數(shù)字相控陣天線陣面的暗室測(cè)試方法研究

吳鴻超，徐欣歡，薛 羽

(1.南京電子技術(shù)研究所， 南京210039)

(2.天線與微波技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 南京210039)

0 引言

作為一種新型先進(jìn)體制的相控陣?yán)走_(dá)［1］，數(shù)字相控陣?yán)走_(dá)相比較傳統(tǒng)的模擬相控陣?yán)走_(dá)，在波束的靈活性［2］、系統(tǒng)時(shí)間資源利用率、系統(tǒng)動(dòng)態(tài)范圍、抗干擾以及多功能應(yīng)用等多個(gè)方面有著得天獨(dú)厚的優(yōu)勢(shì)，因此，被越來(lái)越多地應(yīng)用到地面、艦載、機(jī)載和星載等領(lǐng)域的軍用電子裝備中。

作為數(shù)字相控陣?yán)走_(dá)的核心組成，天線陣面的硬件設(shè)備量無(wú)論是從數(shù)量上還是成本上，都占了整個(gè)雷達(dá)硬件設(shè)備量的三分之二以上，對(duì)整個(gè)雷達(dá)起著舉足輕重的作用，良好的天線陣面性能是保證雷達(dá)可靠、穩(wěn)定工作的前提。

經(jīng)過(guò)多年的技術(shù)積累，模擬相控陣天線陣面的暗室測(cè)試技術(shù)已經(jīng)相對(duì)比較成熟，而數(shù)字相控陣天線陣面的暗室測(cè)試則處于起步階段，尚未積累足夠的工程經(jīng)驗(yàn)，標(biāo)準(zhǔn)的數(shù)字相控陣天線陣面自動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)更是從零開始［3-6］。數(shù)字相控陣天線陣面暗室測(cè)試的難度在于:對(duì)于傳統(tǒng)的模擬相控陣天線陣面，由于收發(fā)波瓣測(cè)試時(shí)，天線陣面與測(cè)試探頭(或中遠(yuǎn)場(chǎng)的喇叭天線)之間，一收一發(fā)的均是同頻射頻信號(hào)，信號(hào)相參同步，因此，其測(cè)試系統(tǒng)核心組成是成熟的矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀，用于數(shù)據(jù)采集和分析的軟件程序也相對(duì)比較簡(jiǎn)單;而數(shù)字相控陣天線陣面，收發(fā)波瓣測(cè)試時(shí)，天線陣面與測(cè)試探頭之間一個(gè)是發(fā)射模擬信號(hào)，一個(gè)則是經(jīng)過(guò)AD采樣之后的接收數(shù)字IQ信號(hào)，二者之間的同步相參需要額外的硬件設(shè)備，并經(jīng)過(guò)特殊的數(shù)據(jù)處理。

本文研究了數(shù)字相控陣?yán)走_(dá)天線陣面的工作原理，提出了一個(gè)切實(shí)有效的暗室測(cè)試方法，搭建了一套完備的測(cè)試系統(tǒng)，通過(guò)對(duì)天線陣面樣機(jī)的試驗(yàn)，驗(yàn)證了方法的正確性。

1 數(shù)字相控陣天線陣面

文中所討論的相控陣天線陣面，并不僅僅是作為輻射單元的天線振子或者無(wú)源天線陣列，而是由天線罩、天線陣列、結(jié)構(gòu)骨架和高頻箱(內(nèi)部包含了T/R組件、綜合網(wǎng)絡(luò)、陣面電源、陣面監(jiān)測(cè)設(shè)備等)所組成的(有源)天線陣面，圖1給出了一個(gè)典型數(shù)字相控陣?yán)走_(dá)天線陣面的基本組成框圖。

圖1 典型數(shù)字相控陣天線陣面組成示意圖

數(shù)字相控陣天線陣面的主要功能是:

1)發(fā)射時(shí)，陣面對(duì)發(fā)射前級(jí)送來(lái)的信號(hào)進(jìn)行放大、輻射和空間功率合成。根據(jù)雷達(dá)指令，陣面通過(guò)直接數(shù)字頻率合成(DDS)技術(shù)實(shí)現(xiàn)發(fā)射波束掃描，向指定空域輻射;

2)接收時(shí)，陣面將天線接收到的目標(biāo)回波信號(hào)放大，經(jīng)過(guò)數(shù)字接收通道轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)，交由數(shù)字波束形成(DBF)形成自適應(yīng)波束。

其工作原理框圖如圖2所示。

圖2 數(shù)字相控陣天線陣面工作原理框圖

2 測(cè)試系統(tǒng)組成和原理框圖

在暗室測(cè)試階段(不論是近場(chǎng)、中場(chǎng)還是遠(yuǎn)場(chǎng))，同常規(guī)模擬相控陣天線陣測(cè)試系統(tǒng)相比，除了電源機(jī)柜、冷卻機(jī)組之外，數(shù)字相控陣天線陣面測(cè)試系統(tǒng)中還必須需要包括DBF機(jī)柜和光纖數(shù)據(jù)記錄儀。

根據(jù)數(shù)字相控陣天線陣面暗室測(cè)試的特點(diǎn)，搭建了一套測(cè)試系統(tǒng)，工作原理框圖如圖3所示，其基本組成如表1所示。

圖3 數(shù)字相控陣天線陣面暗室測(cè)試原理框圖

表1 典型數(shù)字相控陣天線陣面測(cè)試系統(tǒng)組成表

3 信號(hào)的同步與相參

為滿足數(shù)字相控陣天線陣面測(cè)試對(duì)同步的嚴(yán)格要求，測(cè)試系統(tǒng)中的控制設(shè)備和天線陣面之間必須共用同一個(gè)頻率源輸出的時(shí)鐘信號(hào)。

同時(shí)，為保證天線陣面自身多個(gè)組成數(shù)字T/R組件之間的同步，天線陣面內(nèi)部的時(shí)鐘功分網(wǎng)絡(luò)必須穩(wěn)定、同相。

為保證不同時(shí)刻采集到的信號(hào)之間相參，必須使用監(jiān)測(cè)數(shù)字T/R組件。監(jiān)測(cè)數(shù)字T/R組件是數(shù)字相控陣天線陣面用于監(jiān)測(cè)和暗室測(cè)試的核心工作部件。保證每一次被測(cè)數(shù)字有源通道數(shù)據(jù)的采集時(shí)，有一個(gè)同步相參的參考通道數(shù)據(jù)作為基準(zhǔn)。通過(guò)對(duì)比同一個(gè)基準(zhǔn)信號(hào)，來(lái)實(shí)現(xiàn)多個(gè)被測(cè)通道，在不同時(shí)刻采集到的數(shù)據(jù)之間相參。

圖4給出了數(shù)字相控陣天線陣面的監(jiān)測(cè)數(shù)字T/R組件原理框圖。

圖4 監(jiān)測(cè)數(shù)字T/R組件原理框圖

整個(gè)天線陣面只需要一個(gè)監(jiān)測(cè)數(shù)字T/R組件，該組件的外部接口方面，電源接口、本振接口、時(shí)鐘接口與其他數(shù)字T/R組件可保持一致;在功能和要求與其他數(shù)字T/R組件基本類似;由雷控單獨(dú)調(diào)度和控制。

4 暗室波瓣圖測(cè)試步驟

以暗室近場(chǎng)測(cè)試為例，給出數(shù)字相控陣天線陣面的測(cè)試方法，其他如中場(chǎng)測(cè)試和遠(yuǎn)場(chǎng)測(cè)試，方法基本類似。

4.1 發(fā)射波瓣測(cè)試

圖5為數(shù)字陣天線發(fā)射波瓣近場(chǎng)測(cè)試框圖，其方法和主要步驟如下:

1)控制系統(tǒng)通知伺服掃描架走到第一個(gè)通道的位置，當(dāng)探頭到位時(shí)，返回握手信號(hào)。

2)測(cè)試計(jì)算機(jī)得到掃描架到位的握手信號(hào)后，由數(shù)據(jù)處理軟件，計(jì)算出波束加權(quán)、掃描所需要的幅度和相位值，并通過(guò)控制系統(tǒng)發(fā)送給DDS，DDS根據(jù)指令，預(yù)置幅度相位，打開T/R開關(guān)，所有數(shù)字T/R通道同時(shí)工作(為避免發(fā)射能量過(guò)大造成測(cè)試系統(tǒng)的損壞，發(fā)射測(cè)試需采用極小的占空比)。

3)探頭接收到的模擬信號(hào)進(jìn)入監(jiān)測(cè)組件的監(jiān)測(cè)路T/R通道，下變頻到中頻信號(hào)，并AD采樣最終形成IQ數(shù)字信號(hào)，通過(guò)光纖下傳;同時(shí)，參考T通道產(chǎn)生的參考信號(hào)通過(guò)參考R通道自閉環(huán)采集，形成IQ數(shù)字信號(hào)，同樣通過(guò)光纖下傳。

4)光纖下傳的參考和被測(cè)信號(hào)光纖數(shù)據(jù)經(jīng)數(shù)據(jù)記錄儀進(jìn)行采集。

5)記錄儀停止采集數(shù)據(jù)，重復(fù)第1)步，至掃描架完成所有測(cè)試位置為止。

6)后期分析處理光纖數(shù)據(jù):對(duì)各點(diǎn)位置上的測(cè)試信號(hào)對(duì)參考信號(hào)進(jìn)行歸一化處理，并轉(zhuǎn)換成幅度相位信息，形成整個(gè)天線陣面口徑上的完整幅相分布，并最終通過(guò)近遠(yuǎn)場(chǎng)變換，得到二維發(fā)射波瓣圖。

圖5 數(shù)字陣天線發(fā)射波瓣近場(chǎng)測(cè)試框圖

4.2 接收波瓣測(cè)試

測(cè)試接收波瓣圖時(shí)，其方法和主要步驟如下:

1)控制系統(tǒng)通知伺服掃描架走到第一個(gè)通道的位置，當(dāng)探頭到位時(shí)，返回握手信號(hào)。

2)測(cè)試計(jì)算機(jī)得到掃描架到位的握手信號(hào)后，全陣面接收通道打開，同時(shí)接收來(lái)自探頭的信號(hào)。

3)各個(gè)數(shù)字T/R通道接收到的模擬信號(hào)經(jīng)下變頻、AD采樣最終形成IQ數(shù)字信號(hào)，通過(guò)光纖下傳至DBF;同時(shí)，參考T通道產(chǎn)生的參考信號(hào)通過(guò)參考R通道自閉環(huán)采集，形成IQ數(shù)字信號(hào)，同樣通過(guò)光纖下傳至DBF。

4)DBF根據(jù)預(yù)置的數(shù)字域幅相加權(quán)函數(shù)，對(duì)各個(gè)被測(cè)數(shù)字T/R通道進(jìn)行數(shù)字IQ信號(hào)合成，合成一路被測(cè)數(shù)字信號(hào)，同參考數(shù)字信號(hào)一起經(jīng)光纖進(jìn)入經(jīng)數(shù)據(jù)記錄儀進(jìn)行數(shù)據(jù)采集。

5)記錄儀停止采集數(shù)據(jù)，重復(fù)第1)步，至掃描架完成所有測(cè)試位置為止。

6)后期分析處理光纖數(shù)據(jù):對(duì)各點(diǎn)位置上的測(cè)試信號(hào)對(duì)參考信號(hào)進(jìn)行歸一化處理，并轉(zhuǎn)換成幅度相位信息，形成整個(gè)天線陣面口徑上的完整幅相分布，并最終通過(guò)近遠(yuǎn)場(chǎng)變換，得到二維接收波瓣圖。

5 測(cè)試結(jié)果驗(yàn)證

利用文中的測(cè)試方法，對(duì)相控陣?yán)走_(dá)樣機(jī)的天線陣面進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，得到的近場(chǎng)接收波瓣圖如圖6所示。

圖6 實(shí)測(cè)接收二維波瓣圖

取其方位主平面的波瓣圖，與雷達(dá)在外場(chǎng)測(cè)試的遠(yuǎn)場(chǎng)波瓣圖進(jìn)行比對(duì)，二者結(jié)果基本一致，如圖7所示;接收低副瓣性能也驗(yàn)證了該測(cè)試方法的精準(zhǔn)度，在近場(chǎng)測(cè)試中很好地控制了天線陣面的剩余幅相誤差。

圖7 近遠(yuǎn)場(chǎng)測(cè)試主平面波瓣圖對(duì)比

6 結(jié)束語(yǔ)

本文對(duì)先進(jìn)體制的數(shù)字相控陣天線陣面暗室測(cè)試方法進(jìn)行了探索研究，針對(duì)其特點(diǎn)，提出了有效可行的測(cè)試方法，并搭建了一套高效的測(cè)試系統(tǒng)，對(duì)數(shù)字相控陣?yán)走_(dá)樣機(jī)的天線陣面進(jìn)行了近場(chǎng)測(cè)試，良好的測(cè)試結(jié)果切實(shí)驗(yàn)證了該方法的正確性，為未來(lái)數(shù)字相控陣測(cè)試技術(shù)的發(fā)展，提供了有效的技術(shù)支持。

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