一種射頻仿真試驗系統(tǒng)的校準裝置設計研究

邵榮營

(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

射頻仿真試驗系統(tǒng)(Radio Frequency Simulation Test System，RFSS)是一種針對雷達系統(tǒng)進行性能測試與評估的半實物仿真系統(tǒng)。在射頻仿真試驗系統(tǒng)中可以構造產生威脅輻射源、目標回波和電子干擾等電磁信號，模擬被試設備在真實戰(zhàn)場下所面臨的復雜電磁環(huán)境，檢測被試設備在實戰(zhàn)條件下的性能指標。因其測試性能全面、保密性好、靈活性強、經濟效益高等優(yōu)點，射頻仿真試驗系統(tǒng)已廣泛應用于導引頭、雷達等裝備的系統(tǒng)研制過程中的性能評估。[1-2]

本文所述射頻仿真試驗系統(tǒng)是一種陣列式仿真試驗系統(tǒng)，主要由微波暗室、目標干擾模擬系統(tǒng)、天線陣列、飛行轉臺、陣列饋電系統(tǒng)和計算機控制系統(tǒng)等部分組成。陣列式射頻仿真試驗系統(tǒng)的基本設計思想是采用電路控制的方法來實現自由空間內模擬目標與被試裝備視在角位置及其運動軌跡，完成被試設備的仿真試驗和各項性能的檢驗。射頻仿真試驗系統(tǒng)中目標位置精度直接影響系統(tǒng)的工作性能，即通過射頻仿真試驗系統(tǒng)天線陣列三元組基于合成公式模擬出來的目標實際位置與控制指令理論位置之間的偏差，該偏差值越小表示射頻仿真系統(tǒng)的精度越高。校準裝置作為射頻仿真系統(tǒng)的重要組成部分，其作用就是對射頻仿真系統(tǒng)存在的誤差進行測量和修正，其最終目的就是提高系統(tǒng)的目標位置精度。[3]

1 校準系統(tǒng)運行原理

所述射頻仿真試驗系統(tǒng)的校準系統(tǒng)采用輻射式工作方式。系統(tǒng)校準的基本工作原理框圖如圖1所示。圖中可看出校準系統(tǒng)主要由射頻信號產生部分、校準前端和校準控制計算機等部分組成。信號產生部分由標準信號源和本振信號源組成，提供射頻信號以及校準前端所需的變頻本振信號，同時使用信號源自帶的同步信號進行相參同步，以保證兩臺信號源輸出信號相位的嚴格一致性。校準前端即校準接收機系統(tǒng)主要由雙通道寬頻帶校準接收機和矢量網絡分析儀組成。校準控制計算機通過以太網接口與射頻仿真系統(tǒng)中其他控制計算機通訊，控制校準系統(tǒng)中的硬件設備和測量儀表按照設定的模式完成校準工作，同時處理和記錄校準過程中獲取的數據。

圖1 射頻仿真系統(tǒng)校準工作原理框圖

在校準控制計算機的控制下，標準信號源輸出的射頻信號分為兩路，一路送陣列饋電系統(tǒng)作為校準測試信號，然后通過陣列天線單元輻射至校準分系統(tǒng)；另一路通過預埋的電纜或波導送至校準前端，用作校準系統(tǒng)的參考基準Fref。標準信號源輸出的時鐘同步也通過預埋電纜送至本振信號源和矢量網絡分析儀。

陣列天線單元輻射的射頻信號被校準接收機接收，通過信號接收選擇裝置進行波束切換。接收的射頻信號經過校準通道進行下變頻至中頻信號，然后經過中頻放大、濾波等處理再送入矢量網絡分析儀。矢量網絡分析儀對接收的不同波束射頻信號進行相對幅度、相對相位的測量。測量數據傳輸到校準控制計算機進行數據分析計算、記錄并存儲結果，同時進行誤差分析和判斷。

2 校準裝置數學模型

為完成各項功能、滿足性能指標要求，本文所述校準裝置采用比相法和比幅法兩種工作方式。

2.1 比相法測角

比相法測角又稱為干涉儀測角法，即利用兩路天線所接收的射頻信號之間的相位差來測量入射信號的入射角[4]，如圖2所示。

假定被校準的輻射單元天線方向與校準接收天線軸線方向的夾角為θ。考慮到被校準的輻射單元天線到校準接收天線距離遠遠大于接收天線間距， 即輻射

圖2 比相法測角原理示意圖

源與接收機所處的位置滿足遠場條件。由于接收天線間距為d，故兩路天線所接收的射頻信號由于存在的波程差ΔR而產生相位差φ，即

(1)

式中，λ為射頻信號的波長。那么，如用矢量網絡分析儀測出接收到的兩路射頻信號的相位差φ，就可計算出天線單元輻射的入射角θ。

相位差φ測量誤差將對入射角θ的測量產生誤差，對式(1)兩邊取微分可得

(2)

(3)

由式(3)可以看出，采用精度較高(dφ小)的矢量網絡分析儀，或減小λ/d值(增大d/λ值)，均可提高系統(tǒng)的測角精度。

值得注意的是，雖然增大d/λ值可以提高測角精度，但由式(1)可知，當d/λ值增大到一定程度時φ值將會超過2π，超出矢量網絡分析儀的測量范圍，將會出現真實的φ值無法確定的問題，即多值模糊問題。

不難看出，校準裝置的測角精度和測角范圍是相互限制的。在裝置設計過程中需要綜合考慮，選擇合理的接收天線間距，同時滿足測角精度和測角范圍的技術指標要求。

2.2 比幅法測角

比幅法測角方式是通過測量兩路天線所接收的射頻信號的幅度來測量入射角，接收信號的幅度取決于兩個天線的入射角度和方向圖。比幅法測角可分為最大信號法和等信號法兩種方式，其中等信號法是主要的比幅測角方式。[4]

等信號法測角采用兩個相同且彼此部分重疊的波束，其方向圖如圖3所示。如果目標處在兩個波束的交疊軸OA方向，則由兩波束收到的信號功率相等，OA稱為等信號軸。如果兩個波束的信號功率不相等，則信號入射方向將偏離等信號軸。因此，比較兩個波束的接收信號功率的大小就可以判斷信號的入射方向。

圖3 比幅法測角原理示意圖

假設天線方向圖函數為F(θ)，等信號軸的指向為θ0，波束1、2的方向圖函數可分別寫為

F1(θ)=F(θk-θ1)=F(θk+θ0-θ)

(4)

F2(θ)=F(θk+θ1)=F(θk-θ0+θ)

(5)

式中，θk為等信號軸指向θ0與波束最大值方向的偏角。兩個信號的回波幅度表示為

u1=KF1(θ)=KF(θk-θ1)

(6)

u2=KF2(θ)=KF(θk+θ1)

(7)

可求得兩路信號的幅度比：

(8)

根據測量出的幅度比就可以通過天線的方向圖函數得到入射角的方向θ1。查找預先制定的表格就可以估計出目標偏離的等信號軸方向θ0數值。

在本文所述的校準系統(tǒng)中，陣列天線輻射單元的相位中心方位角、俯仰角通過比相法測角方式進行標定，陣列天線輻射單元的本身俯仰、偏航和滾動角等姿態(tài)信息以及各輻射單元的幅度一致性采用比幅法方式進行標定。

3 校準裝置技術設計

3.1 校準裝置主要組成

如前所述，校準前端包括雙通道校準接收機和矢量網絡分析儀組成。核心部分為射頻信號接收和選擇裝置，其組成原理框圖如圖4所示。各部分的主要功能如下：

(1) 信號發(fā)生模塊 信號發(fā)生模塊分為本振信號源和標準信號源，主要提供射頻信號和本振信號；

(2) 射頻信號接收和選擇裝置 校準接收機為超外差式的雙通道接收機，具備下變頻以及測量功能切換選擇功能；

(3) 矢量網絡分析儀 矢量網絡分析儀能測量兩通道輸出中頻信號的幅度比和相位差；

(4) 校準控制計算機 安裝校準控制軟件程序，具有校準控制、數據通信、數據處理以及結果顯示等功能。

圖4 校準前端組成原理框圖

3.2 校準裝置硬件設計

根據射頻仿真系統(tǒng)要求的技術要求，校準裝置的性能指標要求如表1所示。

表1 校準裝置性能指標

校準裝置的作用是接收射頻信號，對射頻信號進行混頻和放大，輸出中頻信號進行比幅和比相，同時還具有切換接收射頻信號的功能。為實現以上功能并滿足上述指標要求，校準裝置的硬件設計如圖5所示。

校準接收機設計采用動態(tài)范圍大、靈敏度高、抗干擾能力強的超外差式接收機設計方案。由于輻射信號在自由空間衰減和路徑損耗，校準裝置接收天線收到的射頻信號一般很弱，矢量網絡分析器的測量精度將大大降低，并帶來較大的測角誤差。因此，在校準裝置設計時，在信號接收的輸入端使用低噪聲放大器提高檢測電平，保證檢測信噪比。

圖5 校準裝置硬件組成框圖

校準接收機采用雙通道接收，各通道分別采用超外差接收方式。空間輻射過來的微波信號由微波天線接收后經過低噪聲放大器，再通過微波開關選擇后進行混頻。混頻器將高頻微波信號下變頻至中頻信號。中頻信號經過窄帶濾波器以及多級程控衰減器和中頻放大器，最后進入矢量網絡分析儀進行數據處理。

功分器的作用是將本振信號分成兩路分別作為兩通道的混頻本振。兩通道之間使用隔離器對信號進行隔離防止通道之間的信號出現干擾，影響校準接收機的測量精度。

4 測試結果

通過以上分析和設計，對校準裝置實物采用信號源、頻譜儀和矢量網絡分析儀等儀表進行射頻指標測試以及兩通道的固有幅相差測量，其中射頻指標測試結果如表2所示。接收靈敏度和動態(tài)范圍指標測試結果優(yōu)于設計要求。

表2 校準裝置指標測試結果

校準裝置的兩個接收通道饋電長度和射頻器件上的差異會引起兩通道幅度相位的不一致性，即固有幅相差。通常需要提前將這種不一致性測量出來，實際進行校準工作時只需要通過補償的方法來抵消該固有幅相差。通道幅相不一致性測量時，將射頻信號經功分器后同時接入校準接收機的兩個通道，利用網絡分析儀測量兩通道中頻輸出信號的幅度比和相位差。

5 結束語

上述的測試結果表明，本文所述校準裝置的接收靈敏度、線性動態(tài)范圍、隔離度等指標完全滿足射頻仿真試驗系統(tǒng)校準技術要求，校準裝置兩通道的幅相不一致性可通過提前測量然后再進行補償的方式進行抵消。該校準裝置已應用于某射頻仿真試驗系統(tǒng)的校準工作，具備校準精度高、安裝和校準方便、操作便捷高效的特點，可為射頻仿真試驗系統(tǒng)的校準裝置設計提供較好的解決方案參考。