寬帶DBF 測向設(shè)備通道校正方法及工程實(shí)現(xiàn)

唐 龍

（桂林長海發(fā)展有限責(zé)任公司，廣西 桂林 541001）

1 概 述

寬帶DBF 測向設(shè)備采用測頻測向一體化設(shè)計(jì)，集成數(shù)字測頻、數(shù)字測向和信號分選功能。數(shù)字波束形成技術(shù)（DBF）是以對多路陣列天線信號進(jìn)行合適數(shù)字幅相加權(quán)來實(shí)現(xiàn)波束形成的技術(shù)，充分利用多路陣列天線所獲得的信號空間信息，可以獲得超出普通單元天線的性能，通過數(shù)字信號處理技術(shù)使合成波束獲得超分辨率和低旁瓣的性能，同時(shí)具備目標(biāo)跟蹤、波束掃描以及自動(dòng)抗干擾能力[1]。

2 寬帶DBF 測向設(shè)備組成及工作原理

寬帶DBF 測向設(shè)備主要由非均勻接收天線陣列、16 通道高靈敏度幅相一致性接收通道、校正/自檢源和多波束處理模塊組成。圖1 為設(shè)備組成框圖。

圖1 寬帶DBF 測向設(shè)備組成框圖

非均勻接收天線陣列完成對空域射頻信號的接收。幅相一致性接收通道對接收到的信號進(jìn)行限幅、放大和下變頻，將射頻信號變頻成中頻信號。多波束測向處理模塊包括數(shù)字波束形成單元、高精度測向單元、校正單元、PDW 參數(shù)編碼和接口控制模塊。數(shù)字波束形成單元通過并行數(shù)據(jù)處理和相關(guān)數(shù)學(xué)計(jì)算，實(shí)現(xiàn)對接收天線陣元信號與合適的權(quán)矢量相乘，按照一定約束條件得到最佳矢量控制信號，以產(chǎn)生所需要指向的合成波束。高精度測向單元通過噪聲抑制和空間譜估計(jì)測向法對入射信號到達(dá)角度作精確測量。校正單元完成對天線方向圖和接收通道幅相一致性校準(zhǔn)。PDW參數(shù)編碼主要完成對形成波束作信號載波頻率、脈寬、到達(dá)時(shí)間和幅度的測量，結(jié)合到達(dá)角生成PDW 參數(shù)。接口控制模塊主要完成本振、校正源和衰減器等控制，完成與顯控計(jì)算機(jī)之間通信。

3 影響DBF 測向設(shè)備通道一致性的因素

數(shù)字波束形成技術(shù)中控制波束指向的數(shù)字幅相加權(quán)都是在基帶形成的，為了保證寬帶DBF 測向設(shè)備中基帶處理時(shí)各通道陣元信號的幅相特性與在天線陣列輸出端的幅相特性相同，需要保證各陣元接收變頻通道的頻率特性相同，但是因?yàn)楣に嚭推骷町愑绊懀瑴y向設(shè)備接收通道的幅相特性基本不能達(dá)到理想一致性要求，這對寬帶DBF 測向設(shè)備數(shù)字波束合成有著很大的影響[2]。

寬帶DBF 測向設(shè)備中由于不同天線陣元、限幅器、濾波器、放大變頻通道、高速ADC 等器件一致性的影響，不同接收通道會(huì)出現(xiàn)幅度帶內(nèi)起伏和相位失配誤差；即使在通道設(shè)計(jì)時(shí)優(yōu)先選取同一批次的元器件和高穩(wěn)定性的低損穩(wěn)相電纜，仍不能滿足多通道幅度/相位完全一致的要求；此外，天線陣元之間的互耦效應(yīng)，也會(huì)造成互耦誤差。因此，必須通過校正手段去除大部分通道幅度/相位誤差[3]。

4 多通道校正方法及工程實(shí)現(xiàn)

4.1 多通道幅相誤差校正實(shí)現(xiàn)方法

系統(tǒng)校正主要有兩種校正方式：外場輻射校正和微波通道校正，其中微波通道校正需要結(jié)合天線方向圖校正。通過內(nèi)置校正源并結(jié)合幅度/相位誤差定時(shí)或?qū)崟r(shí)控制技術(shù)對測向通道幅度/相位誤差一致性檢測校正，能夠補(bǔ)償環(huán)境條件變化或者器件性能變化而引起的幅度/相位誤差，可以保證寬帶DBF 測向設(shè)備在不同條件下都具有較高的測向精度[4]。

寬帶DBF 測向設(shè)備包含16 個(gè)陣元通道，我們可以理解成16 個(gè)陣元通道分別對應(yīng)16 個(gè)不同濾波器，各陣元通道信號通過不同的通道進(jìn)入數(shù)字波束形成單元，等效于經(jīng)過不同的濾波器傳遞函數(shù)，這16 個(gè)濾波器傳遞函數(shù)為：

通過測試出不同通道之間的相對關(guān)系，就可以將要進(jìn)行波束形成的信號通過校正方法形成一個(gè)有效平面波。采用內(nèi)部校正的方式將校正信號從功分網(wǎng)絡(luò)饋入接收前端，經(jīng)過模數(shù)轉(zhuǎn)換與正交插值后獲得幅相校準(zhǔn)系數(shù)，實(shí)現(xiàn)在測向與波束形成時(shí)進(jìn)行多通道幅相校準(zhǔn)。第k個(gè)頻率步進(jìn)校準(zhǔn)信號的頻域表示為s(fk)，第i個(gè)通道接收的信號為：

不失一般性，以第1 個(gè)通道接收的數(shù)據(jù)為參考，那么第i個(gè)通道和第1 個(gè)通道之間的差異用復(fù)數(shù)除法可以得到：

其中，Bi(fk)是第i個(gè)通道的幅相校準(zhǔn)系數(shù)。

4.2 多通道幅相誤差校正流程

假設(shè)第i（i=1，…，16）個(gè)天線陣元相對參考陣元在校正時(shí)的幅相不一致值為Ai，而接收通道內(nèi)校準(zhǔn)時(shí)幅相不一致值為Bi，定義內(nèi)外場校正系數(shù)為：

通常天線陣元在使用壽命期間，Ci可以認(rèn)為是一常數(shù)。因?yàn)闇y向設(shè)備使用環(huán)境條件變化或者器件性能變化，可以根據(jù)幅度/相位誤差定時(shí)或?qū)崟r(shí)控制技術(shù)進(jìn)行通道一致性內(nèi)校正。內(nèi)校正以其中一個(gè)通道為參考通道，經(jīng)過多波束處理模塊中模數(shù)轉(zhuǎn)換與正交插值后獲得校正基帶復(fù)信號，計(jì)算其他通道和該通道之間的幅相誤差值。假設(shè)第i個(gè)通道內(nèi)校正時(shí)某頻點(diǎn)得到的幅相不一致值變?yōu)锽i，則此頻率點(diǎn)天線陣元的幅相不一致性值相應(yīng)變?yōu)椋?/p>

該通道校正方法工程實(shí)現(xiàn)簡單，可行性高，通過測試出的多通道幅相校正數(shù)值，按照頻率值為地址的方式存儲(chǔ)在FPGA 內(nèi)部，供波束形成模塊調(diào)用并修正導(dǎo)向矢量。

圖2 通道校正前后實(shí)部/虛部效果對比

各通道校正前后實(shí)部/虛部效果對比如圖2 所示，校正前實(shí)部和虛部多通道間存在幅度和延遲差異，校正后實(shí)部和虛部多通道間的幅度和延遲差異均被補(bǔ)償?shù)簟?/p>

5 工程樣機(jī)測試結(jié)果

以測試X 波段頻率范圍為例，本設(shè)計(jì)中寬帶DBF測向設(shè)備在實(shí)驗(yàn)室條件下，成功實(shí)現(xiàn)各項(xiàng)指標(biāo)，測頻精度小于0.5 MHz，測向精度小于0.5°，具有信號分選、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)和回放功能。

6 結(jié) 論

通過分析寬帶DBF 測向設(shè)備工作原理和通道幅相一致性的影響因素，提出了一種基于外場輻射校正和內(nèi)場微波通道校正相結(jié)合的多通道校正方法。這種多通道校正方法可行性高，工程實(shí)現(xiàn)簡單。