數(shù)字陣列天線(xiàn)的陣面監(jiān)測(cè)方法研究

丁 堅(jiān)

(南京電子技術(shù)研究所,南京 210039)

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數(shù)字陣列天線(xiàn)的陣面監(jiān)測(cè)方法研究

丁 堅(jiān)

(南京電子技術(shù)研究所,南京 210039)

陣面監(jiān)測(cè)是數(shù)字陣列天線(xiàn)在陣面測(cè)試和工作過(guò)程中的重要自檢監(jiān)測(cè)手段，陣面監(jiān)測(cè)可檢測(cè)出數(shù)字陣列天線(xiàn)中存在異常的通道，避免這些通道對(duì)陣面性能造成影響。文中首先介紹了數(shù)字陣列天線(xiàn)的陣面監(jiān)測(cè)原理及分類(lèi)，并對(duì)各種監(jiān)測(cè)類(lèi)型的應(yīng)用場(chǎng)景作了分析；然后，詳細(xì)描述了陣面監(jiān)測(cè)中幾種常見(jiàn)的通道故障類(lèi)型、以及這些故障類(lèi)型的監(jiān)測(cè)方法和判斷依據(jù)；最后，結(jié)合實(shí)際陣面測(cè)試，將陣面監(jiān)測(cè)結(jié)果與實(shí)際通道性能進(jìn)行比較，證明了該陣面監(jiān)測(cè)方法的有效性，對(duì)比陣面監(jiān)測(cè)處理前后的波束形成結(jié)果，驗(yàn)證了陣面監(jiān)測(cè)方法對(duì)數(shù)字陣列天線(xiàn)的作用。

數(shù)字陣列天線(xiàn)；陣面監(jiān)測(cè)；數(shù)字波束形成

0 引 言

數(shù)字陣?yán)走_(dá)是一種新型體制的相控陣?yán)走_(dá)，數(shù)字陣?yán)走_(dá)在波束靈活性、系統(tǒng)動(dòng)態(tài)范圍、抗干擾等方面較模擬相控陣?yán)走_(dá)有著獨(dú)特優(yōu)勢(shì)。因此，越來(lái)越被包含地面、艦載、機(jī)載、星載等領(lǐng)域所應(yīng)用。數(shù)字陣列天線(xiàn)，具有通道多、成本大等特點(diǎn)，良好的數(shù)字陣列天線(xiàn)性能是雷達(dá)整體性能保證的前提。

數(shù)字陣列天線(xiàn)需滿(mǎn)足損耗小、副瓣低等特點(diǎn)[1]，但通道間存在一定差異性，如幅度、相位不一致性[2]以及通道異常導(dǎo)致通道失效[3]等，這些通道差異會(huì)對(duì)天線(xiàn)性能造成較大影響，使得數(shù)字波束形成(DBF)后波束的主瓣寬度、副瓣電平、波束保形等波束特性質(zhì)量降低[4-7]，通道校準(zhǔn)技術(shù)通過(guò)測(cè)試得到通道之間的幅相差異，對(duì)通道進(jìn)行補(bǔ)償，可以得到較好的波束方向圖，改善通道幅相差異帶來(lái)的影響，進(jìn)而改善雷達(dá)整體性能。陣面監(jiān)測(cè)技術(shù)通過(guò)在天線(xiàn)測(cè)試或雷達(dá)正常工作過(guò)程中對(duì)數(shù)字陣列的內(nèi)/外通道監(jiān)測(cè)，迅速定位出存在異常的通道，通過(guò)對(duì)該通道進(jìn)行維修或屏蔽，改善異常通道對(duì)天線(xiàn)性能的影響。

本文介紹了數(shù)字陣列天線(xiàn)陣面監(jiān)測(cè)系統(tǒng)組成、分類(lèi)及其應(yīng)用場(chǎng)景，結(jié)合實(shí)際工程中出現(xiàn)的通道失效情況，總結(jié)出通道幅度異常監(jiān)測(cè)、IQ單路異常監(jiān)測(cè)、通道相位異常監(jiān)測(cè)、通道幅相不穩(wěn)定監(jiān)測(cè)四種最常見(jiàn)通道失效監(jiān)測(cè)手段，針對(duì)這些通道失效情況，研究了相應(yīng)的定位方法和處理措施。將實(shí)際測(cè)試系統(tǒng)中通道監(jiān)測(cè)處理前后的DBF結(jié)果進(jìn)行比較，驗(yàn)證了通道監(jiān)測(cè)方法的有效性。

1 數(shù)字陣列天線(xiàn)陣面監(jiān)測(cè)原理及分類(lèi)

1.1 數(shù)字陣列天線(xiàn)陣面監(jiān)測(cè)系統(tǒng)組成和框圖

陣面監(jiān)測(cè)是指在天線(xiàn)進(jìn)行陣面測(cè)試或雷達(dá)正常工作過(guò)程中，利用特有的測(cè)試設(shè)備，對(duì)陣面接收或發(fā)射通道灌入指定輸入，并對(duì)接收或發(fā)射通道輸出結(jié)果進(jìn)行采集和分析，迅速定位出數(shù)字陣列天線(xiàn)工作狀態(tài)存在異?，F(xiàn)象的通道，指導(dǎo)雷達(dá)系統(tǒng)對(duì)失效通道進(jìn)行相應(yīng)的處理，避免或減小通道失效對(duì)陣面測(cè)試和雷達(dá)正常工作的影響。

數(shù)字陣列天線(xiàn)陣面監(jiān)測(cè)的原理框圖如圖1所示。

圖1 數(shù)字陣列天線(xiàn)陣面監(jiān)測(cè)原理框圖

圖1中控制/分析設(shè)備主要負(fù)責(zé)陣面監(jiān)測(cè)系統(tǒng)按一定時(shí)序進(jìn)行陣面測(cè)試以及對(duì)監(jiān)測(cè)結(jié)果進(jìn)行分析，頻率源主要負(fù)責(zé)為數(shù)字陣列和監(jiān)測(cè)組件產(chǎn)生時(shí)鐘/本振信號(hào)，數(shù)據(jù)采集設(shè)備負(fù)責(zé)對(duì)數(shù)字陣列通道和監(jiān)測(cè)組件進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，可以是DBF設(shè)備或者記錄設(shè)備；監(jiān)測(cè)組件主要負(fù)責(zé)發(fā)送/接收監(jiān)測(cè)信號(hào)。

監(jiān)測(cè)組件的原理框圖如圖2所示。

圖2 單通道和通道合成信噪比比較

1.2 數(shù)字陣列天線(xiàn)陣面監(jiān)測(cè)原理介紹

從監(jiān)測(cè)對(duì)象進(jìn)行劃分，陣面監(jiān)測(cè)可以分為接收內(nèi)/外監(jiān)測(cè)和發(fā)射內(nèi)/外監(jiān)測(cè)。內(nèi)監(jiān)測(cè)主要對(duì)陣面發(fā)射/接收的有源鏈路或數(shù)字單元本身進(jìn)行監(jiān)測(cè)，外監(jiān)測(cè)則是對(duì)發(fā)射/接收的整體鏈路進(jìn)行監(jiān)測(cè)。

1)接收內(nèi)監(jiān)測(cè)：對(duì)接收通道性能進(jìn)行內(nèi)監(jiān)測(cè)，當(dāng)圖1中開(kāi)關(guān)④與⑤接通時(shí)，由監(jiān)測(cè)組件產(chǎn)生監(jiān)測(cè)信號(hào)通過(guò)放大、功分將信號(hào)發(fā)送給每個(gè)數(shù)字單元，數(shù)字單元將接收信號(hào)輸出給數(shù)據(jù)采集設(shè)備，由分析設(shè)備對(duì)接收采樣數(shù)據(jù)進(jìn)行分析。

2)接收外監(jiān)測(cè)：對(duì)整個(gè)接收通道鏈路監(jiān)測(cè)，當(dāng)圖1中開(kāi)關(guān)④與⑥接通時(shí)，由監(jiān)測(cè)組件產(chǎn)生監(jiān)測(cè)信號(hào)通過(guò)放大后送到監(jiān)測(cè)探頭，監(jiān)測(cè)探頭置于數(shù)字陣列正前方或通過(guò)掃描架依次對(duì)準(zhǔn)每一個(gè)陣元，將信號(hào)發(fā)送給每個(gè)陣元，通過(guò)R組件、數(shù)字單元進(jìn)行信號(hào)接收并將信號(hào)輸出給數(shù)據(jù)采集設(shè)備，由分析設(shè)備對(duì)接收采樣數(shù)據(jù)進(jìn)行分析。

3)發(fā)射內(nèi)監(jiān)測(cè)：對(duì)發(fā)射通道性能進(jìn)行內(nèi)監(jiān)測(cè)，當(dāng)圖1中開(kāi)關(guān)①與②接通時(shí)，由發(fā)射通道數(shù)字單元產(chǎn)生信號(hào)通過(guò)監(jiān)測(cè)網(wǎng)絡(luò)發(fā)送給監(jiān)測(cè)組件的發(fā)射內(nèi)監(jiān)測(cè)單元，發(fā)射內(nèi)監(jiān)測(cè)單元將接收到的信號(hào)輸出給數(shù)據(jù)采集設(shè)備，由分析設(shè)備對(duì)發(fā)射內(nèi)監(jiān)測(cè)采樣數(shù)據(jù)進(jìn)行分析。

4)發(fā)射外監(jiān)測(cè)：對(duì)整個(gè)發(fā)射通道鏈路性能監(jiān)測(cè)，當(dāng)圖1中開(kāi)關(guān)①與③接通時(shí)，由發(fā)射通道數(shù)字單元產(chǎn)生信號(hào)通過(guò)T組件向陣元發(fā)送監(jiān)測(cè)信號(hào)，監(jiān)測(cè)探頭從空間接收信號(hào)并送給監(jiān)測(cè)組件的發(fā)射外監(jiān)測(cè)單元，發(fā)射外監(jiān)測(cè)單元將接收到的信號(hào)輸出給數(shù)據(jù)采集設(shè)備，由分析設(shè)備對(duì)發(fā)射外監(jiān)測(cè)采樣數(shù)據(jù)進(jìn)行分析。

從雷達(dá)研制階段進(jìn)行劃分，陣面監(jiān)測(cè)可分為陣面測(cè)試階段監(jiān)測(cè)和雷達(dá)正常工作階段監(jiān)測(cè)。陣面測(cè)試階段的陣面監(jiān)測(cè)一般伴隨通道校準(zhǔn)同時(shí)進(jìn)行，近場(chǎng)法和中場(chǎng)法校準(zhǔn)均需要陣面監(jiān)測(cè)[8]，此時(shí)陣面監(jiān)測(cè)主要協(xié)助判斷校準(zhǔn)采樣數(shù)據(jù)的可靠性，如通過(guò)陣面監(jiān)測(cè)發(fā)現(xiàn)失效通道，應(yīng)及時(shí)采取通道維修或替換等處理。雷達(dá)正常工作階段，陣面監(jiān)測(cè)完成對(duì)全陣面通道狀態(tài)監(jiān)測(cè)，用于快速定位故障通道，防止故障通道對(duì)全陣波束形成造成較大影響。一般外監(jiān)測(cè)測(cè)試時(shí)間較長(zhǎng)，在維護(hù)或發(fā)現(xiàn)波束性能明顯下降時(shí)使用，而內(nèi)監(jiān)測(cè)由于測(cè)試時(shí)間較短，可以每次開(kāi)機(jī)執(zhí)行一遍，甚至穿插在正常工作過(guò)程中。

2 數(shù)字陣列天線(xiàn)的陣面監(jiān)測(cè)方法

常規(guī)的數(shù)字陣列天線(xiàn)的陣面監(jiān)測(cè)方法是利用通道校準(zhǔn)結(jié)果觀察被測(cè)通道與參考通道間的幅度差，當(dāng)幅度差過(guò)大時(shí)，認(rèn)為通道異常。但是該方法并不能適用所有的通道故障，例如：被測(cè)通道IQ中單路異常、通道相位異常、通道性能不穩(wěn)定等故障，各通道故障現(xiàn)象如圖3所示。

以下對(duì)實(shí)際陣面測(cè)試中出現(xiàn)的故障及其監(jiān)測(cè)方法進(jìn)行介紹與分析。

2.1 通道幅度異常監(jiān)測(cè)

當(dāng)通道損壞或增益過(guò)高時(shí)，通道監(jiān)測(cè)采樣數(shù)據(jù)表現(xiàn)出幅度過(guò)小或者過(guò)大現(xiàn)象。此時(shí)，通道收發(fā)數(shù)據(jù)均存在失真現(xiàn)象，校準(zhǔn)結(jié)果誤差很大，即使通過(guò)通道校準(zhǔn)將該通道數(shù)據(jù)修正，也會(huì)因?yàn)樵肼暦糯蠡蛘咭胝`差而導(dǎo)致通道性能受到影響。通道幅度異常表現(xiàn)形式如圖3a)、圖3b)所示。

圖3 各類(lèi)通道故障現(xiàn)象

針對(duì)這種通道故障，采用通道幅度比較法進(jìn)行監(jiān)測(cè)。一般在監(jiān)測(cè)過(guò)程中，選擇某一指定通道作為參考通道，監(jiān)測(cè)前會(huì)對(duì)該通道進(jìn)行檢查，保證參考通道幅相穩(wěn)定、性能正常。通道幅度異常的判斷條件可以表示為

(1)

式中：A為通道幅度；T1為比較門(mén)限。當(dāng)被測(cè)通道與參考通道幅度差超過(guò)門(mén)限，則認(rèn)為該通道故障。

在正常工作過(guò)程中出現(xiàn)該種故障時(shí)，陣面監(jiān)測(cè)應(yīng)指出故障通道位置，并采取屏蔽法處理，即控制DBF將該通道信號(hào)設(shè)為噪聲或置零，以降低通道異常對(duì)系統(tǒng)造成的影響。

2.2 IQ單路異常監(jiān)測(cè)

數(shù)字通道信號(hào)分為兩路IQ正交信號(hào)，當(dāng)IQ中一路信號(hào)過(guò)小或無(wú)輸出時(shí)，IQ通道失真，影響DBF后波束性能。通道IQ單路異常表現(xiàn)形式如圖3c)所示。

發(fā)生這種通道故障時(shí)，通道幅度有所降低，但不一定低于通道幅度比較法的門(mén)限值T1，需要通過(guò)IQ比幅法進(jìn)行監(jiān)測(cè)。IQ比幅法的判斷條件為

(2)

式中：AI、AQ分別為通道IQ單路幅度；T2為比較門(mén)限。

對(duì)被測(cè)通道的I路與Q路進(jìn)行幅度檢測(cè)，當(dāng)IQ路幅度差超過(guò)門(mén)限時(shí)，則認(rèn)為該通道I路或者Q路存在異常。

在正常工作過(guò)程中出現(xiàn)該種故障時(shí)，陣面監(jiān)測(cè)應(yīng)指出異常通道位置，并采取屏蔽法。

2.3 通道相位異常監(jiān)測(cè)

通道相位異常是指，通道發(fā)生故障導(dǎo)致通道相位抖動(dòng)較大，其表現(xiàn)形式如圖3d)所示。

發(fā)生這種通道故障時(shí)，通道幅度可能與參考通道幅度接近，且IQ路幅度都正常，故不一定能通過(guò)幅度比較檢測(cè)出來(lái)，需要通過(guò)相位導(dǎo)數(shù)方差檢測(cè)法進(jìn)行監(jiān)測(cè)。陣面監(jiān)測(cè)時(shí)產(chǎn)生的監(jiān)測(cè)信號(hào)為幅度穩(wěn)定、相位遞增的點(diǎn)頻信號(hào)，對(duì)相位進(jìn)行求導(dǎo)，理論上應(yīng)為常數(shù)。但是，由于噪聲、系統(tǒng)誤差等因素存在，相位的導(dǎo)數(shù)應(yīng)該在一個(gè)常數(shù)附近抖動(dòng)，即方差較小。當(dāng)出現(xiàn)相位異常時(shí)，故障通道的相位導(dǎo)數(shù)不再符合這種現(xiàn)象，即相位導(dǎo)數(shù)方差較大。正常通道與相位抖動(dòng)通道的相位比較如圖4所示。

圖4 正常通道與相位抖動(dòng)通道的相位比較

相位導(dǎo)數(shù)方差檢測(cè)法的判斷條件為

D(φ被測(cè)通道)>T3

(3)

式中：φ為通道相位序列；T3為比較門(mén)限。

對(duì)被測(cè)通道的相位序列進(jìn)行求導(dǎo)，即取相鄰采樣點(diǎn)之間的相位差，并對(duì)被測(cè)通道的相位差求方差，當(dāng)方差超過(guò)門(mén)限時(shí)，則認(rèn)為該通道相位異常。

在正常工作過(guò)程中出現(xiàn)該種故障時(shí)，陣面監(jiān)測(cè)應(yīng)指出故障通道位置，并采取屏蔽法處理。

2.4 通道幅相不穩(wěn)定監(jiān)測(cè)

在陣面測(cè)試或雷達(dá)正常工作時(shí)，由于電纜連接松動(dòng)或組件性能起伏等原因，會(huì)造成通道性能不穩(wěn)定，表現(xiàn)出通道數(shù)據(jù)時(shí)好時(shí)壞的現(xiàn)象。

針對(duì)這種通道故障，由于通道不是一直存在故障，故單次陣面監(jiān)測(cè)未必能夠定位出異常通道，需要通過(guò)幅相方差檢測(cè)法進(jìn)行監(jiān)測(cè)。數(shù)字陣列天線(xiàn)的通道特性在較短時(shí)間內(nèi)是很穩(wěn)定的，因此，其幅相校準(zhǔn)值會(huì)在一個(gè)較小范圍內(nèi)起伏，如一段時(shí)間內(nèi)多次校準(zhǔn)結(jié)果起伏較大，則說(shuō)明該通道存在通道性能不穩(wěn)定故障。幅相方差檢測(cè)法的判斷條件為

(4)

或者

D(|φ被測(cè)通道-φ參考通道|)>T5

(5)

對(duì)多次通道校準(zhǔn)后的幅度差、相位差序列分別求方差，當(dāng)方差超過(guò)門(mén)限時(shí)，則認(rèn)為該通道性能起伏較大。在正常工作過(guò)程中出現(xiàn)該種故障時(shí)，陣面監(jiān)測(cè)應(yīng)指出故障通道位置，并采取屏蔽法處理。

3 性能分析

采用本文介紹的方法對(duì)數(shù)字陣列天線(xiàn)進(jìn)行實(shí)際陣面監(jiān)測(cè)，當(dāng)陣面監(jiān)測(cè)過(guò)程中發(fā)現(xiàn)性能超出監(jiān)測(cè)指標(biāo)時(shí)，上報(bào)故障通道并采取通道屏蔽法進(jìn)行處理。實(shí)際工作中，對(duì)陣面監(jiān)測(cè)原始采樣數(shù)據(jù)分析，人為進(jìn)行逐個(gè)通道性能判斷，判斷結(jié)果與上述四種異常檢測(cè)方法的結(jié)果一致，說(shuō)明文中所述監(jiān)測(cè)手段有效。對(duì)采取陣面監(jiān)測(cè)進(jìn)行故障通道屏蔽與不進(jìn)行相應(yīng)處理的波束圖進(jìn)行比較，如圖5所示。

圖5 陣面監(jiān)測(cè)前后波束圖比較

進(jìn)行陣面監(jiān)測(cè)并屏蔽故障通道前后，波束形成性能差別如表1所示。

表1 通道監(jiān)測(cè)前后波束形成性能比較

由圖5和表1可以看出，采用陣面監(jiān)測(cè)并進(jìn)行相應(yīng)處理后波束副瓣電平壓低、波束寬度收縮、波束保形改善，波束性能有明顯提升。

4 結(jié)束語(yǔ)

本文研究了數(shù)字陣列天線(xiàn)的陣面監(jiān)測(cè)方法，對(duì)其原理和組成進(jìn)行了詳細(xì)闡述，針對(duì)實(shí)際工程中出現(xiàn)的通道故障模式，提出了相應(yīng)的監(jiān)測(cè)方法、判斷準(zhǔn)則以及處理措施。工程實(shí)踐證明，本方法提出的陣面監(jiān)測(cè)方法有效，采用相應(yīng)通道屏蔽措施后，波束性能有明顯改善。本文可為數(shù)字陣列陣面天線(xiàn)的陣面監(jiān)測(cè)系統(tǒng)提供系統(tǒng)方案支撐。

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丁 堅(jiān) 男，1982年生，碩士，工程師。研究方向?yàn)槔走_(dá)信號(hào)處理、陣列處理、反干擾等方面。

A Study on Array Monitor Methods of Digital Array Antenna

DING Jian

(Nanjing Research Institute of Electronics Technology,Nanjing 210039,China)

Array monitor is an important self-monitor method of digital array antenna while antenna testing or radar normal working.Array monitor can find the abnormal channels in digital array antenna,and avoid the effects to antenna.Firstly,the principles and assortments of digital array antenna monitor are introduced,and the application scenarios of each monitor method are analysed.Secondly,several common channel abnormal types are described and the monitor methods and determinants of these types detailedly are introduced.Finally,are described the array monitor results with the real channel properties in actual array test are compared.The result verifies the availabilities of these array monitor methods.The beam forming result comparison of before and after array monitor provides the effort of monitor methods to digital array antenna.

digital array antenna；array monitor ；DBF

??伺系統(tǒng)·

10.16592/j.cnki.1004-7859.2016.10.014

丁堅(jiān) Email：szdingj@163.com

2016-07-06

2016-09-19

TN85

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1004-7859(2016)10-0061-04