基于近距多天線技術多方位多目標模擬方法

李國君 劉 偉

(中國人民解放軍92941部隊 遼寧 葫蘆島 125001)

0 引言

在雷達試驗中，利用模擬目標檢查雷達性能相比真實目標而言，具有試驗周期短、重復性高和低成本的顯著特點。輻射注入式雷達目標模擬器通過空饋的方式將射頻信號由雷達天線注入接收機，經過下變頻、信號檢測、相干檢波和視頻檢波后，在雷達視頻顯示器上顯示，從而驅動雷達全系統工作，能夠全面考核雷達性能[1]。對于固定架設的雷達目標模擬器，由于雷達和目標模擬器相對方位確定，所以僅能模擬該方位目標。

本文主要研究如何利用近距多天線技術實現1套雷達目標模擬器模擬多個方位上多目標方法，主要解決具體實現中目標模擬器與雷達間距離設計、通道轉換控制方法和目標模擬器參數設計等問題。

1 近距多天線目標模擬原理

雷達目標模擬器由天線分系統、接收分系統、發射分系統、目標調制系統和控制系統等組成，通過輻射注入的方式將接收的雷達信號調制并轉發，雷達對目標模擬器轉發的信號進行穩定跟蹤，從而模擬單一方位上的目標。如果能夠利用射頻電纜將雷達目標模擬器多組收發天線在方位上區分開，并保證雷達天線掃描過程中主瓣只能覆蓋一組收發天線，則在雷達掃描過程中，通過收發功率控制和通道轉換控制，就能模擬多方位的目標，模擬原理如圖1所示。天線1和2、3和4及5和6為三組收發天線，組內天線間距離很近，保證雷達天線波束主瓣同時照射組內天線，相鄰組間天線距離應大于雷達天線波束主瓣的覆蓋范圍。當雷達天線掃描至目標模擬器的天線1、2時，目標模擬器將接收天線1接收信號進行調制，經通道轉換控制后由發射天線2轉發給雷達，從而模擬了天線1、2與雷達方位上不同距離和速度的模擬目標，同理，當雷達天線旋轉至天線3、4時，重復旋轉至天線1、2的信號處理過程，從而模擬3、4方位上的目標，5、6方位上的目標模擬同上述過程。

圖1 近距多天線多方位多目標模擬原理

2 近距多天線目標模擬關鍵技術

利用近距多天線技術實現多方位多目標模擬關鍵技術包括目標模擬器與雷達間距離設計、通道轉換控制方法、目標模擬器參數設計等。

2.1 目標模擬器與雷達距離

在近距多天線多方位多目標模擬中，目標模擬器收發天線應置于電磁波傳播遠場適當位置上，如果目標模擬器距雷達過遠，為保證雷達天線波束主瓣只能同時照射一組收發天線，則要求增大組間收發天線間的距離，過長的射頻電纜引起接收信號功率衰減增大，導致接收的雷達信號信噪比降低，不利于目標模擬。如果目標模擬器距雷達過近，不滿足電磁波傳播遠場條件，雷達天線輻射方向圖將產生較大變形[2]，使得主瓣波束寬度變寬，主瓣增益減小，旁瓣增益提高，無法實現多個方位上目標模擬。

電磁波傳播遠場條件主要由雷達天線有效口徑和波長決定，為保證遠場條件，目標模擬器與雷達之間距離R應滿足：

(1)

式(1)中：D為天線有效口徑，λ為雷達信號波長，k為常數，通常要求k≥2。

2.2 通道轉換控制

在圖1中，利用近距多天線技術可模擬3個方位的目標，其中，目標模擬器在每個方位上均包括接收通道和發射通道，因此在近距多天線目標模擬中，模擬3個方位目標需包括3個接收通道和3個發射通道。在系統開始工作時，天線1、2通道常態處于通路狀態，利用通道轉換控制器控制天線3～6通道常態處于斷路狀態，利用不同組天線功率耦合和檢測模塊，當檢測到雷達天線波束主瓣掃描至天線1和2時，此時接收通道天線1能夠接收雷達電磁信號，將該信號進行調制后經天線2轉發給雷達，天線3～6處于斷路狀態，此時只能模擬方位1的目標，當檢測到雷達天線波束主瓣掃描至天線3時，關閉天線1、2通道，打開天線3、4通道，此時僅能模擬方位3的目標，同理，當檢測到雷達天線波束主瓣掃描至天線5時，關閉天線3、4通道，打開天線5、6通道，此時僅能模擬方位5的目標。通道的切換通過射頻開關[3-4]實現,將控制針腳置不同電平,實現通道打開和關閉。利用HMC344LH5芯片實現目標模擬通道轉換控制[5],能夠實現對4路射頻信號的通斷控制，該器件的典型原理圖如圖2所示，各針腳功能如表1所示。

圖2 射頻電子開關HMC344LH5原理圖

表1 射頻電子開關MC344LH5針腳功能

針腳號功能描述典型值1、3、7、9射頻輸出11射頻輸入2、8、10、12接地4供電電壓-5V5控制電壓0、-56控制電壓0、-5

2.2.1 接收通道控制方案

在近距離多天線的多方位多目標模擬中，某一時刻，雷達天線波束主瓣可能指向三組天線中的任意一組，當指向該組天線時，該天線應正常接收雷達輻射信號，經過調制與轉發后，通過該天線再轉發給雷達，如果以HMC344LH5中針腳11作為輸入點，則無法正常接收其它兩個天線的雷達射頻信號，解決方案是將射頻電子開關HMC344LH5反接，即將1、3、7、針腳作為輸入(9針腳不用)，11針腳作為輸出，此時，利用一片HMC344LH5能夠實現3個方位上的目標模擬工作，連接示意圖如圖3所示。

圖3 接收通道射頻開關連接方式

2.2.2 發射通道控制方案

在發射支路，需要利用HMC344LH5進行1路輸入與3路輸出信號的通斷控制，因此射頻電子開關采用正常接法，即將11針腳作為輸入，1、3、7、針腳作為輸出(9針腳不用)，如圖4所示。

圖4 發射通道射頻開關連接方式

2.3 目標模擬器參數設計

2.3.1 接收機參數設計

如果目標模擬器接收信號太弱，模擬器接收機無法檢測，若接收到的信號太強，接收機會發生飽和過載。根據一次雷達方程[6]，目標模擬器接收端不發生過載所允許輸入的最大信號功率Prmax、最小可檢測信號功率Prmin(即靈敏度)，目標模擬器接收機參數需滿足：

(PrminL/Gr)

(2)

(PrmaxL/Gr)>PtGtλ2/(4πR)2

(3)

式(2)中，PtGt為雷達的功率增益積，Gr為目標模擬器接收天線增益，λ為波長，R為雷達與目標模擬器間距離，L為射頻電纜、射頻開關等總損耗。

2.3.2 發射機參數設計

目標模擬器發射信號經空間傳輸后被雷達接收機接收，雷達接收信號的強度也是有一定范圍的，若接收信號太弱，雷達接收機無法檢測，若接收信號太強，接收機會發生飽和過載。根據一次雷達方程，目標模擬器發射參數需滿足：

(4)

(5)

3 仿真分析

3.1 仿真條件

雷達工作頻段為C波段，天線口徑D為0.6m，雷達功率增益積PtGt變化范圍為10kW～100kW，接收機靈敏度Prmin變化范圍為1.0×10-9W～1.0×10-7W，雷達接收機動態范圍為40dB，方位和俯仰波束寬度為2.5°，為保證雷達天線波束主瓣在某一時刻只照射一組收發天線，設置相鄰目標模擬接收發送通道所對應的張角為5°，電磁波傳播的遠場R>15m，為保證目標模擬器可靠置于電磁波遠場，目標模擬器接收天線置于距雷達100m處，不同通道天線間的距離L為5m。

不同功率增益積天線下目標模擬器接收端參數PrminL/Gr隨雷達功率增益積PtGt、雷達與目標模擬器間距離R變化情況如圖5所示。

圖5 模擬器接收機參數隨PtGt和R變化圖

圖6 模擬器發射機參數隨Prmin和R變化圖

3.2 仿真分析

根據仿真試驗結果，可得出如下結論：

在圖5中，曲面為式(2)中右側對應曲面，在目標模擬器接收機參數設計中，目標模擬器接收機靈敏度Prmin通常量級約為-40dBW，天線增益Gr約為10dB，總損耗L約為10dB，因目標模擬器與雷達間距離較近，一般情況下都能滿足式(2)條件，在目標模擬器發射機參數設計中，應重點解決式(3)條件，即要求目標模擬器接收機接收的雷達信號不致引起其飽和。

4 結束語

利用單個目標模擬器實現多個方位目標模擬是靶場亟需解決的技術難題。本文利用近距多天線技術，解決了多方位目標模擬的遠場條件、通道轉換控制和目標模擬器參數設計等技術難題，通過仿真分析，給出了目標模擬發射機和接收機參數設計中重點解決的問題，采用該技術能夠實現低成本、高效率多方位目標模擬器設計，為雷達訓練維護等工作提供新的技術手段，具有重要的工程意義。