动目标射频仿真测试的应用研究与分析

2011-11-15郭建军

中国测试 2011年5期

关键词：三元组口径幅度

肖鹏，温燕，郭建军

（中国西南电子设备研究所，四川成都 610036）

0 引言

阵列天线收发系统典型设备包括干涉仪接收机和相控阵干扰机等，其系统测试往往偏重于静态性能测试，对运动目标的精确测向和跟踪、干扰等动态测试一般外场进行，试验成本高，周期长，测试不充分，重复性差。

以雷达寻的导弹制导系统为代表的装备也存在类似需求，其典型解决办法就是采用三元组等效辐射方式的动目标射频仿真测试，通过天线阵面模拟雷达目标信号的空间连续运动来实现半实物仿真试验[1-2]。

但是阵列天线收发系统的天线口径和视场角远大于导弹导引头的天线口径和视场角，同时具有宽频带的特点，信号波长在很大的范围内变化，很难在暗室射频仿真中满足“远场条件”的要求[3]。

因此，文章阐述了阵列天线收发系统的动目标射频仿真测试原理，给出了测试系统实现方案，同时对多个辐射元射频仿真模拟的近场效应误差对测试的影响进行了仿真分析，得出射频仿真测试应用的限制条件。

1 动目标射频仿真测试的基本原理

动目标射频仿真测试系统采用阵列馈电方式，通过控制目标天线阵列实现射频仿真目标的运动模拟[4]。天线阵列单元按照一定规律排列，如图1所示。

图1 射频仿真测试系统天线阵列

射频仿真测试系统所模拟的目标信号以阵列上相邻3个天线单元辐射的合成信号来表示，3个天线单元按等边三角形排列，称为三元组[5]。模拟的目标信号通过三元组3个辐射信号空间矢量合成得到1个等效的辐射中心，该辐射中心的位置通过精确控制3个辐射信号幅度和相位来改变，从而模拟出辐射目标的空间运动。

假设等效辐射中心的角度坐标为（φ，θ），E1、E2、E3为三元组 3 个辐射信号的幅度，（φ1，θ1），（φ2，θ2），（φ3，θ3）为三元组 3 个天线的角度坐标，则

如果三元组3个天线辐射信号的幅度和归一化为1，即E1+E2+E3=1，同时假设三元组相邻两行的天线在方位和俯仰的角度差分别为φ0，θ0，三元组3个天线的角度坐标分别为：（φ1，θ1），（φ1+φ0/2，θ1+θ0），（φ1+φ0，θ1）。由式（1）就可以求解 3 个辐射信号的幅度值：

在给定三元组3个天线辐射信号和等效辐射中心角度位置时，通过式（2）可以快速计算出3个辐射信号的归一化幅度控制值，实现模拟目标的快速精确移动位置控制[6]。

2 阵列天线收发系统测试应用

以干涉仪测向系统和相控阵干扰机为代表的新一代技术体制阵列天线收发系统的动态测试验证，需要以动目标射频仿真技术为基础构建测试应用系统，实现以下功能：

图2 阵列馈电多目标模拟原理框图

（1）对干涉仪接收机，通过模拟目标快速连续变化的运动特性，测试验证其动目标精确测向性能。

（2）对相控阵干扰机，通过模拟多目标的运动特性，测试验证其多目标快速跟踪响应和干扰性能。

动目标射频仿真测试系统主要由阵列馈电系统、雷达信号模拟器和测试转台构成。试验时，在转台上安装被试设备，阵列馈电系统的天线面阵球心位于转台回转中心。

阵列馈电系统主要包括天线面阵，粗、精位控制单元和目标位置解算控制单元等。其中，天线面阵安装在球面支撑结构上，如图1所示。

雷达信号模拟器通过阵列馈电系统的三元组辐射信号，在开关矩阵控制下，信号可由1个三元组转移到另1个三元组，实现目标位置的粗略控制；三元组内3个天线单元的辐射信号，分别通过幅度衰减器及移相器来改变幅度及相位，从而实现等效合成的模拟信号在三元组内精确位置的控制。同时，通过对多路雷达信号模拟器的射频输出精、粗位控制，合路放大后送天线单元辐射，可以实现多目标的射频仿真模拟，如图2所示。

3 阵列天线收发系统测试的仿真分析

三元组阵列射频仿真技术构建的测试系统，应用到干涉仪和相控阵干扰机的系统测试时，由于3个辐射元等效合成的幅度和相位特性与单个辐射元的差别，需要定量分析该差别对测试造成的影响。

3.1 测试误差来源

动目标特性测试验证时，被测阵列接收天线所观测到的目标视在方向就是射频仿真模拟目标辐射的电磁波在接收天线口径面上的相位波前法线方向。如果辐射天线口径很小，则接收天线所接收到的是1个球面波，其相位波前法线方向正好指向辐射单元所在位置，不会引起测向误差。

实际在阵列天线收发系统的测试应用中，射频仿真测试系统利用3个辐射单元的辐射信号在被试系统接收天线口径面上产生电磁场相互叠加，得到一个合成场，其相位波前不再是一个球面，会产生畸变[7]。此时接收天线所观测到的复合目标视在方向，是合成场在接收天线口径面上的相位波前法线方向。当接收天线口径面大小不可忽略时，合成场在口径面上各个点的相位波前畸变不同，同时这种畸变不对称，会引起接收系统的测向误差[8]，即射频仿真测试系统的“近场效应误差”。

另外，动目标射频仿真测试系统的模拟目标位置是根据三元组的归一化馈电幅度求得，由于三元组各元辐射的信号只在转台转动中心（被试系统接收天线相位中心）处是等相位的，而偏离该点的天线口径其他位置上三元组辐射到达的相位不一致，也存在“近场效应误差”。

3.2 仿真分析

为了便于分析，按图3建立坐标系，图中A、B、C分别表示射频仿真测试系统三元组的3个单元天线。假设测试面为1m2的平面，用来模拟最长基线为1m的干涉仪天线或等效口径为1m相控阵天线，同时假定测试面处于三元组法向38m远处，A、B、C间隔0.04rad（约2.3°，单元天线之间间隔约为1.48m）。

图3 三元组天线与测试面的坐标关系

按照辐射信号空间矢量合成原理，A、B、C 3个辐射源到达测试面某一点的辐射信号可以分别表示为

式中：Am、Bm、Cm——3个辐射信号的幅度；

RA、RB、RC——3个辐射信号到达测试面某一点的距离。

按照式（3），在3个辐射元等幅同相激励条件下，对3个辐射信号计算矢量和，可以绘制出6GHz、18 GHz在1m×1m测试面上各点合成幅值和相位，如图4所示。

图4 等幅同相激励的幅值和相位合成图

从图4的仿真结果可以看出，随着辐射信号频率的增加，三元组等效合成信号的幅度和相位波动越大，对测试的影响越大。

假设3个辐射元的幅值分别为0.25，0.25，0.5，对三元组非等幅激励的情况进行仿真，图5为3个辐射元在18 GHz的非等幅激励合成幅值和相位变化曲线。

图5 非等幅同相激励的幅值和相位合成曲线

从图5的仿真结果分析，非等幅激励时，合成信号幅值和相位与等幅激励时类似，只要保证3个辐射元归一化幅度和为1，不会影响系统测试的结果。

假设测试面上的被测天线基线的法向对准3个辐射元中心，3个辐射元等幅同相激励，其他假设条件与图3一致。其中，幅度差、相位差分别为基线边缘与中心的信号电平和相位之比，都用对数表示，可得到表1的仿真计算结果。

表1 不同口径天线边缘与中心幅相差计算表

从表1的计算结果可以看出，3个辐射元等幅同相激励时，随着被测系统等效天线口径的增加，三元组等效辐射引起被测系统接收天线边缘与中心幅度差和相位差变大，会使测试误差变大。

3.3 测试应用的限制条件

利用射频仿真测试系统对相控阵干扰机进行目标方位跟踪测试时，干扰机利用几个子阵的差信号获得目标相对于阵面法向的角偏移，然后控制主波束对准目标，实现对目标的跟踪。由于这是一种相对测试，对目标信号的绝对精度要求不高，一般而言，射频仿真测试系统合成的等效辐射信号边缘幅值与中心幅值相差小于2.5dB时，可满足测试的幅度条件。因此，从表1的计算结果分析，对于等效口径为400 mm的相控阵干扰机在2～10 GHz频段内，可用射频仿真测试系统进行测试。