全自适应数字阵列的近场测试

夏德平，刘雪晶

(南京电子技术研究所， 南京210039)

0 引言

随着数字技术快速发展，全自适应数字阵列已开始在雷达中广泛应用，它是一种以数字技术来实现波束形成的技术，保留了天线阵列单元信号的全部信息，用先进的数字信号处理技术对阵列信号进行处理，以获得优良的波束形成性能。采用全自适应天线阵列后，传统的模拟天线阵列的近场测试系统已不再使用，需要对现有测试系统进行改进，以满足不断发展的技术需求。

本文对全自适应数字阵列开展相关研究，针对全自适应数字阵列自身特性，采用多通道并行处理技术，对现有模拟近场测试系统进行改进，从而实现了全自适应数字阵列性能测试。采用改进后测试系统，除了完成常规数字波束的测试外，还对在外场条件下无法测量的自适应波束进行测试，从而确切地评估雷达系统的抗干扰能力。

1 近场测试原理

天线近场测试需要专门的技术和测试设备，在专用的微波测量场地才能实现测试，其工作原理是利用特性已知的探头在距被测天线 3 λ～5 λ的表面上［1-2］，测出天线场的幅度分布和相位分布，根据测试数据利用数学变换计算出被测天线远区辐射场［3］，其核心思想是把待测天线在空间建立的场展开成平面波函数(或柱面、或球面函数)之和，展开式中加权函数包含着远场方向图的完整信息，根据近场测试数据算出加权函数，进而确定天线的远场方向图。由于应用了模式展开，所以称之为模式展开法，这种方法已成为天线方向图和增益的一种准确测量技术。

天线近场测试包括平面、柱面和球面3种扫描测试［4］，其中平面扫描法适应于超低副瓣天线的测试，最大场角在±70°，其扫描系统复杂，而数学计算比较简单，能够测量前半个球面的方向图。现有的模拟阵列近场测试系统通常采用平面扫描测试系统，包括Agilent专用测试矢网、扫描架控制系统、测试探头、测试计算机等，如图1所示，能实现常规和通道、差通道测试。在测试过程中，先通过测试计算机实现对指令的发布，再通过扫描架伺服控制系统实现扫描架控制，定时控制器实现与雷达系统的同步，专用矢网实现测试信号的产生及回波信号处理并将数据送测试计算机，最终由测试计算机完成测试数据的分析和天线波瓣计算。

图1 模拟阵列近场测试系统

2 全自适应数字阵列测试

2.1 全自适应数字阵列模型

本文研究的全自适应天线阵面为M行N列的矩形阵列，其具有代表性，可推广到圆形、椭圆形天线阵列。矩形阵列的阵元在行方向的间隔为dx，列方向的间隔为dy，这里设dx=dy=λ/2(λ为工作波长)，如图2所示，图中θ为方位角，φ为高低角，ψ为锥角，天线波束指向为(θ0，φ0)，阵列采用二维可分离加权。

图2 天线阵列模型

天线阵面的发射方向图为［5-6］

式中:gnm为单元接收幅度加权;Φnm为单元接收相位加权;wk为自适应权。

式(2)中，如果接收波束为常规波束，Wk为全1的权值，如果为自适应响应波束，Wk则取自适应权值。

2.2 全自适应数字阵列近场测试

全自适应数字阵列由阵列天线、数字收发组件、定时控制以及信号源等组成，每个天线单元对应一个数字收发通道，可得到单个阵元的信息，提高处理的自由度，但会导致阵面数据庞大，如采用原有的模拟近场测试系统，已无法实现全数字阵列的测试。

为了解决该问题，采用专用的现场可编程阵列(Field Programmable Gate Array，FPGA)构建数字波束形成分机，用于阵元数据的接收和合成，可同时接收500路以上的数字信号，并能实时合成所需的通道。该近场测试系统如图3所示，专用计算机实现测试指令控制和测试数据分析，信号源提供收发组件所需的时钟、本振信号，实时控制提供多路数字收发组件的定时信号用于阵面同步，数字波束形成分机合成每个单元的数字信号，并将合成结果送专用计算机，最后由专用计算机实现天线波瓣的测试。

图3 全自适应数字阵列近场测试系统

天线近场测试前，按照加权要求实现收发通道的标校，考虑幅相误差时［7-8］，第m行n列信号以复数形式表示为

式中:anm为单元幅度;Φnm为单元相位;δnm，σnm为单元幅度相位误差;ωd为校准信号频率。

为了实现数字阵列的校准，将Xnm(t)调整到设计的目标值，需对每个通道进行校准，先选定其中一路作为基准，定义为X11(t)，将其他通道的幅相与之相比较，并同时与所需调整的目标值进行比较，即可得到被校准通道的补偿系数，从而得到校准结果，如式(4)所示，f即为补偿系数，其中δnm，σnm的定义同式(3)。

发射通道校准时，因为发射通道信号较强，通道间存在干扰现象，只能进行单通道的校准，而在接收通道校准时，用于校准的信号为小信号，通道间不存在相互干扰，因此可实现全阵面同时校准，只用一个校准指令即可完成全阵面校准，大幅提高了效率。

发射波瓣测试时，雷达处于全阵面发射状态，测试扫描架按照大于天线阵面面积的范围进行扫描，扫描完成后，将录取的数据进行处理，即可得到发射波瓣图。

接收波瓣测试时，雷达处于全阵面接收状态，测试扫描架按照大于天线阵面面积的范围进行扫描，扫描完成后，将录取的数据进行处理。与接收校准一样，因为接收波束由数字信号合成，测试时只需测试法向波位的波瓣，其他波位将法向数据按照扫描角合成即可，不再需要测试，从而简化了测试过程，缩短了测试时间。

2.3 干扰抑制方向图测试

普通常规波束形成依赖于天线阵列几何结构和波达方向角，是一个匹配滤波器，在主瓣方向信号相干积累，并且实现简单，在白噪声背景下它是最优的，但是常规波束存在旁瓣，且不随信号环境改变而变化，如果有强干扰信号从旁瓣进入后，会提高系统的底噪，从而影响雷达的探测能力，采用加窗处理可在一定程度上降低旁瓣，但不会从根本上解决干扰抑制问题。

采用全自适应数字阵列，由于单元的信息得到保留，可利用自适应空域滤波［9］技术，对干扰实现有效抑制，同时在目标方向形成最大增益波束，自适应处理输出可表示为

为归一化常数。式中:Wopt为自适应权值，将该权值代人到式(2)，即可得到自适应响应波束，通过改进的近场测试系统进行测试，可得到该响应波束，从而真实评估系统的干扰抑制能力。

3 仿真与实验结果

研究对象为M×N矩形天线阵列，L波段，单元间隔为λ/2。通过近场测试系统，实测得到的发射方向图如图4所示，方位向最大副瓣电平为-23 dB。

图4 发射天线方向图

测试的接收方向图如图5所示，方位向最大副瓣电平为-36 dB。

图5 接收天线方向图

存在单个干扰时，干扰从偏离天线阵面法向20°进入，通过自适应处理，得到自适应权值，由测试系统测试自适应响应波束，测试结果如图6所示，在20°处形成有效干扰抑制，零深达-60 dB。

图6 自适应响应波束图

4 结束语

本文在对模拟阵列近场测试阐述的基础上，对全自适应数字阵列进行系统分析，介绍了阵列模型，近场测试原理，干扰抑制原理，并给出了实测结果，从而实现了对全自适应数字阵列的全面评估。实验结果表明，通过对测试系统的数字化改进，该测试系统已具备全自适应数字阵列近场测试能力，为后续全数字阵列的研制打下坚实的基础。

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