TR組件幅相修正及互換性研究

牛戴楠，馮　波，吳鴻鵠(中國船舶重工集團公司第七二四研究所，南京211153)

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TR組件幅相修正及互換性研究

牛戴楠，馮波，吳鴻鵠
(中國船舶重工集團公司第七二四研究所，南京211153)

摘要:通過在不同幅相誤差下對接收方向圖的測試，得出了通道間幅相誤差對接收方向圖各項指標(biāo)的影響，提出了一種TR組件的修正方法，在不降低方向圖各項指標(biāo)的前提下使得TR組件可以任意替換。

關(guān)鍵詞:TR組件;幅相誤差;互換性;波束指向;數(shù)字波束形成

0　引言

相控陣雷達的誕生使得雷達波束形成更加靈活、波束掃描速度更加快速。相比傳統(tǒng)雷達，相控陣天線讓發(fā)射功率在空間進行合成。大功率發(fā)射機不再是雷達威力提升的瓶頸，而數(shù)字波束形成后的波束指向精度和副瓣電平成為相控陣天線中新的難點。由于相控陣雷達中天線單元通常都是直接與TR組件連接，所以TR組件各通道的幅相誤差成為影響相控陣指標(biāo)的關(guān)鍵因素［1］。

解決TR組件通道間幅相誤差的通常辦法是對組件進行修正，使得系統(tǒng)中各通道的幅相誤差盡可能小。目前，對系統(tǒng)中收發(fā)通道校正的方法是:通過設(shè)計和調(diào)試，讓發(fā)射或接收支路的每一級部件的幅相誤差均保持在一個合理的范圍內(nèi)，然后通過遠場或近場的方式校正整個收發(fā)通道。這種方式帶來的影響是:為了保證組件的互換不會影響最終的系統(tǒng)指標(biāo)，使得收發(fā)通道上每級部件的幅相誤差必須保持在一個很窄的范圍，增大了設(shè)計和調(diào)試難度［2］。

1　系統(tǒng)架構(gòu)及幅相誤差的影響

1.1系統(tǒng)架構(gòu)及工作原理

由于通道間的幅相誤差對接收通道和發(fā)射通道的影響是相同的，所以本文僅以接收通道來說明。系統(tǒng)框圖如圖1所示。

系統(tǒng)分為4個構(gòu)成部分:天線單元、前端模擬收發(fā)組件、數(shù)字收發(fā)組件和數(shù)字波束形成。每個部分都為分離單元模塊，當(dāng)其中一個組件損壞，隨時可以更換，降低了因修理或更換帶來的附加成本。對于接收通道來說，信號由天線單元進入，經(jīng)前端模擬收發(fā)組件進行放大合成后到數(shù)字收發(fā)組件。數(shù)字收發(fā)組件將輸入的模擬信號進行數(shù)字量化后轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號，然后將各通道量化后的數(shù)字信號打包，通過光纖發(fā)送到DBF單元，進行數(shù)字波束合成。

圖1　接收單元系統(tǒng)框圖

1.2通道幅相誤差的影響

在本系統(tǒng)中，接收通道間的幅相誤差由3個不一致性引入:一是天線單元的不一致性，二是前端模擬收發(fā)組件中的低噪放、限幅器、移相器、功分器、混頻器等器件的不一致性，三是數(shù)字收發(fā)組件中的濾波器、ADC采樣電路的不一致性。多級器件的串聯(lián)可致使每部分微小的幅相差累加，導(dǎo)致最終形成的每個通道間的數(shù)字信號具有較大的幅相差。

通道間的幅相誤差導(dǎo)致合成后波束方向圖的副瓣電平抬高，波束指向偏離預(yù)定位置，從而影響測向精度。陣列中存在幅相誤差的通道所對應(yīng)的天線單元由面陣邊緣向面陣中心靠近時，波束的指向誤差會逐漸增大，波束的副瓣電平也會越來越高。雖然相控陣雷達在出廠前會進行工廠級校正，并且在雷達的生命周期內(nèi)也會進行陣地級校正，但是在很多情況下，受限于使用環(huán)境，陣地級校正并不是隨時都能進行。隨著相控陣天線中元器件的老化，或是惡劣環(huán)境對組件單元的影響，更換備件將成為必然。戰(zhàn)略儲備備件的更換不能影響系統(tǒng)指標(biāo)，從而提出了TR組件的互換性。

2　TR組件的互換性

從圖1中可以看出，本系統(tǒng)采用分離單元構(gòu)成。天線單元為無源器件，制作材料和制作工藝可以將天線單元的幅相誤差限定在一個比較窄的范圍內(nèi);前端模擬收發(fā)組件由于串聯(lián)級數(shù)少，使用器件寡，通過調(diào)試也能將其幅相誤差限定在一個較小的范圍;數(shù)字收發(fā)組件集成度高、信號路徑串聯(lián)級數(shù)多，各通道間幅相誤差較大。當(dāng)天線面陣校正完成后，各收發(fā)通道間幅度和相位誤差均在一個很小的范圍內(nèi)波動，此時認為各通道間的幅相是一致的。當(dāng)交換前端模擬收發(fā)組件后，由于面陣校正時校正系數(shù)已經(jīng)補償了前端模擬收發(fā)組件的幅相誤差，交換后有較大可能性出現(xiàn)極端情況，即需要正補償?shù)那岸四M收發(fā)組件對應(yīng)了負補償?shù)姆嘈拚禂?shù)，這樣就造成了通道間幅相誤差的進一步擴大。當(dāng)交換數(shù)字收發(fā)組件時，由于數(shù)字收發(fā)組件對應(yīng)的前端模擬收發(fā)組件改變，對應(yīng)的幅相修正系數(shù)不再正確，從而使得通道間幅相誤差擴大。

對于校正完成后的相控陣天線，由前端模擬收發(fā)組件或數(shù)字收發(fā)組件的交換，導(dǎo)致了收發(fā)通道間幅相誤差擴大，較大的幅相誤差使得合成后的波束主瓣降低、副瓣增大、指向出現(xiàn)偏差，從而影響系統(tǒng)測向、測距精度，降低技、戰(zhàn)術(shù)指標(biāo)，嚴重時導(dǎo)致系統(tǒng)完全無法使用。本文提出了二次校正的方法，以解決組件互換性的問題，第一次修正為數(shù)字收發(fā)組件的修正，第二次修正為接收面陣的修正。

2.1互換原理

第一次修正將所有數(shù)字收發(fā)組件的各通道幅相修為一致。也就是說，采用母件，對每個數(shù)字收發(fā)組件進行幅相修正，確保修正后每個數(shù)字收發(fā)組件接收通道間的絕對幅度和相位都一致，然后將各頻點對應(yīng)的修正系數(shù)存儲在數(shù)字收發(fā)組件中的存儲芯片內(nèi)。數(shù)字收發(fā)組件中的控制邏輯可以根據(jù)不同的使用頻點、不同通道自動加載對應(yīng)頻點的幅相修正系數(shù)，使得數(shù)字收發(fā)組件在整個工作頻帶內(nèi)各通道間的幅度和相位均一致。圖2(a)為數(shù)字收發(fā)組件幅度修正后4個組件32個通道間的幅度一致性關(guān)系圖，圖2(b)為數(shù)字收發(fā)組件幅度修正后4個組件32個通道間的相位一致性關(guān)系圖。

從圖2和圖3中可看出數(shù)字收發(fā)組件在修正后32個通道的幅度誤差為0.04dB，相位誤差為0.16°，可以認為4個數(shù)字收發(fā)組件的幅度和相位是基本一致。

將修正后的數(shù)字收發(fā)組件裝到面陣上后，采集信號各通道間的幅相關(guān)系如圖3(a)所示，此時對系統(tǒng)而言僅完成了第一次幅相修正，即組件級幅相修正。

圖2　數(shù)字收發(fā)組件32通道幅相一致性

圖3　組件交換前幅相關(guān)系

從圖3(a)中可以看出，面陣在未修正前通道間的幅度誤差為3.34 dB，相位誤差為128.5°。在數(shù)字收發(fā)組件修正完成的基礎(chǔ)上對接收面陣進行幅相校正，修正后通道間的幅相誤差如圖3(b)所示，通道間的幅度誤差為0.07 dB，相位誤差為0.5°。第二次修正將整個接收系統(tǒng)的所有通道的幅相修為一致。

當(dāng)?shù)诙涡拚瓿珊?，?shù)字收發(fā)組件將天線面陣上所有前端模擬收發(fā)組件對應(yīng)的修正系數(shù)存儲到存儲器中，當(dāng)前端模擬收發(fā)組件交換時，數(shù)字收發(fā)組件加載對應(yīng)的幅相修正系數(shù)，即可保證天線面陣各通道間的幅相一致。

2.2組件互換對幅相誤差的影響

由于對面整個面陣通道來說，對接收系統(tǒng)指標(biāo)影響最大的是中間的通道，所以交換處于中間的數(shù)字收發(fā)組件后再測試幅相一致性。交換后的幅相關(guān)系如圖4所示。

圖4　組件交換后幅相關(guān)系

對比圖3(a)和圖4(a)，組件交換后在未加載面陣修正系數(shù)前，幅度誤差和相位誤差的變化并不大。由此可推論，數(shù)字收發(fā)組件的交換并不會引入較大的幅相誤差。從圖4(b)可看出，組件交換后幅度誤差為0.65 dB，相位誤差為5.6°，證明了數(shù)字組件的交換引入的幅相誤差在可接收范圍內(nèi)。

2.3組件互換對方向圖的影響

接收通道的幅相誤差最終表現(xiàn)為對接收方向圖各項指標(biāo)的影響。如果數(shù)字收發(fā)組件的交換對接收方向圖的指標(biāo)沒有影響，則證明二次校正的方式是正確的。圖5為組件修正后面陣未校正前的接收方向圖。圖6為面陣修正后接收和差波束方向圖。圖7為組件交換后接收和差波束方向圖。

圖5　面陣修正前接收方向圖

圖6　面陣修正后組件交換前接收方向圖

圖7　組件交換后接收方向圖

表1　和波束指標(biāo)對比

表2　差波束指標(biāo)對比

3　結(jié)束語

通過實際測試，對比表1的測試數(shù)據(jù)，面陣在校正前與面陣校正后和波束的主副比有較大差距;而面陣修正后，數(shù)字收發(fā)組件的交換對和波束各項指標(biāo)基本沒有影響。通過表2的數(shù)據(jù)對比說明，面陣在修正前與修正后零深的變化不大，均滿足本系統(tǒng)指標(biāo);但是對差波束的波束指向，修正前與修正后具有較大的差距，修正前指標(biāo)很差，修正后指標(biāo)得到較大改善;在經(jīng)過修正的面陣中交換數(shù)字收發(fā)組件，無論差波束的指向還是零深，實際變化不大，均能滿足系統(tǒng)指標(biāo)。由此可證明，本文提出的對TR組件的二次修正是可行的，這種修正方式完全能滿足因組件的互換而不影響系統(tǒng)指標(biāo)的要求。

參考文獻:

［1］Merrill I Skolnik.雷達手冊［M］.南京電子技術(shù)研究所譯.3版.北京:電子工業(yè)出版社，2010.

［2］張光義.相控陣雷達原理［M］.北京:國防工業(yè)出版社，2009.

Research on amplitude-phase correction and interchangeability of TR modules

NIU Dai-nan，F(xiàn)ENG Bo，WU Hong-hu
(No.724 Research Institute of CSIC，Nanjing 211153)

Abstract:The effects of the amplitude-phase errors between the channels on the patterns received are discussed through testing the patterns under different amplitude-phase errors.An amplitudephase correction method is proposed，which makes the TR modules interchangeable on the premise that each index of the patterns is not reduced.

Keywords:TR module; amplitude-phase error; interchangeability; beam direction; DBF

文章編號:1009－0401(2015)01－0024－05

文獻標(biāo)志碼:A

中圖分類號:TN957

作者簡介:牛戴楠(1982-)，男，工程師，碩士，研究方向:高速電路設(shè)計及信號處理;馮波(1979-)，男，工程師，碩士，研究方向:雷達發(fā)射組件;吳鴻鵠(1987-)，男，工程師，碩士，研究方向:高速電路設(shè)計及信號處理。

收稿日期:2014-12-04;修回日期:2015-01-12