共形陣列寬帶波束形成設(shè)計與實現(xiàn)

賈振國，吳海洲

(中國電子科技集團(tuán)公司第五十四研究所，河北 石家莊 050081)

共形陣列寬帶波束形成設(shè)計與實現(xiàn)

賈振國，吳海洲

(中國電子科技集團(tuán)公司第五十四研究所，河北 石家莊 050081)

針對大規(guī)模共形陣列波束形成問題，提出一種寬帶信號數(shù)字波束形成方法，介紹了該方法的具體實現(xiàn)過程,該波束形成流程主要包括子陣內(nèi)和子陣間波束形成2部分。由地平坐標(biāo)系中目標(biāo)位置推導(dǎo)出子陣視線坐標(biāo)系目標(biāo)來波方向后，對寬帶數(shù)字波束形成方法進(jìn)行理論推導(dǎo):子陣內(nèi)通過幅相加權(quán)、子陣間進(jìn)行時延補(bǔ)償和相位加權(quán)。通過軟件仿真和原理樣機(jī)試驗，充分驗證了該方法正確、可行。

共形陣列；寬帶信號；數(shù)字波束形成；幅相加權(quán)；時延補(bǔ)償

0 引言

共形陣列天線具有寬角度掃描、可實現(xiàn)全空域覆蓋[1]等優(yōu)點，在現(xiàn)代通信系統(tǒng)中獲得廣泛應(yīng)用[2]。波束形成技術(shù)作為相控陣系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)[3]，其形成方法及算法的設(shè)計尤為重要。

寬帶大角度范圍掃描共形陣列的波束形成[4]，若按傳統(tǒng)窄帶信號波束形成方式實現(xiàn)[5]，帶寬內(nèi)頻率偏差會導(dǎo)致波束形成指向的偏差，而信號瞬時帶寬要受天線孔徑渡越時間的限制[6]。國內(nèi)外已對寬帶信號波束形成進(jìn)行了大量的研究工作[7]，主要集中在時延實現(xiàn)方法[8]及低副瓣算法[9]。信號時延補(bǔ)償既可在時域?qū)崿F(xiàn)[10]，也可在頻域?qū)崿F(xiàn)[11]。由于頻率線性相位加權(quán)方法受到FFT點數(shù)的影響，時延精度受到很大限制，因此在時域采用數(shù)字延遲線和分?jǐn)?shù)時延濾波器相結(jié)合的方法得到了更廣泛的應(yīng)用[12]。本文采用移相加時延補(bǔ)償?shù)姆绞綄崿F(xiàn)寬帶數(shù)字波束形成，對其實現(xiàn)過程及所需相位、時延補(bǔ)償量給出完整理論推導(dǎo)過程，并通過軟件仿真及樣機(jī)試驗對理論進(jìn)行驗證。

1 共形陣列寬帶信號波束形成流程

對于規(guī)模較大的共形陣列天線，將整個陣列劃分為若干個子陣，小規(guī)模子陣受信號帶寬和孔徑渡越時間影響較小，可采用相位加權(quán)來補(bǔ)償波程差，而子陣間需進(jìn)行時延補(bǔ)償。由于時延補(bǔ)償占用硬件資源較大，相比于整個陣列使用時延補(bǔ)償，可以減少硬件資源消耗。

采用子陣內(nèi)相位加權(quán)、子陣間時延補(bǔ)償進(jìn)行寬帶信號數(shù)字波束形成的流程如圖1所示。天線接收信號經(jīng)過下變頻、AD采樣轉(zhuǎn)化為數(shù)字信號，在數(shù)字域進(jìn)行相位加權(quán)和時延補(bǔ)償來抵消子陣內(nèi)天線之間及子陣與子陣之間的波程差。

圖1 寬帶信號波束形成流程

2 寬帶信號數(shù)字波束形成

某大規(guī)模共形陣列由若干子陣組成，建立地平坐標(biāo)系如圖2所示，目標(biāo)來波方向為方位φ、俯仰θ，O′為任一子陣的幾何中心。

圖2 共形陣列與地平坐標(biāo)系

假設(shè)子陣中心O′與坐標(biāo)原點O連線的方位角為A，子陣相對于水平面傾角為E，由地平坐標(biāo)系O-xyz到子陣視線坐標(biāo)系O′-x′y′z′的轉(zhuǎn)換關(guān)系[13]為(不考慮坐標(biāo)原點的位移)：

(1)

將極坐標(biāo)與直角坐標(biāo)的轉(zhuǎn)換關(guān)系代入式(1)可得：

(2)

因此，目標(biāo)來波方向在子陣視線坐標(biāo)系為：

(3)

式中，φ′和θ′分別表示目標(biāo)來波方向在子陣視線坐標(biāo)系中的方位角和俯仰角。

2.1 子陣內(nèi)波束合成

子陣內(nèi)的天線位置及其視線坐標(biāo)系定義如圖3所示，該子陣為等間距排列的8×8方陣，已知單元間距，易得任一天線位置坐標(biāo)。

圖3 子陣內(nèi)天線位置及其視線坐標(biāo)系

假設(shè)t時刻坐標(biāo)原點O′處接收到的信號為s(t)ej2πf0t，f0為信號s(t)的載波頻率，fL為下變頻的本振頻率，則下變頻后信號為s(t)ej2πf0te-j2πfLt=s(t)ej2π(f0-fL)t；若某單元位置為(xm,ym)，則該位置相對于原點的波程差為：

τmn=(xmcosθ′cosφ′+ymcosθ′sinφ′)/c。

(4)

接收到的信號為：

sm(t)=s(t+τm)ej2πf0(t+τm)。

(5)

下變頻后為：

xm(t)=s(t+τm)ej2πf0(t+τm)e-j2πfLt=s(t+τm)ej2π(f0-fL)tej2πf0τm。

(6)

所有通道進(jìn)行相位補(bǔ)償，加權(quán)值為wm=e-j2πf0τm，補(bǔ)償后信號變?yōu)椋?/p>

sm(t)=s(t+τm)ej2π(f0-fL)t。

(7)

可見，移相補(bǔ)償后信號沒有完全對齊，但由于子陣較小，孔徑度越時間對其影響很小，可只做移相補(bǔ)償后進(jìn)行信號的疊加。子陣內(nèi)波束合成后，相心在O′處。

2.2 子陣間波束合成

τ1=(x1cosθcosφ+y1cosθsinφ+z1sinθ)/c。

(8)

x1(t)=s(t+τ1)ej2πf0(t+τ1)。

(9)

(10)

若直接進(jìn)行時延補(bǔ)償，延時τ1，則信號變?yōu)椋?/p>

(11)

(12)

對式(12)進(jìn)行時延補(bǔ)償：

(13)

(14)

再經(jīng)過時延補(bǔ)償為：

(15)

3 軟件仿真與樣機(jī)試驗驗證

為了驗證上述波束形成過程，在某原理樣機(jī)上進(jìn)行了試驗驗證，該樣機(jī)為由若干子陣組成的共形陣列天線。在硬件實現(xiàn)過程中，子陣內(nèi)相位加權(quán)通過復(fù)乘實現(xiàn)，子陣間時延補(bǔ)償通過數(shù)字延遲線和分?jǐn)?shù)延時濾波器實現(xiàn)，時延補(bǔ)償采用基于對稱結(jié)構(gòu)的分?jǐn)?shù)時延濾波器[14]，所有數(shù)字處理過程在FPGA[15]中實現(xiàn)[16-17]。

首先對波束指向方位-6.9°、俯仰13.6°(標(biāo)校塔方向)的陣列天線波束形成方向圖進(jìn)行軟件仿真，仿真歸一化結(jié)果如圖4所示，其中圖4(a)為方位面方向圖，圖4(b)為俯仰面方向圖。陣列實測方向圖如圖5和圖6所示。

(a) 方位面方向圖

(b) 俯仰面方向圖圖4 陣列仿真方向

圖5 陣列實測方位面方向圖

圖6 陣列實測俯仰面方向圖

在樣機(jī)試驗中，共形陣列在標(biāo)校塔的方向形成接收波束，接收標(biāo)校塔上信標(biāo)發(fā)射的信號。然后接收波束在方位面和俯仰面進(jìn)行掃描，利用頻譜儀記錄測試結(jié)果，圖5為方位面方向圖，圖6為俯仰面方向圖。

對比圖4、圖5和圖6可知，樣機(jī)測試與仿真結(jié)果基本一致，測試結(jié)果和仿真結(jié)果的主旁瓣比、主柵瓣比差異很小(差異來源于天線及組件的一致性、電磁波的地面反射、建筑物的折射等)。綜上所述，通過軟件仿真和樣機(jī)試驗充分驗證了該寬帶信號數(shù)字波束形成方法正確可行。

4 結(jié)束語

本文以共形陣列天線的寬帶信號數(shù)字波束形成過程為研究目標(biāo)，以子陣內(nèi)相位加權(quán)、子陣間時延補(bǔ)償為研究思路，通過理論分析表明子陣間進(jìn)行信號疊加時，不僅僅需要做時延補(bǔ)償，同時也需要子陣間的相位補(bǔ)償。需要注意的是，與子陣內(nèi)相位加權(quán)值和接收信號載波頻率有關(guān)不同，子陣間的相位補(bǔ)償值與下變頻本振頻率有關(guān)。最后通過軟件仿真及樣機(jī)試驗驗證該實現(xiàn)方法，其過程對平面陣和共形陣的寬帶信號數(shù)字波束形成過程均適用，因此，對大型陣列的寬帶波束形成具有理論指導(dǎo)意義。

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Design and Implementation of Wideband Beamforming for Conformal Array

JIA Zhen-guo,WU Hai-zhou

(The54thResearchInstituteofCETC,ShijiazhuangHebei050081,China)

A wideband digital beamforming method for conformal array antenna is proposed for beamforming of large-scale conformal array,and the realization process of the method is introduced.The flow of beamforming mainly includes beamforming in and between subarrays.After deducing the direction of arrival in line-of-sight coordinate system from target direction in geodetic coordinate system,the theoretical derivation of wideband digital beamforming is conducted,including amplitude-phase weighting in subarrays,and time-delay compensation and phase weighting between subarrays.The correctness and feasibility of the method are verified through software simulation and principle prototype experiment.

conformal array;wideband signal;DBF;amplitude-phase weighting;time-delay compensation

10.3969/j.issn.1003-3106.2017.09.15

賈振國,吳海洲.共形陣列寬帶波束形成設(shè)計與實現(xiàn)[J].無線電工程,2017,47(9):73-76.[JIA Zhenguo,WU Haizhou.Design and Implementation of Wideband Beamforming for Conformal Array[J].Radio Engineering,2017,47(9):73-76.]

TN821+.8

A

1003-3106(2017)09-0073-04

2016-11-03

賈振國 男，(1985—)，碩士，工程師。主要研究方向：航天測控、陣列信號處理。

吳海洲 男，(1977—)，博士，高級工程師。主要研究方向：航天測控、陣列信號處理。