寬帶陣列超低副瓣實現(xiàn)技術

黃 華，于 勇

(中國船舶重工集團公司第七二三研究所，江蘇 揚州 225101)

0 引 言

戰(zhàn)爭中的先敵發(fā)現(xiàn)與先敵打擊能力是決定某次戰(zhàn)役成敗的關鍵。有源相控陣在現(xiàn)代戰(zhàn)爭中的運用給對抗方帶來了一定的困難，有源相控陣采取的是快速波束掃描的方式，并且通過低副瓣技術可將發(fā)射副瓣做得很低[1]。若要實現(xiàn)對其信號的高概率截獲，那么，偵察設備也要采取相應的有源相控陣對抗技術，在寬帶范圍內(nèi)利用陣面增益與數(shù)字波束形成技術提高設備的偵收靈敏度，實現(xiàn)對敵方電磁信號的副瓣偵收。

考慮到成本與集成度等因素，不可能單元級采用數(shù)字波束形成技術[2-4]，通常采用的是子陣級的數(shù)字波束形成技術。子陣級的數(shù)字波束形成技術既涉及到前端模擬部分的饋電、微波等的設計，同時也涉及到后端數(shù)字部分的處理架構。

1 系統(tǒng)模型

子陣級超低副瓣系統(tǒng)框圖如圖1所示，包括陣列層、饋電層、微波層、采樣層、接收機與系統(tǒng)控制六大部分。

其中，天線層為寬帶陣列天線，可根據(jù)安裝需求，與安裝平臺共形，主要用于接收制定自由空間中的電磁信號；饋電層將m×n個天線單元合成n個子陣信息；微波層將n路射頻子陣信號下變頻至n路中頻信號，并將中頻信號送給后端的采樣層，在采樣層中完成模擬中頻信號的數(shù)字量化，得到數(shù)字中頻信號；數(shù)字中頻信號傳送給后端的接收機，在接收機中完成波束形成的操作；系統(tǒng)控制為該系統(tǒng)的核心部分，控制著陣列的空間指向、微波變頻、A/D方式、數(shù)字接收機及整個系統(tǒng)的工作狀態(tài)等。

圖1 寬帶系統(tǒng)工作框圖

包含模擬部分與數(shù)字部分的子陣級數(shù)字波束合成超低副瓣系統(tǒng)中，要獲得超低副瓣的效果，首先，在設計過程中需充分考慮各部分在工作帶寬內(nèi)的幅度與相位的多通道一致性，在系統(tǒng)指標分配過程中對每個模塊進行仔細核算；然后，在測試過程中需要對模擬部分、數(shù)字部分及兩者相結合的部分進行高精度的校正，盡量消除測量誤差帶來的不一致性。

2 數(shù)學模擬與公式推導

按照圖1所示的系統(tǒng)工作框圖建立如圖2所示的數(shù)學模擬，在該模型中包括單元權系數(shù)WU、子陣權系數(shù)WS、信道權系數(shù)WC3個部分，其中子陣權系數(shù)包括微波通道與數(shù)字采樣通道，在設計與測試過程中需充分考慮這三部分幅度與相位的一致性方可獲得低副瓣的性能。

其中，單元權系數(shù)表征的是陣列中m×n個單元的一致性在不同的幅度與相位狀態(tài)下的數(shù)值；子陣權系數(shù)則是由單元經(jīng)過饋電網(wǎng)絡所合成的n個子陣，用于表征微波及A/D后的子陣通道幅度與相位的一致性；信道權系數(shù)是指寬帶信號在處理過程中劃分為q個子信道，在多個信道中也要考慮多個信道間的幅度與相位的一致性；最終合成波束數(shù)據(jù)輸出。

圖2 子陣級超低副瓣形成模型

2.1 單元權系數(shù)

天線陣列規(guī)模為m×n，具體的單元權系數(shù)公式WU可表示為：

(1)

式中：Wunitmn為陣列中mn個單元的電流激勵幅度；Ai為每個單元通道第i(i=1，…，64)個幅度狀態(tài)下的幅度值；φj為每個單元通道第j(j=1，…，64)個相位狀態(tài)下的相位值；M、N分別為M行單元數(shù)與N列單元數(shù)。

2.2 子陣權系數(shù)

由m×n個單元通過饋電網(wǎng)絡合成n個子陣，既包括了微波的1～n個子陣通道，又包括了A/D的1～n個子陣通道，具體的子陣權系數(shù)公式WS可表示為：

(2)

式中：n為陣列中的子陣個數(shù)；Wsubarray為每個子陣中的權值，基礎的權值可通過泰勒窗函數(shù)獲得，同時需考慮不同子陣通道的不一致性，通過測量后求取校正系數(shù)。

2.3 信道權系數(shù)

為了降低寬帶信號的處理難度，一般將寬帶信號劃分成q個信道進行處理，具體的信道權系數(shù)公式WC可表示為：

(3)

式中：q為所劃分的信道個數(shù)，即是將大帶寬信號所分成的子處理帶寬數(shù)；Wchannel為每個信道中的權值。

2.4 系統(tǒng)合成系數(shù)

最終的系統(tǒng)合成系數(shù)包括了單元權系數(shù)、子陣權系數(shù)與信道權系數(shù)，具體的系統(tǒng)合成系數(shù)公式F(A,φ)可表示為：

F(A,φ)=WU·WS·WC=

Wsubarray(n)·Wchannel(q)

(4)

3 實測結果

實測過程中測試了一個16×16規(guī)模的Ku波段的陣面，該陣按工作的高頻段點的半波長進行布陣，其中，子陣數(shù)16，接收處理信道數(shù)為15。測試過程中，分別測試了256個通道的幅度與相位、16個子陣的幅度與相位及15個信道的幅度與相位的校正前與校正后的測試數(shù)據(jù)，最后測試了包括通道、子陣及信道在內(nèi)的整個系統(tǒng)的所有幅度與相位數(shù)據(jù)。測試結果如圖3～圖6所示。

圖3 通道測試數(shù)據(jù)

圖4 子陣測試數(shù)據(jù)

圖5 信道測試數(shù)據(jù)

圖6 系統(tǒng)測試數(shù)據(jù)

從圖3～圖6中的測試結果可知，在自由狀態(tài)下，相位的初始狀態(tài)分布在0°～360°之間，幅度的初始狀態(tài)與各個分立器件所提的指標對應；通過對原始數(shù)據(jù)進行測試，利用相應的算法進行計算，可得最后通道、子陣、信道的校正結果；通道、子陣、信道的校正結果是收斂的，具有很好的重復性；最后對整個系統(tǒng)的所有幅度與相位進行了測試，校正后的相位在10°以內(nèi)，幅度在3 dB以內(nèi)。

4 結束語

本文從寬帶系統(tǒng)的工作原理出發(fā)，分析了影響寬帶系統(tǒng)超低副瓣相關的通道、子陣、信道的幅度與相位因素，最后對256個陣元規(guī)模、16個子陣、15個信道的實例進行了測試。首先測試了各個部分的幅度與相位特性，最后對整個系統(tǒng)的幅度與相位特性進行了測試，結果表明校正后的相位在10°以內(nèi)，幅度在3 dB以內(nèi)，可實現(xiàn)超低副瓣的特性。