任意陣面射頻仿真輻射源位置模擬控制方法

甘連倉　肖本龍　劉鵬軍

摘 要： 介紹傳統(tǒng)的射頻仿真球面陣三元組控制原理、過程，在此基礎上提出一種新的任意陣面的射頻仿真輻射源模擬控制方法，給出了通過任意三元組模擬合成一個輻射源的幅度位置控制公式，研究任意陣面模擬控制流程，為射頻仿真試驗提供了一種新的目標模擬手段。

關鍵詞： 射頻仿真； 模擬控制方法； 任意陣面； 幅度控制

中圖分類號： TN820.1?34 文獻標識碼： A 文章編號： 1004?373X（2016）07?0036?03

Abstract： The triple control principle and process of the traditional RF simulation spherical array are introduced. On this basis， a new simulation control method of RF simulation radiation?source position for arbitrary shaped antenna array is proposed. The amplitude and position control formula of the radiation source synthetized by arbitrary triple simulation is given. The simulation control process of the arbitrary shaped antenna array is researched to provide a new target simulation method for RF simulation test.

Keywords： RF simulation； simulation control method； arbitrary shaped antenna array； amplitude control

0 引 言

天線陣列與饋電控制分系統(tǒng)是射頻仿真試驗系統(tǒng)的重要組成部分，主要承擔雷達目標信號、雷達信號、干擾信號等射頻信號的輻射任務；其通過接收戰(zhàn)情控制信息，模擬各種電磁信號在空間的分布及運動，并控制電磁信號的傳播時間延遲及幅度的大小變化。傳統(tǒng)天線陣列形狀一般為球面，其上安裝的天線饋元電軸指向球面天線陣球心。試驗時，被試裝備的天線相位中心要求與該球心重合，從而保證射頻輻射源信號位置的模擬精度，以準確控制信號功率的幅度。當射頻仿真系統(tǒng)需要承擔多種裝備的試驗任務時，把每個被試裝備天線相位中心調整到與陣列天線球心重合往往難以實現(xiàn)，相當于降低了系統(tǒng)精度指標，大多數(shù)情況下精度下降的幅度是不能容忍的，必須采取一定的技術措施。

本文設想的輻射源位置控制方法可用于任意形狀的天線陣列，陣面上饋元的位置不需要規(guī)律排列。球面陣由于容易保證陣面上任意位置相鄰的三饋元為等邊三角形，因而控制方法更加簡單，這在控制硬件計算速度不高的年代毫無疑問具有更大的優(yōu)勢，也是球面陣大行其道的主要原因。當控制硬件的計算速度不成問題，饋元的位置精測也變方便后，降低天線陣的設計要求，對于降低系統(tǒng)制造成本，靈活系統(tǒng)功能配置將更加有利。譬如可以用平面天線陣取代球面天線陣以降低加工制造的難度，也可以降低六自由夾具的精度要求等。另一方面，試驗時對于被試裝備三維位置的要求也降低了，可以更加方便試驗操作，通過改進輻射源幅度位置模擬控制方法，不必調整被試裝備位置，只要測量出天線旋轉中心的坐標即可精確控制輻射源幅度和位置，從而擴展系統(tǒng)的應用范圍。

1 球面陣輻射源幅度位置控制方法

如圖1所示，球面天線陣使用三元組工作方式模擬輻射源信號，任意相鄰的三個天線饋元都可組成一個三元組，通過控制每個天線饋元的輸出功率、信號相位以改變合成信號的相位中心點的位置，從而模擬信號在三角形區(qū)域內的運動。通過切換信號在不同三元組天線輸出，完成信號在整個天線陣列區(qū)域連續(xù)運動的模擬。

1.1 三元組工作原理

球面天線陣列采用三元組天線合成輻射的方式，通過等效輻射中心的移動模擬射頻信號的空間角度特性。

如圖2所示，[A，B，C]為三元組天線，[P]為接收天線，三元組天線的俯仰角分別為[θ1，][θ2，][θ3，]方位角分別為[?1，][?2，][?3，]圖中以[A]天線為例標出了俯仰角和方位角，[A]為在[xPy]面上的投影，其他天線同理。

相鄰的三個天線都形成一個三元組，模擬的目標在天線陣列運動時，首先要確定目標所在三元組號，確定三元組的朝向和原點類別，計算目標在三元組內的歸一化坐標，再利用幅度重心公式計算三元組各天線輻射能量，完成目標的運動控制。對應在陣列控制中分為“粗位控制”（簡稱粗控）與“精位控制”（簡稱精控）兩部分。

1.2 三元組天線的粗控方法

目標在三元組坐標系內的坐標是按直角坐標系給出的。該坐標系的定義已經(jīng)在三元組天線歸一化處理中給出，坐標原點在三元組的“原點”上。仿真試驗系統(tǒng)中的[?]和[θ]的坐標是相對于目標陣列球面的球心所呈現(xiàn)的張角，因此需要將其轉換到幅度重心公式中的[（?0，θ0）]歸一化坐標。

目標位置的粗控方法主要有波音算法、三角形直接定位法、交點直接定位法和小樣快速定位法等。交點定位法是目前常用的方法，其基本思想是：將天線陣列中的每一個天線元看成是兩條直線的交點，而不是看成三角形的三個頂點。由[（?，θ）]直接判別出所涉及的直線，再由交點得出天線元的序號。

1.3 三元組天線的精控方法

精控主要根據(jù)粗位控制算法所提供的[（?0，θ0）]計算三元組天線能量大小，產(chǎn)生陣列饋電控制系統(tǒng)的程控衰減器和移相器的控制字。為了達到上述要求，精位控制算法主要完成以下幾項任務：近場效應誤差修正；計算三元組輻射信號的振幅；路徑長度/損耗修正。

2 任意陣輻射源幅度位置控制方法

任意陣仍采用“三元組”控制法，模擬控制需要的條件：天線陣饋元的空間坐標位置已知，饋元在一定角度范圍內的三維方向圖數(shù)據(jù)已知，被試裝備天線相位中心的坐標已知，天線陣相對某參考點完成了標校。

陣列粗控方法與球面陣相似，這里僅介紹精控方法。

2.1 相位幅度配平

天線陣相對參考點完成標校，說明各饋電支路經(jīng)過移相器修正后，到達參考點的電長度相等。當被試裝備天線相位中心位于參考點外的其他點位[P]時，各饋電支路即使經(jīng)過移相器修正后，到達[P]點的電長度也不再相等。不再相等的原因是，各饋元到被試天線的距離發(fā)生了變化。這樣，整個陣面的相位平衡被打破，必須修改修正值表格。

2.2 幅度控制

當天線陣是非球面陣，或為球面陣但被試裝備天線相位中心不在球心時，三元組不再為等邊三角形，可以推出三元組為任意三角形時的幅度控制公式如下，任意三元組坐標示意圖見圖4。

2.3 控制流程

綜上所述，任意陣用三元組饋元模擬一個輻射源的基本控制流程如下：

（1） 首先在參考點對任意陣進行標校，得出在參考點處的饋電通道的幅相平衡修正表格。

（2） 被試裝備定位后，測出天線相位中心或天線旋轉中心的空間坐標值，計算出在此位置的饋電通道的幅相平衡修正表格并裝入控制計算機。

（3） 進行近場效應值修正測量或計算，也作為幅相修正表格裝入控制計算機。

（4） 根據(jù)輻射源在空間的坐標位置，計算所在的三元組號。

（5） 利用任意形狀三元組幅度控制公式，結合新裝入的饋電通道幅相平衡修正表格對通道中的數(shù)控衰減器和數(shù)控移相器進行控制。

3 新方法的優(yōu)缺點分析

新控制方法的優(yōu)勢：饋元的位置不需要精確的機械標定和調整，可省去復雜的六自由度夾具；被試裝備的位置不需要精確控制和調整，不需要建造復雜的三維可調整的平臺系統(tǒng)。僅需要全站經(jīng)緯儀對天線相位中心進行精確測量。

新控制方法的不足：控制方法復雜，對控制計算機的計算速度有更高的要求；被試裝備未處于整陣面所有饋元的最大輻射方向上，可能對系統(tǒng)的動態(tài)范圍會有不利的影響。

4 結 論

該控制方法不僅適用于任意陣列，對于球面陣列，當被試裝備天線相位中心難以調整到球面天線陣的球心時，也不失為一個減小試驗誤差的好的試驗方法。尤其是偏移球面距離不大時，控制方法可以更簡單。

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