天線陣仿真測試系統設計

張溪默，譚 杰，李效軍

(中國電子科技集團公司第二十九研究所，四川 成都610036)

0 引 言

幅度和相位是電磁波信號的2個主要特征參數，被動偵察設備利用目標雷達信號的幅相信息通過測向算法進行解析運算，完成對目標的角度跟蹤。天線陣是被動偵察設備截獲幅相信息的關鍵前端組件，其性能直接影響了測向定位精度。在天線陣設計中，由于天線陣各天線單元間的互耦效應[12]，導致數學仿真難以模擬天線組陣后的特性，因此建立天線陣仿真測試系統在工程上具有重要意義[3]。本文設計了天線陣仿真測試系統，能夠實時采集在不同信號入射方向下天線陣接收的幅相數據，并通過測向算法離線計算測角精度，具有很強的實用價值。

1 系統結構

天線陣仿真測試系統由綜合控制分系統、信號前端分系統和彈體姿態模擬分系統構成，各分系統間通過分布式通信網絡連接[4-5]。系統的硬件配置結構如圖1所示，測試工作主要在微波暗室開展。

圖1 天線陣仿真測試系統結構框圖

綜合控制分系統圍繞仿真控制計算機搭建，是測試系統的中樞，以交換機作為中繼建立同其它分系統的通信鏈路，對測試參數進行配置并下發控制指令開展測試工作，并對測試數據進行解算和評判。信號前端分系統是系統的信號接收單元，由天線陣、數控開關和矢量網絡分析儀組成，實現對目標信號的快速實時接收。彈體姿態模擬分系統主要是二維轉臺，用于模擬偵察設備彈體的飛行姿態角度轉動過程。

2 技術方案

2.1 信號接收方案

信號前端分系統承擔截獲目標電磁信號、實時存儲幅度和相位信息并以標準數據格式上傳給綜合控制系統等功能。面對當前電子戰環境和電子對抗裝備的復雜化、多樣化的勢態，被動偵察設備趨向于增加天線陣的單元天線數量，以提高波段覆蓋能力和搜索壓制能力；同時采用頻率步進更窄、頻點更密集的校準策略為測向算法提供更豐富的幅相數據來獲取更精準的定位性能。對本系統信號接收方案的選擇，必須實現以下功能：

(1)多通道射頻信號接收功能，能夠滿足不同陣元數量天線陣型的測試需求，具備高測試通用性；

(2)寬波段電磁信號覆蓋功能，工作頻段應包含常用的預警、火控波段，能夠適應不同波段導引頭的測試；

(3)幅相信息高速采集功能，在適應密集頻點測試的同時保有高測試效率。

基于設計難度和制造成本的考慮，本系統采用串行分時接收方案，測試時以矢量網絡分析儀為信號源一次發射導引頭工作全頻信號，射頻前端設備按天線單元基線位置依次采集、存儲幅相信息，并逐一上報至綜合控制系統，設計了多通道高速數控開關作為射頻前端設備，具有32路射頻接收通道，工作頻段可覆蓋L 波段～Ku波段，通過網絡接口程控時通道切換速度可達微秒級，各通道間隔離度高達50 dBc，硬件上完全滿足系統的功能要求。

2.2 綜合控制方案

綜合控制方案作為整個仿真測試系統的核心，負責各個分系統之間的通訊、調度和測試的過程控制，利用數據處理算法對測試數據進行解析運算，將處理后的信號幅度、相位信息傳遞給測向算法進行測角運算，給出各測試頻點在不同信號入射角度對應的測向精度。綜合控制的流程圖如圖2所示。

圖2 綜合控制流程圖

綜合控制方案由基于C++Bulid編譯環境的綜控軟件實現，集成了通訊、控制和測試等功能。在仿真測試時，綜控軟件首先進行通信校驗建立穩定的控制網絡，并配置各分系統和算法的測試參數；啟動測試后以既定的測試流程發射雷達模擬信號，同時向彈體姿態模擬分系統下發運動指令，模擬偵察設備平臺飛行姿態角度的變化。在測試時，為了獲取全向數據，轉臺運動轉角通常設置為以彈體中軸線為中心的對稱角度陣列。待目標信號與天線陣列之間的相對角度穩定后，則向信號前端系統下發目標截獲指令，并將接收到的幅度、相位數據以標準格式進行存儲。圖3是綜控軟件界面。

圖3 綜控軟件界面

在完成預定角度范圍的測試后，綜控軟件調用數據分析程序進行相位計算和測角精度運算。數據分析程序依托于MATLAB 強大的計算能力，具有參數可配置的圖形用戶界面，支持實時在線更改算法參數，并將運算結果繪制為曲線圖[6]。圖4是數據分析程序界面。

圖4 數據分析程序界面

3 仿真試驗

選取某在研被動偵察設備的天線陣，利用本仿真測試系統進行測試。測試頻段為L 波段～C 波段，目標信號入射角度范圍為方位方向±30°和俯仰方向±40°，步進1°。天線陣根據系統設計方案安裝于結構樣機上，并利用光學準直儀對準目標天線和天線陣中心。

啟動測試后，綜控軟件指示信號前端系統在每一測試角度上采集天線陣截獲的目標信號幅度、相位信息，并將測試數據實時顯示在軟件界面(如圖5所示)，同時存儲在后臺。

圖5 測試數據實時顯示

測試工作完成后，數據分析程序進行以下兩方面分析驗證工作：

(1)天線陣幅相特性分析

針對C波段某頻點，對采集到的各陣元幅相數據進行分析，得到各陣元在不同入射角下的幅相曲線。圖6和圖7分別是天線陣單元在不同入射角度下的幅度曲線和相位曲線。由圖6可見，陣元2在全入射角度范圍內增益變化較平緩，陣元1和陣元3在方位正向、俯仰負向大角度上方向圖增益明顯陡降。由圖7可見，陣元1～3的相位均存在一定的非線性波動。結合圖6和圖7可以為天線陣互耦效應分析及布陣優化提供第一手數據。

圖6 天線陣各陣元幅度曲線

圖7 天線陣各陣元相位曲線

(2)偵察設備測向性能驗證

幅相數據除了支撐天線陣互耦效應分析及布陣優化工作以外，還能對被動偵察系統的測向算法進行離線驗證，提前檢驗設備的測向性能[7]。圖8為測向精度對比結果，其中虛線表示某偵察設備的測向精度，實線表示本測試系統利用天線陣幅相數據解算出的測向精度。由圖可見二者的精度曲線基本一致，但由于偵察設備的前端接收機和后端信號處理器引入了額外的幅相誤差，導致其測向精度低于直接使用天線陣幅相數據計算出的測向精度。試驗證明本系統能夠用于設備測向性能的前期驗證工作。

圖8 測向精度對比

4 結束語

本文設計了天線陣仿真測試系統，利用多通道高速前端系統采取串行分時接收方案采集天線陣幅相信息，綜控系統控制測試過程自動運行，并在測試完成后調用數據分析程序對數據進行解析運算。試驗證明該仿真測試系統實現了天線陣幅相信息的完整采集，測試數據能夠用于天線陣互耦效應分析，進而幫助指導布陣優化工作；對測向算法的離線運算可以檢驗被動偵察設備的測向性能，為設備的前期驗證工作提供了可靠的手段。下一步工作是增加數據分析程序的測向算法庫，在離線計算測角精度時能夠選擇不同算法，以滿足不同測向體制偵察設備的天線陣測試需求，拓展本測試系統的通用性。