一種相控陣雷達的收發通道監測方法

劉 亮 李 濤

(1.中國電子科技集團公司第二十研究所 西安 710068；2.陸軍裝備部駐西安地區第八軍代室 西安 710065)

0 引言

相控陣天線的波束指向、波束形成可快速變化，可同時形成多個波束，在空間對信號進行合成，通過迅速、精準切換波束來完成多種雷達功能[1]。隨著數字與模擬集成電路及微電子技術的快速發展，有源相控陣雷達技術發展迅速，具有系統響應速度快、可靠性高、抗干擾能力強等特點。天線陣面是相控陣雷達與外輻射空間之間的能量轉換器，相控陣天線的性能直接與抗干擾性能相聯系[2]。

有源相控陣雷達陣面的每個天線單元通道都與發射/接收組件(T/R組件)相連，陣面上T/R組件的數量巨大，而接收和發射通道是雷達系統的前端，收發通道的工作性能直接影響到整個雷達的戰技指標[3]，雷達對多個通道的信號合成波束的波束形狀、主瓣寬度、副瓣電平等會受每個T/R組件的幅度、相位影響[4]。因此，對陣面上數目眾多的T/R組件中收發通道的幅度和相位進行實時監測是十分必要的，對監測到有故障的組件進行及時維修更換以保證相控陣雷達天線處于正常的狀態，發揮最優的性能。

1 幅度和相位不一致性對合成波束的影響仿真分析

在有源相控陣雷達系統設計中，天線方向圖的副瓣電平與天線收發通道的幅相誤差具有密切聯系。形成天線方向圖時，若不進行加窗處理，則方向圖的第一副瓣電平較高，工程應用中為了降低副瓣電平，通常對波束合成進行加窗處理。

以N個陣元的等距線陣為例，仿真幅度和相位誤差對所合成方向圖的副瓣電平的影響，其中陣面單元間距為d。

圖1 N元均勻等距線陣

不考慮幅相誤差時，天線方向圖合成公式為：

(1)

當天線單元的幅度和相位誤差分別為Δai和Δφi時，天線方向圖合成公式為：

(2)

圖2為64陣元等距線陣加窗后在不同幅相誤差時的方向圖仿真結果，所加窗函數為40dB切比雪夫窗，無幅相誤差時，副瓣電平可達-40dB；Δai=0.1，Δφi=5°時，峰值副瓣電平為-28.3dB；Δai=0.1，Δφi=10°時，峰值副瓣電平為-24.1dB；Δai=0.3，Δφi=5°時，峰值副瓣電平為-21.2dB。由此可見幅相誤差越大，對方向圖的影響越大，因此，對收發通道的幅相進行監測非常有必要。

圖2 不同幅相誤差的天線方向圖

2 陣面監測方法比較

根據監測測試信號的傳輸路徑不同，是否從外部空間輻射進入天線單元后進入收發通道，陣面監測方法一般可分為外監測法和內監測法，外監測方法可以監測到天線單元，而內監測法一般無法監測到天線單元本身。

2.1 內監測法

內監測法是一種傳統成熟的監測方法[6]，通過在T/R組件與天線的接口一端與陣面監測網絡耦合，可通過監測網絡耦合出信號或者饋入信號來對發射和接收進行監測。

圖3所示，在監測發射通道時，由系統控制計算機控制波形產生模塊產生高頻激勵信號，經功放后進入組件發射通道，發射信號經組件放大后饋入天線單元，而部分發射信號經過耦合器耦合進入監測網絡，再進入接收機進行采樣及變頻，再進入幅相監測儀對采樣信號計算幅度相位。

在監測接收通道時，激勵信號通過功放放大以后再通過陣面監測網絡耦合進入T/R組件，再經陣面饋電網絡進入接收機進行采樣及變頻，最終進入幅相監測儀計算幅度相位。

2.2 外監測法

外監測法的測試信號是通過天線外部的信號來進行測試，通常設置有外監測天線，通過空間耦合信號來對收發通道進行監測。外監測原理與內監測類似，只是監測網絡變成了外部監測天線。外監測原理如圖4所示。

圖3 陣面收發通道內監測原理圖

圖4 陣面收發通道外監測原理圖

外監測在監測發射通道時，激勵信號通過功放放大后，再由開關控制，經陣面饋電網絡送至發射通道，經過環形器從天線輻射至監測天線，此時監測信號經過開關送至接收模塊從而進行幅相監測。在監測接收通道時，激勵信號通過功放放大后，再由開關控制送至監測天線，由空間輻射到天線單元，通過環形器到接收通道，此時監測信號經過陣面饋電網絡后由開關控制送至接收模塊從而進行幅相監測。

內監測法與外監測法相比各有特點。

內監測法的優點是：技術成熟，可靠性高；監測精度高，易通過儀表校準；在線監測，監測速度快。缺點是：對監測網絡的幅度相位一致性要求較高；無法監測到天線單元的幅相誤差和安裝誤差引起的相位一致性；引入了監測網絡，設備較復雜。

外監測法的優點是：可監測到天線單元及其互耦部分的相關幅度相位誤差, 監測的幅相更接近真實值;設備量較少。缺點是：外監測需在陣面調試正常后采集一組數據作為真值來作為收發通道監測的標準。

3 陣面收發通道監測方法的設計實現

相控陣雷達陣上的核心部件是T/R組件，而T/R組件中的核心器件是移相器和衰減器，調相和調幅的精確度直接決定波束形成性能的優劣。因此對陣面的收發通道監測主要就是對T/R組件中移相器和衰減器進行檢測和判斷，確定收發通道是否正常。

本文基于內監測方法對某相控陣雷達的陣面收發通道設計了一種監測方法，監測原理框圖如圖5所示，在監測時，接收模塊接收到監測信號后需要進行幅相處理，直接采用系統中的信號處理模塊來實現。所設計的監測方法可對陣面上T/R組件的接收和發射通道進行監測，可實現的監測內容如下：

1)T/R組件的發射移相器監測；

2)T/R組件的接收移相器監測；

3)T/R組件的接收衰減器監測。

圖5 陣面收發通道監測框圖

①波形時序設計

與正常工作時序不同，T/R組件收發通道監測時序的接收期與發射期相同，這樣才可以利用耦合回來信號進行采樣分析。測試基帶信號為點頻正弦波信號，頻率為0.5MHz，陣面采樣率為10MHz，發射和接收期均為20μs，因此可以采樣200點，采樣點的IQ各包含10個完整周期的正弦波信號。

發射基帶信號為正弦波點頻信號

x=exp(-1×j×2×pi×w×t)

(3)

圖6 監測信號的實部與虛部

②采集信號的功率和相位計算

在每個測試周期中所采集正弦波信號中不同采樣點的相位由于調頻隨時間變化，如圖7(a)所示，為了直觀地觀察本次采集信號的相位值，需要解調頻來歸一化相位，結果如圖7(b)所示。

s=x×exp(-1×j×2×pi×w×t)

(4)

圖7 移相100°時采集信號的相位

在實際應用中，為了降低運算次數，同時不改變采集信號的相位特性，先對解調頻后的200個復數求平均值后再分別計算功率和相位。

(5)

a)對平均值求幅度來計算得到該次測試的功率

p=20lg(abs(y))

(6)

b)對平均值求相位

φ=atan2(y)

(7)

其中atan2為函數運算庫中求反正切函數，在實際計算中需要注意的是，由于atan2函數的值域為-180°～180°，因此若相位值在180°附近時，由于噪聲的影響，計算得到的相位值可能會符號跳變，如測試結果可能是-179°也可能是179°，為了方便判斷準則單一，因此對相位計算結果進行處理，將角度結果范圍全部統一到0°～360°：

φ=mod(φ+360°，360°)

(8)

其中mod(x，y)函數表示y對x求余。

根據上述方法，通過控制每一個通道的發射和接收，可對每個通道接收和發射進行采集信號，計算得到采集信號的幅度和相位，對陣面的收發通道進行監測。

某型C波段相控陣雷達為一維有源相控陣，陣面中有256個獨立的收發通道，各T/R組件中移相器位數為6位，衰減器位數為6位。由于陣面上各收發通道均調整到了正常狀態，移相器和衰減器均無故障，因此各個通道的收發監測結果為正常。為驗證監測系統，通過衰減器和延遲線纜對部分通道的幅度和移相值進行預設，使之與實際工作需要有較大偏差，此時系統監測到該部分通道異常，且該部分通道實測幅度與預設值偏差小于±1dB，移相值與預設布相值偏差小于±5°，證明監測系統可對收發通道進行有效監測。

4 結束語

根據相控陣雷達陣面監測信號注入路徑的不同，陣面收發通道監測主要分為外監測法和內監測法，本文基于內監測方法在某相控陣雷達上設計實現了一種陣面收發通道的監測方法，可對收發通道發射和接收的移相狀態和衰減控制進行監測，實測結果驗證了其有效性。