有源相控陣雷達通道幅相監測方法研究*

練學輝

(海軍駐南京地區雷達系統軍事代表室，南京 210003)

1 引言

隨著微電子化和數字技術的飛速發展，數字波束形成技術在相控陣雷達中得到了廣泛的應用。數字波束形成技術充分利用了陣列天線所接收到的空間信息，可以快速、靈活地實現波束掃描，并具有抗干擾能力強、可靠性好等多方面的優點。但是，由于各通道間幅相特性的不一致，因而導致了波束指向不正確和旁瓣抬高等問題。這是每個陣列雷達設計者都非常關注的。本文首先分析了引起通道幅相不一致的原因，并且仿真了通道幅相誤差對波束形成的影響，最后結合工程實際闡述了有源相控陣雷達中收發通道幅相監測與校準方法［1-2］。

2 通道幅相誤差分析

2.1 通道幅相誤差來源分析

有源相控陣雷達系統基本組成如圖1所示。

圖1 有源相控陣陣面系統框圖

在不考慮安裝誤差和通道間互耦的情況下，影響系統各通道幅相一致性的因素主要包括:

(1）天線陣列幅相誤差；

(2）TR組件幅相誤差；

(3）數字化信號的量化誤差；

(4）溫度不一致性造成的誤差；

(5）寬頻帶帶內幅相不一致。

由模擬電路、數字電路組成的TR組件很難做到各通道間的幅度、相位一致性，是其主要的誤差源，而且受到溫度不同的影響，幅相一致性惡化很大。捷變頻工作方式下的雷達在多個頻率點間幅相一致性是有差異的。

2.2 幅相誤差對波束形成影響的仿真分析

陣列信號的理想形式為

式中，波程差γ=－2π(d/c）fsinθ，f為射頻，θ為觀察方向與陣面法線的夾角，d 是陣元間距。當考慮通道間的幅相誤差時，陣列信號的形式為

其中ai和φi分別為整個傳輸鏈路引入的幅度和相位誤差。波束形成結果變為

其中，K為波束號，M為形成的波束數，N為陣元數。

不同ai和φi對合成波束的影響如圖2所示。

圖2 不同幅相誤差對波束形成的影響

分別使用了3組參數與沒有幅相誤差的波束形成結果對比，其中σφ和σa分別表示相位和幅度誤差的均方值，沒有進行加窗處理。在沒有幅相誤差時主旁瓣比－13.2 dB；σφ=1.4°，σa=0.1時，主旁瓣比－12.9 dB；σφ=4.7°，σa=0.1時，主旁瓣比－12.49 dB；σφ=8.9°，σa=0.1時，主旁瓣比－11.17 dB。

3 通道幅相監測方法及系統構建

在研制過程中，相控陣雷達的通道幅相校準可以借助近場測試系統，而在裝備服役期間則難以借助輔助設備，必須有其他合理的輔助測量方法對通道的特性進行監測和校正。校正的過程一般是在監測到幅相特性數據后，對于上行通道可以通過調整波控方式或者修改數字移相器完成預期的波束賦形，而下行通道則可以在DBF的數字加權網絡中實現各通道間的幅相修正［3-4］。

按照監測信號饋入的位置，將經典的監測方法分為內監測和外監測兩種，分別包含接收監測和發射監測。

(1）內監測

內監測法在技術上是一種傳統的、較為成熟的方法。使用內監測時需要在發射末級加入定向耦合器，從耦合器耦合出或者饋入監測信號，通過分析各通道回饋的監測信號間的相位從而進行發射監測和接收監測。

圖3 描述的是發射監測和接收監測基本功能模塊組成和工作流程。綜合控制器包括采集下行信號、生成監測信號、控制各種開關和移相器等功能。

圖3 內監測系統原理框圖

接收內監測時，監測轉換開關將綜合控制器輸出的監測信號經過電子開關送到發射組件末級的定向耦合器，耦合回來的信號經過環流器饋入正常的接收支路，綜合控制器采集回饋的監測信號，并將數據傳給后端的操控計算機進行幅度相位計算。

發射內監測時，綜合控制器產生射頻監測信號送入正常發射通道，通過發射組件送入各陣元，而部分信號通過定向耦合器耦合到監測支路，并通過下變頻進入綜合控制器進行數字化轉換。

內監測的優點是:能實現在線監測，監測速度快；技術成熟、可靠性高、性能穩定；精確度高，可以在整機架設之前通過儀表對監測通道進行校準。

由于內監測時沒有包括陣元的影響，監測的是收發分機通道的幅相特性，必然會有其不足的地方:監測的結果不包括天線單元的幅相誤差和其互耦作用，與實際檢測到的幅相數據有一定的差異；不能監測天線安裝誤差和陣元本身排列方向所引起的相位不一致性；監測通路引入了電子開關的系統誤差，必須預先得到監測通路的不一致性。

利用內監測系統可以進行雷達系統自檢、TR組件狀態監測、TR組件更換前后的比較、自動故障定位等工作。

(2）外監測

常規外監測法需要在距離較近、較空曠的地區進行。在天線陣面外設置一個或幾個外監測天線，從遠場源獲得監測信號，或者發射監測信號；穩定的相參信號經過各通道，改變后的幅相信息能夠被采集到，從而得到通道的不一致性數據。

本文提出了一種較為簡單的外監測方法，相比于經典的外監測法減少了一部分設備量。系統原理框圖如圖4所示。將反射體架設在雷達陣面的遠場，用脈沖形式的監測信號對其照射。由于脈沖信號的初相是固定的，從天線單元發出，經反射體回到天線，這個過程中不考慮環境的影響，回波信號滿足平面波入射條件，信號幅度相位變化是固定的。

圖4 外監測系統原理框圖

在發射外監測時，單獨控制某一路發射組件發射信號，用獨立的接收通道去接收回波，采集后計算出回波幅相。用此法遍歷各通道獲得完整的幅相監測數據。

接收外監測時，發射監測信號，所有接收通道同時工作，采集此時反射的監測信號回波，分析其幅相特性，確定各通道的幅度和相位差。

這種外監測法相對于經典外監測法的優越性在于:設備量得到了簡化，而且不需要在遠場的反射物處放置設備和安排保障人員；硬件實現簡單，成本低，在不影響雷達性能的前提下通過雷達自身的功能做完全部監測過程，不需要其他設備配合；考慮到了天線陣元自身幅相誤差等因素的影響，更加接近真實的接收通道幅相特性；接收外監測時可以迅速定位損壞的TR組件的位置。

外監測的缺點在于必須要選擇滿足遠場測試條件的場地，在雷達裝備服役以后很難準確實施。

兩種通道監測手段適用于不同的場合，內監測更適合經常性的系統自檢，而外監測的通道一致性數據更加真實。在外場實驗系統穩定后，記錄此時通道幅相不一致性數據，可以當作真值使用，方便以后系統維護。

下面通過接收外監測實驗說明監測方法的正確性。

在外場實驗中，天線由N個線陣組成，間距0.05 m，波長0.1 m。使用上文提到的外監測方法，將角反射體擺放在遠場相對于天線陣面法線夾角－11.2°的位置，得到了接收通道幅相不一致的數據。通過多次重復試驗，通道不一致性數據穩定。

圖5 接收入射角－7.2°監測信號幅相

圖6 接收通道校正前后DBF合成結果與理論分析結論比較

圖6 是校正前后DBF 結果與理論分析結論比較，可以明顯看出陣面的空間指向正確、旁瓣降低，與理論分析結果接近，充分說明接收外監測方法是正確的。

4 結論

對于DBF 體制的雷達，通道一致性對雷達性能影響很大。將內監測和外監測的數據合理地結合起來，就可以快速而精確地校準通道的幅相誤差，為雷達整機的精度、威力、可靠性保駕護航。

［1］張光義，趙玉潔.相控陣雷達技術［M］.北京:電子工業出版社，2006.

［2］束咸榮，何炳發，高鐵.相控陣雷達天線［M］.北京:國防工業出版社，2007.

［3］呂繼榮，朱子平.通道間幅相差異對DBF的影響及解決方法［J］.中國科技信息，2008(11）.

［4］吳祖權.有源相控陣雷達陣面監測方法及其實驗研究［J］.現代雷達，1998(8）.