SystemVue在有源陣列天線研究中的應(yīng)用

張明皓，束永江，楊濤，錢林

（中國電子科技集團(tuán)公司第三十八研究所安徽合肥230088）

在相控陣?yán)走_(dá)的應(yīng)用中，隨著微波組件集成化、微型化和多功能化的不斷發(fā)展[1-4]，按習(xí)慣劃分的陣列天線、波束網(wǎng)絡(luò)、收發(fā)系統(tǒng)等微波分系統(tǒng)之間的界線越來越模糊。若仍沿用原來的研制方法，會導(dǎo)致原先相對獨立的研究和調(diào)試工作變得困難，甚至無法實現(xiàn)，一些在分系統(tǒng)研制過程中應(yīng)發(fā)現(xiàn)并解決的問題都集中出現(xiàn)在整機(jī)聯(lián)調(diào)階段，導(dǎo)致研制過程中的改進(jìn)迭代次數(shù)、總成本和時間周期大幅增加。

在這樣的背景下，相控陣?yán)走_(dá)微波系統(tǒng)全鏈路的建模仿真越來越重要。通過微波系統(tǒng)建模仿真來明確全系統(tǒng)的設(shè)計目標(biāo)和分系統(tǒng)的設(shè)計指標(biāo)，并根據(jù)仿真結(jié)果對系統(tǒng)各層次的設(shè)計欠缺和性能缺陷進(jìn)行評估，是確保微波系統(tǒng)預(yù)計性能滿足要求的重要環(huán)節(jié)[5-9]。目前，能夠用于微波系統(tǒng)建模仿真的設(shè)計工具和軟件多種多樣[10-11]，其中SystemVue作為一款可專門用于雷達(dá)微波系統(tǒng)建模仿真的軟件，提供了較完整的雷達(dá)模型庫和射頻組件模型庫，支持從收發(fā)系統(tǒng)、饋線網(wǎng)絡(luò)到各類型天線的整體建模仿真，并且支持雷達(dá)系統(tǒng)半實物仿真，能夠為雷達(dá)微波系統(tǒng)的架構(gòu)和指標(biāo)參數(shù)設(shè)計提供理論依據(jù)[12-13]。

為了在微波系統(tǒng)全鏈路建模的條件下，對陣列天線開展研究和設(shè)計工作，本文利用SystemVue軟件搭建了一套基本的發(fā)射鏈路仿真模型，計算了陣列天線激勵信號的時域和頻域特性，及其在不同工作模式下的理論方向圖，研究了通道的幅度和相位隨機(jī)誤差對方向圖的影響，并且和暗室測試結(jié)果進(jìn)行了對比分析。

1 建模與仿真

1.1 模型構(gòu)建與參數(shù)設(shè)置

典型的有源相控陣?yán)走_(dá)微波系統(tǒng)的發(fā)射鏈路框圖如圖1所示，根據(jù)該原理框圖，我們在SystemVue軟件中搭建了微波系統(tǒng)發(fā)射鏈路仿真模型，其子鏈路主要有波形產(chǎn)生、變頻激勵和陣列天線，各子鏈路的輸出端插入了頻譜分析節(jié)點以滿足信號分析的需要。如圖2所示，在波形產(chǎn)生與變頻激勵鏈路中，由RADAR_LFM模塊產(chǎn)生線性調(diào)頻信號，經(jīng)過Set Sample Rate采樣模塊和RADAR_TX雷達(dá)發(fā)射模塊后產(chǎn)生波形的包絡(luò)信號。該信號經(jīng)過FreqMpyDiv倍頻模塊、Mixer和Oscillator上混頻模塊、Amplifier放大模塊和BPF帶通濾波模塊后作為激勵信號饋入陣列天線鏈路。波形產(chǎn)生鏈路中設(shè)置的主要參數(shù)有脈沖寬度、脈沖重復(fù)間隔、波形帶寬、波形頻率，變頻激勵鏈路中主要參數(shù)包括倍頻器倍增系數(shù)、本振信號頻率、放大器增益、濾波器載波頻率和工作帶寬，具體參數(shù)值如表1所示。

圖1 有源相控陣?yán)走_(dá)微波系統(tǒng)發(fā)射鏈路原理框圖

圖2 波形產(chǎn)生與變頻激勵鏈路仿真模型

圖3 陣列天線鏈路仿真模型

如圖3所示，在陣列天線鏈路中，激勵信號經(jīng)過EnvToCx模塊后轉(zhuǎn)換為復(fù)數(shù)信號，經(jīng)過矩形陣列發(fā)射波束綜合模塊RADAR_TX_DBS_2D后，生成所有陣列天線發(fā)射通道的信號，送入多通道發(fā)射單元模塊RADAR_MultiCH_TX后生成各發(fā)射通道的包絡(luò)信號，最后經(jīng)過相控陣天線模塊RADAR_Phased ArrayTx的計算并通過EnvToCx轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)類型后得到方向圖數(shù)據(jù)。在陣列天線鏈路模型中，參數(shù)設(shè)置主要包括陣列天線單元數(shù)、單元間距、單元因子、方位向和俯仰向的波束掃描角等。其中，RADAR_Multi CH_TX模塊利用軟件自帶的MATLAB語言讀取所有單元通道的幅度相位值并轉(zhuǎn)換為復(fù)數(shù)矩陣，能夠方便地處理方向圖綜合、誤差分析、非均勻陣列和稀疏布陣等問題。對于RADAR_PhasedArray Tx模塊，由MATLAB自定義模塊生成方位和俯仰掃描參數(shù)并輸入BeamPhiIn和BeamThetaIn端口用于仿真參數(shù)導(dǎo)入。同時，由兩個Sink元件分別采集方位向與俯仰向的數(shù)據(jù)用于數(shù)據(jù)后處理計算方向圖，Sink元件數(shù)據(jù)采集的數(shù)量設(shè)為與對應(yīng)的MATLAB自定義模塊生成的變量數(shù)相同，以避免數(shù)據(jù)處理出現(xiàn)混亂。

表1 波形產(chǎn)生與變頻激勵參數(shù)

文中計算的天線陣列類型為均勻平面陣，天線陣面位于X-Y坐標(biāo)平面，電磁波輻射方向為+Z方向，對應(yīng)的方向圖函數(shù)和單元分布分別由公式（1）和公式（2）表示，其中，cl為各天線單元的饋電電流幅度，λ為工作波長，θ0和φ0為波束掃描角，cosEF2θ為天線單元方向圖函數(shù)，EF為單元因子，其默認(rèn)值為1；X方向和Y方向?qū)?yīng)的天線單元數(shù)分別為M和N，單元間距分別為dx和dy。

1.2 仿真計算

有源相控陣?yán)走_(dá)微波系統(tǒng)發(fā)射鏈路建模完成以及基本參數(shù)設(shè)置后，對波形產(chǎn)生和變頻激勵鏈路的信號波形和頻譜進(jìn)行了仿真。波形產(chǎn)生信號的仿真波形如圖4所示，可以看到信號由工作周期相同的脈沖信號串組成，將部分波形進(jìn)行放大可以看到該信號為線性調(diào)頻信號，與波形設(shè)計的理論值吻合。變頻激勵鏈路的輸出的信號頻譜如圖5所示，該信號中心頻率9.5 GHz，帶寬20 MHz，信號功率為18 dBm，能夠滿足激勵信號的要求。

對于陣列天線鏈路模型可以設(shè)置不同的天線單元布局方式、單元數(shù)量、單元間距和掃描角。發(fā)射模式下陣列天線的所有TR組件均為飽和放大工作，即輸出功率恒定，僅對相位進(jìn)行量化調(diào)節(jié)。當(dāng)波束不展寬時，天線的主要指標(biāo)要求為：掃描角為法向時，方位向與俯仰向和波束主瓣寬度分別為1.1°和 6.4°，副瓣低于-12 dB；最大掃描角分別為60°和 20°。

圖4 波形產(chǎn)生信號的時域仿真結(jié)果

圖5 激勵信號的頻域仿真結(jié)果

經(jīng)過參數(shù)優(yōu)化，得到陣列天線方位向與俯仰向的單元數(shù)分別為96和12，單元間距分別為16 mm和21 mm，波束不展寬時，所有天線單元采用等幅同相饋電方式，圖6所示為發(fā)射模式下和波束的法向三維方向圖。圖7所示為天線在方位向的法向和掃描60°時的理論方向圖，計算結(jié)果能夠滿足指標(biāo)要求，且沒有出現(xiàn)柵瓣。

圖6 和波束三維方向圖

圖7 法向與掃描60°方向圖

2 波束展寬實驗測試

相控陣?yán)走_(dá)的多種工作模式要求天線波束寬度靈活可變，設(shè)計指標(biāo)要求方位向最大波束展寬寬度為10°，副瓣低于-12 dB。針對波束展寬問題的陣列天線綜合法有很多，目前主要采用的是遺傳算法及其改進(jìn)算法[14-16]，可以得到較平滑的相位分布曲線，通過仿真模型調(diào)用波束展寬時的各通道相位值，

實際應(yīng)用中，因為天線裝配精度以及TR組件幅度相位一致性等各種形式的隨機(jī)誤差，所以各陣元的激勵電流幅度和相位不能與理論值一致，會導(dǎo)致方向圖出現(xiàn)畸變，使得天線的副瓣電平抬高，因此必須進(jìn)行誤差分析。這里主要考慮了天線單元通道隨機(jī)的幅度和相位誤差，設(shè)第l單元的幅度隨機(jī)誤差為Δcl，相位的隨機(jī)誤差為Δψl，此時方向圖計算公式由公式（1）改寫為公式（3）：

圖8 波束展寬仿真與測試方向圖

當(dāng)各單元通道的幅度隨機(jī)誤差Δcl為±0.5 dB，相位隨機(jī)誤差Δψl為±20°時，對波束展寬方向圖進(jìn)行仿真計算并和暗室測試結(jié)果進(jìn)行對比。如圖8所示，理論與測試方向圖的主瓣和近區(qū)副瓣基本吻合，其波束寬度為9.9°，副瓣小于-13 dB，并且主波束的頂部較平坦，能夠滿足指標(biāo)要求。而遠(yuǎn)區(qū)副瓣的測試結(jié)果比理論計算結(jié)果高10 dB左右，這是因為在計算中僅考慮了各單元通道的隨機(jī)幅度相位誤差，而未引入饋電網(wǎng)絡(luò)和子陣天線延遲線的誤差，不影響實際工程應(yīng)用。

3 結(jié)論

本文針對相控陣?yán)走_(dá)微波系統(tǒng)全鏈路仿真分析的需求，利用SystemVue搭建了一套典型的發(fā)射鏈路仿真模型，該仿真模型由波形產(chǎn)生、變頻激勵和陣列天線三段子鏈路組成，通過對模型主要節(jié)點的測試，可以滿足信號波形、頻譜及天線方向圖綜合分析。本文在天線設(shè)計指標(biāo)的要求下，對天線方向圖進(jìn)行了仿真計算和誤差分析；以波束展寬模式為例，進(jìn)行了試驗分析，得到了與理論計算較為一致的結(jié)果。可以看到SystemVue軟件下搭建的相控陣?yán)走_(dá)微波系統(tǒng)仿真模型具有可視化建模、功能全面、參數(shù)完整和便于使用的特點，能夠滿足實際的工程應(yīng)用。