賈振國，吳海洲，洪 鋒，劉崗風(fēng)

(1.中國電子科技集團公司第五十四研究所，河北 石家莊 050081；2.西安衛(wèi)星測控中心，陜西 西安 710043；3.中國人民解放軍63771部隊，陜西 渭南 714000)

0 引言

傳統(tǒng)的相控陣系統(tǒng)大多都是窄帶系統(tǒng)[1-2]，在理論、技術(shù)和工程上都已經(jīng)相對成熟。隨著相控陣系統(tǒng)對無線電傳輸信息量需求的增加，寬帶相控陣系統(tǒng)[3-4]成為主要發(fā)展方向。寬帶相控陣系統(tǒng)可以提高距離測量精度和抗干擾能力，降低多路徑效應(yīng)等。

寬帶陣列波束合成過程中，信號時延補償既可在時域?qū)崿F(xiàn)[5-6]，也可在頻域?qū)崿F(xiàn)[7]。由于頻率線性相位加權(quán)方法中時延精度受到FFT點數(shù)的影響，且硬件實現(xiàn)中耗費邏輯資源量大，因此在時域采用數(shù)字延遲線和分數(shù)時延濾波器的方法得到了更廣泛的應(yīng)用。在數(shù)字域進行時延補償時[8-9]，必然存在時延補償步進和精度的問題，導(dǎo)致單個天線接收信號在時延補償值變化時該信號的載波相位不連續(xù)，而所有天線單元接收信號經(jīng)過波束合成后其載波相位是否連續(xù)且不產(chǎn)生跳變，將直接影響到基帶設(shè)備能否完成信號解調(diào)。本文對寬帶數(shù)字波束形成的信號處理流程進行了介紹和推導(dǎo)，并對波束合成后的信號載波相位進行了仿真分析，證明其載波相位連續(xù)性不會對后續(xù)信號解調(diào)產(chǎn)生影響。

1 建立陣列天線模型

陣列天線模型示意如圖1所示。為了便于描述問題，將天線陣列模型簡化為均勻線陣，天線單元數(shù)量共N個，天線單元間距為d。目標(biāo)與陣列天線的距離R同陣列尺寸相比滿足絕對遠場條件，即R>>2D2/λ，λ為載波信號波長，因此信號在空間傳播可以按平行波處理，波束指向偏離陣列法向的角度為θ。目標(biāo)信號到達相鄰天線單元之間的波程差為dsinθ，時間差為dsinθ/c，c為光速。

圖1 陣列天線模型示意Fig.1 Array antennas structure

2 寬帶陣列波束合成流程

目前，相控陣研制過程中往往采用數(shù)字波束形成方式，典型的寬帶信號數(shù)字波束形成流程如圖2所示[10]。

圖2 寬帶數(shù)字波束形成流程Fig.2 Digital beam forming process of wideband array

在相控陣中，多個波束經(jīng)常使用不同頻率，而接收通道需要覆蓋整個接收頻帶，波束形成中接收信號按照滿足整個接收頻段寬度處理。寬帶天線單元[11-12]和接收組件[13-14]比如覆蓋整個處理帶寬，單個波束的接收信號帶寬可以覆蓋整個接收帶寬，也可以只覆蓋接收帶寬中的一部分。以天線單元1為參考天線，假設(shè)天線單元1收到的信號為：

s(t)=a(t)cos(2π(fc+f0)t)，

式中，fc為整個接收頻帶的中心頻率；f0為接收信號的中心頻率相對于接收頻帶中心頻率的偏離頻率；a(t)為該波束的信號包絡(luò)。則第n個天線單元收到的信號為：

sn(t)=a(t+(n-1)Δt)cos(2π(fc+f0)·

(t+(n-1)Δt))，

式中，Δt=dsinθ/c，為相鄰天線單元間的時延差。

天線接收到的模擬信號經(jīng)過下變頻、AD采樣和數(shù)字正交下變頻后，變?yōu)?路正交的零中頻數(shù)字信號。此時第n個天線單元信號變?yōu)椋?/p>

通過幅相加權(quán)，可以將各個天線單元接收信號的載波相位對齊，幅相加權(quán)值按照整個接收頻帶的中心頻率計算。第n路信號的加權(quán)值為e-j(2πfc(n-1)Δt)，加權(quán)后得到：

Sn(t)=(In(t)+jQn(t))×e-j(2πfc(n-1)Δt)=

時延補償在時域數(shù)字信號處理中的實現(xiàn)方法有多種[17-18]，考慮到FPGA資源有限，采用資源需求相對較少的多相濾波結(jié)構(gòu)實現(xiàn)內(nèi)插器的方式，典型結(jié)構(gòu)如圖3所示[19]。

圖3 典型的多相濾波結(jié)構(gòu)內(nèi)插器Fig.3 Interpolators of typical multi phase filter structure

每個支路輸出信號的時延相差為1/(I×fs)，其中I為內(nèi)插倍數(shù)，fs為數(shù)據(jù)處理時鐘，根據(jù)每路信號的時延補償?shù)挠嬎憬Y(jié)果，近似選擇相應(yīng)支路的輸出信號。輸出信號在相鄰2個支路切換時，時延差變化為tΔI=1/(I×fs)，導(dǎo)致該路信號相位產(chǎn)生跳變，相位跳變?yōu)椋?/p>

相位跳變必然會對基帶信號解調(diào)處理過程產(chǎn)生影響，相關(guān)文獻[20-21]對基帶信號的解調(diào)過程均有介紹，這里不再論述。

3 仿真分析

根據(jù)上述分析，對波束合成信號的載波相位進行仿真。仿真中，陣列天線按圖1中線陣排列，單元天線間距為0.075 m。將第1個天線單元作為參考，默認其收到信號的載波相位為0，整個接收頻帶的中心頻率為2 000 MHz和信號帶寬為50 MHz，信號處理時鐘為120 MHz，內(nèi)插器I=6，可知當(dāng)頻率fs=2 000 MHz時，單路信號時延補償時載波相位跳變可達12.5°。當(dāng)天線單元數(shù)量為50個時，對信號頻率分別為接收頻帶內(nèi)的低端頻率1 975 MHz、中心頻率2 000 MHz和高端頻率2 025 MHz時信號相位隨波束指向變化情況進行了仿真分析，如圖4所示。

圖4 不同頻率的相位隨波束指向變化Fig.4 Phase changes for beam points of different frequencies

當(dāng)信號頻率為2 025 MHz，天線單元數(shù)量分別為50，100，200時，信號相位隨波束指向變化如圖5所示。由仿真可見，接收信號在不同的載波頻率時相位連續(xù)且基本保持穩(wěn)定；天線單元數(shù)量越多，合成信號的載波相位波動越小。

圖5 不同天線數(shù)量的相位隨波束指向變化Fig.5 Phase changes for beam points of different number of antennas

4 結(jié)束語

在相控陣天線波束指向變化時，單路天線接收信號的載波相位會產(chǎn)生跳變，但多個天線單元接收信號經(jīng)過波束合成后的載波相位是連續(xù)的且波動很小，其合成效果與傳統(tǒng)拋物面天線接收到的信號載波相位連續(xù)性沒有太大差別，不會對之后的基帶信號解調(diào)處理產(chǎn)生影響，因此相控陣天線波束合成后的基帶信號解調(diào)處理過程可以與傳統(tǒng)拋物面天線保持一致。寬帶陣列波束合成信號載波連續(xù)性的驗證，對寬帶陣列天線系統(tǒng)設(shè)計具有重要參考價值。