賈振國，吳海洲

(中國電子科技集團(tuán)公司第五十四研究所，河北 石家莊 050081)

共形陣列寬帶波束形成設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

賈振國，吳海洲

(中國電子科技集團(tuán)公司第五十四研究所，河北 石家莊 050081)

針對大規(guī)模共形陣列波束形成問題，提出一種寬帶信號數(shù)字波束形成方法，介紹了該方法的具體實(shí)現(xiàn)過程,該波束形成流程主要包括子陣內(nèi)和子陣間波束形成2部分。由地平坐標(biāo)系中目標(biāo)位置推導(dǎo)出子陣視線坐標(biāo)系目標(biāo)來波方向后，對寬帶數(shù)字波束形成方法進(jìn)行理論推導(dǎo):子陣內(nèi)通過幅相加權(quán)、子陣間進(jìn)行時(shí)延補(bǔ)償和相位加權(quán)。通過軟件仿真和原理樣機(jī)試驗(yàn)，充分驗(yàn)證了該方法正確、可行。

共形陣列；寬帶信號；數(shù)字波束形成；幅相加權(quán)；時(shí)延補(bǔ)償

0 引言

共形陣列天線具有寬角度掃描、可實(shí)現(xiàn)全空域覆蓋[1]等優(yōu)點(diǎn)，在現(xiàn)代通信系統(tǒng)中獲得廣泛應(yīng)用[2]。波束形成技術(shù)作為相控陣系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)[3]，其形成方法及算法的設(shè)計(jì)尤為重要。

寬帶大角度范圍掃描共形陣列的波束形成[4]，若按傳統(tǒng)窄帶信號波束形成方式實(shí)現(xiàn)[5]，帶寬內(nèi)頻率偏差會導(dǎo)致波束形成指向的偏差，而信號瞬時(shí)帶寬要受天線孔徑渡越時(shí)間的限制[6]。國內(nèi)外已對寬帶信號波束形成進(jìn)行了大量的研究工作[7]，主要集中在時(shí)延實(shí)現(xiàn)方法[8]及低副瓣算法[9]。信號時(shí)延補(bǔ)償既可在時(shí)域?qū)崿F(xiàn)[10]，也可在頻域?qū)崿F(xiàn)[11]。由于頻率線性相位加權(quán)方法受到FFT點(diǎn)數(shù)的影響，時(shí)延精度受到很大限制，因此在時(shí)域采用數(shù)字延遲線和分?jǐn)?shù)時(shí)延濾波器相結(jié)合的方法得到了更廣泛的應(yīng)用[12]。本文采用移相加時(shí)延補(bǔ)償?shù)姆绞綄?shí)現(xiàn)寬帶數(shù)字波束形成，對其實(shí)現(xiàn)過程及所需相位、時(shí)延補(bǔ)償量給出完整理論推導(dǎo)過程，并通過軟件仿真及樣機(jī)試驗(yàn)對理論進(jìn)行驗(yàn)證。

1 共形陣列寬帶信號波束形成流程

對于規(guī)模較大的共形陣列天線，將整個(gè)陣列劃分為若干個(gè)子陣，小規(guī)模子陣受信號帶寬和孔徑渡越時(shí)間影響較小，可采用相位加權(quán)來補(bǔ)償波程差，而子陣間需進(jìn)行時(shí)延補(bǔ)償。由于時(shí)延補(bǔ)償占用硬件資源較大，相比于整個(gè)陣列使用時(shí)延補(bǔ)償，可以減少硬件資源消耗。

采用子陣內(nèi)相位加權(quán)、子陣間時(shí)延補(bǔ)償進(jìn)行寬帶信號數(shù)字波束形成的流程如圖1所示。天線接收信號經(jīng)過下變頻、AD采樣轉(zhuǎn)化為數(shù)字信號，在數(shù)字域進(jìn)行相位加權(quán)和時(shí)延補(bǔ)償來抵消子陣內(nèi)天線之間及子陣與子陣之間的波程差。

圖1 寬帶信號波束形成流程

2 寬帶信號數(shù)字波束形成

某大規(guī)模共形陣列由若干子陣組成，建立地平坐標(biāo)系如圖2所示，目標(biāo)來波方向?yàn)榉轿沪?、俯仰θ，O′為任一子陣的幾何中心。

圖2 共形陣列與地平坐標(biāo)系

假設(shè)子陣中心O′與坐標(biāo)原點(diǎn)O連線的方位角為A，子陣相對于水平面傾角為E，由地平坐標(biāo)系O-xyz到子陣視線坐標(biāo)系O′-x′y′z′的轉(zhuǎn)換關(guān)系[13]為(不考慮坐標(biāo)原點(diǎn)的位移)：

(1)

將極坐標(biāo)與直角坐標(biāo)的轉(zhuǎn)換關(guān)系代入式(1)可得：

(2)

因此，目標(biāo)來波方向在子陣視線坐標(biāo)系為：

(3)

式中，φ′和θ′分別表示目標(biāo)來波方向在子陣視線坐標(biāo)系中的方位角和俯仰角。

2.1 子陣內(nèi)波束合成

子陣內(nèi)的天線位置及其視線坐標(biāo)系定義如圖3所示，該子陣為等間距排列的8×8方陣，已知單元間距，易得任一天線位置坐標(biāo)。

圖3 子陣內(nèi)天線位置及其視線坐標(biāo)系

假設(shè)t時(shí)刻坐標(biāo)原點(diǎn)O′處接收到的信號為s(t)ej2πf0t，f0為信號s(t)的載波頻率，fL為下變頻的本振頻率，則下變頻后信號為s(t)ej2πf0te-j2πfLt=s(t)ej2π(f0-fL)t；若某單元位置為(xm,ym)，則該位置相對于原點(diǎn)的波程差為：

τmn=(xmcosθ′cosφ′+ymcosθ′sinφ′)/c。

(4)

接收到的信號為：

sm(t)=s(t+τm)ej2πf0(t+τm)。

(5)

下變頻后為：

xm(t)=s(t+τm)ej2πf0(t+τm)e-j2πfLt=s(t+τm)ej2π(f0-fL)tej2πf0τm。

(6)

所有通道進(jìn)行相位補(bǔ)償，加權(quán)值為wm=e-j2πf0τm，補(bǔ)償后信號變?yōu)椋?/p>

sm(t)=s(t+τm)ej2π(f0-fL)t。

(7)

可見，移相補(bǔ)償后信號沒有完全對齊，但由于子陣較小，孔徑度越時(shí)間對其影響很小，可只做移相補(bǔ)償后進(jìn)行信號的疊加。子陣內(nèi)波束合成后，相心在O′處。

2.2 子陣間波束合成

τ1=(x1cosθcosφ+y1cosθsinφ+z1sinθ)/c。

(8)

x1(t)=s(t+τ1)ej2πf0(t+τ1)。

(9)

(10)

若直接進(jìn)行時(shí)延補(bǔ)償，延時(shí)τ1，則信號變?yōu)椋?/p>

(11)

(12)

對式(12)進(jìn)行時(shí)延補(bǔ)償：

(13)

(14)

再經(jīng)過時(shí)延補(bǔ)償為：

(15)

3 軟件仿真與樣機(jī)試驗(yàn)驗(yàn)證

為了驗(yàn)證上述波束形成過程，在某原理樣機(jī)上進(jìn)行了試驗(yàn)驗(yàn)證，該樣機(jī)為由若干子陣組成的共形陣列天線。在硬件實(shí)現(xiàn)過程中，子陣內(nèi)相位加權(quán)通過復(fù)乘實(shí)現(xiàn)，子陣間時(shí)延補(bǔ)償通過數(shù)字延遲線和分?jǐn)?shù)延時(shí)濾波器實(shí)現(xiàn)，時(shí)延補(bǔ)償采用基于對稱結(jié)構(gòu)的分?jǐn)?shù)時(shí)延濾波器[14]，所有數(shù)字處理過程在FPGA[15]中實(shí)現(xiàn)[16-17]。

首先對波束指向方位-6.9°、俯仰13.6°(標(biāo)校塔方向)的陣列天線波束形成方向圖進(jìn)行軟件仿真，仿真歸一化結(jié)果如圖4所示，其中圖4(a)為方位面方向圖，圖4(b)為俯仰面方向圖。陣列實(shí)測方向圖如圖5和圖6所示。

(a) 方位面方向圖

(b) 俯仰面方向圖圖4 陣列仿真方向

圖5 陣列實(shí)測方位面方向圖

圖6 陣列實(shí)測俯仰面方向圖

在樣機(jī)試驗(yàn)中，共形陣列在標(biāo)校塔的方向形成接收波束，接收標(biāo)校塔上信標(biāo)發(fā)射的信號。然后接收波束在方位面和俯仰面進(jìn)行掃描，利用頻譜儀記錄測試結(jié)果，圖5為方位面方向圖，圖6為俯仰面方向圖。

對比圖4、圖5和圖6可知，樣機(jī)測試與仿真結(jié)果基本一致，測試結(jié)果和仿真結(jié)果的主旁瓣比、主柵瓣比差異很小(差異來源于天線及組件的一致性、電磁波的地面反射、建筑物的折射等)。綜上所述，通過軟件仿真和樣機(jī)試驗(yàn)充分驗(yàn)證了該寬帶信號數(shù)字波束形成方法正確可行。

4 結(jié)束語

本文以共形陣列天線的寬帶信號數(shù)字波束形成過程為研究目標(biāo)，以子陣內(nèi)相位加權(quán)、子陣間時(shí)延補(bǔ)償為研究思路，通過理論分析表明子陣間進(jìn)行信號疊加時(shí)，不僅僅需要做時(shí)延補(bǔ)償，同時(shí)也需要子陣間的相位補(bǔ)償。需要注意的是，與子陣內(nèi)相位加權(quán)值和接收信號載波頻率有關(guān)不同，子陣間的相位補(bǔ)償值與下變頻本振頻率有關(guān)。最后通過軟件仿真及樣機(jī)試驗(yàn)驗(yàn)證該實(shí)現(xiàn)方法，其過程對平面陣和共形陣的寬帶信號數(shù)字波束形成過程均適用，因此，對大型陣列的寬帶波束形成具有理論指導(dǎo)意義。

[1] 吳海洲，王鵬毅，郭肅麗.全空域相控陣測控系統(tǒng)波束形成分析[J].無線電工程，2011，41(11)：13-15.

[2] HENDERSON M,DAVIS M B,HUISJEN M.GDPAA Advanced Technology Demonstration Overview and Results[C]∥Phased Array Systems and Technology(Array),IEEE International Symposium on,2010:140-143.

[3] 宋廣怡.全空域測控系統(tǒng)數(shù)字波束形成技術(shù)研究[J].無線電工程，2016，46(3)：41-44.

[4] AHN H,TOMASIC B,LIU S.Digital Beamforming in a Large Conformal Phased Array Antenna for Satellite Operations Support：Architecture,Design,and Development[J].IEEE International Symposium on Phased Array Systems and Technology,2010:423-431.

[5] 丁靜.穩(wěn)健數(shù)字波束形成算法研究[J].無線電通信技術(shù)，2012，38(6)：30-31.

[6] 張光義.相控陣?yán)走_(dá)原理[M].北京：國防工業(yè)出版社，2009.

[7] RASEKH Meysam,SEYDNEJAD Saeid R.Design of an Adaptive Wideband Beamforming Algorithm for Conformal Arrays[J].IEEE Communications Letters,2014,18(11):1 955-1 958.

[8] 吳素麗.一種寬帶恒定束寬DBF技術(shù)實(shí)現(xiàn)方法[J].無線電通信技術(shù)，2013，39(6)：40-43.

[9] TRUCCO Andrea,CURLETTO Simone.Flattening the Side-Lobes of Wide-Band Beam Patterns[J].IEEE Journal of Oceanic Engineering,2003,28(4):760-762.

[10] JOVANOVIC D G,DIAZ C J.One Structure for Wide-bandwidth and High-resolution Fractional Delay Filter[C]∥IEEE International Conference on Electronics Circuits and Systems,2002:899-902.

[11] 孟瑋，劉瑩，張婭楠.下行寬帶信號天線組陣試驗(yàn)驗(yàn)證及分析[J].無線電工程，2014，44(9)：28-31.

[12] 劉張林.基于分?jǐn)?shù)時(shí)延的寬帶數(shù)字波束形成技術(shù)[J].現(xiàn)代電子技術(shù)，2013，36(5)：24-26.

[13] 耿虎軍，郭肅麗，王鵬毅，等.相控陣多目標(biāo)測控系統(tǒng)中的坐標(biāo)轉(zhuǎn)換[J].飛行器測控學(xué)報(bào)，2010，29(6)：24-28.

[14] DENG T B.Symmetry-based Low-complexity Variable Fractional-delay FIR Filters[C]∥IEEE International Symposium on Communications and Information Technologies,2004:194-199.

[15] 顧明超，李倩.寬帶數(shù)字下變頻器的FPGA實(shí)現(xiàn)[J].無線電通信技術(shù)，2014，40(5)：69-72.

[16] 朱彬，朱曉章，楊仕甫，等.寬帶分?jǐn)?shù)延時(shí)濾波器的優(yōu)化設(shè)計(jì)及FPGA實(shí)現(xiàn)[J].現(xiàn)代雷達(dá)，2012，34(10)：28-31.

[17] 李輝，楊挺，王暉.基于FPGA的通用傳感器信號處理系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].傳感器與微系統(tǒng)，2016,35(3)：105-107.

Design and Implementation of Wideband Beamforming for Conformal Array

JIA Zhen-guo,WU Hai-zhou

(The54thResearchInstituteofCETC,ShijiazhuangHebei050081,China)

A wideband digital beamforming method for conformal array antenna is proposed for beamforming of large-scale conformal array,and the realization process of the method is introduced.The flow of beamforming mainly includes beamforming in and between subarrays.After deducing the direction of arrival in line-of-sight coordinate system from target direction in geodetic coordinate system,the theoretical derivation of wideband digital beamforming is conducted,including amplitude-phase weighting in subarrays,and time-delay compensation and phase weighting between subarrays.The correctness and feasibility of the method are verified through software simulation and principle prototype experiment.

conformal array;wideband signal;DBF;amplitude-phase weighting;time-delay compensation

10.3969/j.issn.1003-3106.2017.09.15

賈振國,吳海洲.共形陣列寬帶波束形成設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[J].無線電工程,2017,47(9):73-76.[JIA Zhenguo,WU Haizhou.Design and Implementation of Wideband Beamforming for Conformal Array[J].Radio Engineering,2017,47(9):73-76.]

TN821+.8

A

1003-3106(2017)09-0073-04

2016-11-03

賈振國 男，(1985—)，碩士，工程師。主要研究方向：航天測控、陣列信號處理。

吳海洲 男，(1977—)，博士，高級工程師。主要研究方向：航天測控、陣列信號處理。