数字相控阵天线阵面的暗室测试方法研究

吴鸿超，徐欣欢，薛 羽

(1.南京电子技术研究所， 南京210039)

(2.天线与微波技术重点实验室， 南京210039)

0 引言

作为一种新型先进体制的相控阵雷达［1］，数字相控阵雷达相比较传统的模拟相控阵雷达，在波束的灵活性［2］、系统时间资源利用率、系统动态范围、抗干扰以及多功能应用等多个方面有着得天独厚的优势，因此，被越来越多地应用到地面、舰载、机载和星载等领域的军用电子装备中。

作为数字相控阵雷达的核心组成，天线阵面的硬件设备量无论是从数量上还是成本上，都占了整个雷达硬件设备量的三分之二以上，对整个雷达起着举足轻重的作用，良好的天线阵面性能是保证雷达可靠、稳定工作的前提。

经过多年的技术积累，模拟相控阵天线阵面的暗室测试技术已经相对比较成熟，而数字相控阵天线阵面的暗室测试则处于起步阶段，尚未积累足够的工程经验，标准的数字相控阵天线阵面自动测试系统更是从零开始［3-6］。数字相控阵天线阵面暗室测试的难度在于:对于传统的模拟相控阵天线阵面，由于收发波瓣测试时，天线阵面与测试探头(或中远场的喇叭天线)之间，一收一发的均是同频射频信号，信号相参同步，因此，其测试系统核心组成是成熟的矢量网络分析仪，用于数据采集和分析的软件程序也相对比较简单;而数字相控阵天线阵面，收发波瓣测试时，天线阵面与测试探头之间一个是发射模拟信号，一个则是经过AD采样之后的接收数字IQ信号，二者之间的同步相参需要额外的硬件设备，并经过特殊的数据处理。

本文研究了数字相控阵雷达天线阵面的工作原理，提出了一个切实有效的暗室测试方法，搭建了一套完备的测试系统，通过对天线阵面样机的试验，验证了方法的正确性。

1 数字相控阵天线阵面

文中所讨论的相控阵天线阵面，并不仅仅是作为辐射单元的天线振子或者无源天线阵列，而是由天线罩、天线阵列、结构骨架和高频箱(内部包含了T/R组件、综合网络、阵面电源、阵面监测设备等)所组成的(有源)天线阵面，图1给出了一个典型数字相控阵雷达天线阵面的基本组成框图。

图1 典型数字相控阵天线阵面组成示意图

数字相控阵天线阵面的主要功能是:

1)发射时，阵面对发射前级送来的信号进行放大、辐射和空间功率合成。根据雷达指令，阵面通过直接数字频率合成(DDS)技术实现发射波束扫描，向指定空域辐射;

2)接收时，阵面将天线接收到的目标回波信号放大，经过数字接收通道转换成数字信号，交由数字波束形成(DBF)形成自适应波束。

其工作原理框图如图2所示。

图2 数字相控阵天线阵面工作原理框图

2 测试系统组成和原理框图

在暗室测试阶段(不论是近场、中场还是远场)，同常规模拟相控阵天线阵测试系统相比，除了电源机柜、冷却机组之外，数字相控阵天线阵面测试系统中还必须需要包括DBF机柜和光纤数据记录仪。

根据数字相控阵天线阵面暗室测试的特点，搭建了一套测试系统，工作原理框图如图3所示，其基本组成如表1所示。

图3 数字相控阵天线阵面暗室测试原理框图

表1 典型数字相控阵天线阵面测试系统组成表

3 信号的同步与相参

为满足数字相控阵天线阵面测试对同步的严格要求，测试系统中的控制设备和天线阵面之间必须共用同一个频率源输出的时钟信号。

同时，为保证天线阵面自身多个组成数字T/R组件之间的同步，天线阵面内部的时钟功分网络必须稳定、同相。

为保证不同时刻采集到的信号之间相参，必须使用监测数字T/R组件。监测数字T/R组件是数字相控阵天线阵面用于监测和暗室测试的核心工作部件。保证每一次被测数字有源通道数据的采集时，有一个同步相参的参考通道数据作为基准。通过对比同一个基准信号，来实现多个被测通道，在不同时刻采集到的数据之间相参。

图4给出了数字相控阵天线阵面的监测数字T/R组件原理框图。

图4 监测数字T/R组件原理框图

整个天线阵面只需要一个监测数字T/R组件，该组件的外部接口方面，电源接口、本振接口、时钟接口与其他数字T/R组件可保持一致;在功能和要求与其他数字T/R组件基本类似;由雷控单独调度和控制。

4 暗室波瓣图测试步骤

以暗室近场测试为例，给出数字相控阵天线阵面的测试方法，其他如中场测试和远场测试，方法基本类似。

4.1 发射波瓣测试

图5为数字阵天线发射波瓣近场测试框图，其方法和主要步骤如下:

1)控制系统通知伺服扫描架走到第一个通道的位置，当探头到位时，返回握手信号。

2)测试计算机得到扫描架到位的握手信号后，由数据处理软件，计算出波束加权、扫描所需要的幅度和相位值，并通过控制系统发送给DDS，DDS根据指令，预置幅度相位，打开T/R开关，所有数字T/R通道同时工作(为避免发射能量过大造成测试系统的损坏，发射测试需采用极小的占空比)。

3)探头接收到的模拟信号进入监测组件的监测路T/R通道，下变频到中频信号，并AD采样最终形成IQ数字信号，通过光纤下传;同时，参考T通道产生的参考信号通过参考R通道自闭环采集，形成IQ数字信号，同样通过光纤下传。

4)光纤下传的参考和被测信号光纤数据经数据记录仪进行采集。

5)记录仪停止采集数据，重复第1)步，至扫描架完成所有测试位置为止。

6)后期分析处理光纤数据:对各点位置上的测试信号对参考信号进行归一化处理，并转换成幅度相位信息，形成整个天线阵面口径上的完整幅相分布，并最终通过近远场变换，得到二维发射波瓣图。

图5 数字阵天线发射波瓣近场测试框图

4.2 接收波瓣测试

测试接收波瓣图时，其方法和主要步骤如下:

1)控制系统通知伺服扫描架走到第一个通道的位置，当探头到位时，返回握手信号。

2)测试计算机得到扫描架到位的握手信号后，全阵面接收通道打开，同时接收来自探头的信号。

3)各个数字T/R通道接收到的模拟信号经下变频、AD采样最终形成IQ数字信号，通过光纤下传至DBF;同时，参考T通道产生的参考信号通过参考R通道自闭环采集，形成IQ数字信号，同样通过光纤下传至DBF。

4)DBF根据预置的数字域幅相加权函数，对各个被测数字T/R通道进行数字IQ信号合成，合成一路被测数字信号，同参考数字信号一起经光纤进入经数据记录仪进行数据采集。

5)记录仪停止采集数据，重复第1)步，至扫描架完成所有测试位置为止。

6)后期分析处理光纤数据:对各点位置上的测试信号对参考信号进行归一化处理，并转换成幅度相位信息，形成整个天线阵面口径上的完整幅相分布，并最终通过近远场变换，得到二维接收波瓣图。

5 测试结果验证

利用文中的测试方法，对相控阵雷达样机的天线阵面进行了实验验证，得到的近场接收波瓣图如图6所示。

图6 实测接收二维波瓣图

取其方位主平面的波瓣图，与雷达在外场测试的远场波瓣图进行比对，二者结果基本一致，如图7所示;接收低副瓣性能也验证了该测试方法的精准度，在近场测试中很好地控制了天线阵面的剩余幅相误差。

图7 近远场测试主平面波瓣图对比

6 结束语

本文对先进体制的数字相控阵天线阵面暗室测试方法进行了探索研究，针对其特点，提出了有效可行的测试方法，并搭建了一套高效的测试系统，对数字相控阵雷达样机的天线阵面进行了近场测试，良好的测试结果切实验证了该方法的正确性，为未来数字相控阵测试技术的发展，提供了有效的技术支持。

［1］ 吴曼青.数字阵列雷达及其进展［J］.中国电子科学研究院学报，2006，1(1):11-16.Wu Manqing.The development of digital array radar［J］.Journal of China Academy of Electronics and Information Technology，2006，1(1):11-16.

［2］ 吴鸿超，万长宁，熊慎伟，等.数字相控阵雷达发射多波束特性研究［J］.微波学报，2014，30(1):6-9.Wu Hongchao，Wan Changning，Xiong Shenwei，et al.Transmitting multi-beam characteristics research of digital phase array radar［J］.Journal of Microwaves，2014，30(1):6-9.

［3］ Liu Haibo，Yang Xiaoqian，Jiang Han，et al.The study of mono-pulse angle measurement based on digital array radar［C］//IET International Radar Conference.Xi'an:IEEE Press，2013:1-5.

［4］ Mir H S，Albasha L.A low-cost high-performance digital radar test radar［J］.IEEE Transactions on Instrumentation and Measurement，2012，62(1):221-229.

［5］ Cartrell B，Graaf J D.Development of a digital array radar［J］.IEEE Aerospace and Electionic Systems Magazine，2002，17(3):22-27.

［6］ Meeloon M，Chaimool S，Akkaraekthalin P.Broadband bandpass filters using slotted resonators fed by interdigital coupled lines for improving upper stopband performances［C］//Asia-Pacific Microwave Conference.Bangkok:IEEE Press，2007:1-4.