不同雷達(dá)研制單位采取的方法各不相同，從信號(hào)注入路徑來(lái)分，主要有內(nèi)部注入信號(hào)監(jiān)測(cè)法和外部耦合監(jiān)測(cè)法。但對(duì)收發(fā)分置相控陣天線的幅相監(jiān)測(cè)目前還沒(méi)有公開(kāi)論文發(fā)表。

本文首先介紹相控陣天線幅相監(jiān)測(cè)基本流程，提出了一種收發(fā)分置雷達(dá)的幅相監(jiān)測(cè)方法，并進(jìn)行了驗(yàn)證。

1 幅相監(jiān)測(cè)分類及優(yōu)缺點(diǎn)

任何校準(zhǔn)或監(jiān)測(cè)系統(tǒng),其最關(guān)鍵的部分是陣列單元信號(hào)采樣或測(cè)試信號(hào)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(cè)方法可分內(nèi)監(jiān)測(cè)和外監(jiān)測(cè)兩大類。每類里面又可以根據(jù)監(jiān)測(cè)鏈路的具體設(shè)計(jì)方法和適用情況不同分為許多種小類。內(nèi)監(jiān)測(cè)法通常是在天線系統(tǒng)內(nèi)利用附加設(shè)備實(shí)現(xiàn)監(jiān)測(cè)，該方法通常在天線系統(tǒng)內(nèi)設(shè)置開(kāi)關(guān)矩陣、饋電網(wǎng)絡(luò)等[1]。外監(jiān)測(cè)法又有遠(yuǎn)場(chǎng)和近場(chǎng)監(jiān)測(cè)之分，遠(yuǎn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)需要一個(gè)遠(yuǎn)距離測(cè)試場(chǎng)、輔助天線和轉(zhuǎn)臺(tái)系統(tǒng)，基本原理是在多個(gè)預(yù)定的角度上，分別測(cè)出天線總輸出端口的幅度和相位值[2]，再通過(guò)矩陣求逆運(yùn)算得到天線口徑分布的幅度和相位值；近場(chǎng)方法是在天線陣的四周或陣中不同位置設(shè)置若干輔助單元，通過(guò)測(cè)試輔助單元和陣單元之間的相互耦合來(lái)進(jìn)行校準(zhǔn)[3]。

1.1 內(nèi)監(jiān)測(cè)法

內(nèi)監(jiān)測(cè)法在技術(shù)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(luò)的內(nèi)檢測(cè)原理框圖。這種方法的測(cè)試信號(hào)由定向耦合器獲得。

圖1 內(nèi)監(jiān)測(cè)法框圖

內(nèi)監(jiān)測(cè)法的優(yōu)缺點(diǎn)如表1所示。

表1 內(nèi)監(jiān)測(cè)法的優(yōu)缺點(diǎn)

1.2 外監(jiān)測(cè)法

外監(jiān)測(cè)法的測(cè)試信號(hào)從1個(gè)或幾個(gè)遠(yuǎn)場(chǎng)源獲得，或者由安裝在陣列附近的1個(gè)或幾個(gè)探頭將測(cè)試信號(hào)直接注入每個(gè)陣列單元，其原理框圖如圖2所示。表2所示為外監(jiān)測(cè)法的優(yōu)缺點(diǎn)。

圖2 外監(jiān)測(cè)法框圖

優(yōu)點(diǎn)缺點(diǎn)考慮互耦，監(jiān)測(cè)更接近真實(shí)值。從各個(gè)單元接收或發(fā)射的相位和幅度都是不同的，每個(gè)單元的信號(hào)之間的關(guān)系是探頭與各單元相對(duì)位置的函數(shù)，在校準(zhǔn)中必須把它考慮進(jìn)去，有極化損耗。設(shè)備量大大減少。標(biāo)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(cè)試一組標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)，作為監(jiān)測(cè)收發(fā)通道好壞和進(jìn)行收發(fā)通道幅度及相位補(bǔ)償?shù)囊罁?jù)。由于減少了大量電纜、矩陣開(kāi)關(guān)及其驅(qū)動(dòng)電路，省去了監(jiān)測(cè)矩陣網(wǎng)絡(luò)，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(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的難度。由于監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的監(jiān)測(cè)和校正是在陣面調(diào)試正常后進(jìn)行的，外監(jiān)測(cè)無(wú)法給陣面的調(diào)試提供依據(jù)；但其實(shí)際環(huán)境中較難應(yīng)用，受環(huán)境的多徑影響大。

2 監(jiān)測(cè)方案

2.1 監(jiān)測(cè)方案選擇

因發(fā)射陣與接收陣分開(kāi)，發(fā)射與接收陣不共用饋電系統(tǒng)，故需設(shè)計(jì)一種新型的監(jiān)測(cè)網(wǎng)絡(luò)。從國(guó)內(nèi)外廠家實(shí)際工程經(jīng)驗(yàn)來(lái)看，結(jié)合課題實(shí)際，選擇內(nèi)監(jiān)測(cè)法，從減少硬件設(shè)備量考慮，擬選擇耦合法來(lái)實(shí)現(xiàn)。

2.2 監(jiān)測(cè)方案——內(nèi)監(jiān)測(cè)法

基本思路是利用收發(fā)分置相控陣天線的天然優(yōu)勢(shì)，采取發(fā)射通道監(jiān)測(cè)利用接收通道一一對(duì)應(yīng)監(jiān)測(cè)的方法，詳見(jiàn)圖3、圖4。

圖3 收發(fā)互校正示意圖

實(shí)施的前提：先對(duì)接收通道實(shí)施監(jiān)測(cè)校正，確保R組件通道正確性，因?yàn)門(mén)組件是以R組件為參考的。

按照?qǐng)D5所示的時(shí)序，發(fā)射通道校正時(shí)，每個(gè)重頻打開(kāi)1個(gè)T組件和對(duì)應(yīng)的R組件，T組件正常工作，該信號(hào)經(jīng)空間耦合進(jìn)入對(duì)應(yīng)的R組件內(nèi)，該信號(hào)經(jīng)放大、混頻后進(jìn)入數(shù)字波束形成(DBF)，得到幅度和相位。依次打開(kāi)所有T組件和對(duì)應(yīng)的R組件，DBF處理機(jī)記錄下每個(gè)T組件相位、幅度，測(cè)試完成后將測(cè)試結(jié)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(cè)時(shí)序圖

按照?qǐng)D5所示的時(shí)序，接收通道校正時(shí)，頻綜射頻不輸出，頻綜產(chǎn)生的測(cè)試信號(hào)通過(guò)開(kāi)關(guān)矩陣以N個(gè)PRF時(shí)間逐路開(kāi)啟R組件，DBF處理機(jī)記錄下每個(gè)R組件信號(hào)對(duì)應(yīng)的相位、幅度，測(cè)試完成后將測(cè)試結(jié)果送顯控顯示，顯控繪制成曲線。

圖6 接收通道監(jiān)測(cè)時(shí)序圖

3 監(jiān)測(cè)流程及誤差分析

3.1 生成幅相真值表

雷達(dá)天線調(diào)試完成后，將雷達(dá)系統(tǒng)置于接收監(jiān)測(cè)狀態(tài)，頻綜送出接收檢測(cè)信號(hào)，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(dòng)測(cè)試每個(gè)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(dá)系統(tǒng)置于發(fā)射監(jiān)測(cè)狀態(tài)，頻綜送出激勵(lì)信號(hào)，T/R組件根據(jù)系統(tǒng)指令將對(duì)應(yīng)組件置于發(fā)射狀態(tài)且移相器零相移，其余組件置于負(fù)載狀態(tài)，系統(tǒng)自動(dòng)測(cè)試對(duì)應(yīng)天線子陣發(fā)射通道幅相特性，依次更換組件開(kāi)關(guān)狀態(tài)直至完成所有子陣發(fā)射通道幅相測(cè)試，生成天線發(fā)射通道幅相真值表。

3.2 幅相監(jiān)測(cè)及故障判斷

同生成幅相真值表一樣，分別測(cè)試天線子陣發(fā)射和接收通道幅相特性，并和真值表對(duì)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(yīng)分析故障原因并排除故障，若是檢測(cè)通道故障，直接更換檢測(cè)通道電纜即可，無(wú)需更改真值表。

3.3 幅相校正誤差分析

不論內(nèi)監(jiān)測(cè)還是外監(jiān)測(cè)法，其幅度和相位校正精度與系統(tǒng)誤差、測(cè)量誤差等有直接關(guān)系。

幅相監(jiān)測(cè)網(wǎng)絡(luò)的實(shí)質(zhì)是為閉合的天線系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)注入監(jiān)測(cè)信號(hào)，因監(jiān)測(cè)系統(tǒng)本身為無(wú)源系統(tǒng)，接收到的信號(hào)直接進(jìn)入監(jiān)測(cè)計(jì)算機(jī)處理，其幅相監(jiān)測(cè)精度與處理精度直接相關(guān)。

接收機(jī)的幅相穩(wěn)定性對(duì)接收數(shù)字波束的形成至關(guān)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(shí)，對(duì)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(shí)，幅相變化較大。同時(shí)，當(dāng)接收機(jī)在全頻段變頻工作時(shí)，不同頻率點(diǎn)的初相的離散性也較大。因此，在對(duì)多通道接收機(jī)進(jìn)行幅相校準(zhǔn)時(shí)，應(yīng)考慮多組校準(zhǔn)因子，即根據(jù)不同的工作頻率點(diǎn)和不同的溫度來(lái)進(jìn)行校準(zhǔn)。

圖7 監(jiān)測(cè)前方向圖

從某種程度上說(shuō)，幅相監(jiān)測(cè)精度即為雷達(dá)幅相測(cè)試誤差，從多個(gè)單位成熟應(yīng)用的經(jīng)驗(yàn)來(lái)看，內(nèi)監(jiān)測(cè)法能夠較好地實(shí)現(xiàn)校正(天線副瓣電平校正后可實(shí)現(xiàn)-30 dB,校正前較差)，如圖7所示，副瓣電平為-20 dB左右，進(jìn)行監(jiān)測(cè)并校正后，如圖8所示，副瓣電平可達(dá)到-30 dB，滿足使用要求。

圖8 監(jiān)測(cè)并校正后方向圖

4 結(jié)束語(yǔ)

本文針對(duì)收發(fā)分置雷達(dá)幅相監(jiān)測(cè)的問(wèn)題，開(kāi)展了不同監(jiān)測(cè)方案的比對(duì)，設(shè)計(jì)了一種幅相監(jiān)測(cè)網(wǎng)絡(luò)，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?yán)走_(dá)幅相監(jiān)測(cè)校準(zhǔn)方法[J].現(xiàn)代雷達(dá),2001,33(8):20-22.

[2] 吳祖權(quán).有源相控陣?yán)走_(dá)陣面監(jiān)測(cè)方法及其實(shí)驗(yàn)研究 [J].現(xiàn)代雷達(dá),1998,20(5):1-3.

[3] 陳翱.幅相校準(zhǔn)在機(jī)載有源相控陣?yán)走_(dá)中的應(yīng)用[J].現(xiàn)代雷達(dá),2012,34(5):17-19.

[4] 練學(xué)輝.有源相控陣?yán)走_(dá)通道幅相監(jiān)測(cè)方法研究 [J].雷達(dá)與對(duì)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