一種有源相控陣收發(fā)通道性能檢測方法

江偉偉，閆勝剛

(中國船舶集團有限公司第八研究院，南京 211153)

0 引 言

相控陣?yán)走_(dá)元器件少則上千、多則上萬，由于長時間地工作，不可避免會引起性能變差或損壞。當(dāng)故障單元達(dá)到一定數(shù)量時會導(dǎo)致相控陣?yán)走_(dá)系統(tǒng)的性能下降甚至不能正常工作。對于相控陣?yán)走_(dá)，T/R組件收發(fā)通道性能的好壞直接影響到雷達(dá)的威力。因此，采用一定的手段對各通道單元進行定期或不定期檢測非常必要。及時判定各通道的工作狀態(tài),并對故障通道進行定位，同時提供故障位置指示，為設(shè)備及時維修和更換提供依據(jù)和參考。

本文采用在面陣內(nèi)上方設(shè)置檢測天線單元的方式，通過檢測天線單元與面陣天線單元之間的耦合實現(xiàn)對組件收發(fā)通道的故障檢測。

1 設(shè)計實現(xiàn)

檢測方式既要考慮到能否對組件的各個收發(fā)通道進行全面的檢測，又考慮到盡量減小檢測周期并及時送出檢測結(jié)果。在面陣內(nèi)上方設(shè)置檢測天線單元，通過檢測天線單元與面陣天線單元之間的信號耦合實現(xiàn)對收發(fā)通道的檢測。

1.1 故障檢測天線個數(shù)確定

以下均采用80*8的面陣(80為T/R組件個數(shù)，8為單個組件的通道數(shù))，并在面陣內(nèi)上方等間距設(shè)置檢測天線單元的方式。表1為不同檢測天線個數(shù)時距離檢測天線單元最遠(yuǎn)和最近面陣單元的相對幅度(dB)關(guān)系。表中第1行為檢測天線數(shù)個數(shù)，第2行為最近面陣單元接收到數(shù)據(jù)的相對幅度，第3行為最遠(yuǎn)面陣單元接收到數(shù)據(jù)的相對幅度。上行和下行具有對偶性，相對幅度關(guān)系一致。

表1 不同檢測天線數(shù)時陣元的相對幅度

由表1可知，4個檢測天線的設(shè)計能夠覆蓋整個面陣的收發(fā)通道檢測，能保證最遠(yuǎn)的面陣陣元能接收到可檢測信號(下行時)或者最遠(yuǎn)的面陣陣元輻射信號其對應(yīng)的檢測天線能接收到可檢測信號(上行時)。面陣天線單元與檢測天線單元的位置關(guān)系見圖1。

圖1 面陣天線單元與檢測天線單元位置關(guān)系

1.2 時序關(guān)系

在維護模式下對T/R組件的收發(fā)通道進行測試。上、下行檢測任務(wù)分開進行，先進行上行檢測任務(wù)，再進行下行檢測任務(wù)。具體時序設(shè)計如下：上行檢測任務(wù)(每次控制一個組件的一個通道在一個頻點發(fā)射，共8個通道，80個組件，26個頻點)占用五分之一個時間片；下行檢測任務(wù)(每次控制20個組件相同位置的通道在同一頻點接收，共60個頻點)占用一個時間片。

一個檢測周期內(nèi)上行檢測時序關(guān)系圖如圖2所示，A1～A20為上行通道檢測任務(wù)。一個檢測周期內(nèi)的下行檢測時序關(guān)系圖如圖3所示，B1～B4為下行通道檢測任務(wù)。

圖2 上行檢測時序關(guān)系圖

圖3 下行檢測時序關(guān)系圖

1.3 通道檢測信號的產(chǎn)生

由監(jiān)測模塊產(chǎn)生下行通道檢測信號，T/R組件產(chǎn)生上行通道檢測信號，均為單載頻正弦波信號。監(jiān)測模塊包括模擬模塊和數(shù)字模塊。模擬模塊包括收發(fā)開關(guān)、接收支路(低噪放+下變頻)、上變頻模塊。數(shù)字模塊包括FPGA電路、光纖接口電路。監(jiān)測模塊原理框圖如圖4所示。

圖4 監(jiān)測模塊原理框圖

1.4 信號流程

面陣接收通道性能測試時監(jiān)測模塊產(chǎn)生數(shù)字中頻信號，經(jīng)過DA和上變頻及功放模塊變換成射頻信號由檢測天線輻射出去，由面陣相對應(yīng)的各個天線單元同時接收，經(jīng)過T/R組件轉(zhuǎn)換成數(shù)字中頻信號，進入AD采樣I、Q數(shù)據(jù)，最后傳輸?shù)焦蕶z軟件。面陣發(fā)射通道性能測試時T/R組件產(chǎn)生相應(yīng)發(fā)射頻點的信號，面陣天線單元將上行射頻信號輻射出去,檢測天線單元接收T/R組件發(fā)射的射頻信號，監(jiān)測模塊通過下變頻轉(zhuǎn)換成數(shù)字中頻信號，進入AD采樣I、Q數(shù)據(jù)，最后傳輸?shù)焦蕶z軟件。

故檢軟件根據(jù)接收到的各個頻點下的相應(yīng)通道數(shù)據(jù)完成信號幅度的估計，然后與參考值比較得出發(fā)射、接收通道性能結(jié)果。通道檢測信號流程圖如圖5所示。

圖5 通道檢測信號流程圖

2 應(yīng)用實例

實例中采用80*8面陣，在面陣內(nèi)上方等間距設(shè)置4個檢測天線單元，面陣天線單元與檢測天線單元位置關(guān)系如圖1所示。

2.1 發(fā)射通道測試

發(fā)射通道測試結(jié)果如圖6所示。圖中，橫坐標(biāo)為組件號，縱坐標(biāo)為通道號，組件16的7、8發(fā)射通道異常。經(jīng)排查該組件的功放檢測電路存在問題。

圖6 發(fā)射通道測試結(jié)果

2.2 接收通道測試

接收通道測試實例1如圖7所示，圖中組件10的8個接收通道性能全部不正常。該組件的分析結(jié)果如圖8所示。圖中，橫坐標(biāo)為測試次數(shù)(前100次為低頻段，剩下的為高頻段)，縱坐標(biāo)為幅度值，測試數(shù)據(jù)的幅度值與期望值(80 dB左右)相比小很多，經(jīng)排查確認(rèn)該組件的本振輸入存在問題。

圖7 接收通道測試實例1結(jié)果

圖8 組件10的各個接收通道測試幅度值

接收通道測試實例2如圖9所示，圖中組件32的接收通道1故障。該通道的分析結(jié)果如圖10所示。該通道所有低頻點的測試數(shù)據(jù)的幅度均不正常，經(jīng)排查確認(rèn)該組件的接收通道1的第2級大功率開關(guān)損壞。

圖9 接收通道測試實例2結(jié)果

圖10 組件32的第1接收通道測試幅度值

接收通道測試實例3如圖11所示，圖中組件65的接收通道4故障。該通道的分析結(jié)果如圖12所示，所有高頻點的測試數(shù)據(jù)的幅度均不正常。經(jīng)排查確認(rèn)該組件的接收通道4的第1級大功率開關(guān)損壞。

圖11 接收通道測試實例3結(jié)果

圖12 組件65的第4接收通道測試幅度值

3 結(jié)束語

針對相控陣收發(fā)通道出現(xiàn)的故障，本文提出了一種有效的檢測方法。通過幾個典型的實例，證明該方法能快速對故障通道進行定位的同時提供位置指示，并可提供幾種典型故障的維修策略。本文提出的方法有效，設(shè)備量少，易于實現(xiàn)，已成功應(yīng)用于某型號產(chǎn)品中。