寬帶雷達(dá)導(dǎo)引頭半實(shí)物仿真目標(biāo)模擬方法研究

肖本龍,傅亦源,李 超,牛鳳梁

(電子信息系統(tǒng)復(fù)雜電磁環(huán)境效應(yīng)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,河南 洛陽 471003)

0 引 言

隨著電子技術(shù)的快速發(fā)展,雷達(dá)導(dǎo)引頭面臨的作戰(zhàn)環(huán)境日趨復(fù)雜,傳統(tǒng)的外場試驗(yàn)?zāi)Ｊ诫y以完全適應(yīng)其試驗(yàn)需要。由于試驗(yàn)環(huán)境的可控性和可重復(fù)性更好,半實(shí)物仿真在雷達(dá)導(dǎo)引頭試驗(yàn)領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用,在工業(yè)部門較多應(yīng)用于產(chǎn)品的研制改進(jìn),可為樣機(jī)生產(chǎn)提供便利的試驗(yàn)條件,也可以用于性能鑒定試驗(yàn),考核裝備在復(fù)雜電磁環(huán)境下的技術(shù)性能[1]。

在射頻仿真暗室中,通過天線陣列模擬雷達(dá)目標(biāo)信號(hào)的空間運(yùn)動(dòng)特性,利用幅度重心原理,通過對(duì)三元組的幅度、相位進(jìn)行控制實(shí)現(xiàn)目標(biāo)位置的精確模擬。由于傳統(tǒng)天線陣列饋電通道的幅相控制一般采用程控衰減器和移相器等射頻器件實(shí)現(xiàn),同時(shí)只能控制某一個(gè)頻點(diǎn)的幅度和相位,幅相控制能夠滿足窄帶信號(hào)的角模擬精度的需要,但難以準(zhǔn)確模擬寬帶目標(biāo)信號(hào)的運(yùn)動(dòng)角位置信息[2-3]。本文主要針對(duì)寬帶雷達(dá)導(dǎo)引頭的半實(shí)物仿真試驗(yàn)需求,研究提高天線陣列寬帶目標(biāo)信號(hào)角模擬精度的方法。

1 寬帶目標(biāo)模擬精度影響因素分析

雷達(dá)導(dǎo)引頭射頻仿真試驗(yàn)?zāi)繕?biāo)模擬精度受多個(gè)方面因素的影響,如天線陣列通道幅相控制精度、微波暗室多路徑傳輸、三軸模擬導(dǎo)彈轉(zhuǎn)臺(tái)誤差、天線陣球心與被試裝備電心不同心等。寬帶目標(biāo)信號(hào)的實(shí)現(xiàn)難度主要在于克服饋電通道帶寬內(nèi)的幅相差異引起的誤差[4],因此,本文重點(diǎn)研究天線陣列通道寬帶幅相控制特性對(duì)目標(biāo)模擬精度的影響。

1.1 傳統(tǒng)三元組控制方法的不足

在進(jìn)行射頻半實(shí)物仿真試驗(yàn)時(shí),天線陣列饋電通道通過功分器將信號(hào)模擬器生成的雷達(dá)信號(hào)分為3路,根據(jù)目標(biāo)位置計(jì)算所在天線陣列三元組,通過射頻開關(guān)網(wǎng)絡(luò)將3路信號(hào)切換至三元組頂點(diǎn)對(duì)應(yīng)的輻射單元,并通過A、B、C支路上的衰減器和移相器分別控制三元組各輻射單元的幅度相位,實(shí)現(xiàn)目標(biāo)在三元組內(nèi)的任意位置移動(dòng),傳統(tǒng)三元組天線饋電通道結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 傳統(tǒng)三元組天線饋電通道結(jié)構(gòu)示意圖

傳統(tǒng)的三元組控制方法首先對(duì)A、B、C 3個(gè)通道的各頻點(diǎn)的初始相位和幅度進(jìn)行測量,生成幅相校正表,用于將3個(gè)通道相位調(diào)整一致,并消除在各頻點(diǎn)上的通道幅度不一致性[5]。在此基礎(chǔ)上,根據(jù)位置控制需要對(duì)幅相進(jìn)行迭代控制。這個(gè)方法是通過對(duì)通道某一個(gè)頻點(diǎn)的幅相特性進(jìn)行控制實(shí)現(xiàn)的,對(duì)于寬帶信號(hào)的位置控制精度僅能依靠通道在帶寬內(nèi)固有的幅相一致性來保證,對(duì)器件的性能要求較高。饋電通道一般由移相器、衰減器、電子開關(guān)、功率放大器等多個(gè)器件組成,由于各器件之間的性能差異,導(dǎo)致A、B、C 3個(gè)通道之間的幅度、相位一致性難以控制到理想水平。圖2為典型移相器6～18 GHz頻段內(nèi)的插損一致性,可以看出,其不同個(gè)例之間的插損特性存在明顯不一致。

圖2 典型移相器6～18 GHz頻段內(nèi)的插損一致性

1.2 幅相控制精度對(duì)目標(biāo)位置誤差的影響

如圖3所示,建立坐標(biāo)系,將坐標(biāo)原點(diǎn)O(0,0,0)放在球面天線陣列球心,x軸水平指向天線陣列的中心,y軸垂直向上,z軸按右手直角坐標(biāo)系確定。假設(shè)三元組3個(gè)輻射單元的位置分別為:A(R,θ1,φ1),B(R,θ2,φ2),C(R,θ3,φ3),要求的視在輻射中心為O′(R,θ,φ),其中,R為陣面輻射單元到原點(diǎn)的距離,θ為俯仰角,φ為方位角,E1、E2、E3分別為三元組的3個(gè)天線輻射信號(hào)的振幅。R為陣面上三元組天線口徑面到轉(zhuǎn)臺(tái)回轉(zhuǎn)中心(即坐標(biāo)原點(diǎn))的距離[6]。

圖3 三元組坐標(biāo)關(guān)系圖

根據(jù)波因廷矢量法推導(dǎo),得到近似的重心公式,并可求得三元組合成場的輻射中心解[7-8]:

(1)

(2)

根據(jù)三元組合成原理,可分析得到通道幅度控制誤差和相位控制誤差對(duì)目標(biāo)位置模擬精度的影響,如圖4和圖5所示。從圖4和圖5中可以看出,隨著幅度和相位控制誤差增大,目標(biāo)位置精度誤差也隨之增大。相比較而言,幅度誤差對(duì)目標(biāo)位置精度具有較大的影響,相位誤差對(duì)目標(biāo)位置精度的影響較小。因此工程上通常盡量減小幅度誤差而允許存在一定的相位誤差。

圖4 目標(biāo)位置誤差與幅度控制誤差關(guān)系圖

圖5 目標(biāo)位置誤差與相位控制誤差關(guān)系圖

2 實(shí)驗(yàn)測試分析

為了進(jìn)一步研究三元組饋電通道的幅相一致性,按照?qǐng)D1的典型饋電鏈路結(jié)構(gòu)搭建實(shí)驗(yàn)鏈路開展測試分析,實(shí)際場景如圖6所示。測試時(shí),在10.5 GHz頻點(diǎn)處控制三元組的幅相平衡值,以三元組其中一個(gè)輻射單元為參考基準(zhǔn),利用型號(hào)為Angilent N9918A的矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀對(duì)三元組之間的幅相不一致性進(jìn)行測試,掃描頻段為6～18 GHz,測試結(jié)果如圖7和圖8所示。從圖中可以看出,以中心頻率10.5 GHz、帶寬1 GHz為例,其幅度不一致性最大值為0.9 dB,相位不一致性為8.4°,按照幅相控制誤差對(duì)目標(biāo)位置精度的影響分析,幅度不一致性引起的目標(biāo)位置誤差約為0.8 mrad,相位一致性引起的目標(biāo)位置誤差約為0.01 mrad,幅度較相位影響大,與理論分析一致,且?guī)拑?nèi)目標(biāo)位置誤差起伏較大。

圖6 目標(biāo)位置誤差與相位控制誤差關(guān)系圖

圖7 10.5 GHz條件下6～18 GHz幅度不一致性

圖8 10.5 GHz條件下6～18 GHz相位不一致性

3 數(shù)字基帶預(yù)失真技術(shù)

3.1 數(shù)字基帶預(yù)失真技術(shù)原理

基于現(xiàn)場可編程門陣列(FPGA)的信號(hào)模擬器可通過在數(shù)字域產(chǎn)生基帶信號(hào),再通過數(shù)/模轉(zhuǎn)換器(DAC)生成模擬信號(hào)。為了克服移相器、衰減器只能對(duì)點(diǎn)頻信號(hào)進(jìn)行控制的局限,采用數(shù)字基帶預(yù)調(diào)制方法,將饋電通道的幅相控制從依賴射頻器件的局限中剝離出來,根據(jù)事先標(biāo)校的通道幅相特性,在信號(hào)模擬器的數(shù)字基帶以相逆的方向?qū)π盘?hào)進(jìn)行預(yù)失真調(diào)制,以抵消通道間的幅相差異,提高通道幅相一致性。饋電通道的結(jié)構(gòu)由圖1改進(jìn)為圖9,即將由衰減器和移相器控制三元組A、B、C 3個(gè)通道的幅相調(diào)制任務(wù),調(diào)整至直接由信號(hào)模擬器在數(shù)字基帶實(shí)現(xiàn),以達(dá)到在寬帶范圍內(nèi)對(duì)信號(hào)進(jìn)行幅相調(diào)制的目的。

圖9 改進(jìn)后的饋電通道結(jié)構(gòu)示意圖

數(shù)字基帶預(yù)失真技術(shù)原理如下:

假設(shè)雷達(dá)信號(hào)模擬器生成的典型信號(hào)表示為s(t),經(jīng)過射頻饋電鏈路輻射到暗室的雷達(dá)信號(hào)表示為r(t),其在時(shí)域可表示為:

r(t)=Tc(t)s(t)

(3)

式中:Tc表示射頻饋電鏈路的幅頻響應(yīng)函數(shù)。

將r(t)變換到頻域:

r(f)=Tc(f)s(f)

(4)

則該系統(tǒng)發(fā)射通道的頻率響應(yīng)為:

(5)

令GT(f)=1/HT(f),為了補(bǔ)償天線陣列饋電通道三元組的幅度、相位不一致性,可對(duì)輸入的信號(hào)進(jìn)行預(yù)失真處理,經(jīng)預(yù)失真處理后輸入信號(hào)的頻譜為:

(6)

將s′(f)變換至?xí)r域可得預(yù)失真處理后時(shí)域的輸入信號(hào)s′(t)。

3.2 通道一致性改善仿真驗(yàn)證

為了便于分析,以三元組中2個(gè)通道的幅相一致性為仿真對(duì)象,首先假定雷達(dá)信號(hào)模擬器產(chǎn)生線性調(diào)頻信號(hào),帶寬1 GHz,通道1和通道2預(yù)失真處理前的信號(hào)幅度和相位特性如圖10所示。

圖10 未經(jīng)預(yù)失真處理情況下通道幅相一致性

依據(jù)上述預(yù)失真補(bǔ)償方法,首先用雷達(dá)信號(hào)模擬器對(duì)基帶信號(hào)進(jìn)行幅相預(yù)失真處理,經(jīng)過處理后,通道1和通道2信號(hào)的幅度和相位特性如圖11所示。經(jīng)統(tǒng)計(jì),當(dāng)雷達(dá)信號(hào)模擬器產(chǎn)生同一斜率的線性調(diào)頻信號(hào)時(shí),經(jīng)過上述預(yù)失真處理,三元組2個(gè)通道幅度平均一致性可控制在0.2 dB以內(nèi),相位平均誤差可控制在2°以內(nèi)。

圖11 經(jīng)預(yù)失真處理情況下通道幅相一致性

4 結(jié)束語

為了滿足寬帶雷達(dá)導(dǎo)引頭的射頻仿真需要,對(duì)射頻仿真系統(tǒng)的寬帶信號(hào)模擬質(zhì)量提出了更高的要求。在數(shù)字基帶對(duì)寬帶信號(hào)進(jìn)行預(yù)失真處理,可以克服射頻器件自身特性帶來的指標(biāo)差異缺陷,有效改善天線陣列三元組饋電通道的寬帶幅相一致性,從而提高系統(tǒng)寬帶信號(hào)的角模擬精度。該方法為寬帶設(shè)備射頻仿真提供了一種新的思路,同時(shí)也對(duì)饋電通道的幅相特性精確標(biāo)定提出了要求,需要在提高標(biāo)校精度和效率方面開展進(jìn)一步研究。