多通道相控陣天線數(shù)字波束合成技術(shù)及實(shí)現(xiàn)

封淑青，廖潤(rùn)貴，周威威，夏禮諾

（1.上海無(wú)線電設(shè)備研究所，上海 200090；2.中航工業(yè)洪都660 所，江西 南昌 330001）

0 引言

數(shù)字陣列雷達(dá)是雷達(dá)技術(shù)結(jié)合數(shù)字信號(hào)處理技術(shù)在應(yīng)用需求牽引和技術(shù)發(fā)展推動(dòng)下的一種新體制雷達(dá)［1-2］，已成為當(dāng)代高性能相控陣?yán)走_(dá)技術(shù)發(fā)展的一個(gè)主要研究方向。相控陣天線作為雷達(dá)的重要組成部分，其性能的優(yōu)劣對(duì)雷達(dá)的精確制導(dǎo)功能具有重大的影響。傳統(tǒng)的模擬和差體制相控陣天線通過(guò)功分網(wǎng)絡(luò)與模擬和差器合成和、方位差、俯仰差（簡(jiǎn)稱“和差差”）信號(hào)［2］，在天線測(cè)試時(shí)，通過(guò)矢網(wǎng)實(shí)時(shí)積累監(jiān)測(cè)和差差三通道在不同波位的幅相值，得到天線在不同的方位俯仰角下的方向圖。數(shù)字多通道相控陣天線通過(guò)功分網(wǎng)絡(luò)合成多路信號(hào)，經(jīng)頻綜處理機(jī)下變頻采樣后形成數(shù)字信號(hào)，再進(jìn)行數(shù)字和差處理形成和差差信號(hào)［3-4］。針對(duì)這種體制的相控陣天線，傳統(tǒng)的模擬波束合成測(cè)試手段已不再適用，需采用數(shù)字波束形成技術(shù)，對(duì)信號(hào)進(jìn)行數(shù)字化合成和差波束［5-7］。數(shù)字波束形成技術(shù)是一種以數(shù)字方法來(lái)實(shí)現(xiàn)波束合成的技術(shù)，可以將多通道相控陣天線各通道接收的信號(hào)下變頻成中頻信號(hào)，再利用A/D 芯片對(duì)各路中頻信號(hào)進(jìn)行同步采樣及數(shù)據(jù)處理，進(jìn)行數(shù)字化波束合成，形成相控陣天線和差方向圖［8-11］。

本文介紹了一種16 通道相控陣天線數(shù)字波束合成（Digital Beam-Forming，DBF）系統(tǒng)，以高性能現(xiàn)場(chǎng)可編程門陣列（Field Programmable Gate Array，F(xiàn)PGA）為核心，輔以16 路高速AD、大容量FLASH 和DDR 芯片，通過(guò)高速實(shí)時(shí)處理軟件實(shí)現(xiàn)信號(hào)的同步采集、實(shí)時(shí)處理、DBF、高速傳輸。最后通過(guò)上位機(jī)進(jìn)一步處理得到相控陣天線的和差方向圖、測(cè)角誤差、測(cè)角精度、波束寬度等信息［12-14］。

1 設(shè)計(jì)原理

多通道相控陣天線波束合成原理如圖1 所示。假設(shè)第i號(hào)天線單元在t時(shí)刻接收到的復(fù)信號(hào)為xi（t），對(duì)應(yīng)的天線加權(quán)系數(shù)為wi，則在某一取樣時(shí)刻，整個(gè)陣面波束合成后的接收信號(hào)矢量為F=XTW，其中W=［w1，w2，…，wN］T為各天線單元的加權(quán)系數(shù)，X=［x1（t），x2（t），…，xN（t）］T為各天線單元的接收信號(hào)矢量［1，15-17］，通過(guò)改變加權(quán)系數(shù)W，即可改變陣面天線波束形狀。

由圖1 可知，多通道相控陣天線的陣面被分為多個(gè)子陣，每個(gè)子陣中有多個(gè)天線單元，通過(guò)功分網(wǎng)絡(luò)合成一路子陣射頻信號(hào)，由接收機(jī)將該子陣信號(hào)下變頻為中頻信號(hào)，再由AD 數(shù)據(jù)采集模塊對(duì)中頻信號(hào)進(jìn)行采樣后，通過(guò)串行方式傳輸?shù)紽PGA中。為避免大量數(shù)據(jù)的處理繁瑣過(guò)程，在FPGA 中先對(duì)接收的數(shù)據(jù)進(jìn)行抽樣濾波［8，15］，對(duì)抽樣數(shù)據(jù)進(jìn)行解析后得到該時(shí)刻子陣模塊的有效IQ 因子，再處理折算成幅度相位值將數(shù)據(jù)傳輸給上位機(jī)進(jìn)行離線處理。

離線處理時(shí)，考慮陣面是一個(gè)對(duì)稱方陣，則可按照四象限對(duì)各子陣進(jìn)行劃分，如圖2 所示。然后對(duì)各子陣信號(hào)幅相值進(jìn)行矢量數(shù)字合成得到整個(gè)陣面和差路方向圖，即利用（A+B+C+D）形成和通道輸出，（A+D）-（B+C）形成方位差路方向圖，（A+B）-（C+D）形成俯仰差路方向圖［4］。

為了實(shí)現(xiàn)多通道相控陣天線波束合成，傳統(tǒng)的模擬波束合成技術(shù)需要增加一個(gè)大于通道數(shù)的多路模擬波束合差器，該多路和差器的引入不僅增加了硬件的成本，同時(shí)引入的通道誤差不能實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)補(bǔ)償，會(huì)造成波束合成后的方向圖畸形化［18-20］。與模擬波束合成技術(shù)相比，DBF 的關(guān)鍵點(diǎn)和難點(diǎn)主要在于AD 數(shù)據(jù)采集模塊。AD 數(shù)據(jù)采集模塊需要同步完成多個(gè)通道的數(shù)據(jù)采集，采集過(guò)程中需考慮每個(gè)AD 通道間串?dāng)_和不一致性，同時(shí)需降低信噪比［4］。為保證合成的方向圖不失真，需要精選AD芯片的型號(hào)，匹配AD 芯片采樣前端耦合電路，考慮AD 芯片供電電源電路的去耦和濾波特性，且需保證AD 各通道在PCB 布局布線時(shí)的電磁兼容和延時(shí)。因該模塊中采樣通道較多、采樣速率高，且考慮到整個(gè)PCB 的集成度和功耗，相較于并行采用許多單個(gè)通道的AD 芯片，單個(gè)芯片能兼容8 個(gè)通道同步采樣，有效分辨率位數(shù)為14 bit，最大采樣速率為125 Mbit/s，基帶信噪比73.1 dB，集成度高，單個(gè)通道功耗僅140 W 的LTM9011 芯片具有更大的優(yōu)勢(shì)。針對(duì)文中提及的16 通道陣列DBF 系統(tǒng)，使用2片LTM9011 即可滿足系統(tǒng)工作需求，該芯片具有專門的片間同步IO 管腳，能保證多片間同步采樣，該芯片性能的優(yōu)越性使其廣泛應(yīng)用于MIMO 雷達(dá)和醫(yī)療影像等領(lǐng)域［2，4］。為了滿足系統(tǒng)對(duì)相位一致性的要求，提高穩(wěn)定性和測(cè)量的精確性，避免采集信號(hào)的不定性，采集模塊電路中的時(shí)鐘輸入應(yīng)該保證是同一時(shí)鐘模塊產(chǎn)生。

2 系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)

以16 通道陣列DBF 系統(tǒng)為例，介紹了系統(tǒng)的組成與實(shí)現(xiàn)方式。相控陣天線波束合成方向圖前都需要對(duì)整個(gè)陣面上所有陣元信道進(jìn)行校平［17-18］，以消除不同信道的系統(tǒng)誤差，即對(duì)圖1 中從陣面單元x1～xN到16 路AD 采樣端口進(jìn)行校準(zhǔn)，對(duì)數(shù)字多通道陣列相控陣校準(zhǔn)采用對(duì)比法。以子陣1 中的某一個(gè)單元信道為參考，取待測(cè)單元與參考單元信道幅相差值，依次對(duì)陣面各單元幅相差值進(jìn)行校準(zhǔn)，幅度校準(zhǔn)到加權(quán)目標(biāo)值，相位校準(zhǔn)為0，得到的幅相校準(zhǔn)值脫機(jī)寫入波束控制器中，在方向圖合成測(cè)試時(shí)調(diào)用該幅相值，實(shí)現(xiàn)不同波束角的方向圖測(cè)試，從而得到各指向角波束寬度、指向誤差、主副瓣比值等，精準(zhǔn)實(shí)現(xiàn)測(cè)角功能。

如圖2 所示的面陣，整個(gè)天線陣面劃分為16 個(gè)子陣，以陣面中點(diǎn)為中心按照四象限將陣面分成方位俯仰向。16 通道陣列DBF 方向圖測(cè)試驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)如圖3 所示。如圖3 安裝好各分系統(tǒng)于微波暗室中，陣列相控陣天線的陣面中心應(yīng)與標(biāo)準(zhǔn)測(cè)試?yán)戎行耐S，實(shí)驗(yàn)中需保證標(biāo)準(zhǔn)測(cè)試?yán)扰c變頻器中的本振同源，因此標(biāo)準(zhǔn)喇叭的信號(hào)源與變頻器本振輸入來(lái)自同一個(gè)信號(hào)源輸入，該信號(hào)源能同時(shí)實(shí)現(xiàn)多路信號(hào)輸出。系統(tǒng)上電后，上位機(jī)通過(guò)串行方式發(fā)送配相指令，內(nèi)容包含對(duì)應(yīng)的頻點(diǎn)、子陣號(hào)、通道號(hào)、加權(quán)配相碼等參數(shù)，控制模塊接收配相指令后轉(zhuǎn)發(fā)給采集系統(tǒng)模塊，采集系統(tǒng)模塊解析接收指令中的有效信息，后轉(zhuǎn)發(fā)參數(shù)信息給相控陣天線組合，相控陣天線組合中的控制模塊根據(jù)指令信息對(duì)各通道進(jìn)行開啟關(guān)閉，標(biāo)準(zhǔn)喇叭輻射信號(hào)，開啟的陣面天線單元接收射頻信號(hào)經(jīng)不同的信道至變頻器，下變頻為中頻信號(hào)，采集系統(tǒng)模塊對(duì)中頻信號(hào)進(jìn)行采樣處理，通過(guò)串口通信的方式將數(shù)據(jù)傳輸給上位機(jī)，得到該通道對(duì)應(yīng)頻點(diǎn)的相位碼和幅度加權(quán)碼。關(guān)閉相控陣天線組合的電源，信號(hào)源輸入信號(hào)往功分器耦合口輸入信號(hào)，通過(guò)閉饋的方式對(duì)16 路AD 采樣端口進(jìn)行校準(zhǔn)，將采集的16 組數(shù)據(jù)通過(guò)串行的方式傳輸給上位機(jī)，在方向圖測(cè)試時(shí)進(jìn)行校正。整個(gè)系統(tǒng)斷電，將對(duì)應(yīng)的相位幅度碼寫入相控陣天線組合波控器的flash 中，系統(tǒng)完成校正和配相，校正和配相是形成和差波束方向圖的基礎(chǔ)，直接影響合成方向圖的各項(xiàng)指標(biāo)。

圖3 DBF 實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)Fig.3 Block diagram of the test system for DBF

考慮要形成和差方向圖，統(tǒng)計(jì)被測(cè)天線的波束指向誤差，實(shí)驗(yàn)過(guò)程中設(shè)定天線方位俯仰向的波束指向范圍為-45°～+45°，波束步進(jìn)為3°，控制轉(zhuǎn)臺(tái)的掃描范圍為-90°～+90°，轉(zhuǎn)臺(tái)在波束指向角范圍內(nèi)的步進(jìn)為0.01°，其他角度步進(jìn)為0.50°，波束掃描時(shí)天線的極化方式和標(biāo)準(zhǔn)喇叭的極化方式必須相同，按照波束指向和掃描范圍對(duì)多通道進(jìn)行數(shù)據(jù)采集和波束合成，對(duì)不同波束下的方向圖進(jìn)行歸一化處理，得到不同波束角下的和差方向圖。不同波束角下方位、俯仰向數(shù)字和差波束方向圖如圖4 所示。根據(jù)天線理論有效截面積與波束的正比關(guān)系，隨著掃描角度增大，天線有效截面積減小，陣面天線法向增益逐漸降低，3 dB 波束寬度展寬，主副瓣比變小。

圖4 不同波束指向下和差波束方向圖Fig.4 Patterns of sum and difference in different beam pointing angles

從圖4 不同波束掃描狀態(tài)下的方向圖中可以看出，多通道相控陣天線DBF 方式按照四象限劃分后形成了較優(yōu)的和差波束方向圖，且從方向圖上可得到多通道相控陣天線的多項(xiàng)性能指標(biāo)。在0°波束指向角時(shí)，與差波束的方向圖關(guān)于波束角對(duì)稱，隨著掃描角度增加，方向圖開始呈現(xiàn)不對(duì)稱狀態(tài)，角度越大畸變?cè)絿?yán)重，這是由于轉(zhuǎn)動(dòng)后陣面橫截面積不對(duì)稱導(dǎo)致。根據(jù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果對(duì)多個(gè)波束的指標(biāo)統(tǒng)計(jì)結(jié)果見表1。波束寬度隨著指向角增大而展寬，副瓣抬升，指向誤差增大，從表1 中可以看到，對(duì)稱波位的波束指標(biāo)之間存在差異，主要原因是因?yàn)樵跀?shù)據(jù)同步采集過(guò)程中，轉(zhuǎn)臺(tái)轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)的重復(fù)性誤差和連續(xù)采樣導(dǎo)致不同通道間溫差引起。俯仰向的指向誤差比方位更大，導(dǎo)致此結(jié)果的原因是陣面配相是在方位向，俯仰向的方向圖測(cè)試是在方位向轉(zhuǎn)向90°后進(jìn)行，轉(zhuǎn)臺(tái)的精度對(duì)指向誤差影響很大。

表1 和差波束形成的方向圖統(tǒng)計(jì)指標(biāo)Tab.1 Statistical indicators for the beam-forming pattern of sum and difference

3 結(jié)束語(yǔ)

本文詳細(xì)闡述了一種多通道相控陣天線DBF技術(shù)及工程系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)，對(duì)系統(tǒng)的組成、合成原理、硬件結(jié)構(gòu)、工作步驟等進(jìn)行了詳細(xì)介紹。通過(guò)某16 通道相控陣天線方向圖測(cè)試，驗(yàn)證了該系統(tǒng)具有可行性和實(shí)用性。測(cè)試結(jié)果表明：該DBF 系統(tǒng)能實(shí)現(xiàn)較優(yōu)的和差波束方向圖，方向圖的各項(xiàng)性能指標(biāo)能準(zhǔn)確得到分析。DBF 技術(shù)的成熟應(yīng)用為多通道相控陣天線方向圖測(cè)試提供了一定的技術(shù)支持，為雷達(dá)信號(hào)處理提供一定的工程實(shí)用指導(dǎo)。