數字波束形成系統多通道幅相校正方法及應用

牛勤 胡元奎 吳偉 黃俊園

摘要 在數字波束形成（DigitalBeamforming，DBF）系統中，通道失配會嚴重影響形成波束的形狀和指向，所以在DBF運算之前，需要對通道進行幅相校正。論文采用內場校正和外場校正相結合的方法對DBF系統進行校正，通過內場校正補償接收前端及之后的通道的幅相不一致，通過內外場校正補償系數補償接收前端之前的陣列天線及相關射頻電纜的幅相不一致，進而達到整個接收通道的幅相一致。論文給出了算法的推導與試驗分析結果，證實了方法有效可行。

【關鍵詞】數字波束形成 通道失配 幅相校正

數字波束形成（Digital Beamforming，DBF）是指在天線波束形成的基礎上采用先進的數字信號處理技術對陣列信號進行處理并在數字域形成多個可控接收波束的一種技術。與機械掃描相比，DBF技術不但控制波束指向更加靈活，還可以實現超低副瓣。然而，其對射頻通道的幅相一致性要求卻相當嚴格。在工程應用中，射頻通道的組成多為模擬器件，不可避免的存在通道間的幅相差異，如果差異嚴重導致通道失配，將會嚴重影響形成波束的形狀和指向，因此，在DBF運算之前，必須對陣列天線和接收通道進行幅相校正。

幅相校正方法可分為外場校正和內場校正，外場校正多在雷達或雷達信號偵察系統研制期間進行，借助微波暗室、開闊場地等干擾較小的環境以及信號源、測試架等輔助設備，使信號從陣列天線法線方向平行入射，然后檢測各路輸出，計算幅相校正系數。內場校正是利用設備自身的校正源產生信號，將其饋入接收前端，然后檢測各路輸出，計算幅相校正系數。可見，內場校正和外場校正的不同之處在于對接收前端之前的陣列天線及相關射頻電纜等無源器件的幅相不一致性處理。無源器件一旦加工完成安裝到位，幅相特性就基本不隨時間變化，所以只需要對其進行一次精確的校正，就可以實現幅相一致。

論文采用內場校正和外場校正結合的方法對DBF系統進行校正，通過系統研制期間存入的內外場校正補償系數和系統服役期間每次開機實時的內場校正系數，可以達到整個系統的幅相一致，理論推導和試驗分析表明了方法的有效性。

1 校正方法與步驟

系統校正示意圖如圖1所示，外場校正的信號源采用外信號源，借助微波暗室及測試輔助設備，利用探頭的平移和分時采集數據等方法模擬一組與陣列天線法線方向平行的信號，輻射進入接收天線。而內場校正的信號源采用接收機自帶的校正源產生信號，通過功分器和耦合器（或開關）進入各接收前端。為了表示方便，文中用大寫字母表示復數，并忽略時間索引，以上角標的方式區分系統研制階段與服役階段。

定義：

需要注意的是，如果采用分時采集的方法模擬遠場信號，需要保證信號源在每個位置發送的信號幅度和初相位完全相等，如果無法滿足這個條件，可以另設一個通道m作為參考（見圖1），每一時刻探頭移動對準一個天線，以其對應通道與通道m的比值作為其對應通道樣本，以通道i與通道m的比值作為參考通道樣本，求得校正系數如（3）式所示。論文中假設信號到達各接收天線的幅度相等，初相相同。

1.1.3 內外場校正補償系數

由于有源部分每次開機狀態都不同，只能對系統中相對穩定的無源部分進行補償計算。內外場校正時，通道的不一致性主要體現在圖3的開關（或耦合器）之前，也就是C和D的不同上，計算內外場校正系數之間的幅相差異，作為每個通道的校正補償系數F，并將之存入系統。

1.2 服役階段

在系統服役階段，每次開機進行實時的內場校正，利用系統研制階段存入的內外場校正補償系數，計算系統最終的校正系數，使整個通道的幅相一致。

1.2.1 內場校正系數

與系統的研制階段的內場校正系數相比，系統服役階段的內場校正系數只在有源部分發生了變化，即：

2 試驗驗證分析

結合某項目，待測系統由陣列天線、接收機、信號處理、監控、顯控等部分組成，接收頻段2-4GHz，通道數目32。由于寬帶系統的幅相不一致隨頻率變化而變化，而當帶寬遠小于中心頻率時，這種變化可以忽略不計，因此，論文將工作帶寬劃分為若干個窄帶系統進行校正。本振間隔設計為100MHz，每本振32個信道，每信道帶寬為15.625MHz。

選取2.6GHz進行測試，圖2（a）為系統未校正時信號處理端收到的各通道幅度和相位，圖2 （b）為采用論文中方法進行校正之后信號處理端收到的各通道的幅度和相位。圖3是系統經過校正之后反演出的方向圖。

由圖2 （a）和（b）可以看出經過校正，32通道的幅度起伏由5 dB左右下降到ldB以內，相位起伏由土180度下降到±4度以內。由圖3可以看出，形成波束的形狀圓滑，無異常點;形成波束指向正確，無偏差，3dB波束寬度和主副比均與理論計算匹配，滿足項目需求。可見，論文采用的校正方法是有效可行的。

3 結論

論文針對DBF系統中的通道失配問題，設計了內外場結合的校正方法，通過系統研制期間存入的內外場校正補償系數和系統服役期間每次開機實時的內場校正系數，來達到整個系統的幅相一致，方法驗證試驗結合工程實例進行，證明了方法的有效性。

參考文獻

[1]裴曉東，劉建元，雷達數字波束形成及其數學分析[J].雷達與對抗，2008 （02）： 32-35.

[2]劉興華，羅景青，喬旭朗，寬帶稀疏線陣內外場聯合通道校正技術研究[J].火力與指揮控制，2016 （04）：109-112.

[3]張晨洋.多通道校正關鍵技術研究與實現[D].成都：電子科技大學.2016

[4]魯加國，吳曼青，陳嗣喬，方正新，基于FFT的相控陣雷達校準方法[J].電波科學學報，2000，15 （02）： 221-224.