互耦內監測法在高頻端的工程實現

黃 華，林桂道

(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

有源相控陣的監測方法，包括內監測與外監測2種，外監測方法是指在陣面外部架設一信號源，通過外部源輻射方法予以判斷陣面內部各個有源通道的好壞；內監測方法是在陣面內部實現，通過陣面內部有源通道的測試予以達到判斷陣面內部各個有源通道的好壞。

其中內監測方法又分為多種，根據原理的不同，主要包括互耦效應法與串饋法，互耦效應法是利用陣元間的互耦作用，即某一單元輻射時耦合到其旁邊單元，再通過算法解算出周邊單元的幅相；串饋法是在天線單元或有源組件處通過增加耦合器的方式，將一部分輻射信號的耦合支路信號作為判斷通道好壞的信號。

鑒于現行艦載設備所采用的均為綜合桅桿的蒙皮天線，在陣面外部伸出桿子作為監測的輻射源是環境所不允許的，因此內監測方法成為了艦載設備監測方法的首選。另一方面，工作在高頻段的設備，集成度高、內部空間小，若采用串饋法則需要增加相應規模的硬件，也不是最優之法；那么對于不需要增加硬件、僅通過軟件就能實現的互耦法便成為了最優之法。

本文通過模型建立、公式推導從理論上證明了互耦效應法，并由實際測量驗證了互耦法的工程可實現性。

1 數學模型建立

根據電磁場理論及相關文獻，在一個大型相控陣列中，其相鄰等間距單元之間的互耦系數(定義為接收信號與發射信號之比)是相同的。通過對所有相鄰單元進行發射、接收測試，計算出陣列單元的幅度、相位信息，然后再根據理想分布便可對該陣列進行校準。

陣面中單元排布為等腰三角形柵格形式的情況下，中心陣元僅與周圍6個陣元中的4個有相同的互耦系數(如圖1所示)。如果由該陣列的中心陣元發射信號，預計在4個對稱陣元上應有相同的接收信號，其不平衡值即為校準系數。

圖1 等腰三角形柵格平面陣

相似的陣元對具有等值的互耦系數，可用m1和m2表示，當圖中所示陣元TA、TB發射，RA、RB接收時可獲得4個獨立成對的測量值，則周圍單元接收信號相對值CAB、CAA、CBA、CBB可表示為：

CAB=TAm1RB

(1)

CAA=TAm2RA

(2)

CBA=TBm1RA

(3)

CBB=TBm2RB

(4)

由上述公式，可得到下面的復數比值：

(5)

2 互耦效應公式推導[2-3]

假設M單元發射信號，等間距的M-1(或者M+1)單元接收，陣面其它所有單元關閉，測量M-1(或者M+1)單元所接收到的幅度、相位信息。對陣面所有單元重復這個過程。根據互耦系數的定義，并利用已測得接收信號的幅度、相位信息，就能計算出陣列中所有單元的發射、接收信號，即有源陣面口徑的幅、相分布。

陣列中所有單元輪流發一次關系為：

(6)

2.1 發射通道幅相分布

(7)

從上述方程組各式之間的關系，不難推導出奇數通道間相互關系方程組，以參考點(標定點)為分界點，假設N為偶數，得出分界點前后的發射通道奇數表達式為：

(8)

式中：T0，N/2+1為已標定的點。

同理，可得出分界點前后的偶數發射通道表達式為：

(9)

式中：T0，N/2為已標定的點。

2.2 接收通道幅相分布

(10)

從上述方程組各式之間的關系，不難推導出奇數通道間相互關系方程組，以參考點(標定點)為分界點，假設N為偶數，得出分界點前后的發射通道奇數表達式為：

(11)

式中：U0，N/2+1為已標定的點。

同理，可得出分界點前后的偶數發射通道表達式為：

(12)

式中：U0，N/2為已標定的點。

上述公式推導了N為奇數情況下陣面的發射與接收通道的幅相表達式，其中式(8)與式(9)為發射通道的幅相表達式，式(11)與式(12)為接收通道的幅相表達式。N為偶數情況下陣面各個通道的發射與接收幅相分布表達式，可運用式(6)～(12)類似的推導過程得出。

3 實測結果

為了驗證互耦法，測試了一個Ku波段、16×16規模的三角柵陣面。該陣列按頻率上限的半波長布陣。測試過程中，除了需要測試的2個單元為接收與發射通道外，其余的陣元均接匹配負載。分別測試了六邊形區域等間距收發、菱形區域陣元收發、中心對稱及軸對稱陣元收發的3種情況。

3.1 測試實例一：六邊形區域等間距收發

測試示意圖如圖2所示，中心單元發射，周邊6個單元接收的信號幅相。其中，陣元(9，9)與(9，8)、(9，10)、(8，10)、(8，9)、(10，9)和(10，11)的距離相等。通過理論分析可知，等間距處接收到的信號的幅相應該一致，但由于發射和接收通道存在生產過程中的差異，使得等間距的互耦系數也不一致。圖3(a)與圖3(b)分別給出了1倍對角線距離與2倍對角線距離2次測量下的幅度與相位關系。

圖2 六邊形區域等間距收發測試示意圖

圖3 六邊形區域等間距收發2次測量下的幅度與相位關系

3.2 測試實例二：菱形區域陣元收發

測試示意圖如圖4所示，測試了菱形區域中等間距情況下的A發、B收的1倍間距、2倍間距及4倍間距情況。圖5(a)與圖5(b)分別給出了2倍與4倍菱形對角線距離下2次重復測試下的幅度及相位關系。

3.3 測試實例三：中心對稱及軸對稱陣元收發

測試示意圖如圖6所示，測試了以陣元(9，9)為中心時，陣列中心對稱和軸對稱情況下的互耦。測試過程中分別測試了A、B、C和D中任意陣元發射，其余3個陣元接收時信號的幅相。圖7(a)與圖7(b)分別給出了2倍與4倍水平距離下2次重復測試下的幅度及相位關系。

圖4 菱形區域陣元收發測試示意圖

圖5 菱形區域陣元收發兩次重復測試下的幅度及相位關系

圖6 中心對稱及軸對稱陣元收發測試示意圖

通過對測試所得數據分析可知，相對中心(9，9)的5倍對角線以外距離的陣元對測試影響較小，基本上和背景噪聲處于一個數量級上，不利于分辨收到的信號和背景噪聲，一次陣中左上角和右上角沒有匹配的單元對該測試的影響可以忽略。

從2.1、2.2與2.3節中的測試實例可知，在二倍以內的短間距情況下的陣面各通道多次重復測試下的幅度與相位一致性較好；高端頻率處的相位變化比低端處的相位變化敏感，這是由于頻率高、波長短的固然性質所致。

4 結 論

本文介紹了互耦內監測方法在頻率高端的應用，并通過測試實例驗證了其可行性。對六邊形區域、菱形區域及中心對稱及軸對稱3種區域下的不同間距多個陣元幅相進行了多次測量，其中，多次測試的一致性驗證了互耦法的重復性，能作為工程實用；區域的多樣性測試的可行性能靈活地實現對陣面通道控制；不同間距的測試結果可實現陣面通道誤差的互補，提高測量精度。

圖7 水平距離2次重復測試下的幅度及相位關系

圖8 垂直距離2次重復測試下的幅度及相位關系