一種相控陣?yán)走_(dá)陣面自動(dòng)校準(zhǔn)方法研究

代 睿

一種相控陣?yán)走_(dá)陣面自動(dòng)校準(zhǔn)方法研究

代 睿

（海軍裝備部，西安 710068）

相控陣?yán)走_(dá)；陣面；校準(zhǔn)；效率

0 引言

相比于傳統(tǒng)雷達(dá)機(jī)械伺服控制系統(tǒng)，相控陣?yán)走_(dá)具有波束指向靈活、目標(biāo)容量大、精度高和抗干擾性好等特點(diǎn)，它將雷達(dá)的搜索跟蹤反應(yīng)時(shí)間提高了數(shù)萬(wàn)倍[1]，因此相控陣?yán)走_(dá)是雷達(dá)的發(fā)展趨勢(shì)。相控陣?yán)走_(dá)在工作時(shí)相當(dāng)于有很多小雷達(dá)組件同時(shí)工作，部分單元損壞不會(huì)影響正常使用。但隨著雷達(dá)功能越來(lái)越強(qiáng)大，陣元組件的數(shù)量和成本也在增加，加上與陣面中還有相關(guān)的饋電網(wǎng)絡(luò)、供電網(wǎng)絡(luò)和波控網(wǎng)絡(luò)，使得陣面校準(zhǔn)變得越來(lái)越困難[2]。這種維護(hù)的難處更體現(xiàn)在當(dāng)天線被裝備使用后，在陣面緊湊的結(jié)構(gòu)空間里，無(wú)法或不允許像在微波暗室或?qū)嶒?yàn)室一樣使用儀表或近場(chǎng)測(cè)試設(shè)備對(duì)陣面的狀態(tài)進(jìn)行測(cè)量[3]。為此必須為陣面，特別是有源陣面科學(xué)合理地裝配一套自動(dòng)測(cè)量設(shè)備即相控陣?yán)走_(dá)陣面監(jiān)測(cè)校準(zhǔn)系統(tǒng)。

1 相控陣?yán)走_(dá)校準(zhǔn)現(xiàn)狀

副瓣電平、增益和波束指向是相控陣天線的重要性能指標(biāo)。陣元的幅、相精度是影響天線上述輻射特性的重要因素。天線陣面裝配完成后必須對(duì)陣元的幅相進(jìn)行測(cè)試。通過(guò)測(cè)得的數(shù)據(jù)，分析并診斷出問(wèn)題陣元，從而修復(fù)故障陣元，更換失效陣元，同時(shí)計(jì)算出各陣元之間的幅相誤差，通過(guò)波控系統(tǒng)對(duì)被測(cè)陣元的可調(diào)器件如移相器和衰減器進(jìn)行調(diào)節(jié)補(bǔ)償，使陣面的幅相分布得到改善[4]。這一般在出廠前在暗室進(jìn)行測(cè)量，在雷達(dá)交付使用后，某些大型陣面根本無(wú)法放進(jìn)暗室進(jìn)行測(cè)量、校準(zhǔn)；另外隨著雷達(dá)服役時(shí)間的延長(zhǎng)，器件產(chǎn)生老化、熱變形和有源器件T/R組件的性能變化導(dǎo)致天線性能退化，因此非常需要一種更為精確的可溯源的現(xiàn)場(chǎng)標(biāo)定校準(zhǔn)裝置來(lái)對(duì)相控陣?yán)走_(dá)天線進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)校準(zhǔn)。

根據(jù)測(cè)量信號(hào)注入或獲取點(diǎn)的不同，相控陣?yán)走_(dá)陣面校準(zhǔn)的基本方法分為內(nèi)校準(zhǔn)和外校準(zhǔn)。內(nèi)、外校準(zhǔn)又都有發(fā)射和接收兩種不同的工作流程。內(nèi)校準(zhǔn)方法的工作流程和基本組成如圖1所示。

圖1 內(nèi)校準(zhǔn)方法的基本組成方法

發(fā)射內(nèi)校準(zhǔn)時(shí)，控制計(jì)算機(jī)將所有控制開(kāi)關(guān)均置于“T”狀態(tài)，激勵(lì)信號(hào)通過(guò)D/A變換、上變頻進(jìn)入收發(fā)網(wǎng)絡(luò)通過(guò)T/R組件中的“T通道”饋送至各陣元，并通過(guò)組件與天線間的定向耦合器耦合發(fā)射信號(hào)的極小部分（如-30 dB）供校準(zhǔn)用，耦合出的校準(zhǔn)信號(hào)通過(guò)校準(zhǔn)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)入下變頻通道、A/D采樣后進(jìn)入控制計(jì)算機(jī)。在控制計(jì)算機(jī)的控制下，逐一選通被測(cè)陣元通道，對(duì)陣面所有通道進(jìn)行發(fā)射內(nèi)校準(zhǔn)。接收內(nèi)校準(zhǔn)時(shí)，控制計(jì)算機(jī)控制激勵(lì)信號(hào)通過(guò)上變頻、校準(zhǔn)切換開(kāi)關(guān)、校準(zhǔn)網(wǎng)絡(luò)和各陣元的定向耦合器，由控制計(jì)算機(jī)逐一選通各陣元，注入到接收陣元的“R通道”，并通過(guò)收發(fā)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)入下變頻通道、A/D采樣后進(jìn)入控制計(jì)算機(jī)完成對(duì)陣面的接收內(nèi)校準(zhǔn)。

外校準(zhǔn)方法的工作流程和基本組成如圖2所示。發(fā)射外校準(zhǔn)時(shí)，控制計(jì)算機(jī)控制激勵(lì)信號(hào)通過(guò)D/A變換、上變頻進(jìn)入收發(fā)網(wǎng)絡(luò)通過(guò)T/R組件中的“T通道”饋送至各陣元，此時(shí)發(fā)射路徑的被測(cè)信號(hào)已形成，并通過(guò)空間發(fā)送出去，由校準(zhǔn)天線接收，并通過(guò)校準(zhǔn)通道采樣后進(jìn)入控制計(jì)算機(jī)進(jìn)行處理。接收外校準(zhǔn)時(shí)，控制計(jì)算機(jī)控制激勵(lì)信號(hào)通過(guò)D/A變換、上變頻進(jìn)入校準(zhǔn)通道通過(guò)校準(zhǔn)T/R組件中的“T通道”饋送至校準(zhǔn)天線，并通過(guò)空間發(fā)送出去，由陣面各陣元接收，并通過(guò)接收通道采樣后進(jìn)入控制計(jì)算機(jī)進(jìn)行處理。

圖2 外校準(zhǔn)方法的基本組成

待校準(zhǔn)陣面共有數(shù)千個(gè)輻射陣元，若采用內(nèi)校準(zhǔn)的校準(zhǔn)方法，則需在系統(tǒng)中增加數(shù)千個(gè)定向耦合器及與之相對(duì)應(yīng)龐大復(fù)雜的監(jiān)測(cè)校準(zhǔn)網(wǎng)絡(luò)及矩陣開(kāi)關(guān)等，雷達(dá)陣面的安裝平臺(tái)對(duì)整個(gè)陣面結(jié)構(gòu)尺寸及重量都有嚴(yán)格限制，同時(shí)有源電路及元器件的增加都會(huì)影響系統(tǒng)的可靠性，且考慮到外校準(zhǔn)相較內(nèi)校準(zhǔn)鏈路更加完整準(zhǔn)確，故選擇外校準(zhǔn)方法作為校準(zhǔn)系統(tǒng)的基礎(chǔ)。

2 監(jiān)測(cè)校準(zhǔn)系統(tǒng)的組成

監(jiān)測(cè)校準(zhǔn)系統(tǒng)由四個(gè)位于陣面四角的監(jiān)測(cè)校準(zhǔn)天線、一個(gè)可分路開(kāi)關(guān)的一分四功分器和一路監(jiān)測(cè)校準(zhǔn)通道組成，監(jiān)測(cè)校準(zhǔn)通道包括單通道收發(fā)T/R組件模塊，上下變頻模塊和數(shù)字處理模塊。其架構(gòu)框圖如圖3所示。

圖3 監(jiān)測(cè)校準(zhǔn)系統(tǒng)架構(gòu)框圖

本監(jiān)測(cè)校準(zhǔn)系統(tǒng)功能的實(shí)現(xiàn)是在實(shí)驗(yàn)室測(cè)試的基礎(chǔ)上完成的。實(shí)驗(yàn)室測(cè)試采用近場(chǎng)測(cè)試的方法，以保證天線在出廠時(shí)各通道福相值都處于預(yù)置的分布狀態(tài)下，并得到校準(zhǔn)天線單元與各通道的耦合系數(shù)。在線監(jiān)測(cè)校準(zhǔn)即自校準(zhǔn)，在沒(méi)有外置設(shè)備的條件下，依據(jù)耦合系數(shù)，檢測(cè)各通道電性能的變化量，并通過(guò)調(diào)整通道幅相控制碼，使天線陣面恢復(fù)到出廠狀態(tài)。

3 實(shí)驗(yàn)測(cè)試

實(shí)驗(yàn)室測(cè)試的目的為消除由于加工、裝配、各通道不一致性導(dǎo)致的幅相誤差。本實(shí)驗(yàn)采用近場(chǎng)校準(zhǔn)方案，實(shí)驗(yàn)室測(cè)試分為陣面初相的測(cè)試與陣面耦合系數(shù)的測(cè)試兩部分，均在近場(chǎng)暗室內(nèi)進(jìn)行。陣面初相測(cè)試時(shí)，如圖4所示，近場(chǎng)探頭依次對(duì)準(zhǔn)4個(gè)象限的數(shù)千個(gè)天線單元并收發(fā)信號(hào)，依次記錄得到S參數(shù)值，并以第一個(gè)單元信號(hào)的幅相值為參考信號(hào)，其他單元的信號(hào)幅度相位值同第一個(gè)單元的信號(hào)進(jìn)行比較得到誤差補(bǔ)償值，進(jìn)而將整個(gè)陣面矯正為等幅同相分布。在通道測(cè)試時(shí)，通道精確對(duì)準(zhǔn)是通過(guò)控制掃描架來(lái)完成的，精度和效率都得到了保證。

圖4 天線陣面初相測(cè)試示意圖

本文的校準(zhǔn)系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，鏈路分析關(guān)鍵在于陣面每個(gè)象限角上放置的校準(zhǔn)天線單元至該象限各個(gè)單元耦合量的變化范圍能夠滿(mǎn)足接收機(jī)的動(dòng)態(tài)范圍。由于四個(gè)象限的校準(zhǔn)是依次進(jìn)行，避免了四個(gè)校準(zhǔn)單元之間的相位相干導(dǎo)致耦合量極小點(diǎn)的出現(xiàn)。需建立陣面模型并加工測(cè)試天線實(shí)物，實(shí)物如圖5所示。仿真并實(shí)測(cè)分析單個(gè)象限內(nèi)校準(zhǔn)單元至其他天線單元之間的耦合量變化范圍，最終得到接收機(jī)需要提供的動(dòng)態(tài)范圍。

圖5 校準(zhǔn)系統(tǒng)實(shí)測(cè)照片

在微波暗室中對(duì)1：1加工的陣面子陣天線與校準(zhǔn)喇叭之間的耦合量進(jìn)行了實(shí)物測(cè)試，以第二象限為例，在第二象限中一些典型位置安裝了子陣天線，對(duì)于第二象限的校準(zhǔn)喇叭，其與第二象限中大部分輻射單元間的頻帶內(nèi)耦合量穩(wěn)定在-30~-70 dB之間，如圖6所示，測(cè)試結(jié)果和設(shè)計(jì)保持較好的一致。

圖6 第二象限輻射單元頻帶內(nèi)耦合量

4 結(jié)論

針對(duì)相控陣?yán)走_(dá)天線的現(xiàn)場(chǎng)校準(zhǔn)需求，開(kāi)展基于外校準(zhǔn)的相控陣?yán)走_(dá)天線現(xiàn)場(chǎng)校準(zhǔn)方法的研究，通過(guò)動(dòng)測(cè)量設(shè)備即相控陣?yán)走_(dá)陣面監(jiān)測(cè)校準(zhǔn)系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了天線陣面的校準(zhǔn)，校準(zhǔn)精度高、效率高，且測(cè)試結(jié)果和設(shè)計(jì)保持一致，滿(mǎn)足陣面監(jiān)測(cè)校準(zhǔn)功能的需求。

[1] 李宏，薛冰. 相控陣天線的測(cè)試技術(shù)[J]. 中國(guó)測(cè)試技術(shù)，2003（9）：10-11.

[2] 張?jiān)? 相控陣天線近場(chǎng)幅相校準(zhǔn)[J]. 中國(guó)電子科學(xué)研究院學(xué)報(bào)，2007（9）：611-612.

[3] 樓世平，薛正輝，楊什明. 天線時(shí)域平面近場(chǎng)測(cè)試實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的研究[J]. 微波學(xué)報(bào)，2006（6）：48-49.

[4] 黃春陽(yáng). 三維電場(chǎng)矢量微波光子檢測(cè)器集成天線的設(shè)計(jì)與優(yōu)化[D]. 成都：電子科技大學(xué)，2011.

Automatic Calibration Method for Phased Array Radar

DAI Rui

The array of a large active phased array antenna has hundreds of thousands or even tens of thousands of transceiver modules and radiation units. It makes the phased array antenna more complex than other types of antennas and thus difficult to maintain. The present situation of array calibration is introduced firstly in the paper, and then the calibration test is carried out by using the method of external calibration. This method realizes automatic calibration of the antenna array and improves the efficiency and precision of the array calibration. The test results show that the coupling amount within the frequency band between the radiation units is stable between -30 dB and -70 dB. The design index is consistent with the test results.

Phased Array Radar; Antenna Array; Calibration; Efficiency

TN958

A

1674-7976-(2021)-06-459-04

2021-10-08。

代睿（1984.12—），四川自貢人，碩士，工程師，研究方向?yàn)閿?shù)字陣列雷達(dá)總體設(shè)計(jì)和系統(tǒng)測(cè)試。