基于相控陣短波發(fā)信系統(tǒng)的波束控制技術(shù)研究*

李曉文　王華旭　楊志清 　何憲文

(1.熊貓漢達(dá)科技有限公司　南京　210014)(2.海軍北海艦隊(duì)司令部　青島　266071) (3.海軍工程大學(xué)　武漢　430033)

LI Xiaowen1　WANG Huaxu2　YANG Zhiqing2　HE Xianwen3

(1.Limited Company of Panda Handa, Nanjing　210014)(2.Navy North Sea Fleet, Qingdao　266071) (3.Naval University of Engineering, Wuhan　430033)

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基于相控陣短波發(fā)信系統(tǒng)的波束控制技術(shù)研究*

李曉文1王華旭2楊志清2何憲文3

(1.熊貓漢達(dá)科技有限公司南京210014)(2.海軍北海艦隊(duì)司令部青島266071) (3.海軍工程大學(xué)武漢430033)

論文建立了相控陣短波發(fā)信系統(tǒng)下波束控制模型，可以根據(jù)當(dāng)前發(fā)射機(jī)的通信頻率，通信方向及組陣方式等因素，實(shí)現(xiàn)快速準(zhǔn)確地查詢計(jì)算多通道當(dāng)前需要配置的特定相位，為天線陣波束合成指向的偏轉(zhuǎn)控制提供移相值。論文針對(duì)特定的直立天線排列陣型，提出了一種工程適應(yīng)性強(qiáng)的波束成型算法，并且針對(duì)該算法進(jìn)行了波束成型仿真，經(jīng)過(guò)反復(fù)的仿真分析，可以認(rèn)為波束成形算法得到的波束控制表能夠在理論上實(shí)現(xiàn)理想的波束合成的效果。

相控陣; 短波發(fā)信系統(tǒng); 組陣方式; 波束成型

LI Xiaowen1WANG Huaxu2YANG Zhiqing2HE Xianwen3

(1.Limited Company of Panda Handa, Nanjing210014)(2.Navy North Sea Fleet, Qingdao266071) (3.Naval University of Engineering, Wuhan430033)

Class NumberTN914

1　引言

相控陣短波發(fā)信系統(tǒng)與一般的單通道發(fā)信系統(tǒng)相比，不同之處主要體現(xiàn)在射頻信號(hào)處理模塊、功率放大器部分及天線部分由單通道演化成多通道，同時(shí)增加了相位采集模塊[1]，波束控制模塊，同步模塊及交換模塊相互協(xié)調(diào)、相互配合。

其中，天線陣的波束控制模塊是通過(guò)對(duì)饋入天線射頻信號(hào)的相位進(jìn)行調(diào)整實(shí)現(xiàn)的，因此數(shù)字化相位精確控制和調(diào)節(jié)技術(shù)的研究至關(guān)重要[2,8～10]。波束控制模塊主要作用為根據(jù)當(dāng)前發(fā)射機(jī)的通信頻率，通信方向及組陣方式等因素，快速查詢計(jì)算多通道當(dāng)前需要配置的特定相位，為天線陣波束合成指向的偏轉(zhuǎn)控制提供移相值。其波束控制原理為根據(jù)波束成形算法計(jì)算各路射頻信號(hào)的相位差，進(jìn)行存儲(chǔ)并為射頻處理模塊的每路射頻信號(hào)提供移相的控制指令。波束控制模塊提供了一種實(shí)現(xiàn)相控陣短波發(fā)信系統(tǒng)波束偏轉(zhuǎn)的可靠控制方案。

2　波束控制設(shè)計(jì)方案

相控陣具有高增益、強(qiáng)方向性、波束偏轉(zhuǎn)等特點(diǎn)[4]，其核心技術(shù)是通過(guò)對(duì)相控陣各陣元饋入不同相位的射頻信號(hào)，利用各陣元輻射場(chǎng)強(qiáng)的矢量和實(shí)現(xiàn)波束合成。傳統(tǒng)的波束控制器僅提供理論上的饋電相位，忽視了多通道射頻信號(hào)相位一致性的問(wèn)題，結(jié)果實(shí)際方向圖往往偏差過(guò)大；本系統(tǒng)所設(shè)計(jì)的波束控制模塊將天線陣饋電相位列表與實(shí)時(shí)相位檢測(cè)相結(jié)合進(jìn)行波束合成計(jì)算[5]，既能滿足激勵(lì)器基帶信號(hào)處理模塊實(shí)時(shí)性的要求，又兼顧實(shí)際方向圖修正。該方法是提供了一種短波相控陣系統(tǒng)波束偏轉(zhuǎn)的可靠控制方案。

波束控制模塊主要可協(xié)助實(shí)現(xiàn)通信、波束合成、相位校正、遠(yuǎn)程控制等功能[5]。天線陣各通道射頻信號(hào)的相位會(huì)受通信頻率、通信方向、組陣方式等因素的影響，設(shè)置波束控制模塊與主控制機(jī)(MCU)接口，根據(jù)通信需求輸入通信目標(biāo)方向、通信頻率等要素完成配相數(shù)據(jù)的計(jì)算，產(chǎn)生用于相控陣天線每個(gè)輻射單元的相位，再加上相位采集傳回的相位數(shù)據(jù)綜合計(jì)算后，經(jīng)光纖傳輸系統(tǒng)遠(yuǎn)程送往射頻處理模塊來(lái)做相位補(bǔ)償?shù)奶幚?，完成波束指向的工作。如圖1所示。

圖1　相位綜合處理結(jié)構(gòu)圖

波束控制模塊內(nèi)存儲(chǔ)通過(guò)波束成形算法得到的波束控制表，用于系統(tǒng)工作時(shí)的波束控制。當(dāng)與天線波束成形相關(guān)的系統(tǒng)工作參數(shù)(含通信目標(biāo)方位、通信頻率等)發(fā)生變化時(shí)，波束控制模塊由波束控制表得到各路激勵(lì)器的配相相位值，并分別送到各射頻處理模塊完成波束控制。

整個(gè)波束控制模塊的建立流程如下[7]：

首先，需要在波束控制模塊內(nèi)建立線性天線陣饋電相位列表，按照通信頻率、通信方向、組陣方式等因素提供的基準(zhǔn)參數(shù)，作為激勵(lì)器更新請(qǐng)求時(shí)的應(yīng)答參數(shù)。根據(jù)不同的參數(shù)進(jìn)行波表分塊，采用這種方法可以減少饋電相位計(jì)算時(shí)間。

然后，通過(guò)建立模型、波束成形算法與標(biāo)校參數(shù)來(lái)產(chǎn)生用于相控陣天線各輻射模塊的相位值，生成波束控制表，可以實(shí)現(xiàn)天線陣的波束合成。

最后，對(duì)生成的波束控制表，通過(guò)仿真模型驗(yàn)證其正確性。經(jīng)上述步驟后，形成相位列表數(shù)據(jù)庫(kù)?？紤]到天線安裝以后的工程誤差等因素可能導(dǎo)致實(shí)際天線陣與理想場(chǎng)地天線陣的輻射特性存在差異，還需對(duì)天線陣列各陣元的饋電相位進(jìn)行監(jiān)測(cè)，對(duì)多通道射頻信號(hào)的相位不一致性進(jìn)行修正。

3　組陣控制

相控陣短波發(fā)信系統(tǒng)希望可以根據(jù)當(dāng)前發(fā)射需要自由選擇組陣方式，因此波表的生成需要根據(jù)不同的組陣方式來(lái)設(shè)計(jì)。

本文以天線陣采用2×4(2排4列)直立天線為例，可以設(shè)置五種天線組陣方式，即8元天線陣、前排4元天線陣、后排4元天線陣、左側(cè)4元天線陣、右側(cè)4元天線陣。根據(jù)當(dāng)前的組陣方式，選擇對(duì)應(yīng)的射頻信號(hào)處理模塊上線，然后控制當(dāng)前在線的模塊進(jìn)行信號(hào)發(fā)射并且進(jìn)行當(dāng)前天線陣元的波束空間合成。天線布陣如圖2所示。

圖2　天線布陣圖

4　波束成型算法

波束控制模塊提供天線陣波束偏轉(zhuǎn)的可靠控制，其波束成形算法為天線陣波束合成的核心。

波束控制模塊即以波束成形算法為核心，建立一套波束成形模型。該算法工程適應(yīng)性強(qiáng)，只需要根據(jù)當(dāng)前工程天線陣排布組陣情況，就可以更新饋電相位列表。

在波束控制模塊中通過(guò)DSP控制模塊對(duì)組陣方式、通信頻率、通信方向、通信距離等工作參數(shù)進(jìn)行實(shí)時(shí)更新，可以輸出得到在8路陣元的相位配置，使在當(dāng)前通信方向上增益最大。

波束成形算法整個(gè)流程如下所述。

1) 計(jì)算當(dāng)前組陣方式下8個(gè)天線陣元的物理方位坐標(biāo)。

建立笛卡爾坐標(biāo)系，如下圖3所示：

以每個(gè)天線陣相互之間距離為m米，建立笛卡爾坐標(biāo)系，可以得到每個(gè)天線陣的物理方位坐標(biāo)。

圖3　天線陣坐標(biāo)系圖

2) 在通信方向θ和通信距離b明確之后，在第一步建立的笛卡爾坐標(biāo)系中，以天線陣1為標(biāo)準(zhǔn)，計(jì)算其他天線陣與天線陣1的距離差Δi。

3) 在通信頻率fc明確之后，以天線陣1為標(biāo)準(zhǔn)，計(jì)算其他天線陣與天線陣1的相位差Δφ。

(1)

通過(guò)以上流程，可以通過(guò)計(jì)算得到一張線性波束控制表，在實(shí)際工作中通過(guò)查表的方式，以減少不必要的運(yùn)算時(shí)間。

波束控制表首先按照組陣方式分為：8元天線陣，前排4元天線陣，后排4元天線陣，左側(cè)4元天線陣，右側(cè)4元天線陣五個(gè)部分；其中每部分按照通信頻率，波束指向以及陣元個(gè)數(shù)依次排列。通過(guò)查詢波束控制表的地址可以實(shí)現(xiàn)對(duì)特定配置相位的訪問(wèn)。

5　波束成型仿真結(jié)果

根據(jù)波束成形算法，可以得到在特定通信頻率，通信方向和組陣方式下，天線陣8路陣元的相位信息，從而建立8元天線陣下的波束控制表。利用當(dāng)今市面上最流行的電磁場(chǎng)高頻計(jì)算軟件FEKO，建立天線陣增益計(jì)算模型，該模型的輸入?yún)⒘繛樘炀€陣各個(gè)陣元饋入的相位，通過(guò)仿真計(jì)算，可以得到該天線陣在各個(gè)方向上的電磁波場(chǎng)強(qiáng)大小，從而繪制出波束合成后的天線增益圖。根據(jù)天線增益圖的結(jié)果，來(lái)判斷波束控制表的正確性。以下的仿真都是在組陣方式為2×4的8元天線陣情況下建立的。

通信頻率為3MHz，通信方向?yàn)?°時(shí)天線陣增益圖如圖4所示。

如圖4所示，在通信方向?yàn)?°時(shí)，通過(guò)波束控制表配置8陣元的相位信息，在0°和180°通信方向的時(shí)候，天線陣的增益為最大值。在90°和270°通信方向的時(shí)候，天線陣的增益為最小值。經(jīng)過(guò)分析證明波束控制表配置的相位信息有效并且正確。

圖4　天線陣增益圖

通信頻率為15MHz，通信方向?yàn)?0°時(shí)天線陣增益圖如圖5所示。

圖5　天線陣增益圖

如圖5所示，在通信方向?yàn)?0°時(shí)，通過(guò)波束控制表配置8陣元的相位信息，在90°和270°通信方向的時(shí)候，天線陣的增益為最大值。在30°、150°、210°和330°通信方向的時(shí)候，天線陣的增益為最小值。經(jīng)過(guò)分析證明波束控制表配置的相位信息有效并且正確。

圖6　天線陣增益圖

通信頻率為29.5MHz，通信方向?yàn)?0°時(shí)天線陣增益圖如圖6所示。

如圖6所示，在通信方向?yàn)?0°時(shí)，通過(guò)波束控制表配置8陣元的相位信息，在90°、200°、340°通信方向的時(shí)候，天線陣的增益為最大值。在270°通信方向的時(shí)候，天線陣的增益為最小值，增益為0。經(jīng)過(guò)分析證明波束控制表配置的相位信息有效并且正確。

6　結(jié)語(yǔ)

經(jīng)過(guò)反復(fù)的仿真分析，可以認(rèn)為波束成形算法得到的波束控制表能夠在理論上實(shí)現(xiàn)理想的波束合成的效果。與傳統(tǒng)的相位檢測(cè)控制技術(shù)相比本文提出的方法具有通信方向控制準(zhǔn)確、方便、實(shí)時(shí)且可以遠(yuǎn)程控制的特點(diǎn)。對(duì)生成的波束控制表，要根據(jù)天線安裝以后的工程誤差等因素對(duì)天線陣列各陣元的饋電相位進(jìn)行監(jiān)測(cè)，對(duì)多通道射頻信號(hào)的相位不一致性進(jìn)行修正，從而進(jìn)一步優(yōu)化波束控制表。

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Technology on A Beam Control Based on Shortwave Transmission System of Phased Array*

A model of beam control under the shortwave transmission system of phased array is established. According to the current state of transmitter including communication frequency, communication direction, arraying method and other factors, configuration-specific phase of multi-channel current state can be inquired and calculated fast and accurately to provide resultant phase shift value of antenna array beam forming for deflection control. For specific vertical antenna arrangement formation, a beam forming algorithm with better engineering adaptability is put forward. Moreover the simulation of beam forming is completed. Repeated analysis and simulation shows the beam control table from beam forming algorithm can realize effect for ideal beam forming.

phase array, shortwave transmission system, arraying method, beam forming

2016年2月12日,

2016年3月23日

李曉文，男，工程師，研究方向：短波無(wú)線通信。王華旭，男，工程師，研究方向：通信技術(shù)。楊志清，男，工程師，研究方向：通信技術(shù)。何憲文，男，博士研究生，研究方向：無(wú)線通信。

TN914

10.3969/j.issn.1672-9730.2016.08.020