段國(guó)文，孟超普，王秀錦

(1.海軍裝備部，北京 100071；2.中國(guó)船舶重工集團(tuán)公司第七二三研究所，江蘇 揚(yáng)州 225101)

0 引 言

相控陣天線是相控陣干擾機(jī)的主要組成部分。相控陣天線裝配好之后，為了獲得較理想的發(fā)射和接收特性，必須給每路饋電通道設(shè)置合適的幅度和相位值。毫米波相控陣面由于工作頻段高、波長(zhǎng)短，各組成部件的微小差異、機(jī)械加工誤差、裝配誤差等因素都會(huì)導(dǎo)致各單元通道的初始幅相產(chǎn)生很大差異，因此必須對(duì)相控陣面進(jìn)行校準(zhǔn)[1]。

相控陣天線輻射特性的測(cè)量主要分為3個(gè)類別：近場(chǎng)掃描、中場(chǎng)校正及遠(yuǎn)場(chǎng)測(cè)量技術(shù)[2]。與室外遠(yuǎn)場(chǎng)測(cè)試系統(tǒng)相比，室內(nèi)近場(chǎng)測(cè)試系統(tǒng)對(duì)多徑和電磁環(huán)境干擾有很好的抑制，只要有效控制和修正測(cè)試誤差，利用近場(chǎng)測(cè)試系統(tǒng)就能獲得更高的測(cè)試精度和更完整的輻射天線信息[3]。因此，相控陣陣面的通道幅相校正以及方向圖測(cè)試通常借助于近場(chǎng)測(cè)試系統(tǒng)。針對(duì)某毫米波相控陣平臺(tái)，本文利用平面近場(chǎng)測(cè)試系統(tǒng)，采用近場(chǎng)逐點(diǎn)幅相測(cè)量法，對(duì)陣面各通道的幅相進(jìn)行自動(dòng)測(cè)試并進(jìn)行幅度相位校正。

1 通道幅相測(cè)試

1.1 測(cè)試環(huán)境搭建

1.1.1 探頭位置校準(zhǔn)

對(duì)相控陣面通道進(jìn)行幅度相位近場(chǎng)測(cè)試時(shí)，需確保掃描探頭在空間上與相應(yīng)測(cè)試通道對(duì)準(zhǔn)。校準(zhǔn)時(shí)打開(kāi)安裝于陣面上方的激光照射儀，控制掃描架在平行于陣面的平面內(nèi)(x軸、y軸)移動(dòng)，使激光中心與掃描架探頭中心重合，設(shè)置此時(shí)掃描架位置為零點(diǎn)。

根據(jù)陣面結(jié)構(gòu)尺寸，計(jì)算激光中心與相控陣第1行第1列的相對(duì)位置，并記為(x0,y0)，設(shè)陣面陣元的水平和垂直間距分別為Δx和Δy，則對(duì)第i行第j列進(jìn)行通道幅相測(cè)試時(shí)掃描探頭的位置為(x0+(i-1)·Δx，y0+(j-1)·Δy)。

完成陣面平面位置校準(zhǔn)后，控制掃描架在垂直于陣面的方向(z軸)移動(dòng)，確保通道測(cè)試時(shí)陣面接收鏈路處于線性區(qū)。

1.1.2 測(cè)試系統(tǒng)連接

某型毫米波相控陣陣面兼具對(duì)毫米波威脅雷達(dá)信號(hào)的接收與干擾功能，該陣面采用模擬和差波束體制進(jìn)行威脅信號(hào)測(cè)頻與測(cè)向。陣面組成示意如圖1所示，設(shè)備接收到的毫米波威脅信號(hào)經(jīng)一級(jí)下變頻為厘米波段射頻信號(hào)后進(jìn)行和差波束形成。

圖1 某型毫米波相控陣陣面組成示意圖

本文在對(duì)陣面進(jìn)行接收通道校正時(shí)，選擇發(fā)射/接收(TR)中的接收通道+后級(jí)接收下變頻通道進(jìn)行鏈路級(jí)校正；進(jìn)行發(fā)射通道校正時(shí)，選擇上變頻通道+TR發(fā)射通道進(jìn)行鏈路級(jí)校正。接收通道校正和發(fā)射通道校正時(shí)設(shè)備連接圖分別如圖2、圖3所示。

圖2 接收通道校正系統(tǒng)連接框圖

圖3 發(fā)射通道校正系統(tǒng)連接框圖

1.2 通道幅相測(cè)量參數(shù)設(shè)置

某型設(shè)備采用的TR組件接收通道可分別進(jìn)行鏈路幅度衰減控制和移相控制，故接收通道校正時(shí)對(duì)鏈路幅度和鏈路相位均需進(jìn)行校正；發(fā)射通道為鏈路飽和輸出，故進(jìn)行發(fā)射通道校正時(shí)僅需鏈路相位校正。通道幅相測(cè)量參數(shù)設(shè)置步驟如下：

(1) 通過(guò)主控軟件進(jìn)行矢網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)連接，并進(jìn)行初始化設(shè)置(起始頻率，終止頻率，頻率間隔)；

(2) 人工對(duì)矢網(wǎng)進(jìn)行設(shè)置，包括發(fā)射端口功率值、接收中頻帶寬；

(3) 完成矢網(wǎng)連接與設(shè)置后，在測(cè)試主控機(jī)上通過(guò)主控軟件進(jìn)行通道測(cè)試參數(shù)設(shè)置，包括幅度碼衰減值設(shè)置(僅接收通道)、移相碼設(shè)置、是否帶表設(shè)置、測(cè)試通道行設(shè)置、測(cè)試通道列設(shè)置、測(cè)試頻率范圍、測(cè)試結(jié)果保存位置及格式設(shè)置等。

1.3 通道測(cè)試

主控測(cè)試軟件完成通道測(cè)試參數(shù)設(shè)置下發(fā)后，在掃描架控制軟件下發(fā)開(kāi)始測(cè)試命令，設(shè)備開(kāi)始進(jìn)入通道測(cè)試流程。通道測(cè)試流程如圖4所示。

圖4 發(fā)射/接收通道測(cè)試流程

2 通道幅相校正

由于某型設(shè)備TR組件接收通道校正時(shí)對(duì)鏈路幅度和鏈路相位均需進(jìn)行校正，而發(fā)射通道校正時(shí)僅需鏈路相位校正，其相位校正方法與接收通道相位校正方法相同，因此本文僅對(duì)接收通道的幅度和相位校正方法進(jìn)行描述。

2.1 基準(zhǔn)通道選取

TR組件在交付使用后可能存在通道故障現(xiàn)象，因此選取基準(zhǔn)通道前需先將故障通道進(jìn)行剔除。對(duì)故障剔除后的陣面各通道，選取幅度基態(tài)、相位基態(tài)時(shí)幅度測(cè)量值的最小值所對(duì)應(yīng)的通道為基準(zhǔn)通道。

2.2 通道校正碼的計(jì)算

幅度校正碼和相位校正碼計(jì)算過(guò)程如下。

2.2.1 幅度校正碼的計(jì)算

(1) 計(jì)算單通道在固定移相碼時(shí)，不同衰減碼相對(duì)于幅度基態(tài)的實(shí)際衰減值；

(2) 計(jì)算某一幅相校正態(tài)幅度測(cè)量值與以基準(zhǔn)通道幅度基態(tài)、相位基態(tài)為基準(zhǔn)的校正態(tài)理論衰減量的幅度差值；

(3) 基于最小偏差準(zhǔn)則查表計(jì)算幅度校正碼；

(4) 更改幅度衰減碼和移相碼取值，完成所有移相和衰減態(tài)幅度校正碼計(jì)算；

(5) 更改通道號(hào)和頻點(diǎn)，完成所有通道全頻帶幅度校正碼計(jì)算。

2.2.2 相位校正碼計(jì)算

(1) 計(jì)算單通道在固定衰減碼時(shí)，不同移相碼相對(duì)于相位基態(tài)的實(shí)際相移量；

(2) 計(jì)算某一幅相校正態(tài)相位測(cè)量值與以基準(zhǔn)通道幅度基態(tài)、相位基態(tài)為基準(zhǔn)的校正態(tài)理論相移量的相位差值；

(3) 基于最小偏差準(zhǔn)則查表計(jì)算相位校正碼；

(4) 更改移相碼和幅度衰減碼取值，完成所有移相和衰減態(tài)相位校正碼計(jì)算；

(5) 更改通道號(hào)和頻點(diǎn)，完成所有通道全頻帶相位校正碼計(jì)算。

3 校正后通道幅相測(cè)試

完成全陣面所有通道幅度、相位校正后，對(duì)校正后的陣面各通道進(jìn)行幅度、相位采集，測(cè)試結(jié)果分別如圖5和圖6所示。其中圖5為全陣面通道校正后幅度一致性測(cè)試結(jié)果，圖6為全陣面通道校正后相位一致性測(cè)試結(jié)果。除個(gè)別故障通道外，全陣面通道幅度一致性和相位一致性滿足要求。

圖6 全陣面通道校正后相位一致性測(cè)試結(jié)果

4 全陣面方向圖測(cè)試

基于上述陣面通道校正結(jié)果，使用近場(chǎng)測(cè)試系統(tǒng)對(duì)毫米波相控陣面發(fā)射方向圖及接收和差方向圖進(jìn)行了測(cè)試。

發(fā)射方向圖采用等幅分布，頻點(diǎn)為f1時(shí)陣面中心波束及邊波束的方位發(fā)射方向圖和俯仰發(fā)射方向圖分別如圖7和圖8所示。

圖7 頻點(diǎn)f1時(shí)方位發(fā)射方向圖

圖8 頻點(diǎn)f1時(shí)俯仰發(fā)射方向圖

為降低副瓣，接收方向圖采用30 dB泰勒加權(quán)。頻點(diǎn)為f1時(shí)的接收方位和波束、接收方位差方向圖分別如圖9和圖10所示，接收俯仰和波束、接收俯仰差方向圖分別如圖11和圖12所示。

圖9 頻點(diǎn)f1時(shí)接收方位和波束方向圖

圖10 頻點(diǎn)f1時(shí)接收方位差波束方向圖

圖11 頻點(diǎn)f1時(shí)接收俯仰和波束方向圖

圖12 頻點(diǎn)f1時(shí)接收俯仰差波束方向圖

5 結(jié)束語(yǔ)

針對(duì)某型毫米波相控陣面，本文給出了一種適用于工程應(yīng)用的基于近場(chǎng)測(cè)試的陣面通道校正方法，對(duì)通道幅相測(cè)試環(huán)境搭建、通道測(cè)試流程進(jìn)行了闡述，給出了一種基于最小偏差準(zhǔn)則的通道幅相校正方法。采用上述方法進(jìn)行通道幅相校正后，對(duì)全陣面進(jìn)行了發(fā)射方向圖和接收和差方向圖測(cè)試，測(cè)試結(jié)果滿足某型設(shè)備使用要求。