代 睿

一種相控陣?yán)走_(dá)陣面自動校準(zhǔn)方法研究

代 睿

（海軍裝備部，西安 710068）

相控陣?yán)走_(dá)；陣面；校準(zhǔn)；效率

0 引言

相比于傳統(tǒng)雷達(dá)機(jī)械伺服控制系統(tǒng)，相控陣?yán)走_(dá)具有波束指向靈活、目標(biāo)容量大、精度高和抗干擾性好等特點(diǎn)，它將雷達(dá)的搜索跟蹤反應(yīng)時間提高了數(shù)萬倍[1]，因此相控陣?yán)走_(dá)是雷達(dá)的發(fā)展趨勢。相控陣?yán)走_(dá)在工作時相當(dāng)于有很多小雷達(dá)組件同時工作，部分單元損壞不會影響正常使用。但隨著雷達(dá)功能越來越強(qiáng)大，陣元組件的數(shù)量和成本也在增加，加上與陣面中還有相關(guān)的饋電網(wǎng)絡(luò)、供電網(wǎng)絡(luò)和波控網(wǎng)絡(luò)，使得陣面校準(zhǔn)變得越來越困難[2]。這種維護(hù)的難處更體現(xiàn)在當(dāng)天線被裝備使用后，在陣面緊湊的結(jié)構(gòu)空間里，無法或不允許像在微波暗室或?qū)嶒?yàn)室一樣使用儀表或近場測試設(shè)備對陣面的狀態(tài)進(jìn)行測量[3]。為此必須為陣面，特別是有源陣面科學(xué)合理地裝配一套自動測量設(shè)備即相控陣?yán)走_(dá)陣面監(jiān)測校準(zhǔn)系統(tǒng)。

1 相控陣?yán)走_(dá)校準(zhǔn)現(xiàn)狀

副瓣電平、增益和波束指向是相控陣天線的重要性能指標(biāo)。陣元的幅、相精度是影響天線上述輻射特性的重要因素。天線陣面裝配完成后必須對陣元的幅相進(jìn)行測試。通過測得的數(shù)據(jù)，分析并診斷出問題陣元，從而修復(fù)故障陣元，更換失效陣元，同時計算出各陣元之間的幅相誤差，通過波控系統(tǒng)對被測陣元的可調(diào)器件如移相器和衰減器進(jìn)行調(diào)節(jié)補(bǔ)償，使陣面的幅相分布得到改善[4]。這一般在出廠前在暗室進(jìn)行測量，在雷達(dá)交付使用后，某些大型陣面根本無法放進(jìn)暗室進(jìn)行測量、校準(zhǔn)；另外隨著雷達(dá)服役時間的延長，器件產(chǎn)生老化、熱變形和有源器件T/R組件的性能變化導(dǎo)致天線性能退化，因此非常需要一種更為精確的可溯源的現(xiàn)場標(biāo)定校準(zhǔn)裝置來對相控陣?yán)走_(dá)天線進(jìn)行現(xiàn)場校準(zhǔn)。

根據(jù)測量信號注入或獲取點(diǎn)的不同，相控陣?yán)走_(dá)陣面校準(zhǔn)的基本方法分為內(nèi)校準(zhǔn)和外校準(zhǔn)。內(nèi)、外校準(zhǔn)又都有發(fā)射和接收兩種不同的工作流程。內(nèi)校準(zhǔn)方法的工作流程和基本組成如圖1所示。

圖1 內(nèi)校準(zhǔn)方法的基本組成方法

發(fā)射內(nèi)校準(zhǔn)時，控制計算機(jī)將所有控制開關(guān)均置于“T”狀態(tài)，激勵信號通過D/A變換、上變頻進(jìn)入收發(fā)網(wǎng)絡(luò)通過T/R組件中的“T通道”饋送至各陣元，并通過組件與天線間的定向耦合器耦合發(fā)射信號的極小部分（如-30 dB）供校準(zhǔn)用，耦合出的校準(zhǔn)信號通過校準(zhǔn)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)入下變頻通道、A/D采樣后進(jìn)入控制計算機(jī)。在控制計算機(jī)的控制下，逐一選通被測陣元通道，對陣面所有通道進(jìn)行發(fā)射內(nèi)校準(zhǔn)。接收內(nèi)校準(zhǔn)時，控制計算機(jī)控制激勵信號通過上變頻、校準(zhǔn)切換開關(guān)、校準(zhǔn)網(wǎng)絡(luò)和各陣元的定向耦合器，由控制計算機(jī)逐一選通各陣元，注入到接收陣元的“R通道”，并通過收發(fā)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)入下變頻通道、A/D采樣后進(jìn)入控制計算機(jī)完成對陣面的接收內(nèi)校準(zhǔn)。

外校準(zhǔn)方法的工作流程和基本組成如圖2所示。發(fā)射外校準(zhǔn)時，控制計算機(jī)控制激勵信號通過D/A變換、上變頻進(jìn)入收發(fā)網(wǎng)絡(luò)通過T/R組件中的“T通道”饋送至各陣元，此時發(fā)射路徑的被測信號已形成，并通過空間發(fā)送出去，由校準(zhǔn)天線接收，并通過校準(zhǔn)通道采樣后進(jìn)入控制計算機(jī)進(jìn)行處理。接收外校準(zhǔn)時，控制計算機(jī)控制激勵信號通過D/A變換、上變頻進(jìn)入校準(zhǔn)通道通過校準(zhǔn)T/R組件中的“T通道”饋送至校準(zhǔn)天線，并通過空間發(fā)送出去，由陣面各陣元接收，并通過接收通道采樣后進(jìn)入控制計算機(jī)進(jìn)行處理。

圖2 外校準(zhǔn)方法的基本組成

待校準(zhǔn)陣面共有數(shù)千個輻射陣元，若采用內(nèi)校準(zhǔn)的校準(zhǔn)方法，則需在系統(tǒng)中增加數(shù)千個定向耦合器及與之相對應(yīng)龐大復(fù)雜的監(jiān)測校準(zhǔn)網(wǎng)絡(luò)及矩陣開關(guān)等，雷達(dá)陣面的安裝平臺對整個陣面結(jié)構(gòu)尺寸及重量都有嚴(yán)格限制，同時有源電路及元器件的增加都會影響系統(tǒng)的可靠性，且考慮到外校準(zhǔn)相較內(nèi)校準(zhǔn)鏈路更加完整準(zhǔn)確，故選擇外校準(zhǔn)方法作為校準(zhǔn)系統(tǒng)的基礎(chǔ)。

2 監(jiān)測校準(zhǔn)系統(tǒng)的組成

監(jiān)測校準(zhǔn)系統(tǒng)由四個位于陣面四角的監(jiān)測校準(zhǔn)天線、一個可分路開關(guān)的一分四功分器和一路監(jiān)測校準(zhǔn)通道組成，監(jiān)測校準(zhǔn)通道包括單通道收發(fā)T/R組件模塊，上下變頻模塊和數(shù)字處理模塊。其架構(gòu)框圖如圖3所示。

圖3 監(jiān)測校準(zhǔn)系統(tǒng)架構(gòu)框圖

本監(jiān)測校準(zhǔn)系統(tǒng)功能的實(shí)現(xiàn)是在實(shí)驗(yàn)室測試的基礎(chǔ)上完成的。實(shí)驗(yàn)室測試采用近場測試的方法，以保證天線在出廠時各通道福相值都處于預(yù)置的分布狀態(tài)下，并得到校準(zhǔn)天線單元與各通道的耦合系數(shù)。在線監(jiān)測校準(zhǔn)即自校準(zhǔn)，在沒有外置設(shè)備的條件下，依據(jù)耦合系數(shù)，檢測各通道電性能的變化量，并通過調(diào)整通道幅相控制碼，使天線陣面恢復(fù)到出廠狀態(tài)。

3 實(shí)驗(yàn)測試

實(shí)驗(yàn)室測試的目的為消除由于加工、裝配、各通道不一致性導(dǎo)致的幅相誤差。本實(shí)驗(yàn)采用近場校準(zhǔn)方案，實(shí)驗(yàn)室測試分為陣面初相的測試與陣面耦合系數(shù)的測試兩部分，均在近場暗室內(nèi)進(jìn)行。陣面初相測試時，如圖4所示，近場探頭依次對準(zhǔn)4個象限的數(shù)千個天線單元并收發(fā)信號，依次記錄得到S參數(shù)值，并以第一個單元信號的幅相值為參考信號，其他單元的信號幅度相位值同第一個單元的信號進(jìn)行比較得到誤差補(bǔ)償值，進(jìn)而將整個陣面矯正為等幅同相分布。在通道測試時，通道精確對準(zhǔn)是通過控制掃描架來完成的，精度和效率都得到了保證。

圖4 天線陣面初相測試示意圖

本文的校準(zhǔn)系統(tǒng)設(shè)計中，鏈路分析關(guān)鍵在于陣面每個象限角上放置的校準(zhǔn)天線單元至該象限各個單元耦合量的變化范圍能夠滿足接收機(jī)的動態(tài)范圍。由于四個象限的校準(zhǔn)是依次進(jìn)行，避免了四個校準(zhǔn)單元之間的相位相干導(dǎo)致耦合量極小點(diǎn)的出現(xiàn)。需建立陣面模型并加工測試天線實(shí)物，實(shí)物如圖5所示。仿真并實(shí)測分析單個象限內(nèi)校準(zhǔn)單元至其他天線單元之間的耦合量變化范圍，最終得到接收機(jī)需要提供的動態(tài)范圍。

圖5 校準(zhǔn)系統(tǒng)實(shí)測照片

在微波暗室中對1：1加工的陣面子陣天線與校準(zhǔn)喇叭之間的耦合量進(jìn)行了實(shí)物測試，以第二象限為例，在第二象限中一些典型位置安裝了子陣天線，對于第二象限的校準(zhǔn)喇叭，其與第二象限中大部分輻射單元間的頻帶內(nèi)耦合量穩(wěn)定在-30~-70 dB之間，如圖6所示，測試結(jié)果和設(shè)計保持較好的一致。

圖6 第二象限輻射單元頻帶內(nèi)耦合量

4 結(jié)論

針對相控陣?yán)走_(dá)天線的現(xiàn)場校準(zhǔn)需求，開展基于外校準(zhǔn)的相控陣?yán)走_(dá)天線現(xiàn)場校準(zhǔn)方法的研究，通過動測量設(shè)備即相控陣?yán)走_(dá)陣面監(jiān)測校準(zhǔn)系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了天線陣面的校準(zhǔn)，校準(zhǔn)精度高、效率高，且測試結(jié)果和設(shè)計保持一致，滿足陣面監(jiān)測校準(zhǔn)功能的需求。

[1] 李宏，薛冰. 相控陣天線的測試技術(shù)[J]. 中國測試技術(shù)，2003（9）：10-11.

[2] 張云. 相控陣天線近場幅相校準(zhǔn)[J]. 中國電子科學(xué)研究院學(xué)報，2007（9）：611-612.

[3] 樓世平，薛正輝，楊什明. 天線時域平面近場測試實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的研究[J]. 微波學(xué)報，2006（6）：48-49.

[4] 黃春陽. 三維電場矢量微波光子檢測器集成天線的設(shè)計與優(yōu)化[D]. 成都：電子科技大學(xué)，2011.

Automatic Calibration Method for Phased Array Radar

DAI Rui

The array of a large active phased array antenna has hundreds of thousands or even tens of thousands of transceiver modules and radiation units. It makes the phased array antenna more complex than other types of antennas and thus difficult to maintain. The present situation of array calibration is introduced firstly in the paper, and then the calibration test is carried out by using the method of external calibration. This method realizes automatic calibration of the antenna array and improves the efficiency and precision of the array calibration. The test results show that the coupling amount within the frequency band between the radiation units is stable between -30 dB and -70 dB. The design index is consistent with the test results.

Phased Array Radar; Antenna Array; Calibration; Efficiency

TN958

A

1674-7976-(2021)-06-459-04

2021-10-08。

代睿（1984.12—），四川自貢人，碩士，工程師，研究方向?yàn)閿?shù)字陣列雷達(dá)總體設(shè)計和系統(tǒng)測試。