數(shù)字相控陣天線陣面的暗室測試方法研究

吳鴻超，徐欣歡，薛 羽

(1.南京電子技術(shù)研究所， 南京210039)

(2.天線與微波技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 南京210039)

0 引言

作為一種新型先進(jìn)體制的相控陣?yán)走_(dá)［1］，數(shù)字相控陣?yán)走_(dá)相比較傳統(tǒng)的模擬相控陣?yán)走_(dá)，在波束的靈活性［2］、系統(tǒng)時(shí)間資源利用率、系統(tǒng)動態(tài)范圍、抗干擾以及多功能應(yīng)用等多個(gè)方面有著得天獨(dú)厚的優(yōu)勢，因此，被越來越多地應(yīng)用到地面、艦載、機(jī)載和星載等領(lǐng)域的軍用電子裝備中。

作為數(shù)字相控陣?yán)走_(dá)的核心組成，天線陣面的硬件設(shè)備量無論是從數(shù)量上還是成本上，都占了整個(gè)雷達(dá)硬件設(shè)備量的三分之二以上，對整個(gè)雷達(dá)起著舉足輕重的作用，良好的天線陣面性能是保證雷達(dá)可靠、穩(wěn)定工作的前提。

經(jīng)過多年的技術(shù)積累，模擬相控陣天線陣面的暗室測試技術(shù)已經(jīng)相對比較成熟，而數(shù)字相控陣天線陣面的暗室測試則處于起步階段，尚未積累足夠的工程經(jīng)驗(yàn)，標(biāo)準(zhǔn)的數(shù)字相控陣天線陣面自動測試系統(tǒng)更是從零開始［3-6］。數(shù)字相控陣天線陣面暗室測試的難度在于:對于傳統(tǒng)的模擬相控陣天線陣面，由于收發(fā)波瓣測試時(shí)，天線陣面與測試探頭(或中遠(yuǎn)場的喇叭天線)之間，一收一發(fā)的均是同頻射頻信號，信號相參同步，因此，其測試系統(tǒng)核心組成是成熟的矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀，用于數(shù)據(jù)采集和分析的軟件程序也相對比較簡單;而數(shù)字相控陣天線陣面，收發(fā)波瓣測試時(shí)，天線陣面與測試探頭之間一個(gè)是發(fā)射模擬信號，一個(gè)則是經(jīng)過AD采樣之后的接收數(shù)字IQ信號，二者之間的同步相參需要額外的硬件設(shè)備，并經(jīng)過特殊的數(shù)據(jù)處理。

本文研究了數(shù)字相控陣?yán)走_(dá)天線陣面的工作原理，提出了一個(gè)切實(shí)有效的暗室測試方法，搭建了一套完備的測試系統(tǒng)，通過對天線陣面樣機(jī)的試驗(yàn)，驗(yàn)證了方法的正確性。

1 數(shù)字相控陣天線陣面

文中所討論的相控陣天線陣面，并不僅僅是作為輻射單元的天線振子或者無源天線陣列，而是由天線罩、天線陣列、結(jié)構(gòu)骨架和高頻箱(內(nèi)部包含了T/R組件、綜合網(wǎng)絡(luò)、陣面電源、陣面監(jiān)測設(shè)備等)所組成的(有源)天線陣面，圖1給出了一個(gè)典型數(shù)字相控陣?yán)走_(dá)天線陣面的基本組成框圖。

圖1 典型數(shù)字相控陣天線陣面組成示意圖

數(shù)字相控陣天線陣面的主要功能是:

1)發(fā)射時(shí)，陣面對發(fā)射前級送來的信號進(jìn)行放大、輻射和空間功率合成。根據(jù)雷達(dá)指令，陣面通過直接數(shù)字頻率合成(DDS)技術(shù)實(shí)現(xiàn)發(fā)射波束掃描，向指定空域輻射;

2)接收時(shí)，陣面將天線接收到的目標(biāo)回波信號放大，經(jīng)過數(shù)字接收通道轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號，交由數(shù)字波束形成(DBF)形成自適應(yīng)波束。

其工作原理框圖如圖2所示。

圖2 數(shù)字相控陣天線陣面工作原理框圖

2 測試系統(tǒng)組成和原理框圖

在暗室測試階段(不論是近場、中場還是遠(yuǎn)場)，同常規(guī)模擬相控陣天線陣測試系統(tǒng)相比，除了電源機(jī)柜、冷卻機(jī)組之外，數(shù)字相控陣天線陣面測試系統(tǒng)中還必須需要包括DBF機(jī)柜和光纖數(shù)據(jù)記錄儀。

根據(jù)數(shù)字相控陣天線陣面暗室測試的特點(diǎn)，搭建了一套測試系統(tǒng)，工作原理框圖如圖3所示，其基本組成如表1所示。

圖3 數(shù)字相控陣天線陣面暗室測試原理框圖

表1 典型數(shù)字相控陣天線陣面測試系統(tǒng)組成表

3 信號的同步與相參

為滿足數(shù)字相控陣天線陣面測試對同步的嚴(yán)格要求，測試系統(tǒng)中的控制設(shè)備和天線陣面之間必須共用同一個(gè)頻率源輸出的時(shí)鐘信號。

同時(shí)，為保證天線陣面自身多個(gè)組成數(shù)字T/R組件之間的同步，天線陣面內(nèi)部的時(shí)鐘功分網(wǎng)絡(luò)必須穩(wěn)定、同相。

為保證不同時(shí)刻采集到的信號之間相參，必須使用監(jiān)測數(shù)字T/R組件。監(jiān)測數(shù)字T/R組件是數(shù)字相控陣天線陣面用于監(jiān)測和暗室測試的核心工作部件。保證每一次被測數(shù)字有源通道數(shù)據(jù)的采集時(shí)，有一個(gè)同步相參的參考通道數(shù)據(jù)作為基準(zhǔn)。通過對比同一個(gè)基準(zhǔn)信號，來實(shí)現(xiàn)多個(gè)被測通道，在不同時(shí)刻采集到的數(shù)據(jù)之間相參。

圖4給出了數(shù)字相控陣天線陣面的監(jiān)測數(shù)字T/R組件原理框圖。

圖4 監(jiān)測數(shù)字T/R組件原理框圖

整個(gè)天線陣面只需要一個(gè)監(jiān)測數(shù)字T/R組件，該組件的外部接口方面，電源接口、本振接口、時(shí)鐘接口與其他數(shù)字T/R組件可保持一致;在功能和要求與其他數(shù)字T/R組件基本類似;由雷控單獨(dú)調(diào)度和控制。

4 暗室波瓣圖測試步驟

以暗室近場測試為例，給出數(shù)字相控陣天線陣面的測試方法，其他如中場測試和遠(yuǎn)場測試，方法基本類似。

4.1 發(fā)射波瓣測試

圖5為數(shù)字陣天線發(fā)射波瓣近場測試框圖，其方法和主要步驟如下:

1)控制系統(tǒng)通知伺服掃描架走到第一個(gè)通道的位置，當(dāng)探頭到位時(shí)，返回握手信號。

2)測試計(jì)算機(jī)得到掃描架到位的握手信號后，由數(shù)據(jù)處理軟件，計(jì)算出波束加權(quán)、掃描所需要的幅度和相位值，并通過控制系統(tǒng)發(fā)送給DDS，DDS根據(jù)指令，預(yù)置幅度相位，打開T/R開關(guān)，所有數(shù)字T/R通道同時(shí)工作(為避免發(fā)射能量過大造成測試系統(tǒng)的損壞，發(fā)射測試需采用極小的占空比)。

3)探頭接收到的模擬信號進(jìn)入監(jiān)測組件的監(jiān)測路T/R通道，下變頻到中頻信號，并AD采樣最終形成IQ數(shù)字信號，通過光纖下傳;同時(shí)，參考T通道產(chǎn)生的參考信號通過參考R通道自閉環(huán)采集，形成IQ數(shù)字信號，同樣通過光纖下傳。

4)光纖下傳的參考和被測信號光纖數(shù)據(jù)經(jīng)數(shù)據(jù)記錄儀進(jìn)行采集。

5)記錄儀停止采集數(shù)據(jù)，重復(fù)第1)步，至掃描架完成所有測試位置為止。

6)后期分析處理光纖數(shù)據(jù):對各點(diǎn)位置上的測試信號對參考信號進(jìn)行歸一化處理，并轉(zhuǎn)換成幅度相位信息，形成整個(gè)天線陣面口徑上的完整幅相分布，并最終通過近遠(yuǎn)場變換，得到二維發(fā)射波瓣圖。

圖5 數(shù)字陣天線發(fā)射波瓣近場測試框圖

4.2 接收波瓣測試

測試接收波瓣圖時(shí)，其方法和主要步驟如下:

1)控制系統(tǒng)通知伺服掃描架走到第一個(gè)通道的位置，當(dāng)探頭到位時(shí)，返回握手信號。

2)測試計(jì)算機(jī)得到掃描架到位的握手信號后，全陣面接收通道打開，同時(shí)接收來自探頭的信號。

3)各個(gè)數(shù)字T/R通道接收到的模擬信號經(jīng)下變頻、AD采樣最終形成IQ數(shù)字信號，通過光纖下傳至DBF;同時(shí)，參考T通道產(chǎn)生的參考信號通過參考R通道自閉環(huán)采集，形成IQ數(shù)字信號，同樣通過光纖下傳至DBF。

4)DBF根據(jù)預(yù)置的數(shù)字域幅相加權(quán)函數(shù)，對各個(gè)被測數(shù)字T/R通道進(jìn)行數(shù)字IQ信號合成，合成一路被測數(shù)字信號，同參考數(shù)字信號一起經(jīng)光纖進(jìn)入經(jīng)數(shù)據(jù)記錄儀進(jìn)行數(shù)據(jù)采集。

5)記錄儀停止采集數(shù)據(jù)，重復(fù)第1)步，至掃描架完成所有測試位置為止。

6)后期分析處理光纖數(shù)據(jù):對各點(diǎn)位置上的測試信號對參考信號進(jìn)行歸一化處理，并轉(zhuǎn)換成幅度相位信息，形成整個(gè)天線陣面口徑上的完整幅相分布，并最終通過近遠(yuǎn)場變換，得到二維接收波瓣圖。

5 測試結(jié)果驗(yàn)證

利用文中的測試方法，對相控陣?yán)走_(dá)樣機(jī)的天線陣面進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，得到的近場接收波瓣圖如圖6所示。

圖6 實(shí)測接收二維波瓣圖

取其方位主平面的波瓣圖，與雷達(dá)在外場測試的遠(yuǎn)場波瓣圖進(jìn)行比對，二者結(jié)果基本一致，如圖7所示;接收低副瓣性能也驗(yàn)證了該測試方法的精準(zhǔn)度，在近場測試中很好地控制了天線陣面的剩余幅相誤差。

圖7 近遠(yuǎn)場測試主平面波瓣圖對比

6 結(jié)束語

本文對先進(jìn)體制的數(shù)字相控陣天線陣面暗室測試方法進(jìn)行了探索研究，針對其特點(diǎn)，提出了有效可行的測試方法，并搭建了一套高效的測試系統(tǒng)，對數(shù)字相控陣?yán)走_(dá)樣機(jī)的天線陣面進(jìn)行了近場測試，良好的測試結(jié)果切實(shí)驗(yàn)證了該方法的正確性，為未來數(shù)字相控陣測試技術(shù)的發(fā)展，提供了有效的技術(shù)支持。

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