中航工業(yè)雷華電子技術(shù)研究所 羅 琦

有源相控陣天線監(jiān)測與校準(zhǔn)研究

中航工業(yè)雷華電子技術(shù)研究所 羅 琦

相控陣天線在越來越多的領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用，本文在分析相控陣天線監(jiān)測與校準(zhǔn)的特點(diǎn)的基礎(chǔ)上，分別探討其監(jiān)測過程與校準(zhǔn)過程。

相控陣天線；監(jiān)測過程；校準(zhǔn)過程

1 引言

有源相控陣天線是近年來方興未艾的一種技術(shù)，具有多樣化的功能和更加滿意的性能，因此是下一代雷達(dá)的主要發(fā)展趨勢之一。相控陣?yán)走_(dá)最為核心的單元便是相控陣天線，當(dāng)天線在雷達(dá)上安裝完畢，每一個(gè)天線組成單元均應(yīng)該工作在合適的幅度以及合理的相位值上。但是因?yàn)椴煌奶炀€無論在組成部件方面還是設(shè)備裝配方面均有所不同，導(dǎo)致不同通道的幅度與相位均存在一定的差異，必須進(jìn)行測試與校準(zhǔn)，從而獲得更高的特性。

2 相控陣天線監(jiān)測與校準(zhǔn)的特點(diǎn)分析

由于相控陣天線的構(gòu)成原理和一些特殊的性質(zhì)，一旦出現(xiàn)誤差便會(huì)對其性能造成較大的影響，因此必須對天線進(jìn)行定期的監(jiān)測與校準(zhǔn)。天線的一些主要參數(shù)，不但在設(shè)計(jì)和制造時(shí)應(yīng)該滿足標(biāo)準(zhǔn)的要求，在使用過程中同樣應(yīng)該使其維持在一個(gè)可接受的水平之上。相控陣天線監(jiān)測與校準(zhǔn)具有一些與常規(guī)天線不同之處，總結(jié)如下：

首先是監(jiān)測與校準(zhǔn)的工作量較多。由于相控陣天線的工作模式屬于數(shù)字化模式，因此能夠與數(shù)字技術(shù)和信息技術(shù)結(jié)合起來，實(shí)現(xiàn)更加快速高效的設(shè)置管理。在計(jì)算機(jī)的控制下，天線的波束指向?yàn)榛ハ嗒?dú)立，同時(shí)也能夠結(jié)合時(shí)分原理，采取搜索與跟蹤同步進(jìn)行的方式進(jìn)行工作。因此對于相控陣天線的監(jiān)測和校準(zhǔn)，涉及到各種工作方式，各種頻段以及各種扇形區(qū)的測量，涉及到較多的參數(shù)，工作量較多。

其次是測試方法較為復(fù)雜。因?yàn)橄嗫仃囂炀€能夠結(jié)合多個(gè)輻射單元實(shí)現(xiàn)大功率的信號(hào)跟蹤，同時(shí)也可以靈活地對主瓣增益進(jìn)行配置，能夠結(jié)合不同方向的需求對發(fā)射能量進(jìn)行動(dòng)態(tài)配置等，這些多樣化的功能也決定了對其監(jiān)測和校準(zhǔn)的復(fù)雜度。

第三是要求具有一定的精度。當(dāng)代雷達(dá)的使用領(lǐng)域很廣，往往需要可以探測三千千米之外的目標(biāo)，因此天線的功率高，副瓣低，從而使之能夠抗干擾，只有保證足夠的監(jiān)測與校準(zhǔn)精度，才能真正使天線工作在較高的性能之下。

3 相控陣天線的監(jiān)測

對于相控陣天線的監(jiān)測涉及到多個(gè)方面的理論和實(shí)踐，因此屬于系統(tǒng)工程，關(guān)系到較為復(fù)雜的技術(shù)與學(xué)科。天線監(jiān)測系統(tǒng)為了對測量目標(biāo)進(jìn)行精確的數(shù)據(jù)獲取，就必須能夠?qū)崟r(shí)高效地得到原始參數(shù)，并能夠?qū)y量到得數(shù)據(jù)進(jìn)行合理的預(yù)處理，去除冗余數(shù)據(jù)并存儲(chǔ)有用的信息。當(dāng)涉及到復(fù)數(shù)多參數(shù)的監(jiān)測時(shí)，還必須能夠?qū)崟r(shí)收集大量的測試數(shù)據(jù)，并對這些數(shù)據(jù)進(jìn)行合理的處理和存儲(chǔ)，由此可知監(jiān)測系統(tǒng)的數(shù)據(jù)處理能力和測量效率均應(yīng)保持一定的水平，從而實(shí)現(xiàn)相控陣天線的實(shí)時(shí)監(jiān)測。

當(dāng)前使用比較廣泛的監(jiān)測系統(tǒng)包括近場監(jiān)測與遠(yuǎn)場監(jiān)測，二者的共同點(diǎn)包括：必須實(shí)時(shí)處理大量的監(jiān)測數(shù)據(jù)；必須能夠在短時(shí)間內(nèi)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的處理，從而有效校準(zhǔn)天線；在進(jìn)行全套監(jiān)測時(shí)還涉及到對移動(dòng)單元的控制。為了滿足以上的需求，本研究所給出的天線監(jiān)測系統(tǒng)，能夠滿足全套自動(dòng)化的監(jiān)測需求，且實(shí)現(xiàn)與操作均較為簡單。圖1所示為監(jiān)測系統(tǒng)的構(gòu)成。

圖1 監(jiān)測系統(tǒng)的構(gòu)成

由圖1可知，信息功率的路徑為：信號(hào)源的功率經(jīng)由通道傳輸至耦合器，再經(jīng)過耦合器 傳輸至參考通道。測量通道的組成包括天線單元、傳輸部分、功分單元、探頭部分以及移相器單元，參考通道的組成包括傳輸部分與衰減單元。信號(hào)來自測量及參考通道，然后傳輸至幅度與相位的測試機(jī)。對天線信號(hào)進(jìn)行移相處理，通過移相單元進(jìn)行，本系統(tǒng)采用了波控機(jī)。對以上各類信號(hào)的處理全部由信息系統(tǒng)中內(nèi)置的算法進(jìn)行，得到所有的測試信息后，其后期的處理也由信息系統(tǒng)的進(jìn)行存儲(chǔ)和分析。

基于以上的信息架構(gòu)進(jìn)行有源相控陣天線的測量，通常是在天線靜態(tài)時(shí)進(jìn)行。在一個(gè)完整的測試周期之中，應(yīng)精確獲取在不一樣的相位時(shí)天線的探頭信號(hào)。顯然這個(gè)過程中產(chǎn)生的數(shù)據(jù)量很多，而選擇在靜態(tài)式進(jìn)行測量的目的是增強(qiáng)測量數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確度。由信息系統(tǒng)分析得出配相代碼，將分析結(jié)果傳輸至移相器，從而為其提供合適的建立參數(shù)。當(dāng)配相不同的時(shí)候，在幅相儀所獲取的信號(hào)，會(huì)在預(yù)處理之后傳輸至系統(tǒng)的數(shù)據(jù)庫相關(guān)的表文件中，同時(shí)傳輸至運(yùn)行著處理算法的終端進(jìn)行實(shí)時(shí)分析計(jì)算。這種測量模式的效率比較高，近似于測試時(shí)長與天線擁有的通道數(shù)量之比，因此系統(tǒng)的整體效率是由以下幾個(gè)因素決定的：一是幅相儀本身的特性、二是移相器的準(zhǔn)確度，三是計(jì)算機(jī)本身的運(yùn)算性能。目前在雷達(dá)應(yīng)用的相控陣天線有很多類別，波束掃描的效率是配相效率的重要因素，通常這個(gè)時(shí)間范圍能夠控制在，0.1毫秒至10毫秒。由于技術(shù)的持續(xù)發(fā)展，目前的幅相儀已經(jīng)能夠具備較高的運(yùn)算處理速度，進(jìn)行單次測量的時(shí)候耗時(shí)在毫秒的級(jí)別，還能夠直接連接到控制終端單元。在控制終端的選擇上，應(yīng)該滿足具有較快的信息處理速度以及算法執(zhí)行的效率，從而使設(shè)備控制和數(shù)據(jù)處理的效率足夠高，可以在測量周期之內(nèi)完成。所以，本研究所構(gòu)建的系統(tǒng)的天線監(jiān)測所需時(shí)間，以單個(gè)通道來計(jì)算，約在1毫秒與10毫秒之間。在測量天線增益的時(shí)候使用較為成熟的比較測量法，需要獲取每一個(gè)通道的傳輸數(shù)據(jù)，而對通道進(jìn)行測試時(shí)主要涉及到天線與微波等功能單元。當(dāng)開始使用比較法進(jìn)行測量的時(shí)候，本文推薦使用圖中所示的功分單元以及移相單元。假若移相單元當(dāng)前的狀態(tài)顯示與天線移相器的顯示數(shù)據(jù)基本一致，則能夠把被測的天線視為輔助通道之一，如果以上的條件可以滿足，則可以通過聯(lián)合的方式來設(shè)置在天線與移相單元，因此只要通道增益接近于相控陣天線，其天線單元便是合格的。天線的極化數(shù)據(jù)也是進(jìn)行監(jiān)測的重要方面，在實(shí)際操作時(shí)，將2個(gè)極化探頭來進(jìn)行正交測量。而其極化特性則結(jié)合相控陣天線的各個(gè)通道的特性來共同設(shè)置。假若兩個(gè)通道擁有一致的極化特性，則可以得出相控陣天線極化特性合格的結(jié)論。

4 相控陣天線的校準(zhǔn)

相控陣天線在測試之后需要進(jìn)行校準(zhǔn)，以維持其信號(hào)處理的精度。在這個(gè)過程中需要的儀器包括：（1）矢量分析儀，本文推薦使用安捷倫設(shè)備，可以通過天線的幅度和相位關(guān)系，得出其當(dāng)前的參數(shù)性能狀態(tài)；（2）伺服控制單元：可以在測試區(qū)域之內(nèi)使探頭自如移動(dòng)；（3）相控陣波控單元：能夠?qū)μ炀€所有的通道進(jìn)行單獨(dú)的相位調(diào)節(jié)和幅度調(diào)節(jié)。以上的儀器均在工控機(jī)的控制之下自動(dòng)進(jìn)行。

結(jié)合測量結(jié)果對天線進(jìn)行校準(zhǔn)，校準(zhǔn)操作的時(shí)候應(yīng)該保證探頭測試面和相控陣天線面的彼此之間的平行關(guān)系，從而使探頭和測試模塊之間的距離為恒定。如果平行條件不滿足，則測試與校準(zhǔn)結(jié)果的準(zhǔn)確率會(huì)大幅度下降。在測試距離的選擇上也應(yīng)注意，假如距離太小，很容易導(dǎo)致測試探頭和相控陣天線間產(chǎn)生明顯的互耦，從而造成測試結(jié)果的偏差。而假如其間的距離太大，很容易對周圍的測試單元產(chǎn)生影響，同樣導(dǎo)致測試結(jié)果的不精確。結(jié)合筆者的實(shí)踐，一般將選擇為3λ左右。結(jié)合這些條件，本文假設(shè)相控陣天線由N個(gè)單元構(gòu)成，則天線幅相可以通過下面的式子表示：

結(jié)合這個(gè)方法，可以得到天線幅相的初值，表示為下面的式子：

在完成幅相校準(zhǔn)之后，可知天線合理的幅相值可以表示為下面的式子：

從類別劃分來看，可以將相控陣天線的校準(zhǔn)劃分成內(nèi)校準(zhǔn)與外校準(zhǔn)。由于技術(shù)實(shí)現(xiàn)等因素，內(nèi)校準(zhǔn)的情況下需要更多的儀器設(shè)備。再綜合考慮到天線的制造采購成本、以及技術(shù)實(shí)現(xiàn)的難度、系統(tǒng)的穩(wěn)定度等綜合因素，本文推薦以外校準(zhǔn)的模式來實(shí)現(xiàn)天線的校準(zhǔn)。假設(shè)相控陣天線的陣元共計(jì)N個(gè)，則以陣逐點(diǎn)法校準(zhǔn)值可以表示為下面的式子：

通過以上的方法，可以較高效地實(shí)現(xiàn)天線的校準(zhǔn)。

5 結(jié)束語

目前，隨著技術(shù)的推廣普及，相控陣天線在越來越多的領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用，在這一領(lǐng)域的研究和開發(fā)也成為業(yè)界的一個(gè)熱點(diǎn)。本文著重探討相控陣天線的監(jiān)測與校準(zhǔn)，這些成果也是在教師節(jié)仿真中得到了實(shí)現(xiàn)，在現(xiàn)實(shí)中的應(yīng)用還有待進(jìn)一步的努力。相控陣天線由于其固有的優(yōu)勢，將在未來的多個(gè)領(lǐng)域被廣泛應(yīng)用，值得我們關(guān)注。

[1]焦禹,陳文?。性聪嗫仃囂炀€的近場校準(zhǔn)[J]．電訊技術(shù),2016(04): 453-457．

[2]冷國俊,保宏,杜敬利,鐘劍鋒,魏玉卿．大型相控陣?yán)走_(dá)高維離散變量拓?fù)鋬?yōu)化[J]．機(jī)械工程學(xué)報(bào),2013(03):174-179．

[3]湯曉云,樊小景,李朝偉．相控陣?yán)走_(dá)導(dǎo)引頭綜述[J]．航空兵器,2013(03):25-30．

[4]史小斌,鄧鈺棟,顧紅,董天琦,蘇衛(wèi)民,陳金立．基于相位交織的相控陣?yán)走_(dá)通道幅相誤差在線監(jiān)測和校正方法[J]．南京理工大學(xué)學(xué)報(bào),2014(05):682-689．

[5]戴幻堯,楊晴,雷昊,李棉全,周波．全極化共形相控陣技術(shù)的發(fā)展和挑戰(zhàn)[J]．現(xiàn)代雷達(dá),2015(06):1-5．

羅琦（1987— ），女，江西都昌人，2010年畢業(yè)于南京航空航天大學(xué)，工學(xué)碩士，工程師，現(xiàn)就職于中航工業(yè)雷華電子技術(shù)研究所，研究方向：電磁場與微波技術(shù)。