DBF陣列波束無法穩定形成的原因分析及驗證

楊 超，王雁濤，唐益民

(1.海裝駐重慶地區軍事代表局，重慶 400042；2.西南電子設備研究所，成都 610036)

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DBF陣列波束無法穩定形成的原因分析及驗證

楊 超1，王雁濤1，唐益民2

(1.海裝駐重慶地區軍事代表局，重慶 400042；2.西南電子設備研究所，成都 610036)

針對已固化權值的數字波束形成(DBF)陣列在岸邊環境中出現波束無法穩定形成的問題，分析了原因，通過展寬主瓣波束的方法驗證了原因分析的正確性。

數字波束形成陣列；波束形成；波束校正

0 引 言

烏克蘭“鎧甲”無源探測系統等裝備證實了利用對對流層散射微弱微波信號的接收可實現超視距偵察，但其瞬時空域覆蓋窄導致對目標信號截獲概率低，無疑對作戰效能有著較大的影響。數字波束(DBF)陣列具有增益高和空域覆蓋寬等特點，可顯著提高對目標輻射信號的探測距離和探測概率。DBF陣列的波束形成是通過對各路陣列單元接收的信號進行幅度/相位加權運算實現，理論上其幅度/相位權值不變，DBF陣列波束特性不變[1-2]。本文針對已固化權值的數字波束形成陣列在實際環境中出現波束無法穩定形成的問題，分析了引起波束凌亂的原因，通過展寬主瓣波束的方法驗證了原因分析的正確性。

1 問題描述

微波輻射源架設在距離DBF陣列5.8 km、高度低于DBF陣列0.47 km的位置，DBF陣列附近有房屋及其它設備，百米開外有通訊鐵塔，低處有樹木、風電設備。DBF陣列臨近海面，電磁環境比較復雜。在確認DBF陣列工作正常后，利用微波輻射源對DBF陣列波束形成情況進行測試，發現波束凌亂，中午重新對DBF陣列進行權值校正后，能夠形成波束但天線副瓣電平偏高，晚上波束再次凌亂。

2 原因分析

基于現場環境和DBF陣列工作原理及天線陣理論分析[3-4]，波束無法穩定形成或凌亂的主要原因包括：環境中信號傳播多徑引起的波束畸變、鹽霧天氣引起的幅度/相位畸變、輻射源信號入射俯仰角引入的幅度/相位畸變均可能造成DBF陣列性能的下降，甚至波束無法形成。

2.1 信號多徑傳播影響分析

微波輻射源天線與DBF陣列之間滿足天線測量要求的最小測試距離，電波傳播滿足通視條件。在這種情況下，信號多徑傳播對陣列波束主瓣影響不大，但對波束副瓣會有較大的影響，況且白天和晚上的信號傳播環境并無實質變化，因此信號多徑傳播不是波束不能穩定形成的主要因素。

2.2 鹽霧天氣影響分析

中午天氣晴朗，晚上海面霧大。以微波輻射源3.6 GHz信號進行輻射測試，通過測試陣列方位維各通道輸出的幅度和相位，晚上的信號傳輸損耗比白天大3.2 dB，陣列邊緣通道相位漂移比白天超前12°。收發天線布局示意圖如圖1所示。

圖1 收發天線布局示意圖

電磁波在介質中傳播時，傳輸介質引起的相位變化為：

(1)

式中:ε為介質的相對介電常數。

由式(1)可知，12°的相位漂移主要是由晚上出現的海霧引起。根據陣列、單元及輻射源之間的尺寸，計算出12°的相位漂移可等效為在天線陣方位維長度基礎上縮短約2.8 mm，平均相鄰陣列單元間距縮短0.044 mm。根據陣列的俯仰維尺寸，推斷出在俯仰維鹽霧天氣造成邊緣通道最大相位漂移不大于19°,等效距離縮短約4.4 mm，平均相鄰單元間間距縮短0.14 mm。0.14 mm和0.044 mm陣元間距的變化均滿足0.2 mm的安裝精度要求。另外，以前在其它遠離海岸的環境中多次出現的雨霧天氣從未影響DBF波束合成，盡管海霧引起的損耗較大，但它對DBF陣列各陣元和通道的影響是相同的。因此鹽霧天氣引起的幅度、相位變化不是波束不能形成的主要因素。

2.3 輻射源信號入射角影響分析

微波輻射源相距DBF陣列5.8 km，滿足陣列天線所需的遠場輻射條件。在俯仰方向，收發天線的高度差0.47 km引起的入射波以4.6°進入DBF陣列。DBF陣列波束指向下俯2°，實際入射波進入DBF陣列的夾角約2.6°。圖2為3.6 GHz頻率點的DBF陣列俯仰面仿真方向圖，入射信號落入DBF天線的俯仰副瓣區域，相對主瓣，此處俯仰面合成波束相位翻轉，但只要副瓣區幅度、相位是穩定的，并不影響方位面DBF權值的校正和波束的形成，所以，白天重新校正權值可以形成副瓣稍高、波束展寬的DBF波束。因此輻射以2.6°仰角進入DBF陣列是DBF波束形成變差的因素，但達不到波束凌亂、嚴重畸變的程度。

圖2 天線俯仰面仿真方向圖

3 試驗驗證

如果保證微波輻射源信號入射角落入俯仰波束變化較緩的主瓣區域，即方向圖幅度/相位基本穩定，入射信號微弱的幅相變化將不會引起合成波束的畸變。通過只采用1/4子陣擴展DBF陣列的波束俯仰寬度，俯仰維2.6°附近入射的信號處于子陣俯仰波束位置如圖3，此時2.6°位于俯仰波束幅/相特性基本穩定的主瓣區域。

在采用1/4俯仰陣列進行驗證后，DBF陣列主瓣接收信號相位漂移和幅度起伏依然存在，但無論晴天、鹽霧天，形成的DBF波束正常。因此，已固化的幅相權值完全可用。

4 結束語

圖3 天線俯仰面1/4子陣仿真方向圖

入射俯仰角各因素對DBF陣列合成波束的影響，均不能從根本上影響DBF波束的正常形成，但當3個因素同時作用于DBF陣列時，DBF陣列方向圖副瓣電平起伏和相位翻轉，導致接收俯仰2.6°入射信號不穩定，使DBF陣列波束嚴重畸變。此現象也說明了DBF陣列有效覆蓋空域應是其主瓣覆蓋空域，在內場校正固化的幅相加權值在外場同樣適用。

[1] 邱文杰，楊超,陳文漢，等.數字波束形成在雷達中的應用譯文專輯[J].成都電訊工程學院學報，1998，17(S1)：71- 82.

[2] 楊超，邱文杰.空間譜估計測向中通道失配和陣元間互耦的一次性補償[J].電子科學學刊,1995，27(3):32- 36.

[3] 謝處方，邱文杰.天線原理與設計[M].西安：西安電子科技大學出版社，1985.

[4] 汪茂光，呂善偉，劉瑞祥.陣列天線分析與綜合[M].成都：電子科技大學出版社，1989.

Reason Analysis and Experimental Verification for Unstabilized Beam-forming of DBF Array

YANG Chao1,WANG Yan-tao1,TANG Yi-min2

(1.Military Representative Bureau of Naval Equipment Department in Chongqing Region,Chongqing 400042,China;2.Southwest Research Institute of Electronic Equipment,Chengdu 610036,China)

Aiming at the problem that the beam of digital beam-forming (DBF) array with fixed weight value can not be formed stably on the shore,this paper analyzes the reasons,validates the correctness of reason analysis by widening main-lobe beam width.

digital beam-forming array;beam forming;beam correction

2015-11-11

TN971.1

A

CN32-1413(2016)03-0027-02

10.16426/j.cnki.jcdzdk.2016.03.007