劉 亮 李 濤

(1.中國(guó)電子科技集團(tuán)公司第二十研究所 西安 710068；2.陸軍裝備部駐西安地區(qū)第八軍代室 西安 710065)

0 引言

相控陣天線(xiàn)的波束指向、波束形成可快速變化，可同時(shí)形成多個(gè)波束，在空間對(duì)信號(hào)進(jìn)行合成，通過(guò)迅速、精準(zhǔn)切換波束來(lái)完成多種雷達(dá)功能[1]。隨著數(shù)字與模擬集成電路及微電子技術(shù)的快速發(fā)展，有源相控陣?yán)走_(dá)技術(shù)發(fā)展迅速，具有系統(tǒng)響應(yīng)速度快、可靠性高、抗干擾能力強(qiáng)等特點(diǎn)。天線(xiàn)陣面是相控陣?yán)走_(dá)與外輻射空間之間的能量轉(zhuǎn)換器，相控陣天線(xiàn)的性能直接與抗干擾性能相聯(lián)系[2]。

有源相控陣?yán)走_(dá)陣面的每個(gè)天線(xiàn)單元通道都與發(fā)射/接收組件(T/R組件)相連，陣面上T/R組件的數(shù)量巨大，而接收和發(fā)射通道是雷達(dá)系統(tǒng)的前端，收發(fā)通道的工作性能直接影響到整個(gè)雷達(dá)的戰(zhàn)技指標(biāo)[3]，雷達(dá)對(duì)多個(gè)通道的信號(hào)合成波束的波束形狀、主瓣寬度、副瓣電平等會(huì)受每個(gè)T/R組件的幅度、相位影響[4]。因此，對(duì)陣面上數(shù)目眾多的T/R組件中收發(fā)通道的幅度和相位進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)是十分必要的，對(duì)監(jiān)測(cè)到有故障的組件進(jìn)行及時(shí)維修更換以保證相控陣?yán)走_(dá)天線(xiàn)處于正常的狀態(tài)，發(fā)揮最優(yōu)的性能。

1 幅度和相位不一致性對(duì)合成波束的影響仿真分析

在有源相控陣?yán)走_(dá)系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，天線(xiàn)方向圖的副瓣電平與天線(xiàn)收發(fā)通道的幅相誤差具有密切聯(lián)系。形成天線(xiàn)方向圖時(shí)，若不進(jìn)行加窗處理，則方向圖的第一副瓣電平較高，工程應(yīng)用中為了降低副瓣電平，通常對(duì)波束合成進(jìn)行加窗處理。

以N個(gè)陣元的等距線(xiàn)陣為例，仿真幅度和相位誤差對(duì)所合成方向圖的副瓣電平的影響，其中陣面單元間距為d。

圖1 N元均勻等距線(xiàn)陣

不考慮幅相誤差時(shí)，天線(xiàn)方向圖合成公式為：

(1)

當(dāng)天線(xiàn)單元的幅度和相位誤差分別為Δai和Δφi時(shí)，天線(xiàn)方向圖合成公式為：

(2)

圖2為64陣元等距線(xiàn)陣加窗后在不同幅相誤差時(shí)的方向圖仿真結(jié)果，所加窗函數(shù)為40dB切比雪夫窗，無(wú)幅相誤差時(shí)，副瓣電平可達(dá)-40dB；Δai=0.1，Δφi=5°時(shí)，峰值副瓣電平為-28.3dB；Δai=0.1，Δφi=10°時(shí)，峰值副瓣電平為-24.1dB；Δai=0.3，Δφi=5°時(shí)，峰值副瓣電平為-21.2dB。由此可見(jiàn)幅相誤差越大，對(duì)方向圖的影響越大，因此，對(duì)收發(fā)通道的幅相進(jìn)行監(jiān)測(cè)非常有必要。

圖2 不同幅相誤差的天線(xiàn)方向圖

2 陣面監(jiān)測(cè)方法比較

根據(jù)監(jiān)測(cè)測(cè)試信號(hào)的傳輸路徑不同，是否從外部空間輻射進(jìn)入天線(xiàn)單元后進(jìn)入收發(fā)通道，陣面監(jiān)測(cè)方法一般可分為外監(jiān)測(cè)法和內(nèi)監(jiān)測(cè)法，外監(jiān)測(cè)方法可以監(jiān)測(cè)到天線(xiàn)單元，而內(nèi)監(jiān)測(cè)法一般無(wú)法監(jiān)測(cè)到天線(xiàn)單元本身。

2.1 內(nèi)監(jiān)測(cè)法

內(nèi)監(jiān)測(cè)法是一種傳統(tǒng)成熟的監(jiān)測(cè)方法[6]，通過(guò)在T/R組件與天線(xiàn)的接口一端與陣面監(jiān)測(cè)網(wǎng)絡(luò)耦合，可通過(guò)監(jiān)測(cè)網(wǎng)絡(luò)耦合出信號(hào)或者饋入信號(hào)來(lái)對(duì)發(fā)射和接收進(jìn)行監(jiān)測(cè)。

圖3所示，在監(jiān)測(cè)發(fā)射通道時(shí)，由系統(tǒng)控制計(jì)算機(jī)控制波形產(chǎn)生模塊產(chǎn)生高頻激勵(lì)信號(hào)，經(jīng)功放后進(jìn)入組件發(fā)射通道，發(fā)射信號(hào)經(jīng)組件放大后饋入天線(xiàn)單元，而部分發(fā)射信號(hào)經(jīng)過(guò)耦合器耦合進(jìn)入監(jiān)測(cè)網(wǎng)絡(luò)，再進(jìn)入接收機(jī)進(jìn)行采樣及變頻，再進(jìn)入幅相監(jiān)測(cè)儀對(duì)采樣信號(hào)計(jì)算幅度相位。

在監(jiān)測(cè)接收通道時(shí)，激勵(lì)信號(hào)通過(guò)功放放大以后再通過(guò)陣面監(jiān)測(cè)網(wǎng)絡(luò)耦合進(jìn)入T/R組件，再經(jīng)陣面饋電網(wǎng)絡(luò)進(jìn)入接收機(jī)進(jìn)行采樣及變頻，最終進(jìn)入幅相監(jiān)測(cè)儀計(jì)算幅度相位。

2.2 外監(jiān)測(cè)法

外監(jiān)測(cè)法的測(cè)試信號(hào)是通過(guò)天線(xiàn)外部的信號(hào)來(lái)進(jìn)行測(cè)試，通常設(shè)置有外監(jiān)測(cè)天線(xiàn)，通過(guò)空間耦合信號(hào)來(lái)對(duì)收發(fā)通道進(jìn)行監(jiān)測(cè)。外監(jiān)測(cè)原理與內(nèi)監(jiān)測(cè)類(lèi)似，只是監(jiān)測(cè)網(wǎng)絡(luò)變成了外部監(jiān)測(cè)天線(xiàn)。外監(jiān)測(cè)原理如圖4所示。

圖3 陣面收發(fā)通道內(nèi)監(jiān)測(cè)原理圖

圖4 陣面收發(fā)通道外監(jiān)測(cè)原理圖

外監(jiān)測(cè)在監(jiān)測(cè)發(fā)射通道時(shí)，激勵(lì)信號(hào)通過(guò)功放放大后，再由開(kāi)關(guān)控制，經(jīng)陣面饋電網(wǎng)絡(luò)送至發(fā)射通道，經(jīng)過(guò)環(huán)形器從天線(xiàn)輻射至監(jiān)測(cè)天線(xiàn)，此時(shí)監(jiān)測(cè)信號(hào)經(jīng)過(guò)開(kāi)關(guān)送至接收模塊從而進(jìn)行幅相監(jiān)測(cè)。在監(jiān)測(cè)接收通道時(shí)，激勵(lì)信號(hào)通過(guò)功放放大后，再由開(kāi)關(guān)控制送至監(jiān)測(cè)天線(xiàn)，由空間輻射到天線(xiàn)單元，通過(guò)環(huán)形器到接收通道，此時(shí)監(jiān)測(cè)信號(hào)經(jīng)過(guò)陣面饋電網(wǎng)絡(luò)后由開(kāi)關(guān)控制送至接收模塊從而進(jìn)行幅相監(jiān)測(cè)。

內(nèi)監(jiān)測(cè)法與外監(jiān)測(cè)法相比各有特點(diǎn)。

內(nèi)監(jiān)測(cè)法的優(yōu)點(diǎn)是：技術(shù)成熟，可靠性高；監(jiān)測(cè)精度高，易通過(guò)儀表校準(zhǔn)；在線(xiàn)監(jiān)測(cè)，監(jiān)測(cè)速度快。缺點(diǎn)是：對(duì)監(jiān)測(cè)網(wǎng)絡(luò)的幅度相位一致性要求較高；無(wú)法監(jiān)測(cè)到天線(xiàn)單元的幅相誤差和安裝誤差引起的相位一致性；引入了監(jiān)測(cè)網(wǎng)絡(luò)，設(shè)備較復(fù)雜。

外監(jiān)測(cè)法的優(yōu)點(diǎn)是：可監(jiān)測(cè)到天線(xiàn)單元及其互耦部分的相關(guān)幅度相位誤差, 監(jiān)測(cè)的幅相更接近真實(shí)值;設(shè)備量較少。缺點(diǎn)是：外監(jiān)測(cè)需在陣面調(diào)試正常后采集一組數(shù)據(jù)作為真值來(lái)作為收發(fā)通道監(jiān)測(cè)的標(biāo)準(zhǔn)。

3 陣面收發(fā)通道監(jiān)測(cè)方法的設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)

相控陣?yán)走_(dá)陣上的核心部件是T/R組件，而T/R組件中的核心器件是移相器和衰減器，調(diào)相和調(diào)幅的精確度直接決定波束形成性能的優(yōu)劣。因此對(duì)陣面的收發(fā)通道監(jiān)測(cè)主要就是對(duì)T/R組件中移相器和衰減器進(jìn)行檢測(cè)和判斷，確定收發(fā)通道是否正常。

本文基于內(nèi)監(jiān)測(cè)方法對(duì)某相控陣?yán)走_(dá)的陣面收發(fā)通道設(shè)計(jì)了一種監(jiān)測(cè)方法，監(jiān)測(cè)原理框圖如圖5所示，在監(jiān)測(cè)時(shí)，接收模塊接收到監(jiān)測(cè)信號(hào)后需要進(jìn)行幅相處理，直接采用系統(tǒng)中的信號(hào)處理模塊來(lái)實(shí)現(xiàn)。所設(shè)計(jì)的監(jiān)測(cè)方法可對(duì)陣面上T/R組件的接收和發(fā)射通道進(jìn)行監(jiān)測(cè)，可實(shí)現(xiàn)的監(jiān)測(cè)內(nèi)容如下：

1)T/R組件的發(fā)射移相器監(jiān)測(cè)；

2)T/R組件的接收移相器監(jiān)測(cè)；

3)T/R組件的接收衰減器監(jiān)測(cè)。

圖5 陣面收發(fā)通道監(jiān)測(cè)框圖

①波形時(shí)序設(shè)計(jì)

與正常工作時(shí)序不同，T/R組件收發(fā)通道監(jiān)測(cè)時(shí)序的接收期與發(fā)射期相同，這樣才可以利用耦合回來(lái)信號(hào)進(jìn)行采樣分析。測(cè)試基帶信號(hào)為點(diǎn)頻正弦波信號(hào)，頻率為0.5MHz，陣面采樣率為10MHz，發(fā)射和接收期均為20μs，因此可以采樣200點(diǎn)，采樣點(diǎn)的IQ各包含10個(gè)完整周期的正弦波信號(hào)。

發(fā)射基帶信號(hào)為正弦波點(diǎn)頻信號(hào)

x=exp(-1×j×2×pi×w×t)

(3)

圖6 監(jiān)測(cè)信號(hào)的實(shí)部與虛部

②采集信號(hào)的功率和相位計(jì)算

在每個(gè)測(cè)試周期中所采集正弦波信號(hào)中不同采樣點(diǎn)的相位由于調(diào)頻隨時(shí)間變化，如圖7(a)所示，為了直觀地觀察本次采集信號(hào)的相位值，需要解調(diào)頻來(lái)歸一化相位，結(jié)果如圖7(b)所示。

s=x×exp(-1×j×2×pi×w×t)

(4)

圖7 移相100°時(shí)采集信號(hào)的相位

在實(shí)際應(yīng)用中，為了降低運(yùn)算次數(shù)，同時(shí)不改變采集信號(hào)的相位特性，先對(duì)解調(diào)頻后的200個(gè)復(fù)數(shù)求平均值后再分別計(jì)算功率和相位。

(5)

a)對(duì)平均值求幅度來(lái)計(jì)算得到該次測(cè)試的功率

p=20lg(abs(y))

(6)

b)對(duì)平均值求相位

φ=atan2(y)

(7)

其中atan2為函數(shù)運(yùn)算庫(kù)中求反正切函數(shù)，在實(shí)際計(jì)算中需要注意的是，由于atan2函數(shù)的值域?yàn)?180°～180°，因此若相位值在180°附近時(shí)，由于噪聲的影響，計(jì)算得到的相位值可能會(huì)符號(hào)跳變，如測(cè)試結(jié)果可能是-179°也可能是179°，為了方便判斷準(zhǔn)則單一，因此對(duì)相位計(jì)算結(jié)果進(jìn)行處理，將角度結(jié)果范圍全部統(tǒng)一到0°～360°：

φ=mod(φ+360°，360°)

(8)

其中mod(x，y)函數(shù)表示y對(duì)x求余。

根據(jù)上述方法，通過(guò)控制每一個(gè)通道的發(fā)射和接收，可對(duì)每個(gè)通道接收和發(fā)射進(jìn)行采集信號(hào)，計(jì)算得到采集信號(hào)的幅度和相位，對(duì)陣面的收發(fā)通道進(jìn)行監(jiān)測(cè)。

某型C波段相控陣?yán)走_(dá)為一維有源相控陣，陣面中有256個(gè)獨(dú)立的收發(fā)通道，各T/R組件中移相器位數(shù)為6位，衰減器位數(shù)為6位。由于陣面上各收發(fā)通道均調(diào)整到了正常狀態(tài)，移相器和衰減器均無(wú)故障，因此各個(gè)通道的收發(fā)監(jiān)測(cè)結(jié)果為正常。為驗(yàn)證監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，通過(guò)衰減器和延遲線(xiàn)纜對(duì)部分通道的幅度和移相值進(jìn)行預(yù)設(shè)，使之與實(shí)際工作需要有較大偏差，此時(shí)系統(tǒng)監(jiān)測(cè)到該部分通道異常，且該部分通道實(shí)測(cè)幅度與預(yù)設(shè)值偏差小于±1dB，移相值與預(yù)設(shè)布相值偏差小于±5°，證明監(jiān)測(cè)系統(tǒng)可對(duì)收發(fā)通道進(jìn)行有效監(jiān)測(cè)。

4 結(jié)束語(yǔ)

根據(jù)相控陣?yán)走_(dá)陣面監(jiān)測(cè)信號(hào)注入路徑的不同，陣面收發(fā)通道監(jiān)測(cè)主要分為外監(jiān)測(cè)法和內(nèi)監(jiān)測(cè)法，本文基于內(nèi)監(jiān)測(cè)方法在某相控陣?yán)走_(dá)上設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了一種陣面收發(fā)通道的監(jiān)測(cè)方法，可對(duì)收發(fā)通道發(fā)射和接收的移相狀態(tài)和衰減控制進(jìn)行監(jiān)測(cè)，實(shí)測(cè)結(jié)果驗(yàn)證了其有效性。