有源相控陣?yán)走_天線測試的時序?qū)崿F(xiàn)與優(yōu)化

曹俊鋒，倪向東，孔　玥(.中國電子科技集團公司第三十八研究所，合肥30088; .中國船舶重工集團公司第七二四研究所，南京53))

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有源相控陣?yán)走_天線測試的時序?qū)崿F(xiàn)與優(yōu)化

曹俊鋒1，倪向東1，孔玥2
(1.中國電子科技集團公司第三十八研究所，合肥230088; 2.中國船舶重工集團公司第七二四研究所，南京211153))

摘要:天線測試是有源相控陣?yán)走_設(shè)計中重要組成部分。相較于無源天線測試閉環(huán)的相參信號使用方式，有源相控陣?yán)走_天線采用開環(huán)的測試過程，對于信號間的時序關(guān)系要求更加嚴(yán)格。對測試所用的時序關(guān)系進行分析并對其進行優(yōu)化，實現(xiàn)了一種有效的測試方法。使用優(yōu)化前后的兩種方法對同一型號雷達進行實測，測試結(jié)果基本一致，但優(yōu)化方法測試時間僅為原方法的11.3%。

關(guān)鍵詞:有源相控陣?yán)走_;天線測試;時序同步;效率提升

0　引言

天線測試設(shè)計是有源相控陣體制雷達設(shè)計中不可或缺的一部分［1］。傳統(tǒng)的天線常使用暗室平面掃描近遠場外推法進行測試。測試所用的收發(fā)系統(tǒng)由暗室測試系統(tǒng)單獨提供，待測天線通過饋線網(wǎng)絡(luò)將測試信號與收發(fā)系統(tǒng)互聯(lián)。測試過程中使用的相參信號由同源系統(tǒng)提供，是一個閉環(huán)的過程［2-8］，如圖1所示。隨著有源相控陣?yán)走_天線陣面單元數(shù)目增多，測試使用的饋線網(wǎng)絡(luò)設(shè)計越來越困難［9］。若將雷達視作整體進行測試，測試使用的接收系統(tǒng)和發(fā)射系統(tǒng)分別置于雷達和暗室測試系統(tǒng)兩端，測試使用的參考信號由不同系統(tǒng)提供，采用開環(huán)的過程進行測試，那么就不必單獨設(shè)計測試使用的饋線網(wǎng)絡(luò)。這種測試方法不再是單一的天線測試，待測試?yán)走_還要包含接收機、發(fā)射機和控制終端等部分，并且要求更加嚴(yán)格的測試信號時序關(guān)系，如圖2所示。有源相控陣?yán)走_天線測試就是需要解決雷達與測試采樣系統(tǒng)之間交互時序同步問題。實際的雷達測試中，由于測試頻點多，波位覆蓋廣，還需要考慮測試效率問題。

圖1　無源天線閉環(huán)測試示意圖

圖2　有源天線開環(huán)測試示意圖

1　平面掃描近遠場外推法

測試天線有遠場測試、近場測試等多種方法。有源相控陣?yán)走_天線一般在暗室的環(huán)境下采用近場測試的方法進行測試。暗室可以有效減少距離效應(yīng)和外界環(huán)境對測試結(jié)果的影響，提高準(zhǔn)確性。測試時使用一個已知特性且高效穩(wěn)定的天線探頭，選取距離待測天線3～10個波長的某一表面上進行掃描，采集掃描面上離散點的幅度和相位分布，運用嚴(yán)格的模式展開法推導(dǎo)出天線的遠場輻射特性。一般情況下，測試所選取的掃描面平行于待測天線所在的平面，故稱這種方法為平面掃描近遠場外推法。下文所述的測試方法就是在平面掃描近遠場外推法基礎(chǔ)上進行設(shè)計與實現(xiàn)。

2　有源相控陣?yán)走_收發(fā)遠場特性測試設(shè)計

有源相控陣?yán)走_天線采用開環(huán)的測試模式，待測系統(tǒng)為雷達整機，需要實現(xiàn)與暗室測試系統(tǒng)交互同步測試。雷達整機與暗室測試系統(tǒng)之間嚴(yán)格信號時序同步問題是設(shè)計的難點。

以雷達發(fā)射測試為例，暗室采樣系統(tǒng)與雷達之間的協(xié)作流程示意如圖3所示。其對應(yīng)的時序關(guān)系如圖4所示。

圖3　有源雷達測試流程示意圖

圖4　有源雷達測試時序關(guān)系圖

測試開始前，首先要進行掃描面的選取，根據(jù)雷達與探頭之間的距離、雷達的測試方位和俯仰角度、暗室空間大小等參數(shù)，選取一個能夠覆蓋天線特性的平面。采樣架掃描測試開始時，暗室測試系統(tǒng)先要通過換頻觸發(fā)完成自身系統(tǒng)的頻率變換，換頻觸發(fā)延遲t1時間后向雷達系統(tǒng)發(fā)送觸發(fā)脈沖。雷達收到觸發(fā)脈沖后當(dāng)即向暗室反饋一個脈沖表示已經(jīng)收到觸發(fā)信息，雷達延遲t3時間后雷達打開發(fā)射系統(tǒng)發(fā)射帶寬為τ的發(fā)射波形。暗室收到雷達回饋后延遲t4時間打開自身的接收系統(tǒng)進行采樣，整個處理時間為t2。暗室采樣架探頭從一個掃描點到下個點的時間為T。當(dāng)完成所有掃描點后，采樣停止，暗室根據(jù)近遠場外推的方法即可計算出雷達發(fā)射遠場特性。

通過以上的時序關(guān)系，暗室能進行采樣條件為t3＜t4＜t3+τ。

雷達接收測試掃描采樣的原理與發(fā)射基本相同，但是接收系統(tǒng)在雷達整機上，雷達需要將接收測試得到的信息轉(zhuǎn)換為空間掃描點的幅相信息［3］，再將信息傳輸至暗室，按照與發(fā)射相同處理方法計算得出雷達接收的遠場特性。

按照該方法對某型號雷達一個頻點進行測試，其發(fā)射波瓣測試結(jié)果如圖5虛線所示。接收波瓣測試結(jié)果如圖6虛線所示。

圖5　發(fā)射遠場特性比較圖

圖6　接收遠場特性比較圖

3　改進型方法的實現(xiàn)

實際的雷達收發(fā)遠場特性測試中，需要測試的頻點往往比較多，波位覆蓋也比較廣，測試設(shè)計時要考慮測試效率的問題。

以上述的雷達為例，測試單個頻點單個波位所用的時間需要1.5 h。以50個頻點3個波位的要求進行測試，雷達測試的時間為1.5×50×3 =225 h。測試時間長，測試所消耗的成本也隨之增多。若將單個頻點單個測試的時間內(nèi)進行多個頻點多個波位同時測試，那么測試效率就會大大提高。

由圖3中的時序關(guān)系可以知道，在采樣面兩個離散點之間時間T內(nèi)，可以多次發(fā)送暗室觸發(fā)脈沖，雷達收到每個脈沖時，可以按照不用的頻點、不同的波位信息發(fā)射波形?？紤]雷達自身穩(wěn)定性和采樣天線內(nèi)存容量問題的條件下，實際設(shè)計的多頻測試點數(shù)比計算結(jié)果要小。測試的點數(shù)為n = T/(t1+ t2)－1。

圖7　接收測試中心點幅相信息比較圖

圖8　接收測試中心點幅相信息比較圖

同樣以該型號雷達為例，t1=20 ms，t2=2 ms，t3= 8 μs，t4=40 μs，t = 80 μs，T = 240 ms。計算得出n = 9。圖5為頻點1在單頻測試和多頻測試發(fā)射遠場特性的比較結(jié)果，圖6為接收特性的比較結(jié)果。選取采樣面中心點的幅相信息進行比較，這9個頻點的兩種不同方法測試得出的幅相信息如圖7、圖8所示。

由圖中各個結(jié)果看出，兩個測試方法的結(jié)果基本一致。使用優(yōu)化方法的時間為25.5 h，僅為原先測試時間的11.3%，測試效率大大提高。

4　結(jié)束語

文中比較了傳統(tǒng)天線與有源天線測試設(shè)計的不同，結(jié)合有源天線開環(huán)測試的特點，著重就待測雷達和暗室測試系統(tǒng)交互同步測試問題進行分析，參照平面掃描近遠場外推的方法實現(xiàn)了有源天線的測試方法。在此基礎(chǔ)上進行又對測試方法進行了優(yōu)化，實現(xiàn)了多頻點多波位同時測試，測試時間減少為單頻點測試的11.3%，測試效率大大提升。

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Sequential implementation and optimization of antenna test of active phased-array radar

CAO Jun-feng1，NI Xiang-dong1，KONG Yue2
(1.No.38 Research Institute of CETC，Hefei 230088; 2.No.724 Research Institute of CSIC，Nanjing 211153)

Abstract:Antenna test is an important part in the design of the active phased-array radar.In comparison with the conventional passive antenna test that adopts closed-loop coherent signals，the active phased-array antenna test is done in the open-loop testing process and it shall be stricter in the sequential relationship between signals.An effective test method is realized through the analysis and optimization of the sequential relationship for the active antenna test.The two methods before and after the optimization are applied to the same radar.The test results are basically consistent，while the test time of the optimized method is just 11.3% compared with the original one.

Keywords:active phased-array radar; antenna test; sequential synchronization; efficiency promotion

作者簡介:曹俊鋒(1974-)，男，高級工程師，研究方向:雷達總體;倪向東(1989-)，男，助理工程師，碩士，研究方向:研究方向:雷達總體;孔玥(1988-)，女，助理工程師，碩士，研究方向:儀器儀表測量及天線系統(tǒng)測試。

收稿日期:2015-03-06;修改日期:2015-04-02

文章編號:1009－0401(2015)02－0008－04

文獻標(biāo)志碼:A

中圖分類號:TN958.92