全空域測控系統(tǒng)數(shù)字波束形成技術(shù)研究

宋廣怡

(中國電子科技集團(tuán)公司第五十四研究所，河北 石家莊 050081)

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全空域測控系統(tǒng)數(shù)字波束形成技術(shù)研究

宋廣怡

(中國電子科技集團(tuán)公司第五十四研究所，河北 石家莊 050081)

摘要隨著我國航空航天事業(yè)的飛速發(fā)展，無人機(jī)集群和衛(wèi)星星座的出現(xiàn)給地面測控站提出了更高的要求。全空域多目標(biāo)測控系統(tǒng)的建設(shè)提上日程。和其他波束形成方式相比，基于軟件無線電的數(shù)字多波束形成技術(shù)在全空域測控系統(tǒng)中具有獨特的優(yōu)勢，值得深入研究。介紹了全空域測控系統(tǒng)對波束形成設(shè)備的需求，進(jìn)而提出了基于射頻采樣的波束形成模塊的實現(xiàn)，并對共形球面陣數(shù)字波束形成技術(shù)進(jìn)行了分析。實測結(jié)果驗證了基于射頻采樣的數(shù)字波束形成方案的可行性。

關(guān)鍵詞全空域；測控系統(tǒng)；射頻采樣；數(shù)字多波束形成

Research on Digital Beam Forming Technology in Whole Airspace TT&C System

SONG Guang-yi

(The54thResearchInstituteofCETC,ShijiazhuangHebei050081,China)

AbstractAs the development of Chinese aeronautics and astronautics,the higher requirement is proposed to TT&C ground station for the unmanned aerial vehicle swarming and satellite constellation.It is necessary to construct the whole airspace multiple-target TT&C system.Compared with other beam forming technologies,the digital beam forming technology has some unique advantages.This paper introduces the demand of beam forming equipment in whole airspace TT&C system.The implementation of beam forming module is put forward based on RF sampling.The conformal spherical digital beam forming technology is analyzed.The test results show that the digital beam forming scheme based on RF sampling is feasible.

Key wordswhole airspace;TT&C system;RF sampling;digital multibeam forming

0引言

隨著航空航天事業(yè)的飛速發(fā)展，將逐步建成無人機(jī)網(wǎng)絡(luò)、衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)和衛(wèi)星星座網(wǎng)絡(luò)，這給地面測控系統(tǒng)提出了更高的要求。全空域多目標(biāo)測控技術(shù)是目前測控領(lǐng)域面臨的一個重要課題，也是地面測控系統(tǒng)面臨的新挑戰(zhàn)。目前全空域相控陣測控系統(tǒng)的建設(shè)已提上日程，而波束形成技術(shù)作為全空域相控陣測控系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)，其形成方式及算法的設(shè)計尤為重要。相位控制可采用模擬方式(在射頻端采用微波移相器)實現(xiàn)或采用數(shù)字波束形成(DBF)方法實現(xiàn)。而采用數(shù)字波束形成方式，亦有一次變頻和超外差方式之分。同其他波束形成方式相比，基于軟件無線電的數(shù)字多波束形成技術(shù)在全空域多目標(biāo)測控系統(tǒng)中具有獨特的優(yōu)勢，值得深入研究。本文在分析全空域測控系統(tǒng)對波束形成設(shè)備需求的基礎(chǔ)上，提出了基于射頻采樣的波束形成模塊實現(xiàn)方案，并對共形球面陣的波束形成技術(shù)進(jìn)行了分析及驗證。和現(xiàn)有的波束形成方式相比，提出的實現(xiàn)方法簡化了硬件設(shè)計，集成度高，幅相一致性好且多波束形成靈活。

1全空域相控陣測控系統(tǒng)

全空域相控陣測控系統(tǒng)目前多采用球面共形陣進(jìn)行分析[1]，其優(yōu)點是對于目標(biāo)跟蹤可平滑過渡，相位中心唯一，球面掃描增益一致；但其缺點是陣面復(fù)雜，對于裝配工藝、測試、維護(hù)及波束形成算法均提出了挑戰(zhàn)。因此需要對球面陣波束形成方式及算法進(jìn)行研究。以美國空軍正在實施的網(wǎng)格球頂相控陣(GDPAA)系統(tǒng)為例[2]，該系統(tǒng)要求EIRP大于104 dBm，而G/T值大于12 dB/K，能對中高軌及靜止軌道衛(wèi)星進(jìn)行測控通信。其陣面采用多個五邊形陣和六邊形陣拼成一個整體上的球面，而每個多邊形陣由若干子陣面組成，每個子陣面又由若干陣元所構(gòu)成。最終用到的陣元數(shù)為60 300個，其后的波束形成模塊，包括信道設(shè)備、數(shù)據(jù)采集傳輸及波束形成算法極其復(fù)雜。

由上述分析可見，全空域相控陣測控系統(tǒng)如圖1所示，采用球面共形布陣，陣元數(shù)極多，因此要求波束形成模塊盡可能簡單，以減少成本和空間，降低系統(tǒng)建設(shè)和維護(hù)的復(fù)雜度。

圖1　全空域多目標(biāo)測控系統(tǒng)

2基于軟件無線電的接收前端分析

由于受模數(shù)轉(zhuǎn)換器件性能(主要指采樣位數(shù)、采樣率及輸入帶寬等)的限制，接收機(jī)體制主要有2種[3]：超外差和直接變頻體制。其主要區(qū)別在于將信號下變頻到基帶的級數(shù)不同：直接變頻只用1級，而超外差體制則采用2級以上。下變頻次數(shù)的增加雖然使接收機(jī)的復(fù)雜性也相應(yīng)增加，而直接變頻接收機(jī)也面臨一些技術(shù)問題，所以現(xiàn)有的接收機(jī)大部分為超外差體制。但是隨著器件的發(fā)展，使直接射頻采樣成為可能，即真正意義的軟件無線電接收機(jī)具有了一定的可實現(xiàn)性。因此本文提出基于直接射頻采樣的接收機(jī)體制。由于超外差及直接變頻體制原理在現(xiàn)有文獻(xiàn)中已有詳述，本文不再贅述。本節(jié)僅對直接射頻采樣體制的原理及其實現(xiàn)方式進(jìn)行討論分析。

直接射頻體制接收機(jī)原理如圖2所示。天線接收信號經(jīng)低噪聲放大器(LNA)提供合適的射頻增益，其輸出信號經(jīng)過預(yù)選濾波器濾波后，輸出需要頻帶的信號。濾波器的輸出信號用頻率為fs1的脈沖進(jìn)行采樣保持，然后通過連續(xù)時間插值濾波器進(jìn)行二次抗混疊濾波，此時得到奈奎斯特帶寬內(nèi)信號，采用常規(guī)的AD芯片即可對該信號進(jìn)行量化。這種直接射頻采樣的特點是模數(shù)轉(zhuǎn)換分2步進(jìn)行[4]：① 對射頻信號進(jìn)行帶通濾波和無量化采樣；② 經(jīng)過連續(xù)時間低通或帶通濾波器濾波后，得到中頻(或零中頻)信號，然后用常規(guī)ADC進(jìn)行量化。通過把采樣和量化分開在不同的階段實現(xiàn)，降低了對ADC的射頻輸入帶寬、時鐘抖動和采樣率的要求。

圖2　直接射頻采樣原理

這種體制的優(yōu)點是：① 消除了常規(guī)超外差接收機(jī)中因使用模擬混頻器和本地振蕩器而帶來的增益起伏和噪聲；② 簡化了硬件設(shè)計，使接收機(jī)可集成在單片微波集成電路上；③ 消除了模擬失真和混頻器非線性失真；④ 可重配置，通過軟件定義可靈活完成空時域濾波等功能，即真正意義的軟件定義無線電功能。下面對該體制原理進(jìn)行分析。

設(shè)采樣脈沖信號為：

(1)

(2)

式中，ωs1=2πfs1。設(shè)場放輸出信號為x(t)，抗混疊濾波傳遞函數(shù)為h(t)，采樣后二次抗混疊濾波傳遞函數(shù)為f(t)，則濾波后輸出為：

(3)

其頻域表示為：

(4)

將式(2)代入式(4)，得

TkXBL(ω-ωs1kH)+T-kXBR(ω+ωs1kH)。

(5)

(6)

(7)

3直接射頻采樣實現(xiàn)方案

由第2節(jié)的分析可見，直接射頻采樣體制接收架構(gòu)最簡單，易于將相控陣接收組件集成化、小型化。因此下面討論如何實現(xiàn)該種體制應(yīng)用于數(shù)字波束形成的接收組件。

利用現(xiàn)有的芯片，可實現(xiàn)基于上述直接射頻采樣接收體制的數(shù)字波束形成接收組件。直接射頻采樣具體實現(xiàn)可分為T/H+AD結(jié)構(gòu)和單射頻AD芯片結(jié)構(gòu)。以目前的芯片水平，采用T/H+AD結(jié)構(gòu)可達(dá)Ku頻段，如HMC5640芯片，其射頻輸入帶寬為18 GHz，最大采樣率4 Gs/s，輸入Vpp為1 V，其時鐘抖動小于70 fs[5]。而單射頻AD芯片可支持射頻輸入帶寬至S頻段。由于篇幅關(guān)系，此處僅對單芯片結(jié)構(gòu)進(jìn)行介紹。

單芯片采樣原理仍如圖2所示，只是將采樣保持與量化功能集成在一個單片微波集成電路上。如e2v公司的EV10AQ190系列、TI的ADS54RF63及ADC12D800RF等。以EV10AQ190芯片為例，主要關(guān)注性能指標(biāo)[6]如射頻輸入帶寬(3 dB)為5 GHz、有效位數(shù)7.7位(輸入2.3 GHz)、時鐘抖動120 fs等。由上述指標(biāo)可見該芯片支持對統(tǒng)一S頻段測控系統(tǒng)的直接射頻采樣。在射頻直接輸入時，其模數(shù)轉(zhuǎn)換有效位數(shù)可達(dá)8位左右。

4球面共形陣數(shù)字波束形成

4.1架構(gòu)設(shè)計

現(xiàn)有的測控系統(tǒng)，多采用射頻移相器和數(shù)字波束形成相結(jié)合的方式[7]：在射頻端利用移相器實現(xiàn)子陣波束合成，然后采用超外差接收技術(shù)下變頻到中頻(如在某測控頻段系統(tǒng)中常采用2級下變頻到70 M中頻)。最后在中頻進(jìn)行AD采樣并實現(xiàn)子陣間的數(shù)字波束形成。這種架構(gòu)滿足當(dāng)前僅對某一部分空域進(jìn)行單目標(biāo)或少目標(biāo)測控的需求：由于覆蓋空域小可采用平面相控陣，所需陣元少，布陣空間較充裕。因此可采用超外差接收體制的相控陣，該體制降低了AD采樣的要求，但提高了信道的復(fù)雜度，而且采用射頻移相精度受限。這降低了波束指向精度、導(dǎo)致旁瓣升高，并且不利于多目標(biāo)多波束形成。

采用直接射頻采樣接收體制實現(xiàn)的數(shù)字波束形成架構(gòu)如圖3所示。采用這種架構(gòu)有如下優(yōu)點：① 省去了下變頻鏈路，簡化了結(jié)構(gòu)，可實現(xiàn)小型化；② 形成靈活的可擴(kuò)展模塊，可擴(kuò)展為行波束形成、列波束形成、子陣波束形成及陣面波束形成等模塊；③ 采用數(shù)字化，可靈活形成多波束；④ 容易形成零陷，抗干擾性強(qiáng)。

圖3　基于直接射頻采樣體制的數(shù)字波束形成

4.2波束形成算法分析

陣元在球面上均勻分布，如圖4所示(圖中僅畫出第n環(huán))[8]。

圖4　共形球面陣

其中第m個陣元坐標(biāo)為(xmn，ymn，zmn)，

(8)

式中，R為球體半徑；Rn為第n環(huán)半徑；N為n環(huán)上陣元個數(shù)，與期望的環(huán)上陣元間弧線長度dθdesired有關(guān)；floor( )為向下取整運算；相鄰環(huán)間緯線距離相等為dφ，因此ndφ為第n環(huán)到球頂?shù)木暰€長度；dθ=2πRn/N為環(huán)上陣元間實際弧線長度，與實際的陣元個數(shù)N有關(guān)，容易得到dθ≥dθdesired。共形陣的合成方向圖為n環(huán)上所有陣元共同作用得到：

(9)

式中，λ為波長；wmn為加權(quán)系數(shù)；θ為目標(biāo)方位角；為俯仰角。共形陣相位補(bǔ)償因子為：

(10)

值得說明的是，以上分析中的坐標(biāo)(xmn，ymn，zmn)既可表示陣元的坐標(biāo)，也可表示第m個子陣模塊的坐標(biāo)。

5測試結(jié)果分析

采用上述直接射頻采樣數(shù)字波束形成技術(shù)，實現(xiàn)了DBF處理模塊樣機(jī)。在數(shù)字波束形成中，主要關(guān)注通道的幅相一致性，因此對該處理模塊在不同溫度條件下的接收信噪比、幅相一致性進(jìn)行了測試，測試結(jié)果如表1所示(其中幅度單位為dB，相位單位為度)。由表1可見，在高低溫及常溫下通道間的幅度差異<0.5 dB，相位差異<4°，滿足應(yīng)用需求。

表1　直接射頻采樣DBF模塊測試結(jié)果

對DBF子陣合成的和差方向圖測試結(jié)果如圖5所示，其中圖5(a)為和波束方向圖，而圖5(b)為差波束方向圖。

圖5　子陣樣機(jī)波束形成方向圖

由圖5可見，主旁瓣比約13 dB，差零深約33 dB，測試結(jié)果與理論相吻合。其原因是采用直接射頻采樣的數(shù)字波束形成技術(shù)，陣列幅相誤差較小，而且陣列校正精度高。

6結(jié)束語

全空域相控陣測控系統(tǒng)作為下一代地面測控系統(tǒng)的發(fā)展趨勢，將會得到越來越多的關(guān)注。采用直接射頻采樣技術(shù)實現(xiàn)的測控系統(tǒng)數(shù)字波束形成處理模塊，滿足全空域共形陣對多波束形成的需求，實現(xiàn)了設(shè)備集成化、小型化。因此基于直接射頻采樣的數(shù)字波束形成技術(shù)在全空域測控領(lǐng)域中的應(yīng)用將會得到越來越多的關(guān)注和應(yīng)用。

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宋廣怡男，(1973—)，高級工程師。主要研究方向：航天測控總體。

作者簡介

基金項目：國家部委基金資助項目。

收稿日期：2015-12-03

中圖分類號TTN911

文獻(xiàn)標(biāo)識碼A

文章編號1003-3106(2016)03-0041-04

doi:10.3969/j.issn.1003-3106.2016.03.12

引用格式：宋廣怡.全空域測控系統(tǒng)數(shù)字波束形成技術(shù)研究[J].無線電工程,2016,46(3):41-44.