有源相控阵雷达天线测试的时序实现与优化

曹俊锋，倪向东，孔　玥(.中国电子科技集团公司第三十八研究所，合肥30088; .中国船舶重工集团公司第七二四研究所，南京53))



有源相控阵雷达天线测试的时序实现与优化

曹俊锋1，倪向东1，孔玥2
(1.中国电子科技集团公司第三十八研究所，合肥230088; 2.中国船舶重工集团公司第七二四研究所，南京211153))

摘要:天线测试是有源相控阵雷达设计中重要组成部分。相较于无源天线测试闭环的相参信号使用方式，有源相控阵雷达天线采用开环的测试过程，对于信号间的时序关系要求更加严格。对测试所用的时序关系进行分析并对其进行优化，实现了一种有效的测试方法。使用优化前后的两种方法对同一型号雷达进行实测，测试结果基本一致，但优化方法测试时间仅为原方法的11.3%。

关键词:有源相控阵雷达;天线测试;时序同步;效率提升

0　引言

天线测试设计是有源相控阵体制雷达设计中不可或缺的一部分［1］。传统的天线常使用暗室平面扫描近远场外推法进行测试。测试所用的收发系统由暗室测试系统单独提供，待测天线通过馈线网络将测试信号与收发系统互联。测试过程中使用的相参信号由同源系统提供，是一个闭环的过程［2-8］，如图1所示。随着有源相控阵雷达天线阵面单元数目增多，测试使用的馈线网络设计越来越困难［9］。若将雷达视作整体进行测试，测试使用的接收系统和发射系统分别置于雷达和暗室测试系统两端，测试使用的参考信号由不同系统提供，采用开环的过程进行测试，那么就不必单独设计测试使用的馈线网络。这种测试方法不再是单一的天线测试，待测试雷达还要包含接收机、发射机和控制终端等部分，并且要求更加严格的测试信号时序关系，如图2所示。有源相控阵雷达天线测试就是需要解决雷达与测试采样系统之间交互时序同步问题。实际的雷达测试中，由于测试频点多，波位覆盖广，还需要考虑测试效率问题。

图1　无源天线闭环测试示意图

图2　有源天线开环测试示意图

1　平面扫描近远场外推法

测试天线有远场测试、近场测试等多种方法。有源相控阵雷达天线一般在暗室的环境下采用近场测试的方法进行测试。暗室可以有效减少距离效应和外界环境对测试结果的影响，提高准确性。测试时使用一个已知特性且高效稳定的天线探头，选取距离待测天线3～10个波长的某一表面上进行扫描，采集扫描面上离散点的幅度和相位分布，运用严格的模式展开法推导出天线的远场辐射特性。一般情况下，测试所选取的扫描面平行于待测天线所在的平面，故称这种方法为平面扫描近远场外推法。下文所述的测试方法就是在平面扫描近远场外推法基础上进行设计与实现。

2　有源相控阵雷达收发远场特性测试设计

有源相控阵雷达天线采用开环的测试模式，待测系统为雷达整机，需要实现与暗室测试系统交互同步测试。雷达整机与暗室测试系统之间严格信号时序同步问题是设计的难点。

以雷达发射测试为例，暗室采样系统与雷达之间的协作流程示意如图3所示。其对应的时序关系如图4所示。

图3　有源雷达测试流程示意图

图4　有源雷达测试时序关系图

测试开始前，首先要进行扫描面的选取，根据雷达与探头之间的距离、雷达的测试方位和俯仰角度、暗室空间大小等参数，选取一个能够覆盖天线特性的平面。采样架扫描测试开始时，暗室测试系统先要通过换频触发完成自身系统的频率变换，换频触发延迟t1时间后向雷达系统发送触发脉冲。雷达收到触发脉冲后当即向暗室反馈一个脉冲表示已经收到触发信息，雷达延迟t3时间后雷达打开发射系统发射带宽为τ的发射波形。暗室收到雷达回馈后延迟t4时间打开自身的接收系统进行采样，整个处理时间为t2。暗室采样架探头从一个扫描点到下个点的时间为T。当完成所有扫描点后，采样停止，暗室根据近远场外推的方法即可计算出雷达发射远场特性。

通过以上的时序关系，暗室能进行采样条件为t3＜t4＜t3+τ。

雷达接收测试扫描采样的原理与发射基本相同，但是接收系统在雷达整机上，雷达需要将接收测试得到的信息转换为空间扫描点的幅相信息［3］，再将信息传输至暗室，按照与发射相同处理方法计算得出雷达接收的远场特性。

按照该方法对某型号雷达一个频点进行测试，其发射波瓣测试结果如图5虚线所示。接收波瓣测试结果如图6虚线所示。

图5　发射远场特性比较图

图6　接收远场特性比较图

3　改进型方法的实现

实际的雷达收发远场特性测试中，需要测试的频点往往比较多，波位覆盖也比较广，测试设计时要考虑测试效率的问题。

以上述的雷达为例，测试单个频点单个波位所用的时间需要1.5 h。以50个频点3个波位的要求进行测试，雷达测试的时间为1.5×50×3 =225 h。测试时间长，测试所消耗的成本也随之增多。若将单个频点单个测试的时间内进行多个频点多个波位同时测试，那么测试效率就会大大提高。

由图3中的时序关系可以知道，在采样面两个离散点之间时间T内，可以多次发送暗室触发脉冲，雷达收到每个脉冲时，可以按照不用的频点、不同的波位信息发射波形。考虑雷达自身稳定性和采样天线内存容量问题的条件下，实际设计的多频测试点数比计算结果要小。测试的点数为n = T/(t1+ t2)－1。

图7　接收测试中心点幅相信息比较图

图8　接收测试中心点幅相信息比较图

同样以该型号雷达为例，t1=20 ms，t2=2 ms，t3= 8 μs，t4=40 μs，t = 80 μs，T = 240 ms。计算得出n = 9。图5为频点1在单频测试和多频测试发射远场特性的比较结果，图6为接收特性的比较结果。选取采样面中心点的幅相信息进行比较，这9个频点的两种不同方法测试得出的幅相信息如图7、图8所示。

由图中各个结果看出，两个测试方法的结果基本一致。使用优化方法的时间为25.5 h，仅为原先测试时间的11.3%，测试效率大大提高。

4　结束语

文中比较了传统天线与有源天线测试设计的不同，结合有源天线开环测试的特点，着重就待测雷达和暗室测试系统交互同步测试问题进行分析，参照平面扫描近远场外推的方法实现了有源天线的测试方法。在此基础上进行又对测试方法进行了优化，实现了多频点多波位同时测试，测试时间减少为单频点测试的11.3%，测试效率大大提升。

参考文献:

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Sequential implementation and optimization of antenna test of active phased-array radar

CAO Jun-feng1，NI Xiang-dong1，KONG Yue2
(1.No.38 Research Institute of CETC，Hefei 230088; 2.No.724 Research Institute of CSIC，Nanjing 211153)

Abstract:Antenna test is an important part in the design of the active phased-array radar.In comparison with the conventional passive antenna test that adopts closed-loop coherent signals，the active phased-array antenna test is done in the open-loop testing process and it shall be stricter in the sequential relationship between signals.An effective test method is realized through the analysis and optimization of the sequential relationship for the active antenna test.The two methods before and after the optimization are applied to the same radar.The test results are basically consistent，while the test time of the optimized method is just 11.3% compared with the original one.

Keywords:active phased-array radar; antenna test; sequential synchronization; efficiency promotion

作者简介:曹俊锋(1974-)，男，高级工程师，研究方向:雷达总体;倪向东(1989-)，男，助理工程师，硕士，研究方向:研究方向:雷达总体;孔玥(1988-)，女，助理工程师，硕士，研究方向:仪器仪表测量及天线系统测试。

收稿日期:2015-03-06;修改日期:2015-04-02

文章编号:1009－0401(2015)02－0008－04

文献标志码:A

中图分类号:TN958.92