射頻仿真系統(tǒng)饋電網(wǎng)絡(luò)設(shè)計與分析

孫 軍，高紅友

（1.解放軍91404部隊，秦皇島 066001；2.中國船舶重工集團公司第723研究所，揚州 225001）

0 引 言

射頻仿真系統(tǒng)是雷達與電子對抗多功能試驗系統(tǒng)的主要試驗設(shè)備，為裝備提供一個充斥著可知、可控電磁波的空間環(huán)境［13］。它具有條件可控、經(jīng)濟效益高、省時等優(yōu)點，因而在國內(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)精度是以目標位置精度來表示的，而影響射頻仿真系統(tǒng)目標精度的因素較多，包括信號通道中的移相器、衰減器、放大器、開關(guān)、近場效應(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，主要用于雷達目標、干擾和雜波等信號的輻射，實現(xiàn)雷達目標及背景信號的位置控制［4］。在實際應(yīng)用中，饋電網(wǎng)絡(luò)具有指標要求嚴苛、涉及器件繁多和結(jié)構(gòu)復雜等特點［5］，這為設(shè)計帶來了一定困難，同時也意味著設(shè)計思路靈活，即一個天線陣列饋電網(wǎng)絡(luò)絕不拘泥于一種設(shè)計方案。基于此設(shè)計思想，本文依據(jù)某射頻仿真系統(tǒng)指標要求對其饋電網(wǎng)絡(luò)的方案進行探討和分析，完成對其饋電網(wǎng)絡(luò)的設(shè)計。

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轉(zhuǎn)臺上被試設(shè)備的天線口面中心，保證球面上每個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211個，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，單元間距為50 mrad，另外18個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)生雷達信號，并模擬各種信號平臺相對被試設(shè)備的空間運動，即實現(xiàn)雷達信號在天線面陣上移動。雷達信號空間位置的控制主要分二部分：一是在三元組之間移動產(chǎn)生目標信號跳變，這種控制方式稱為三元組粗位控制，簡稱粗控；二是通過控制一個三元組內(nèi)的3個天線輻射信號的幅度，達到輻射信號中心在三元組內(nèi)位置的移動，稱為三元組精位控制，簡稱精控。因此空間信號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)矩陣來實現(xiàn)三元組之間的移動，過程是先將天線陣面上的A，B，C 3條支路所對應(yīng)的天線單元按照一定的規(guī)范進行編號，再將所有的三元組所對應(yīng)的編碼存入控制計算機，在使用時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，實現(xiàn)三元組之間的移動，達到目標粗控的目的。精控是通過球面陣上相鄰3個天線構(gòu)成的三元組，通過三元組輻射的信號模擬被試設(shè)備目標回波信號，輻射的信號對著球面陣的球心位置，合成的輻射信號中心與被試設(shè)備天線口面中心的連線可等效為設(shè)備與目標的視線路徑，通過改變3個輻射信號相對的幅度和相位關(guān)系來實現(xiàn)目標信號在三元組內(nèi)的位置在空間的移動［911］。

三元組模擬目標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現(xiàn)是通過饋電網(wǎng)絡(luò)中粗控和精控來實現(xiàn)的，饋電網(wǎng)絡(luò)設(shè)計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)來實現(xiàn)，下節(jié)對饋電網(wǎng)絡(luò)進行分析和設(shè)計。

2 饋電網(wǎng)絡(luò)設(shè)計

饋電網(wǎng)絡(luò)將射頻源送來的信號進行放大、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)中需要實現(xiàn)6～18 GHz頻段范圍的精位控制，輸入信號首先送給一分四功分器，功分器將每路信號分為4個支路，其中一個支路作為擴展使用，接匹配負載，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，功率放大器是對支路中功率損耗的補償和鏈路放大，耦合器輸出2路，主信號送后端通道支路，1路作為監(jiān)測。

2.2 粗控

在粗位控制中，開關(guān)矩陣設(shè)計是關(guān)鍵。本文研究的射頻仿真天線陣列有336個三元組，由193個喇叭天線構(gòu)成。其中A、B、C支路分別對應(yīng)64、65和64個天線，剩余18個天線放入陣列中構(gòu)成水平線陣，形成36個二元組，A、B、C各對應(yīng)6個天線，因此A、B、C支路分別對應(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)組成的拓撲結(jié)構(gòu)來實現(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)計的，前兩級開關(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。

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、測試和故障定位、維修，對天線陣列進行分區(qū)，本文將天線陣列分為12個區(qū)，如圖5所示。

圖4 開關(guān)矩陣結(jié)構(gòu)圖

每個分區(qū)集中放置控制板和電源模塊，簡化了饋電的復雜度。

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)情況對器件進行布局，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，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最小可做到0.03 dB，動態(tài)范圍為64 dB，參照文獻［9］和［11］計算選用移相器和程控衰減器滿足要求。為了進一步降低外部環(huán)境影響，保證系統(tǒng)性能指標，本文機箱選配恒溫屏蔽機箱，并在機箱內(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，對粗位控制組合各器件進行功率分配，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放大器，補償通道的插損和信號的放大，放大器在通道的位置選擇綜合考慮了系統(tǒng)指標和預(yù)算，保證放大器輸出信號要小于其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選用機電開關(guān)，用于輻射信號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，在第一級放大器前端預(yù)留了一個均衡器的位置，最后根據(jù)實際聯(lián)調(diào)情況確定具體均衡量。通過圖7計算可知通道插損為44 dB，兩級放大器的放大增益為52 dB，在輸入信號功率為4 d Bm時，可輸出信號功率為12 d Bm，大于10 dBm，滿足指標要求。

4 結(jié)束語

本文設(shè)計的饋電網(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，而當系統(tǒng)控制某一支路通道時，由于移相器和程控衰減器的器件特性在控制支路相位時會導致幅度變化，同樣在控制幅度時相位也會變化，這種變化不是人為可預(yù)期的，必須加以修正和幅相標校。為盡可能降低幅相變化影響，通常射頻電纜要現(xiàn)場配相，在做到每級電纜等長和降低器件使用量時，可將移相器換成IQ矢量調(diào)制器，同時對試驗結(jié)果影響大的幅相組合做好優(yōu)化設(shè)計。

［1］張強，范國平.電子戰(zhàn)信號環(huán)境仿真系統(tǒng)［J］.艦船電子對抗，1998（4）：6－10.

［2］陳訓達.射頻仿真中的雙近場效應(yīng)［J］.系統(tǒng)仿真學報，2001，13（1）：92－95.

［3］劉烽，毛繼志，許家棟.一種新型的機載雷達射頻仿真系統(tǒng)設(shè)計方案 ［J］.系統(tǒng)仿真學報，2003，15（6）：757－759.

［4］王恒霖，曹建國.仿真系統(tǒng)的設(shè)計與應(yīng)用［M］.北京：科學出版社，2002.

［5］顧振杰，劉宇.射頻仿真系統(tǒng)目標模擬關(guān)鍵技術(shù)研究［J］.雷達與對抗，2010，30（4）：5－8.

［6］潘忠堂，周德興.射頻仿真系統(tǒng)陣列結(jié)構(gòu)設(shè)計綜述［J］.雷達與對抗，1999（4）：43－48.

［7］周艷陽，王李寧.微波暗室面陣結(jié)構(gòu)設(shè)計新方案［J］.電子機械工程，2010，26（4）：25－27.

［8］郝曉軍，陳永光，何建國，汪連棟.三元組天線陣列控制方案研究［J］.信號處理，2008，24（4）：700－704.

［9］毛繼志，郭陳江，張麟兮，許家棟.幅相誤差對射頻仿真系統(tǒng)目標位置精度的影響［J］.系統(tǒng)仿真學報，2003，15（8）：1149－1151.

［10］黃培康，殷紅成，許小劍.雷達目標特性［M］.北京：電子工業(yè)出版社，2005.

［11］梁斌，閻熙文.射頻陣列仿真系統(tǒng)的目標位置精度分析［J］.航天電子對抗，2010，26（2）：49－52.