任鵬宇 王團(tuán)結(jié) 朱思橋

(西安電子工程研究所 西安 710100)

0 引言

數(shù)字陣列天線是未來相控陣?yán)走_(dá)的重要發(fā)展方向[1]，它是由大量數(shù)字收發(fā)子陣組成的有源天線前端，它將傳統(tǒng)的發(fā)射機(jī)和接收機(jī)集成在一個(gè)收發(fā)單元中，再將多個(gè)收發(fā)單元整合形成數(shù)字收發(fā)子陣，最終通過波束合成網(wǎng)絡(luò)形成整個(gè)天線陣列。數(shù)字陣列天線的組成結(jié)構(gòu)可由圖1進(jìn)行描述。

圖1 數(shù)字陣列天線的組成

由圖1可以看出，數(shù)字陣列天線的應(yīng)用需要與頻率綜合器和信號處理機(jī)共同完成[2]，頻率綜合器提供系統(tǒng)的本振信號、同步信號和時(shí)序信號，信號處理機(jī)負(fù)責(zé)完成每一個(gè)收發(fā)單元的參數(shù)控制以及接收信號數(shù)據(jù)的處理功能。數(shù)字陣列天線、頻率綜合器、信號處理機(jī)協(xié)同工作就形成了典型的數(shù)字相控陣?yán)走_(dá)系統(tǒng)。

數(shù)字陣列天線的實(shí)現(xiàn)方式主要分為兩類，如圖2所示。一類是通過對模擬收發(fā)組件進(jìn)行數(shù)字化采樣，產(chǎn)生接收數(shù)據(jù)；另一類則是直接采用數(shù)字收發(fā)器SOC完成收發(fā)功能。兩類實(shí)現(xiàn)方式的共同點(diǎn)是接收端輸出由模擬信號改變?yōu)椴蓸訑?shù)據(jù)。因此，數(shù)字陣列天線的遠(yuǎn)場幅相測試需要針對其自身特點(diǎn)進(jìn)行方法設(shè)計(jì)，對采樣數(shù)據(jù)進(jìn)行分析計(jì)算，得到所需的測試結(jié)果。本文將著重針對數(shù)字收發(fā)器SOC實(shí)現(xiàn)的數(shù)字陣列天線的遠(yuǎn)場幅相測試進(jìn)行設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)。

圖2 數(shù)字陣列天線的實(shí)現(xiàn)方式

1 數(shù)字陣列天線遠(yuǎn)場幅相測試方法設(shè)計(jì)

1.1 遠(yuǎn)場幅相測試的基本原理

在數(shù)字陣列天線的實(shí)際應(yīng)用過程中，每一個(gè)收發(fā)通道的遠(yuǎn)場幅度和相位參數(shù)是十分重要的，它們直接影響到陣列天線合成波束的信號質(zhì)量[3]。在天線遠(yuǎn)場對每一個(gè)收發(fā)通道的幅度和相位進(jìn)行測量后，應(yīng)用測量數(shù)據(jù)對整個(gè)天線陣列進(jìn)行幅度加權(quán)和相位配平處理，才能得到實(shí)際應(yīng)用所需的陣列天線合成波束。

遠(yuǎn)場幅相測試分為發(fā)射和接收兩部分[4]，發(fā)射測試是在天線遠(yuǎn)場位置通過幅相測量設(shè)備對數(shù)字陣列天線每一個(gè)通道發(fā)射信號的幅度和相位進(jìn)行測量。接收測試是在天線遠(yuǎn)場位置輻射一模擬回波信號，數(shù)字陣列天線接收該模擬回波信號，測量每一個(gè)通道接收到信號的幅度和相位。如圖3所示。

圖3 遠(yuǎn)場幅相測試原理框圖[5]

分別進(jìn)行發(fā)射和接收幅相測試，得到測量結(jié)果數(shù)據(jù)庫后，可以通過計(jì)算得到天線幅度和相位的賦型系數(shù)。對數(shù)字陣列天線每一個(gè)通道的收發(fā)器SOC進(jìn)行數(shù)據(jù)賦型[6]操作，再通過對數(shù)字陣列發(fā)射和接收方向圖指標(biāo)判斷賦型系數(shù)的正確性，最終完成數(shù)字陣列天線遠(yuǎn)場幅相測試。

1.2 測試方法設(shè)計(jì)

根據(jù)數(shù)字陣列天線自身的特點(diǎn)以及其在相控陣?yán)走_(dá)系統(tǒng)中應(yīng)用的環(huán)境，遠(yuǎn)場幅相的測試方法基于基本測試原理進(jìn)行了部分優(yōu)化和改良。

對于發(fā)射測試而言，常見的方式是在天線遠(yuǎn)場端使用頻譜分析儀[7]進(jìn)行幅度測量，使用雙通道示波器進(jìn)行相位測量。這樣的測試方式的優(yōu)勢在于原理簡單、可實(shí)現(xiàn)性強(qiáng)。但是同時(shí)也存在著一些問題，諸如設(shè)備應(yīng)用量大、遠(yuǎn)程信號同步困難、相位漂移問題難以解決等諸多問題。

因此，在進(jìn)行發(fā)射測試方法設(shè)計(jì)時(shí)可以利用數(shù)字陣列天線自身具備的收發(fā)一體的功能，將發(fā)射信號直接進(jìn)行回傳，通過自身的接收功能獲得信號數(shù)據(jù)，再通過計(jì)算得到信號的幅度和相位測量結(jié)果。

不過，由于相控陣?yán)走_(dá)工作時(shí)，發(fā)射和接收工作是通過時(shí)分的方式完成，即在一個(gè)雷達(dá)CPI內(nèi)分配不同的時(shí)間段進(jìn)行信號的發(fā)射和接收。雷達(dá)CPI工作原理如圖4所示。

圖4 雷達(dá)CPI時(shí)分工作原理

因此在信號回傳的過程中應(yīng)在遠(yuǎn)場端設(shè)置延時(shí)裝置，通過空間延時(shí)和延時(shí)裝置延時(shí)共同將送到收發(fā)端口的信號延時(shí)至接收時(shí)段，保證回傳信號接收正常。延時(shí)裝置的工作原理圖5所示。

圖5 延時(shí)裝置工作的原理

由圖4和圖5可以看出，要保證發(fā)射信號能夠正常接收，發(fā)射信號空間傳輸經(jīng)過延時(shí)裝置延時(shí)后回傳，應(yīng)恰好落入雷達(dá)CPI的接收時(shí)段內(nèi)。

對于接收測試而言，常見的方式是在天線遠(yuǎn)場端設(shè)置通用信號發(fā)生器，發(fā)射模擬回波信號，切換陣列天線每一個(gè)接收通道分別工作測量計(jì)算接收到信號的幅度和瞬時(shí)相位。這樣的方式主要存在的問題在于測試時(shí)間較長，信號相位漂移帶來的測試誤差會疊加進(jìn)入相位測量結(jié)果[8]。

考慮到數(shù)字陣列天線具備全通道接收信號采樣和數(shù)據(jù)下傳的能力，因此在接收測試過程中采用全通道采樣數(shù)據(jù)記錄后處理的方式，通過對數(shù)據(jù)整體進(jìn)行計(jì)算得到所有接收通道幅度和相位測量結(jié)果[9]。

1.3 幅度和相位測量的數(shù)據(jù)處理

根據(jù)章節(jié)1.2設(shè)計(jì)的測試方法，發(fā)射和接收幅相測試的最終結(jié)果都是通過對采樣數(shù)據(jù)的分析計(jì)算得到的，因此下面需要對采樣數(shù)據(jù)的分析計(jì)算過程進(jìn)行詳細(xì)介紹。

從頻域看，數(shù)據(jù)的模體現(xiàn)信號的幅度，而實(shí)部和虛部構(gòu)成的矢量的夾角體現(xiàn)信號的相位。

如式(1)表示一個(gè)時(shí)域的連續(xù)信號。

S(t)=Acos(2πf0t+θ0)

(1)

其中：A表示信號的幅度，f0表示信號的頻率，θ0表示信號的相位。

以采樣率fs對信號進(jìn)行采樣后可以得到

Ss(n)=Acos(2πf0nts+θ0),n=0,1,…,N-1

(2)

其中：ts為采樣時(shí)間間隔。

再對采樣后的信號進(jìn)行N點(diǎn)FFT，可得信號的離散頻譜為

(3)

其中：k0為一整數(shù)，表示信號中心頻率與頻率分辨率之間的關(guān)系。

Sf(k)在k=k0處取得最大頻譜，則有

(4)

式(4)經(jīng)過整理計(jì)算即可以得到被測信號的幅度和相位，可表示為式(5)的形式。

S=Ae-jφ

(5)

其中：A表示被測信號的幅度，φ表示被測信號的相位[10]。

上述推導(dǎo)過程可以看出，任意一個(gè)連續(xù)波信號經(jīng)過采樣后，對采樣數(shù)據(jù)進(jìn)行N點(diǎn)FFT處理，可以得到幅度和相位兩條頻域曲線數(shù)據(jù)。對幅度的頻域曲線進(jìn)行選大處理，即找到連續(xù)波信號頻譜所在位置，在相位頻域曲線的對應(yīng)位置即可得到信號的瞬時(shí)相位。

信號的幅度和相位計(jì)算過程中，需要注意兩個(gè)問題。一是根據(jù)采樣位數(shù)和采樣最大輸入電壓將采樣數(shù)據(jù)的單位轉(zhuǎn)化為電壓單位，這樣經(jīng)過FFT后的頻譜幅度才是實(shí)際工程應(yīng)用所需的幅度。二是相位曲線數(shù)據(jù)是以弧度制表示的，必要時(shí)需要進(jìn)行角度轉(zhuǎn)換，得到相位測量結(jié)果的角度信息。

2 數(shù)字陣列天線遠(yuǎn)場幅相測試的工程實(shí)現(xiàn)

2.1 遠(yuǎn)場幅相測試的硬件組成結(jié)構(gòu)

根據(jù)上文對測試方法的設(shè)計(jì)分析，結(jié)合工程實(shí)際[11]，數(shù)字陣列天線遠(yuǎn)場幅相測試的硬件組成如圖6所示。

報(bào)名截止日期：2018年12月16日。聯(lián)系人：Antonio di Cristofano；聯(lián)系地址：Associazione Musicale "A.Scriabin"， Via Etiopia， 25， I-58100 Grosseto， Italy；電話：（+39）0564 - 491805， 334-6608436；傳真：（+39）0564 - 491805；郵箱：antoniodicristofano@gmail.com ；網(wǎng)址：http://www.premioscriabin.it/。

圖6 硬件組成結(jié)構(gòu)

從圖6可以看出，終端計(jì)算機(jī)負(fù)責(zé)整個(gè)測試過程中的控制和數(shù)據(jù)處理，其通過網(wǎng)線與信號處理機(jī)相連，通過UDP協(xié)議向信號處理機(jī)的DPS控制板發(fā)送控制指令，配置數(shù)字陣列天線的工作，同時(shí)從信號處理機(jī)獲得數(shù)字陣列天線各通道的下傳數(shù)據(jù)。另外，終端計(jì)算機(jī)還利用無線網(wǎng)橋同步控制遠(yuǎn)場端的模擬回波信號源，進(jìn)行工作頻率和發(fā)射功率的配置。

信號處理機(jī)與數(shù)字陣列天線以高速數(shù)據(jù)光纖相聯(lián)，負(fù)責(zé)傳遞控制指令，獲取每一個(gè)通道的采樣數(shù)據(jù)，并通過FPGA進(jìn)行采樣數(shù)據(jù)的預(yù)處理。

遠(yuǎn)場端的光纖延時(shí)器負(fù)責(zé)在發(fā)射測試時(shí)將數(shù)字陣列天線某一通道的輻射信號進(jìn)行延時(shí)回傳，保證輻射信號能夠被接收通道正常接收。模擬回波信號源提供接收測試時(shí)的模擬回波信號。

2.2 測試邏輯及終端測試軟件的實(shí)現(xiàn)方式

整個(gè)測試流程通過終端測試軟件控制實(shí)現(xiàn)，分為發(fā)射測試和接收測試兩部分。

發(fā)射測試時(shí)選擇一個(gè)固定的接收通道進(jìn)行信號接收，這樣可以保證每個(gè)發(fā)射通道在相同的接收鏈路下進(jìn)行測試，并選擇其中一個(gè)發(fā)射通道作為參考通道，以消除信號相位漂移帶來的影響。

終端控制軟件控制數(shù)字陣列天線依次遍歷每一個(gè)發(fā)射通道進(jìn)行信號輻射，并在每一個(gè)發(fā)射通道信號輻射后插入一個(gè)參考通道信號輻射，獲取每一次信號輻射后接收通道的采樣數(shù)據(jù)，并進(jìn)行幅度和相位計(jì)算。軟件流程圖如圖7所示。

圖7 發(fā)射測試軟件流程圖

接收測試時(shí)模擬回波信號源輻射信號，數(shù)字陣列天線所有接收通道同時(shí)進(jìn)行接收，并同時(shí)獲取采樣數(shù)據(jù)，通過數(shù)據(jù)計(jì)算得到每一個(gè)接收通道的幅度和相位測試結(jié)果。軟件流程圖[12]如圖8所示。

圖8 接收測試軟件流程圖

2.3 數(shù)據(jù)計(jì)算的算法實(shí)現(xiàn)

章節(jié)1.3中介紹了幅度和相位測試結(jié)果的數(shù)據(jù)處理方法，通過Labview軟件可以實(shí)現(xiàn)上述處理方法。

調(diào)用Labview軟件中的頻譜測量函數(shù)，在該函數(shù)的信號輸入端輸入經(jīng)預(yù)處理的采樣信號數(shù)組，通過函數(shù)運(yùn)算就可以得到相應(yīng)的幅度曲線和相位曲線。對幅度曲線通過最大值和最小值函數(shù)進(jìn)行選大處理，就可以得到幅度曲線中信號的幅度測量結(jié)果和頻譜索引，再在相位曲線中索引對應(yīng)位置的相位測量值，就可以得到相位測量結(jié)果。

如對于一個(gè)圖9所示的連續(xù)波信號，通過頻譜測量函數(shù)進(jìn)行處理，得到如圖10和圖11所示的幅度曲線和相位曲線，對圖10的幅度曲線進(jìn)行選大處理，得到信號的幅度結(jié)果，再利用信號頻譜的索引在圖11的相位曲線中獲取信號的相位結(jié)果。

圖9 連續(xù)波信號

圖10 幅度曲線

圖11 相位曲線

2.4 測試數(shù)據(jù)庫的建立

得益于數(shù)字陣列天線測試過程中，接收信號輸出和測量結(jié)果的高度數(shù)據(jù)化，可以在測試終端軟件的設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)時(shí)建立測試數(shù)據(jù)庫，為未來測試優(yōu)化、問題排查、智能測試構(gòu)建提供大數(shù)據(jù)支持。

數(shù)據(jù)庫的數(shù)據(jù)存儲架構(gòu)如圖12所示。通過對遠(yuǎn)場幅相測試的各類型數(shù)據(jù)的存儲記錄，積累大量的測試信息，可以利用大數(shù)據(jù)分析的手段得到諸如測試參數(shù)變化的測試結(jié)果的影響，信號質(zhì)量在不同頻率和幅度配置狀態(tài)下的特點(diǎn)，環(huán)境變化對測試結(jié)果的影響等眾多具有實(shí)際應(yīng)用價(jià)值的數(shù)據(jù)分析結(jié)果。

圖12 數(shù)據(jù)存儲架構(gòu)

3 測試驗(yàn)證結(jié)果分析

通過對實(shí)際數(shù)字陣列天線進(jìn)行遠(yuǎn)場測試驗(yàn)證，得到某通道的幅度和相位多次測量結(jié)果如表1和表2所示。測試過程中每組測量結(jié)果的得出均間隔一定的時(shí)間，以便衡量測量的穩(wěn)定性。

表1 幅度測量結(jié)果

表2 相位測量結(jié)果

從測試驗(yàn)證結(jié)果可以看出，幅度測量結(jié)果與相位測量結(jié)果在多次重復(fù)測量中穩(wěn)定性較高，可以滿足數(shù)字陣列天線實(shí)際測試的需求。

4 結(jié)束語

本文具體論述了數(shù)字陣列天線遠(yuǎn)場幅相測試的基本原理，測試方法的設(shè)計(jì)，測試硬件的組成，基于Labview平臺的軟件邏輯和數(shù)據(jù)處理實(shí)現(xiàn)方法，并根據(jù)數(shù)字陣列天線數(shù)據(jù)化的特點(diǎn)設(shè)計(jì)了測試數(shù)據(jù)庫的實(shí)現(xiàn)架構(gòu)，無論對具體的測試過程實(shí)現(xiàn)還是對未來大數(shù)據(jù)分析的應(yīng)用都有實(shí)際的借鑒意義和應(yīng)用價(jià)值。