一種射頻仿真試驗(yàn)系統(tǒng)的校準(zhǔn)裝置設(shè)計(jì)研究

邵榮營(yíng)

(中國(guó)船舶重工集團(tuán)公司第七二三研究所，江蘇 揚(yáng)州 225101)

0 引 言

射頻仿真試驗(yàn)系統(tǒng)(Radio Frequency Simulation Test System，RFSS)是一種針對(duì)雷達(dá)系統(tǒng)進(jìn)行性能測(cè)試與評(píng)估的半實(shí)物仿真系統(tǒng)。在射頻仿真試驗(yàn)系統(tǒng)中可以構(gòu)造產(chǎn)生威脅輻射源、目標(biāo)回波和電子干擾等電磁信號(hào)，模擬被試設(shè)備在真實(shí)戰(zhàn)場(chǎng)下所面臨的復(fù)雜電磁環(huán)境，檢測(cè)被試設(shè)備在實(shí)戰(zhàn)條件下的性能指標(biāo)。因其測(cè)試性能全面、保密性好、靈活性強(qiáng)、經(jīng)濟(jì)效益高等優(yōu)點(diǎn)，射頻仿真試驗(yàn)系統(tǒng)已廣泛應(yīng)用于導(dǎo)引頭、雷達(dá)等裝備的系統(tǒng)研制過(guò)程中的性能評(píng)估。[1-2]

本文所述射頻仿真試驗(yàn)系統(tǒng)是一種陣列式仿真試驗(yàn)系統(tǒng)，主要由微波暗室、目標(biāo)干擾模擬系統(tǒng)、天線(xiàn)陣列、飛行轉(zhuǎn)臺(tái)、陣列饋電系統(tǒng)和計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)等部分組成。陣列式射頻仿真試驗(yàn)系統(tǒng)的基本設(shè)計(jì)思想是采用電路控制的方法來(lái)實(shí)現(xiàn)自由空間內(nèi)模擬目標(biāo)與被試裝備視在角位置及其運(yùn)動(dòng)軌跡，完成被試設(shè)備的仿真試驗(yàn)和各項(xiàng)性能的檢驗(yàn)。射頻仿真試驗(yàn)系統(tǒng)中目標(biāo)位置精度直接影響系統(tǒng)的工作性能，即通過(guò)射頻仿真試驗(yàn)系統(tǒng)天線(xiàn)陣列三元組基于合成公式模擬出來(lái)的目標(biāo)實(shí)際位置與控制指令理論位置之間的偏差，該偏差值越小表示射頻仿真系統(tǒng)的精度越高。校準(zhǔn)裝置作為射頻仿真系統(tǒng)的重要組成部分，其作用就是對(duì)射頻仿真系統(tǒng)存在的誤差進(jìn)行測(cè)量和修正，其最終目的就是提高系統(tǒng)的目標(biāo)位置精度。[3]

1 校準(zhǔn)系統(tǒng)運(yùn)行原理

所述射頻仿真試驗(yàn)系統(tǒng)的校準(zhǔn)系統(tǒng)采用輻射式工作方式。系統(tǒng)校準(zhǔn)的基本工作原理框圖如圖1所示。圖中可看出校準(zhǔn)系統(tǒng)主要由射頻信號(hào)產(chǎn)生部分、校準(zhǔn)前端和校準(zhǔn)控制計(jì)算機(jī)等部分組成。信號(hào)產(chǎn)生部分由標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)源和本振信號(hào)源組成，提供射頻信號(hào)以及校準(zhǔn)前端所需的變頻本振信號(hào)，同時(shí)使用信號(hào)源自帶的同步信號(hào)進(jìn)行相參同步，以保證兩臺(tái)信號(hào)源輸出信號(hào)相位的嚴(yán)格一致性。校準(zhǔn)前端即校準(zhǔn)接收機(jī)系統(tǒng)主要由雙通道寬頻帶校準(zhǔn)接收機(jī)和矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀組成。校準(zhǔn)控制計(jì)算機(jī)通過(guò)以太網(wǎng)接口與射頻仿真系統(tǒng)中其他控制計(jì)算機(jī)通訊，控制校準(zhǔn)系統(tǒng)中的硬件設(shè)備和測(cè)量?jī)x表按照設(shè)定的模式完成校準(zhǔn)工作，同時(shí)處理和記錄校準(zhǔn)過(guò)程中獲取的數(shù)據(jù)。

圖1 射頻仿真系統(tǒng)校準(zhǔn)工作原理框圖

在校準(zhǔn)控制計(jì)算機(jī)的控制下，標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)源輸出的射頻信號(hào)分為兩路，一路送陣列饋電系統(tǒng)作為校準(zhǔn)測(cè)試信號(hào)，然后通過(guò)陣列天線(xiàn)單元輻射至校準(zhǔn)分系統(tǒng)；另一路通過(guò)預(yù)埋的電纜或波導(dǎo)送至校準(zhǔn)前端，用作校準(zhǔn)系統(tǒng)的參考基準(zhǔn)Fref。標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)源輸出的時(shí)鐘同步也通過(guò)預(yù)埋電纜送至本振信號(hào)源和矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀。

陣列天線(xiàn)單元輻射的射頻信號(hào)被校準(zhǔn)接收機(jī)接收，通過(guò)信號(hào)接收選擇裝置進(jìn)行波束切換。接收的射頻信號(hào)經(jīng)過(guò)校準(zhǔn)通道進(jìn)行下變頻至中頻信號(hào)，然后經(jīng)過(guò)中頻放大、濾波等處理再送入矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀。矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀對(duì)接收的不同波束射頻信號(hào)進(jìn)行相對(duì)幅度、相對(duì)相位的測(cè)量。測(cè)量數(shù)據(jù)傳輸?shù)叫?zhǔn)控制計(jì)算機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)分析計(jì)算、記錄并存儲(chǔ)結(jié)果，同時(shí)進(jìn)行誤差分析和判斷。

2 校準(zhǔn)裝置數(shù)學(xué)模型

為完成各項(xiàng)功能、滿(mǎn)足性能指標(biāo)要求，本文所述校準(zhǔn)裝置采用比相法和比幅法兩種工作方式。

2.1 比相法測(cè)角

比相法測(cè)角又稱(chēng)為干涉儀測(cè)角法，即利用兩路天線(xiàn)所接收的射頻信號(hào)之間的相位差來(lái)測(cè)量入射信號(hào)的入射角[4]，如圖2所示。

假定被校準(zhǔn)的輻射單元天線(xiàn)方向與校準(zhǔn)接收天線(xiàn)軸線(xiàn)方向的夾角為θ?？紤]到被校準(zhǔn)的輻射單元天線(xiàn)到校準(zhǔn)接收天線(xiàn)距離遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于接收天線(xiàn)間距， 即輻射

圖2 比相法測(cè)角原理示意圖

源與接收機(jī)所處的位置滿(mǎn)足遠(yuǎn)場(chǎng)條件。由于接收天線(xiàn)間距為d，故兩路天線(xiàn)所接收的射頻信號(hào)由于存在的波程差ΔR而產(chǎn)生相位差φ，即

(1)

式中，λ為射頻信號(hào)的波長(zhǎng)。那么，如用矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀測(cè)出接收到的兩路射頻信號(hào)的相位差φ，就可計(jì)算出天線(xiàn)單元輻射的入射角θ。

相位差φ測(cè)量誤差將對(duì)入射角θ的測(cè)量產(chǎn)生誤差，對(duì)式(1)兩邊取微分可得

(2)

(3)

由式(3)可以看出，采用精度較高(dφ小)的矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀，或減小λ/d值(增大d/λ值)，均可提高系統(tǒng)的測(cè)角精度。

值得注意的是，雖然增大d/λ值可以提高測(cè)角精度，但由式(1)可知，當(dāng)d/λ值增大到一定程度時(shí)φ值將會(huì)超過(guò)2π，超出矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀的測(cè)量范圍，將會(huì)出現(xiàn)真實(shí)的φ值無(wú)法確定的問(wèn)題，即多值模糊問(wèn)題。

不難看出，校準(zhǔn)裝置的測(cè)角精度和測(cè)角范圍是相互限制的。在裝置設(shè)計(jì)過(guò)程中需要綜合考慮，選擇合理的接收天線(xiàn)間距，同時(shí)滿(mǎn)足測(cè)角精度和測(cè)角范圍的技術(shù)指標(biāo)要求。

2.2 比幅法測(cè)角

比幅法測(cè)角方式是通過(guò)測(cè)量?jī)陕诽炀€(xiàn)所接收的射頻信號(hào)的幅度來(lái)測(cè)量入射角，接收信號(hào)的幅度取決于兩個(gè)天線(xiàn)的入射角度和方向圖。比幅法測(cè)角可分為最大信號(hào)法和等信號(hào)法兩種方式，其中等信號(hào)法是主要的比幅測(cè)角方式。[4]

等信號(hào)法測(cè)角采用兩個(gè)相同且彼此部分重疊的波束，其方向圖如圖3所示。如果目標(biāo)處在兩個(gè)波束的交疊軸OA方向，則由兩波束收到的信號(hào)功率相等，OA稱(chēng)為等信號(hào)軸。如果兩個(gè)波束的信號(hào)功率不相等，則信號(hào)入射方向?qū)⑵x等信號(hào)軸。因此，比較兩個(gè)波束的接收信號(hào)功率的大小就可以判斷信號(hào)的入射方向。

圖3 比幅法測(cè)角原理示意圖

假設(shè)天線(xiàn)方向圖函數(shù)為F(θ)，等信號(hào)軸的指向?yàn)棣?，波束1、2的方向圖函數(shù)可分別寫(xiě)為

F1(θ)=F(θk-θ1)=F(θk+θ0-θ)

(4)

F2(θ)=F(θk+θ1)=F(θk-θ0+θ)

(5)

式中，θk為等信號(hào)軸指向θ0與波束最大值方向的偏角。兩個(gè)信號(hào)的回波幅度表示為

u1=KF1(θ)=KF(θk-θ1)

(6)

u2=KF2(θ)=KF(θk+θ1)

(7)

可求得兩路信號(hào)的幅度比：

(8)

根據(jù)測(cè)量出的幅度比就可以通過(guò)天線(xiàn)的方向圖函數(shù)得到入射角的方向θ1。查找預(yù)先制定的表格就可以估計(jì)出目標(biāo)偏離的等信號(hào)軸方向θ0數(shù)值。

在本文所述的校準(zhǔn)系統(tǒng)中，陣列天線(xiàn)輻射單元的相位中心方位角、俯仰角通過(guò)比相法測(cè)角方式進(jìn)行標(biāo)定，陣列天線(xiàn)輻射單元的本身俯仰、偏航和滾動(dòng)角等姿態(tài)信息以及各輻射單元的幅度一致性采用比幅法方式進(jìn)行標(biāo)定。

3 校準(zhǔn)裝置技術(shù)設(shè)計(jì)

3.1 校準(zhǔn)裝置主要組成

如前所述，校準(zhǔn)前端包括雙通道校準(zhǔn)接收機(jī)和矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀組成。核心部分為射頻信號(hào)接收和選擇裝置，其組成原理框圖如圖4所示。各部分的主要功能如下：

(1) 信號(hào)發(fā)生模塊 信號(hào)發(fā)生模塊分為本振信號(hào)源和標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)源，主要提供射頻信號(hào)和本振信號(hào)；

(2) 射頻信號(hào)接收和選擇裝置 校準(zhǔn)接收機(jī)為超外差式的雙通道接收機(jī)，具備下變頻以及測(cè)量功能切換選擇功能；

(3) 矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀 矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀能測(cè)量?jī)赏ǖ垒敵鲋蓄l信號(hào)的幅度比和相位差；

(4) 校準(zhǔn)控制計(jì)算機(jī) 安裝校準(zhǔn)控制軟件程序，具有校準(zhǔn)控制、數(shù)據(jù)通信、數(shù)據(jù)處理以及結(jié)果顯示等功能。

圖4 校準(zhǔn)前端組成原理框圖

3.2 校準(zhǔn)裝置硬件設(shè)計(jì)

根據(jù)射頻仿真系統(tǒng)要求的技術(shù)要求，校準(zhǔn)裝置的性能指標(biāo)要求如表1所示。

表1 校準(zhǔn)裝置性能指標(biāo)

校準(zhǔn)裝置的作用是接收射頻信號(hào)，對(duì)射頻信號(hào)進(jìn)行混頻和放大，輸出中頻信號(hào)進(jìn)行比幅和比相，同時(shí)還具有切換接收射頻信號(hào)的功能。為實(shí)現(xiàn)以上功能并滿(mǎn)足上述指標(biāo)要求，校準(zhǔn)裝置的硬件設(shè)計(jì)如圖5所示。

校準(zhǔn)接收機(jī)設(shè)計(jì)采用動(dòng)態(tài)范圍大、靈敏度高、抗干擾能力強(qiáng)的超外差式接收機(jī)設(shè)計(jì)方案。由于輻射信號(hào)在自由空間衰減和路徑損耗，校準(zhǔn)裝置接收天線(xiàn)收到的射頻信號(hào)一般很弱，矢量網(wǎng)絡(luò)分析器的測(cè)量精度將大大降低，并帶來(lái)較大的測(cè)角誤差。因此，在校準(zhǔn)裝置設(shè)計(jì)時(shí)，在信號(hào)接收的輸入端使用低噪聲放大器提高檢測(cè)電平，保證檢測(cè)信噪比。

圖5 校準(zhǔn)裝置硬件組成框圖

校準(zhǔn)接收機(jī)采用雙通道接收，各通道分別采用超外差接收方式?？臻g輻射過(guò)來(lái)的微波信號(hào)由微波天線(xiàn)接收后經(jīng)過(guò)低噪聲放大器，再通過(guò)微波開(kāi)關(guān)選擇后進(jìn)行混頻?；祛l器將高頻微波信號(hào)下變頻至中頻信號(hào)。中頻信號(hào)經(jīng)過(guò)窄帶濾波器以及多級(jí)程控衰減器和中頻放大器，最后進(jìn)入矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀進(jìn)行數(shù)據(jù)處理。

功分器的作用是將本振信號(hào)分成兩路分別作為兩通道的混頻本振。兩通道之間使用隔離器對(duì)信號(hào)進(jìn)行隔離防止通道之間的信號(hào)出現(xiàn)干擾，影響校準(zhǔn)接收機(jī)的測(cè)量精度。

4 測(cè)試結(jié)果

通過(guò)以上分析和設(shè)計(jì)，對(duì)校準(zhǔn)裝置實(shí)物采用信號(hào)源、頻譜儀和矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀等儀表進(jìn)行射頻指標(biāo)測(cè)試以及兩通道的固有幅相差測(cè)量，其中射頻指標(biāo)測(cè)試結(jié)果如表2所示。接收靈敏度和動(dòng)態(tài)范圍指標(biāo)測(cè)試結(jié)果優(yōu)于設(shè)計(jì)要求。

表2 校準(zhǔn)裝置指標(biāo)測(cè)試結(jié)果

校準(zhǔn)裝置的兩個(gè)接收通道饋電長(zhǎng)度和射頻器件上的差異會(huì)引起兩通道幅度相位的不一致性，即固有幅相差。通常需要提前將這種不一致性測(cè)量出來(lái)，實(shí)際進(jìn)行校準(zhǔn)工作時(shí)只需要通過(guò)補(bǔ)償?shù)姆椒▉?lái)抵消該固有幅相差。通道幅相不一致性測(cè)量時(shí)，將射頻信號(hào)經(jīng)功分器后同時(shí)接入校準(zhǔn)接收機(jī)的兩個(gè)通道，利用網(wǎng)絡(luò)分析儀測(cè)量?jī)赏ǖ乐蓄l輸出信號(hào)的幅度比和相位差。

5 結(jié)束語(yǔ)

上述的測(cè)試結(jié)果表明，本文所述校準(zhǔn)裝置的接收靈敏度、線(xiàn)性動(dòng)態(tài)范圍、隔離度等指標(biāo)完全滿(mǎn)足射頻仿真試驗(yàn)系統(tǒng)校準(zhǔn)技術(shù)要求，校準(zhǔn)裝置兩通道的幅相不一致性可通過(guò)提前測(cè)量然后再進(jìn)行補(bǔ)償?shù)姆绞竭M(jìn)行抵消。該校準(zhǔn)裝置已應(yīng)用于某射頻仿真試驗(yàn)系統(tǒng)的校準(zhǔn)工作，具備校準(zhǔn)精度高、安裝和校準(zhǔn)方便、操作便捷高效的特點(diǎn)，可為射頻仿真試驗(yàn)系統(tǒng)的校準(zhǔn)裝置設(shè)計(jì)提供較好的解決方案參考。