有源相控陣雷達通道幅相監(jiān)測方法研究*

練學輝

(海軍駐南京地區(qū)雷達系統(tǒng)軍事代表室，南京 210003)

1 引言

隨著微電子化和數(shù)字技術的飛速發(fā)展，數(shù)字波束形成技術在相控陣雷達中得到了廣泛的應用。數(shù)字波束形成技術充分利用了陣列天線所接收到的空間信息，可以快速、靈活地實現(xiàn)波束掃描，并具有抗干擾能力強、可靠性好等多方面的優(yōu)點。但是，由于各通道間幅相特性的不一致，因而導致了波束指向不正確和旁瓣抬高等問題。這是每個陣列雷達設計者都非常關注的。本文首先分析了引起通道幅相不一致的原因，并且仿真了通道幅相誤差對波束形成的影響，最后結合工程實際闡述了有源相控陣雷達中收發(fā)通道幅相監(jiān)測與校準方法［1-2］。

2 通道幅相誤差分析

2.1 通道幅相誤差來源分析

有源相控陣雷達系統(tǒng)基本組成如圖1所示。

圖1 有源相控陣陣面系統(tǒng)框圖

在不考慮安裝誤差和通道間互耦的情況下，影響系統(tǒng)各通道幅相一致性的因素主要包括:

(1）天線陣列幅相誤差；

(2）TR組件幅相誤差；

(3）數(shù)字化信號的量化誤差；

(4）溫度不一致性造成的誤差；

(5）寬頻帶帶內幅相不一致。

由模擬電路、數(shù)字電路組成的TR組件很難做到各通道間的幅度、相位一致性，是其主要的誤差源，而且受到溫度不同的影響，幅相一致性惡化很大。捷變頻工作方式下的雷達在多個頻率點間幅相一致性是有差異的。

2.2 幅相誤差對波束形成影響的仿真分析

陣列信號的理想形式為

式中，波程差γ=－2π(d/c）fsinθ，f為射頻，θ為觀察方向與陣面法線的夾角，d 是陣元間距。當考慮通道間的幅相誤差時，陣列信號的形式為

其中ai和φi分別為整個傳輸鏈路引入的幅度和相位誤差。波束形成結果變?yōu)?/p>

其中，K為波束號，M為形成的波束數(shù)，N為陣元數(shù)。

不同ai和φi對合成波束的影響如圖2所示。

圖2 不同幅相誤差對波束形成的影響

分別使用了3組參數(shù)與沒有幅相誤差的波束形成結果對比，其中σφ和σa分別表示相位和幅度誤差的均方值，沒有進行加窗處理。在沒有幅相誤差時主旁瓣比－13.2 dB；σφ=1.4°，σa=0.1時，主旁瓣比－12.9 dB；σφ=4.7°，σa=0.1時，主旁瓣比－12.49 dB；σφ=8.9°，σa=0.1時，主旁瓣比－11.17 dB。

3 通道幅相監(jiān)測方法及系統(tǒng)構建

在研制過程中，相控陣雷達的通道幅相校準可以借助近場測試系統(tǒng)，而在裝備服役期間則難以借助輔助設備，必須有其他合理的輔助測量方法對通道的特性進行監(jiān)測和校正。校正的過程一般是在監(jiān)測到幅相特性數(shù)據(jù)后，對于上行通道可以通過調整波控方式或者修改數(shù)字移相器完成預期的波束賦形，而下行通道則可以在DBF的數(shù)字加權網絡中實現(xiàn)各通道間的幅相修正［3-4］。

按照監(jiān)測信號饋入的位置，將經典的監(jiān)測方法分為內監(jiān)測和外監(jiān)測兩種，分別包含接收監(jiān)測和發(fā)射監(jiān)測。

(1）內監(jiān)測

內監(jiān)測法在技術上是一種傳統(tǒng)的、較為成熟的方法。使用內監(jiān)測時需要在發(fā)射末級加入定向耦合器，從耦合器耦合出或者饋入監(jiān)測信號，通過分析各通道回饋的監(jiān)測信號間的相位從而進行發(fā)射監(jiān)測和接收監(jiān)測。

圖3 描述的是發(fā)射監(jiān)測和接收監(jiān)測基本功能模塊組成和工作流程。綜合控制器包括采集下行信號、生成監(jiān)測信號、控制各種開關和移相器等功能。

圖3 內監(jiān)測系統(tǒng)原理框圖

接收內監(jiān)測時，監(jiān)測轉換開關將綜合控制器輸出的監(jiān)測信號經過電子開關送到發(fā)射組件末級的定向耦合器，耦合回來的信號經過環(huán)流器饋入正常的接收支路，綜合控制器采集回饋的監(jiān)測信號，并將數(shù)據(jù)傳給后端的操控計算機進行幅度相位計算。

發(fā)射內監(jiān)測時，綜合控制器產生射頻監(jiān)測信號送入正常發(fā)射通道，通過發(fā)射組件送入各陣元，而部分信號通過定向耦合器耦合到監(jiān)測支路，并通過下變頻進入綜合控制器進行數(shù)字化轉換。

內監(jiān)測的優(yōu)點是:能實現(xiàn)在線監(jiān)測，監(jiān)測速度快；技術成熟、可靠性高、性能穩(wěn)定；精確度高，可以在整機架設之前通過儀表對監(jiān)測通道進行校準。

由于內監(jiān)測時沒有包括陣元的影響，監(jiān)測的是收發(fā)分機通道的幅相特性，必然會有其不足的地方:監(jiān)測的結果不包括天線單元的幅相誤差和其互耦作用，與實際檢測到的幅相數(shù)據(jù)有一定的差異；不能監(jiān)測天線安裝誤差和陣元本身排列方向所引起的相位不一致性；監(jiān)測通路引入了電子開關的系統(tǒng)誤差，必須預先得到監(jiān)測通路的不一致性。

利用內監(jiān)測系統(tǒng)可以進行雷達系統(tǒng)自檢、TR組件狀態(tài)監(jiān)測、TR組件更換前后的比較、自動故障定位等工作。

(2）外監(jiān)測

常規(guī)外監(jiān)測法需要在距離較近、較空曠的地區(qū)進行。在天線陣面外設置一個或幾個外監(jiān)測天線，從遠場源獲得監(jiān)測信號，或者發(fā)射監(jiān)測信號；穩(wěn)定的相參信號經過各通道，改變后的幅相信息能夠被采集到，從而得到通道的不一致性數(shù)據(jù)。

本文提出了一種較為簡單的外監(jiān)測方法，相比于經典的外監(jiān)測法減少了一部分設備量。系統(tǒng)原理框圖如圖4所示。將反射體架設在雷達陣面的遠場，用脈沖形式的監(jiān)測信號對其照射。由于脈沖信號的初相是固定的，從天線單元發(fā)出，經反射體回到天線，這個過程中不考慮環(huán)境的影響，回波信號滿足平面波入射條件，信號幅度相位變化是固定的。

圖4 外監(jiān)測系統(tǒng)原理框圖

在發(fā)射外監(jiān)測時，單獨控制某一路發(fā)射組件發(fā)射信號，用獨立的接收通道去接收回波，采集后計算出回波幅相。用此法遍歷各通道獲得完整的幅相監(jiān)測數(shù)據(jù)。

接收外監(jiān)測時，發(fā)射監(jiān)測信號，所有接收通道同時工作，采集此時反射的監(jiān)測信號回波，分析其幅相特性，確定各通道的幅度和相位差。

這種外監(jiān)測法相對于經典外監(jiān)測法的優(yōu)越性在于:設備量得到了簡化，而且不需要在遠場的反射物處放置設備和安排保障人員；硬件實現(xiàn)簡單，成本低，在不影響雷達性能的前提下通過雷達自身的功能做完全部監(jiān)測過程，不需要其他設備配合；考慮到了天線陣元自身幅相誤差等因素的影響，更加接近真實的接收通道幅相特性；接收外監(jiān)測時可以迅速定位損壞的TR組件的位置。

外監(jiān)測的缺點在于必須要選擇滿足遠場測試條件的場地，在雷達裝備服役以后很難準確實施。

兩種通道監(jiān)測手段適用于不同的場合，內監(jiān)測更適合經常性的系統(tǒng)自檢，而外監(jiān)測的通道一致性數(shù)據(jù)更加真實。在外場實驗系統(tǒng)穩(wěn)定后，記錄此時通道幅相不一致性數(shù)據(jù)，可以當作真值使用，方便以后系統(tǒng)維護。

下面通過接收外監(jiān)測實驗說明監(jiān)測方法的正確性。

在外場實驗中，天線由N個線陣組成，間距0.05 m，波長0.1 m。使用上文提到的外監(jiān)測方法，將角反射體擺放在遠場相對于天線陣面法線夾角－11.2°的位置，得到了接收通道幅相不一致的數(shù)據(jù)。通過多次重復試驗，通道不一致性數(shù)據(jù)穩(wěn)定。

圖5 接收入射角－7.2°監(jiān)測信號幅相

圖6 接收通道校正前后DBF合成結果與理論分析結論比較

圖6 是校正前后DBF 結果與理論分析結論比較，可以明顯看出陣面的空間指向正確、旁瓣降低，與理論分析結果接近，充分說明接收外監(jiān)測方法是正確的。

4 結論

對于DBF 體制的雷達，通道一致性對雷達性能影響很大。將內監(jiān)測和外監(jiān)測的數(shù)據(jù)合理地結合起來，就可以快速而精確地校準通道的幅相誤差，為雷達整機的精度、威力、可靠性保駕護航。

［1］張光義，趙玉潔.相控陣雷達技術［M］.北京:電子工業(yè)出版社，2006.

［2］束咸榮，何炳發(fā)，高鐵.相控陣雷達天線［M］.北京:國防工業(yè)出版社，2007.

［3］呂繼榮，朱子平.通道間幅相差異對DBF的影響及解決方法［J］.中國科技信息，2008(11）.

［4］吳祖權.有源相控陣雷達陣面監(jiān)測方法及其實驗研究［J］.現(xiàn)代雷達，1998(8）.