寬帶雷達導引頭半實物仿真目標模擬方法研究

肖本龍,傅亦源,李 超,牛鳳梁

(電子信息系統復雜電磁環境效應國家重點實驗室,河南 洛陽 471003)

0 引 言

隨著電子技術的快速發展,雷達導引頭面臨的作戰環境日趨復雜,傳統的外場試驗模式難以完全適應其試驗需要。由于試驗環境的可控性和可重復性更好,半實物仿真在雷達導引頭試驗領域得到了廣泛應用,在工業部門較多應用于產品的研制改進,可為樣機生產提供便利的試驗條件,也可以用于性能鑒定試驗,考核裝備在復雜電磁環境下的技術性能[1]。

在射頻仿真暗室中,通過天線陣列模擬雷達目標信號的空間運動特性,利用幅度重心原理,通過對三元組的幅度、相位進行控制實現目標位置的精確模擬。由于傳統天線陣列饋電通道的幅相控制一般采用程控衰減器和移相器等射頻器件實現,同時只能控制某一個頻點的幅度和相位,幅相控制能夠滿足窄帶信號的角模擬精度的需要,但難以準確模擬寬帶目標信號的運動角位置信息[2-3]。本文主要針對寬帶雷達導引頭的半實物仿真試驗需求,研究提高天線陣列寬帶目標信號角模擬精度的方法。

1 寬帶目標模擬精度影響因素分析

雷達導引頭射頻仿真試驗目標模擬精度受多個方面因素的影響,如天線陣列通道幅相控制精度、微波暗室多路徑傳輸、三軸模擬導彈轉臺誤差、天線陣球心與被試裝備電心不同心等。寬帶目標信號的實現難度主要在于克服饋電通道帶寬內的幅相差異引起的誤差[4],因此,本文重點研究天線陣列通道寬帶幅相控制特性對目標模擬精度的影響。

1.1 傳統三元組控制方法的不足

在進行射頻半實物仿真試驗時,天線陣列饋電通道通過功分器將信號模擬器生成的雷達信號分為3路,根據目標位置計算所在天線陣列三元組,通過射頻開關網絡將3路信號切換至三元組頂點對應的輻射單元,并通過A、B、C支路上的衰減器和移相器分別控制三元組各輻射單元的幅度相位,實現目標在三元組內的任意位置移動,傳統三元組天線饋電通道結構如圖1所示。

圖1 傳統三元組天線饋電通道結構示意圖

傳統的三元組控制方法首先對A、B、C 3個通道的各頻點的初始相位和幅度進行測量,生成幅相校正表,用于將3個通道相位調整一致,并消除在各頻點上的通道幅度不一致性[5]。在此基礎上,根據位置控制需要對幅相進行迭代控制。這個方法是通過對通道某一個頻點的幅相特性進行控制實現的,對于寬帶信號的位置控制精度僅能依靠通道在帶寬內固有的幅相一致性來保證,對器件的性能要求較高。饋電通道一般由移相器、衰減器、電子開關、功率放大器等多個器件組成,由于各器件之間的性能差異,導致A、B、C 3個通道之間的幅度、相位一致性難以控制到理想水平。圖2為典型移相器6～18 GHz頻段內的插損一致性,可以看出,其不同個例之間的插損特性存在明顯不一致。

圖2 典型移相器6～18 GHz頻段內的插損一致性

1.2 幅相控制精度對目標位置誤差的影響

如圖3所示,建立坐標系,將坐標原點O(0,0,0)放在球面天線陣列球心,x軸水平指向天線陣列的中心,y軸垂直向上,z軸按右手直角坐標系確定。假設三元組3個輻射單元的位置分別為:A(R,θ1,φ1),B(R,θ2,φ2),C(R,θ3,φ3),要求的視在輻射中心為O′(R,θ,φ),其中,R為陣面輻射單元到原點的距離,θ為俯仰角,φ為方位角,E1、E2、E3分別為三元組的3個天線輻射信號的振幅。R為陣面上三元組天線口徑面到轉臺回轉中心(即坐標原點)的距離[6]。

圖3 三元組坐標關系圖

根據波因廷矢量法推導,得到近似的重心公式,并可求得三元組合成場的輻射中心解[7-8]:

(1)

(2)

根據三元組合成原理,可分析得到通道幅度控制誤差和相位控制誤差對目標位置模擬精度的影響,如圖4和圖5所示。從圖4和圖5中可以看出,隨著幅度和相位控制誤差增大,目標位置精度誤差也隨之增大。相比較而言,幅度誤差對目標位置精度具有較大的影響,相位誤差對目標位置精度的影響較小。因此工程上通常盡量減小幅度誤差而允許存在一定的相位誤差。

圖4 目標位置誤差與幅度控制誤差關系圖

圖5 目標位置誤差與相位控制誤差關系圖

2 實驗測試分析

為了進一步研究三元組饋電通道的幅相一致性,按照圖1的典型饋電鏈路結構搭建實驗鏈路開展測試分析,實際場景如圖6所示。測試時,在10.5 GHz頻點處控制三元組的幅相平衡值,以三元組其中一個輻射單元為參考基準,利用型號為Angilent N9918A的矢量網絡分析儀對三元組之間的幅相不一致性進行測試,掃描頻段為6～18 GHz,測試結果如圖7和圖8所示。從圖中可以看出,以中心頻率10.5 GHz、帶寬1 GHz為例,其幅度不一致性最大值為0.9 dB,相位不一致性為8.4°,按照幅相控制誤差對目標位置精度的影響分析,幅度不一致性引起的目標位置誤差約為0.8 mrad,相位一致性引起的目標位置誤差約為0.01 mrad,幅度較相位影響大,與理論分析一致,且帶寬內目標位置誤差起伏較大。

圖6 目標位置誤差與相位控制誤差關系圖

圖7 10.5 GHz條件下6～18 GHz幅度不一致性

圖8 10.5 GHz條件下6～18 GHz相位不一致性

3 數字基帶預失真技術

3.1 數字基帶預失真技術原理

基于現場可編程門陣列(FPGA)的信號模擬器可通過在數字域產生基帶信號,再通過數/模轉換器(DAC)生成模擬信號。為了克服移相器、衰減器只能對點頻信號進行控制的局限,采用數字基帶預調制方法,將饋電通道的幅相控制從依賴射頻器件的局限中剝離出來,根據事先標校的通道幅相特性,在信號模擬器的數字基帶以相逆的方向對信號進行預失真調制,以抵消通道間的幅相差異,提高通道幅相一致性。饋電通道的結構由圖1改進為圖9,即將由衰減器和移相器控制三元組A、B、C 3個通道的幅相調制任務,調整至直接由信號模擬器在數字基帶實現,以達到在寬帶范圍內對信號進行幅相調制的目的。

圖9 改進后的饋電通道結構示意圖

數字基帶預失真技術原理如下:

假設雷達信號模擬器生成的典型信號表示為s(t),經過射頻饋電鏈路輻射到暗室的雷達信號表示為r(t),其在時域可表示為:

r(t)=Tc(t)s(t)

(3)

式中:Tc表示射頻饋電鏈路的幅頻響應函數。

將r(t)變換到頻域:

r(f)=Tc(f)s(f)

(4)

則該系統發射通道的頻率響應為:

(5)

令GT(f)=1/HT(f),為了補償天線陣列饋電通道三元組的幅度、相位不一致性,可對輸入的信號進行預失真處理,經預失真處理后輸入信號的頻譜為:

(6)

將s′(f)變換至時域可得預失真處理后時域的輸入信號s′(t)。

3.2 通道一致性改善仿真驗證

為了便于分析,以三元組中2個通道的幅相一致性為仿真對象,首先假定雷達信號模擬器產生線性調頻信號,帶寬1 GHz,通道1和通道2預失真處理前的信號幅度和相位特性如圖10所示。

圖10 未經預失真處理情況下通道幅相一致性

依據上述預失真補償方法,首先用雷達信號模擬器對基帶信號進行幅相預失真處理,經過處理后,通道1和通道2信號的幅度和相位特性如圖11所示。經統計,當雷達信號模擬器產生同一斜率的線性調頻信號時,經過上述預失真處理,三元組2個通道幅度平均一致性可控制在0.2 dB以內,相位平均誤差可控制在2°以內。

圖11 經預失真處理情況下通道幅相一致性

4 結束語

為了滿足寬帶雷達導引頭的射頻仿真需要,對射頻仿真系統的寬帶信號模擬質量提出了更高的要求。在數字基帶對寬帶信號進行預失真處理,可以克服射頻器件自身特性帶來的指標差異缺陷,有效改善天線陣列三元組饋電通道的寬帶幅相一致性,從而提高系統寬帶信號的角模擬精度。該方法為寬帶設備射頻仿真提供了一種新的思路,同時也對饋電通道的幅相特性精確標定提出了要求,需要在提高標校精度和效率方面開展進一步研究。