寬帶陣列超低副瓣實現技術

黃 華，于 勇

(中國船舶重工集團公司第七二三研究所，江蘇 揚州 225101)

0 引 言

戰爭中的先敵發現與先敵打擊能力是決定某次戰役成敗的關鍵。有源相控陣在現代戰爭中的運用給對抗方帶來了一定的困難，有源相控陣采取的是快速波束掃描的方式，并且通過低副瓣技術可將發射副瓣做得很低[1]。若要實現對其信號的高概率截獲，那么，偵察設備也要采取相應的有源相控陣對抗技術，在寬帶范圍內利用陣面增益與數字波束形成技術提高設備的偵收靈敏度，實現對敵方電磁信號的副瓣偵收。

考慮到成本與集成度等因素，不可能單元級采用數字波束形成技術[2-4]，通常采用的是子陣級的數字波束形成技術。子陣級的數字波束形成技術既涉及到前端模擬部分的饋電、微波等的設計，同時也涉及到后端數字部分的處理架構。

1 系統模型

子陣級超低副瓣系統框圖如圖1所示，包括陣列層、饋電層、微波層、采樣層、接收機與系統控制六大部分。

其中，天線層為寬帶陣列天線，可根據安裝需求，與安裝平臺共形，主要用于接收制定自由空間中的電磁信號；饋電層將m×n個天線單元合成n個子陣信息；微波層將n路射頻子陣信號下變頻至n路中頻信號，并將中頻信號送給后端的采樣層，在采樣層中完成模擬中頻信號的數字量化，得到數字中頻信號；數字中頻信號傳送給后端的接收機，在接收機中完成波束形成的操作；系統控制為該系統的核心部分，控制著陣列的空間指向、微波變頻、A/D方式、數字接收機及整個系統的工作狀態等。

圖1 寬帶系統工作框圖

包含模擬部分與數字部分的子陣級數字波束合成超低副瓣系統中，要獲得超低副瓣的效果，首先，在設計過程中需充分考慮各部分在工作帶寬內的幅度與相位的多通道一致性，在系統指標分配過程中對每個模塊進行仔細核算；然后，在測試過程中需要對模擬部分、數字部分及兩者相結合的部分進行高精度的校正，盡量消除測量誤差帶來的不一致性。

2 數學模擬與公式推導

按照圖1所示的系統工作框圖建立如圖2所示的數學模擬，在該模型中包括單元權系數WU、子陣權系數WS、信道權系數WC3個部分，其中子陣權系數包括微波通道與數字采樣通道，在設計與測試過程中需充分考慮這三部分幅度與相位的一致性方可獲得低副瓣的性能。

其中，單元權系數表征的是陣列中m×n個單元的一致性在不同的幅度與相位狀態下的數值；子陣權系數則是由單元經過饋電網絡所合成的n個子陣，用于表征微波及A/D后的子陣通道幅度與相位的一致性；信道權系數是指寬帶信號在處理過程中劃分為q個子信道，在多個信道中也要考慮多個信道間的幅度與相位的一致性；最終合成波束數據輸出。

圖2 子陣級超低副瓣形成模型

2.1 單元權系數

天線陣列規模為m×n，具體的單元權系數公式WU可表示為：

(1)

式中：Wunitmn為陣列中mn個單元的電流激勵幅度；Ai為每個單元通道第i(i=1，…，64)個幅度狀態下的幅度值；φj為每個單元通道第j(j=1，…，64)個相位狀態下的相位值；M、N分別為M行單元數與N列單元數。

2.2 子陣權系數

由m×n個單元通過饋電網絡合成n個子陣，既包括了微波的1～n個子陣通道，又包括了A/D的1～n個子陣通道，具體的子陣權系數公式WS可表示為：

(2)

式中：n為陣列中的子陣個數；Wsubarray為每個子陣中的權值，基礎的權值可通過泰勒窗函數獲得，同時需考慮不同子陣通道的不一致性，通過測量后求取校正系數。

2.3 信道權系數

為了降低寬帶信號的處理難度，一般將寬帶信號劃分成q個信道進行處理，具體的信道權系數公式WC可表示為：

(3)

式中：q為所劃分的信道個數，即是將大帶寬信號所分成的子處理帶寬數；Wchannel為每個信道中的權值。

2.4 系統合成系數

最終的系統合成系數包括了單元權系數、子陣權系數與信道權系數，具體的系統合成系數公式F(A,φ)可表示為：

F(A,φ)=WU·WS·WC=

Wsubarray(n)·Wchannel(q)

(4)

3 實測結果

實測過程中測試了一個16×16規模的Ku波段的陣面，該陣按工作的高頻段點的半波長進行布陣，其中，子陣數16，接收處理信道數為15。測試過程中，分別測試了256個通道的幅度與相位、16個子陣的幅度與相位及15個信道的幅度與相位的校正前與校正后的測試數據，最后測試了包括通道、子陣及信道在內的整個系統的所有幅度與相位數據。測試結果如圖3～圖6所示。

圖3 通道測試數據

圖4 子陣測試數據

圖5 信道測試數據

圖6 系統測試數據

從圖3～圖6中的測試結果可知，在自由狀態下，相位的初始狀態分布在0°～360°之間，幅度的初始狀態與各個分立器件所提的指標對應；通過對原始數據進行測試，利用相應的算法進行計算，可得最后通道、子陣、信道的校正結果；通道、子陣、信道的校正結果是收斂的，具有很好的重復性；最后對整個系統的所有幅度與相位進行了測試，校正后的相位在10°以內，幅度在3 dB以內。

4 結束語

本文從寬帶系統的工作原理出發，分析了影響寬帶系統超低副瓣相關的通道、子陣、信道的幅度與相位因素，最后對256個陣元規模、16個子陣、15個信道的實例進行了測試。首先測試了各個部分的幅度與相位特性，最后對整個系統的幅度與相位特性進行了測試，結果表明校正后的相位在10°以內，幅度在3 dB以內，可實現超低副瓣的特性。