DBF陣列波束無法穩(wěn)定形成的原因分析及驗(yàn)證

楊 超，王雁濤，唐益民

(1.海裝駐重慶地區(qū)軍事代表局，重慶 400042；2.西南電子設(shè)備研究所，成都 610036)

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DBF陣列波束無法穩(wěn)定形成的原因分析及驗(yàn)證

楊 超1，王雁濤1，唐益民2

(1.海裝駐重慶地區(qū)軍事代表局，重慶 400042；2.西南電子設(shè)備研究所，成都 610036)

針對已固化權(quán)值的數(shù)字波束形成(DBF)陣列在岸邊環(huán)境中出現(xiàn)波束無法穩(wěn)定形成的問題，分析了原因，通過展寬主瓣波束的方法驗(yàn)證了原因分析的正確性。

數(shù)字波束形成陣列；波束形成；波束校正

0 引 言

烏克蘭“鎧甲”無源探測系統(tǒng)等裝備證實(shí)了利用對對流層散射微弱微波信號的接收可實(shí)現(xiàn)超視距偵察，但其瞬時空域覆蓋窄導(dǎo)致對目標(biāo)信號截獲概率低，無疑對作戰(zhàn)效能有著較大的影響。數(shù)字波束(DBF)陣列具有增益高和空域覆蓋寬等特點(diǎn)，可顯著提高對目標(biāo)輻射信號的探測距離和探測概率。DBF陣列的波束形成是通過對各路陣列單元接收的信號進(jìn)行幅度/相位加權(quán)運(yùn)算實(shí)現(xiàn)，理論上其幅度/相位權(quán)值不變，DBF陣列波束特性不變[1-2]。本文針對已固化權(quán)值的數(shù)字波束形成陣列在實(shí)際環(huán)境中出現(xiàn)波束無法穩(wěn)定形成的問題，分析了引起波束凌亂的原因，通過展寬主瓣波束的方法驗(yàn)證了原因分析的正確性。

1 問題描述

微波輻射源架設(shè)在距離DBF陣列5.8 km、高度低于DBF陣列0.47 km的位置，DBF陣列附近有房屋及其它設(shè)備，百米開外有通訊鐵塔，低處有樹木、風(fēng)電設(shè)備。DBF陣列臨近海面，電磁環(huán)境比較復(fù)雜。在確認(rèn)DBF陣列工作正常后，利用微波輻射源對DBF陣列波束形成情況進(jìn)行測試，發(fā)現(xiàn)波束凌亂，中午重新對DBF陣列進(jìn)行權(quán)值校正后，能夠形成波束但天線副瓣電平偏高，晚上波束再次凌亂。

2 原因分析

基于現(xiàn)場環(huán)境和DBF陣列工作原理及天線陣?yán)碚摲治鯷3-4]，波束無法穩(wěn)定形成或凌亂的主要原因包括：環(huán)境中信號傳播多徑引起的波束畸變、鹽霧天氣引起的幅度/相位畸變、輻射源信號入射俯仰角引入的幅度/相位畸變均可能造成DBF陣列性能的下降，甚至波束無法形成。

2.1 信號多徑傳播影響分析

微波輻射源天線與DBF陣列之間滿足天線測量要求的最小測試距離，電波傳播滿足通視條件。在這種情況下，信號多徑傳播對陣列波束主瓣影響不大，但對波束副瓣會有較大的影響，況且白天和晚上的信號傳播環(huán)境并無實(shí)質(zhì)變化，因此信號多徑傳播不是波束不能穩(wěn)定形成的主要因素。

2.2 鹽霧天氣影響分析

中午天氣晴朗，晚上海面霧大。以微波輻射源3.6 GHz信號進(jìn)行輻射測試，通過測試陣列方位維各通道輸出的幅度和相位，晚上的信號傳輸損耗比白天大3.2 dB，陣列邊緣通道相位漂移比白天超前12°。收發(fā)天線布局示意圖如圖1所示。

圖1 收發(fā)天線布局示意圖

電磁波在介質(zhì)中傳播時，傳輸介質(zhì)引起的相位變化為：

(1)

式中:ε為介質(zhì)的相對介電常數(shù)。

由式(1)可知，12°的相位漂移主要是由晚上出現(xiàn)的海霧引起。根據(jù)陣列、單元及輻射源之間的尺寸，計(jì)算出12°的相位漂移可等效為在天線陣方位維長度基礎(chǔ)上縮短約2.8 mm，平均相鄰陣列單元間距縮短0.044 mm。根據(jù)陣列的俯仰維尺寸，推斷出在俯仰維鹽霧天氣造成邊緣通道最大相位漂移不大于19°,等效距離縮短約4.4 mm，平均相鄰單元間間距縮短0.14 mm。0.14 mm和0.044 mm陣元間距的變化均滿足0.2 mm的安裝精度要求。另外，以前在其它遠(yuǎn)離海岸的環(huán)境中多次出現(xiàn)的雨霧天氣從未影響DBF波束合成，盡管海霧引起的損耗較大，但它對DBF陣列各陣元和通道的影響是相同的。因此鹽霧天氣引起的幅度、相位變化不是波束不能形成的主要因素。

2.3 輻射源信號入射角影響分析

微波輻射源相距DBF陣列5.8 km，滿足陣列天線所需的遠(yuǎn)場輻射條件。在俯仰方向，收發(fā)天線的高度差0.47 km引起的入射波以4.6°進(jìn)入DBF陣列。DBF陣列波束指向下俯2°，實(shí)際入射波進(jìn)入DBF陣列的夾角約2.6°。圖2為3.6 GHz頻率點(diǎn)的DBF陣列俯仰面仿真方向圖，入射信號落入DBF天線的俯仰副瓣區(qū)域，相對主瓣，此處俯仰面合成波束相位翻轉(zhuǎn)，但只要副瓣區(qū)幅度、相位是穩(wěn)定的，并不影響方位面DBF權(quán)值的校正和波束的形成，所以，白天重新校正權(quán)值可以形成副瓣稍高、波束展寬的DBF波束。因此輻射以2.6°仰角進(jìn)入DBF陣列是DBF波束形成變差的因素，但達(dá)不到波束凌亂、嚴(yán)重畸變的程度。

圖2 天線俯仰面仿真方向圖

3 試驗(yàn)驗(yàn)證

如果保證微波輻射源信號入射角落入俯仰波束變化較緩的主瓣區(qū)域，即方向圖幅度/相位基本穩(wěn)定，入射信號微弱的幅相變化將不會引起合成波束的畸變。通過只采用1/4子陣擴(kuò)展DBF陣列的波束俯仰寬度，俯仰維2.6°附近入射的信號處于子陣俯仰波束位置如圖3，此時2.6°位于俯仰波束幅/相特性基本穩(wěn)定的主瓣區(qū)域。

在采用1/4俯仰陣列進(jìn)行驗(yàn)證后，DBF陣列主瓣接收信號相位漂移和幅度起伏依然存在，但無論晴天、鹽霧天，形成的DBF波束正常。因此，已固化的幅相權(quán)值完全可用。

4 結(jié)束語

圖3 天線俯仰面1/4子陣仿真方向圖

入射俯仰角各因素對DBF陣列合成波束的影響，均不能從根本上影響DBF波束的正常形成，但當(dāng)3個因素同時作用于DBF陣列時，DBF陣列方向圖副瓣電平起伏和相位翻轉(zhuǎn)，導(dǎo)致接收俯仰2.6°入射信號不穩(wěn)定，使DBF陣列波束嚴(yán)重畸變。此現(xiàn)象也說明了DBF陣列有效覆蓋空域應(yīng)是其主瓣覆蓋空域，在內(nèi)場校正固化的幅相加權(quán)值在外場同樣適用。

[1] 邱文杰，楊超,陳文漢，等.數(shù)字波束形成在雷達(dá)中的應(yīng)用譯文專輯[J].成都電訊工程學(xué)院學(xué)報(bào)，1998，17(S1)：71- 82.

[2] 楊超，邱文杰.空間譜估計(jì)測向中通道失配和陣元間互耦的一次性補(bǔ)償[J].電子科學(xué)學(xué)刊,1995，27(3):32- 36.

[3] 謝處方，邱文杰.天線原理與設(shè)計(jì)[M].西安：西安電子科技大學(xué)出版社，1985.

[4] 汪茂光，呂善偉，劉瑞祥.陣列天線分析與綜合[M].成都：電子科技大學(xué)出版社，1989.

Reason Analysis and Experimental Verification for Unstabilized Beam-forming of DBF Array

YANG Chao1,WANG Yan-tao1,TANG Yi-min2

(1.Military Representative Bureau of Naval Equipment Department in Chongqing Region,Chongqing 400042,China;2.Southwest Research Institute of Electronic Equipment,Chengdu 610036,China)

Aiming at the problem that the beam of digital beam-forming (DBF) array with fixed weight value can not be formed stably on the shore,this paper analyzes the reasons,validates the correctness of reason analysis by widening main-lobe beam width.

digital beam-forming array;beam forming;beam correction

2015-11-11

TN971.1

A

CN32-1413(2016)03-0027-02

10.16426/j.cnki.jcdzdk.2016.03.007