射頻仿真系統(tǒng)饋電網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)與分析

孫 軍，高紅友

（1.解放軍91404部隊(duì)，秦皇島 066001；2.中國(guó)船舶重工集團(tuán)公司第723研究所，揚(yáng)州 225001）

0 引 言

射頻仿真系統(tǒng)是雷達(dá)與電子對(duì)抗多功能試驗(yàn)系統(tǒng)的主要試驗(yàn)設(shè)備，為裝備提供一個(gè)充斥著可知、可控電磁波的空間環(huán)境［13］。它具有條件可控、經(jīng)濟(jì)效益高、省時(shí)等優(yōu)點(diǎn)，因而在國(guó)內(nèi)外軍事領(lǐng)域得到了越來越廣泛的應(yīng)用。射頻仿真系統(tǒng)精度是以目標(biāo)位置精度來表示的，而影響射頻仿真系統(tǒng)目標(biāo)精度的因素較多，包括信號(hào)通道中的移相器、衰減器、放大器、開關(guān)、近場(chǎng)效應(yīng)誤差等，而這些都與天線陣列饋電網(wǎng)絡(luò)有關(guān)。天線陣列饋電網(wǎng)絡(luò)作為射頻仿真系統(tǒng)的重要組成部分，主要用于雷達(dá)目標(biāo)、干擾和雜波等信號(hào)的輻射，實(shí)現(xiàn)雷達(dá)目標(biāo)及背景信號(hào)的位置控制［4］。在實(shí)際應(yīng)用中，饋電網(wǎng)絡(luò)具有指標(biāo)要求嚴(yán)苛、涉及器件繁多和結(jié)構(gòu)復(fù)雜等特點(diǎn)［5］，這為設(shè)計(jì)帶來了一定困難，同時(shí)也意味著設(shè)計(jì)思路靈活，即一個(gè)天線陣列饋電網(wǎng)絡(luò)絕不拘泥于一種設(shè)計(jì)方案?；诖嗽O(shè)計(jì)思想，本文依據(jù)某射頻仿真系統(tǒng)指標(biāo)要求對(duì)其饋電網(wǎng)絡(luò)的方案進(jìn)行探討和分析，完成對(duì)其饋電網(wǎng)絡(luò)的設(shè)計(jì)。

1 射頻仿真系統(tǒng)

1.1 天線陣列

射頻仿真系統(tǒng)中天線陣列通常采用三元組以及三元組和二元組結(jié)合的布局形式，通過六自由度夾具安裝在大型金屬球面圓盤的凹面上，球面的球心位于試驗(yàn)轉(zhuǎn)臺(tái)上被試設(shè)備的天線口面中心，保證球面上每個(gè)天線到球心的徑向距離相等［67］。本文所探討的天線陣列如圖1所示，天線陣列結(jié)構(gòu)形式為橢圓球面陣，曲率半徑為30 m，天線單元共計(jì)211個(gè)，其中三元組天線單元構(gòu)成的主天線陣列天線單元數(shù)為193個(gè)，單元間距為50 mrad，另外18個(gè)天線單元交叉分布在主天線陣列中間，與相近天線單元構(gòu)成二元組形成水平密集陣，間距為25 mrad。

1.2 運(yùn)行原理

通常射頻仿真系統(tǒng)天線陣列采用三元組或二元組空間合成的工作方式，用于模擬產(chǎn)生雷達(dá)信號(hào)，并模擬各種信號(hào)平臺(tái)相對(duì)被試設(shè)備的空間運(yùn)動(dòng)，即實(shí)現(xiàn)雷達(dá)信號(hào)在天線面陣上移動(dòng)。雷達(dá)信號(hào)空間位置的控制主要分二部分：一是在三元組之間移動(dòng)產(chǎn)生目標(biāo)信號(hào)跳變，這種控制方式稱為三元組粗位控制，簡(jiǎn)稱粗控；二是通過控制一個(gè)三元組內(nèi)的3個(gè)天線輻射信號(hào)的幅度，達(dá)到輻射信號(hào)中心在三元組內(nèi)位置的移動(dòng)，稱為三元組精位控制，簡(jiǎn)稱精控。因此空間信號(hào)位置的控制過程可分為精位控制和粗位控制［8］。粗控是通過陣列饋電網(wǎng)絡(luò)內(nèi)的開關(guān)矩陣來實(shí)現(xiàn)三元組之間的移動(dòng)，過程是先將天線陣面上的A，B，C 3條支路所對(duì)應(yīng)的天線單元按照一定的規(guī)范進(jìn)行編號(hào)，再將所有的三元組所對(duì)應(yīng)的編碼存入控制計(jì)算機(jī)，在使用時(shí)選通某三元組控制相應(yīng)的控制碼，送給開關(guān)矩陣以選通三元組的A，B，C 3條支路，實(shí)現(xiàn)三元組之間的移動(dòng)，達(dá)到目標(biāo)粗控的目的。精控是通過球面陣上相鄰3個(gè)天線構(gòu)成的三元組，通過三元組輻射的信號(hào)模擬被試設(shè)備目標(biāo)回波信號(hào)，輻射的信號(hào)對(duì)著球面陣的球心位置，合成的輻射信號(hào)中心與被試設(shè)備天線口面中心的連線可等效為設(shè)備與目標(biāo)的視線路徑，通過改變3個(gè)輻射信號(hào)相對(duì)的幅度和相位關(guān)系來實(shí)現(xiàn)目標(biāo)信號(hào)在三元組內(nèi)的位置在空間的移動(dòng)［911］。

三元組模擬目標(biāo)的位置精度是射頻仿真系統(tǒng)精度的關(guān)鍵所在，而位置精度控制的具體硬件實(shí)現(xiàn)是通過饋電網(wǎng)絡(luò)中粗控和精控來實(shí)現(xiàn)的，饋電網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)的好壞也直接影響到各支路幅度、相位、噪聲的一致性和穩(wěn)定性，直接影響到射頻仿真系統(tǒng)的精度。

在實(shí)際應(yīng)用中，粗控和精控都是通過控制天線陣列饋電網(wǎng)絡(luò)來實(shí)現(xiàn)，下節(jié)對(duì)饋電網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行分析和設(shè)計(jì)。

2 饋電網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)

饋電網(wǎng)絡(luò)將射頻源送來的信號(hào)進(jìn)行放大、功率分配、幅相控制后，由開關(guān)矩陣送到相應(yīng)的三元組或二元組天線上輻射出去，其饋電原理框圖如圖2所示。

2.1 精控

輻射位置的精控是利用幅相控制組合來實(shí)現(xiàn)的。幅相控制組合由放大器、衰減器、功分器、移相器和耦合器等微波有源和無源器件組成，如圖3所示。

在饋電網(wǎng)絡(luò)中需要實(shí)現(xiàn)6～18 GHz頻段范圍的精位控制，輸入信號(hào)首先送給一分四功分器，功分器將每路信號(hào)分為4個(gè)支路，其中一個(gè)支路作為擴(kuò)展使用，接匹配負(fù)載，其他3條支路分別連接3條饋電通道，即通道A、通道B、通道C，每條饋電通道包括移相器、程控衰減器、功率放大器和耦合器等器件，其中移相器和程控衰減器分別用于射頻信號(hào)的相位和幅度調(diào)整，從而控制輻射中心在三元組或二元組內(nèi)的精位調(diào)整，功率放大器是對(duì)支路中功率損耗的補(bǔ)償和鏈路放大，耦合器輸出2路，主信號(hào)送后端通道支路，1路作為監(jiān)測(cè)。

2.2 粗控

在粗位控制中，開關(guān)矩陣設(shè)計(jì)是關(guān)鍵。本文研究的射頻仿真天線陣列有336個(gè)三元組，由193個(gè)喇叭天線構(gòu)成。其中A、B、C支路分別對(duì)應(yīng)64、65和64個(gè)天線，剩余18個(gè)天線放入陣列中構(gòu)成水平線陣，形成36個(gè)二元組，A、B、C各對(duì)應(yīng)6個(gè)天線，因此A、B、C支路分別對(duì)應(yīng)SP70T，SP71T，SP70T開關(guān)矩陣。在滿足天線支路數(shù)量和減少開關(guān)種類的前提情況下，通常SP70T，SP71T和SP70T采用低支路開關(guān)組成的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)來實(shí)現(xiàn)，分層結(jié)構(gòu)為2×6×6＝72，滿足三支路的要求。采用SP2T和SP6T組成的三層開關(guān)矩陣來實(shí)現(xiàn)SP70T、SP71T，開關(guān)矩陣結(jié)構(gòu)如圖4所示。

系統(tǒng)要求開關(guān)矩陣隔離度大于60 dB，即各支路之間隔離度大于60 d B，這就要求最后一級(jí)開關(guān)隔離度必須大于60 d B，而開關(guān)矩陣是分層設(shè)計(jì)的，前兩級(jí)開關(guān)可選用小隔離度開關(guān)，這樣既改善了器件性能又降低了系統(tǒng)造價(jià)。

圖2 通道饋電網(wǎng)絡(luò)示意圖

圖3 精位控制組成原理圖

2.3 分區(qū)

結(jié)合天線陣列組陣原理和喇叭天線布局，為便于系統(tǒng)調(diào)試、測(cè)試和故障定位、維修，對(duì)天線陣列進(jìn)行分區(qū)，本文將天線陣列分為12個(gè)區(qū)，如圖5所示。

圖4 開關(guān)矩陣結(jié)構(gòu)圖

每個(gè)分區(qū)集中放置控制板和電源模塊，簡(jiǎn)化了饋電的復(fù)雜度。

圖5 天線陣列分區(qū)示意圖

3 器件選擇

根據(jù)上述的分區(qū)情況對(duì)器件進(jìn)行布局，精位控制組合放于陣列下面利于操控，粗位控制各器件分布于天線陣列上。

按照系統(tǒng)的輸入輸出信號(hào)功率要求，微波饋電通道精位控制組合功率分配如圖6所示。

圖6中IL為插損，G為增益，N F為噪聲系數(shù)，P－1為1 dB壓縮點(diǎn)，所有器件頻率范圍為6～18 GHz。精位控制組合中移相器和程控衰減器為關(guān)鍵器件，容易受到外部環(huán)境影響。

本文選用的移相器相位精度為±10°，程控衰減器幅度步進(jìn)最小可做到0.03 dB，動(dòng)態(tài)范圍為64 dB，參照文獻(xiàn)［9］和［11］計(jì)算選用移相器和程控衰減器滿足要求。為了進(jìn)一步降低外部環(huán)境影響，保證系統(tǒng)性能指標(biāo)，本文機(jī)箱選配恒溫屏蔽機(jī)箱，并在機(jī)箱內(nèi)壁粘貼吸波材料。

圖6 精位控制功率分配圖

在保證喇叭天線輸入功率不小于10 dBm的要求下，對(duì)粗位控制組合各器件進(jìn)行功率分配，如圖7所示。

圖7 粗位控制功率分配圖

粗位控制饋電通道選用兩級(jí)放大器，補(bǔ)償通道的插損和信號(hào)的放大，放大器在通道的位置選擇綜合考慮了系統(tǒng)指標(biāo)和預(yù)算，保證放大器輸出信號(hào)要小于其P－1值，使其處于線性區(qū)，確保系統(tǒng)的線性度要求，與喇叭天線連接的SPDT選用機(jī)電開關(guān)，用于輻射信號(hào)的極化選擇和降低損耗。考慮到射頻電纜和器件的頻率特性，在第一級(jí)放大器前端預(yù)留了一個(gè)均衡器的位置，最后根據(jù)實(shí)際聯(lián)調(diào)情況確定具體均衡量。通過圖7計(jì)算可知通道插損為44 dB，兩級(jí)放大器的放大增益為52 dB，在輸入信號(hào)功率為4 d Bm時(shí)，可輸出信號(hào)功率為12 d Bm，大于10 dBm，滿足指標(biāo)要求。

4 結(jié)束語(yǔ)

本文設(shè)計(jì)的饋電網(wǎng)絡(luò)滿足了使用要求，但存在著不可避免的問題。由于饋電網(wǎng)絡(luò)支路之間器件、電纜和走線方式的差異，使得每一支路的相移和插損各不相同，而當(dāng)系統(tǒng)控制某一支路通道時(shí)，由于移相器和程控衰減器的器件特性在控制支路相位時(shí)會(huì)導(dǎo)致幅度變化，同樣在控制幅度時(shí)相位也會(huì)變化，這種變化不是人為可預(yù)期的，必須加以修正和幅相標(biāo)校。為盡可能降低幅相變化影響，通常射頻電纜要現(xiàn)場(chǎng)配相，在做到每級(jí)電纜等長(zhǎng)和降低器件使用量時(shí)，可將移相器換成IQ矢量調(diào)制器，同時(shí)對(duì)試驗(yàn)結(jié)果影響大的幅相組合做好優(yōu)化設(shè)計(jì)。

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