TR组件幅相修正及互换性研究

牛戴楠，冯　波，吴鸿鹄(中国船舶重工集团公司第七二四研究所，南京211153)



TR组件幅相修正及互换性研究

牛戴楠，冯波，吴鸿鹄
(中国船舶重工集团公司第七二四研究所，南京211153)

摘要:通过在不同幅相误差下对接收方向图的测试，得出了通道间幅相误差对接收方向图各项指标的影响，提出了一种TR组件的修正方法，在不降低方向图各项指标的前提下使得TR组件可以任意替换。

关键词:TR组件;幅相误差;互换性;波束指向;数字波束形成

0　引言

相控阵雷达的诞生使得雷达波束形成更加灵活、波束扫描速度更加快速。相比传统雷达，相控阵天线让发射功率在空间进行合成。大功率发射机不再是雷达威力提升的瓶颈，而数字波束形成后的波束指向精度和副瓣电平成为相控阵天线中新的难点。由于相控阵雷达中天线单元通常都是直接与TR组件连接，所以TR组件各通道的幅相误差成为影响相控阵指标的关键因素［1］。

解决TR组件通道间幅相误差的通常办法是对组件进行修正，使得系统中各通道的幅相误差尽可能小。目前，对系统中收发通道校正的方法是:通过设计和调试，让发射或接收支路的每一级部件的幅相误差均保持在一个合理的范围内，然后通过远场或近场的方式校正整个收发通道。这种方式带来的影响是:为了保证组件的互换不会影响最终的系统指标，使得收发通道上每级部件的幅相误差必须保持在一个很窄的范围，增大了设计和调试难度［2］。

1　系统架构及幅相误差的影响

1.1系统架构及工作原理

由于通道间的幅相误差对接收通道和发射通道的影响是相同的，所以本文仅以接收通道来说明。系统框图如图1所示。

系统分为4个构成部分:天线单元、前端模拟收发组件、数字收发组件和数字波束形成。每个部分都为分离单元模块，当其中一个组件损坏，随时可以更换，降低了因修理或更换带来的附加成本。对于接收通道来说，信号由天线单元进入，经前端模拟收发组件进行放大合成后到数字收发组件。数字收发组件将输入的模拟信号进行数字量化后转换为数字信号，然后将各通道量化后的数字信号打包，通过光纤发送到DBF单元，进行数字波束合成。

图1　接收单元系统框图

1.2通道幅相误差的影响

在本系统中，接收通道间的幅相误差由3个不一致性引入:一是天线单元的不一致性，二是前端模拟收发组件中的低噪放、限幅器、移相器、功分器、混频器等器件的不一致性，三是数字收发组件中的滤波器、ADC采样电路的不一致性。多级器件的串联可致使每部分微小的幅相差累加，导致最终形成的每个通道间的数字信号具有较大的幅相差。

通道间的幅相误差导致合成后波束方向图的副瓣电平抬高，波束指向偏离预定位置，从而影响测向精度。阵列中存在幅相误差的通道所对应的天线单元由面阵边缘向面阵中心靠近时，波束的指向误差会逐渐增大，波束的副瓣电平也会越来越高。虽然相控阵雷达在出厂前会进行工厂级校正，并且在雷达的生命周期内也会进行阵地级校正，但是在很多情况下，受限于使用环境，阵地级校正并不是随时都能进行。随着相控阵天线中元器件的老化，或是恶劣环境对组件单元的影响，更换备件将成为必然。战略储备备件的更换不能影响系统指标，从而提出了TR组件的互换性。

2　TR组件的互换性

从图1中可以看出，本系统采用分离单元构成。天线单元为无源器件，制作材料和制作工艺可以将天线单元的幅相误差限定在一个比较窄的范围内;前端模拟收发组件由于串联级数少，使用器件寡，通过调试也能将其幅相误差限定在一个较小的范围;数字收发组件集成度高、信号路径串联级数多，各通道间幅相误差较大。当天线面阵校正完成后，各收发通道间幅度和相位误差均在一个很小的范围内波动，此时认为各通道间的幅相是一致的。当交换前端模拟收发组件后，由于面阵校正时校正系数已经补偿了前端模拟收发组件的幅相误差，交换后有较大可能性出现极端情况，即需要正补偿的前端模拟收发组件对应了负补偿的幅相修正系数，这样就造成了通道间幅相误差的进一步扩大。当交换数字收发组件时，由于数字收发组件对应的前端模拟收发组件改变，对应的幅相修正系数不再正确，从而使得通道间幅相误差扩大。

对于校正完成后的相控阵天线，由前端模拟收发组件或数字收发组件的交换，导致了收发通道间幅相误差扩大，较大的幅相误差使得合成后的波束主瓣降低、副瓣增大、指向出现偏差，从而影响系统测向、测距精度，降低技、战术指标，严重时导致系统完全无法使用。本文提出了二次校正的方法，以解决组件互换性的问题，第一次修正为数字收发组件的修正，第二次修正为接收面阵的修正。

2.1互换原理

第一次修正将所有数字收发组件的各通道幅相修为一致。也就是说，采用母件，对每个数字收发组件进行幅相修正，确保修正后每个数字收发组件接收通道间的绝对幅度和相位都一致，然后将各频点对应的修正系数存储在数字收发组件中的存储芯片内。数字收发组件中的控制逻辑可以根据不同的使用频点、不同通道自动加载对应频点的幅相修正系数，使得数字收发组件在整个工作频带内各通道间的幅度和相位均一致。图2(a)为数字收发组件幅度修正后4个组件32个通道间的幅度一致性关系图，图2(b)为数字收发组件幅度修正后4个组件32个通道间的相位一致性关系图。

从图2和图3中可看出数字收发组件在修正后32个通道的幅度误差为0.04dB，相位误差为0.16°，可以认为4个数字收发组件的幅度和相位是基本一致。

将修正后的数字收发组件装到面阵上后，采集信号各通道间的幅相关系如图3(a)所示，此时对系统而言仅完成了第一次幅相修正，即组件级幅相修正。

图2　数字收发组件32通道幅相一致性

图3　组件交换前幅相关系

从图3(a)中可以看出，面阵在未修正前通道间的幅度误差为3.34 dB，相位误差为128.5°。在数字收发组件修正完成的基础上对接收面阵进行幅相校正，修正后通道间的幅相误差如图3(b)所示，通道间的幅度误差为0.07 dB，相位误差为0.5°。第二次修正将整个接收系统的所有通道的幅相修为一致。

当第二次修正完成后，数字收发组件将天线面阵上所有前端模拟收发组件对应的修正系数存储到存储器中，当前端模拟收发组件交换时，数字收发组件加载对应的幅相修正系数，即可保证天线面阵各通道间的幅相一致。

2.2组件互换对幅相误差的影响

由于对面整个面阵通道来说，对接收系统指标影响最大的是中间的通道，所以交换处于中间的数字收发组件后再测试幅相一致性。交换后的幅相关系如图4所示。

图4　组件交换后幅相关系

对比图3(a)和图4(a)，组件交换后在未加载面阵修正系数前，幅度误差和相位误差的变化并不大。由此可推论，数字收发组件的交换并不会引入较大的幅相误差。从图4(b)可看出，组件交换后幅度误差为0.65 dB，相位误差为5.6°，证明了数字组件的交换引入的幅相误差在可接收范围内。

2.3组件互换对方向图的影响

接收通道的幅相误差最终表现为对接收方向图各项指标的影响。如果数字收发组件的交换对接收方向图的指标没有影响，则证明二次校正的方式是正确的。图5为组件修正后面阵未校正前的接收方向图。图6为面阵修正后接收和差波束方向图。图7为组件交换后接收和差波束方向图。

图5　面阵修正前接收方向图

图6　面阵修正后组件交换前接收方向图

图7　组件交换后接收方向图

表1　和波束指标对比

表2　差波束指标对比

3　结束语

通过实际测试，对比表1的测试数据，面阵在校正前与面阵校正后和波束的主副比有较大差距;而面阵修正后，数字收发组件的交换对和波束各项指标基本没有影响。通过表2的数据对比说明，面阵在修正前与修正后零深的变化不大，均满足本系统指标;但是对差波束的波束指向，修正前与修正后具有较大的差距，修正前指标很差，修正后指标得到较大改善;在经过修正的面阵中交换数字收发组件，无论差波束的指向还是零深，实际变化不大，均能满足系统指标。由此可证明，本文提出的对TR组件的二次修正是可行的，这种修正方式完全能满足因组件的互换而不影响系统指标的要求。

参考文献:

［1］Merrill I Skolnik.雷达手册［M］.南京电子技术研究所译.3版.北京:电子工业出版社，2010.

［2］张光义.相控阵雷达原理［M］.北京:国防工业出版社，2009.

Research on amplitude-phase correction and interchangeability of TR modules

NIU Dai-nan，FENG Bo，WU Hong-hu
(No.724 Research Institute of CSIC，Nanjing 211153)

Abstract:The effects of the amplitude-phase errors between the channels on the patterns received are discussed through testing the patterns under different amplitude-phase errors.An amplitudephase correction method is proposed，which makes the TR modules interchangeable on the premise that each index of the patterns is not reduced.

Keywords:TR module; amplitude-phase error; interchangeability; beam direction; DBF

文章编号:1009－0401(2015)01－0024－05

文献标志码:A

中图分类号:TN957

作者简介:牛戴楠(1982-)，男，工程师，硕士，研究方向:高速电路设计及信号处理;冯波(1979-)，男，工程师，硕士，研究方向:雷达发射组件;吴鸿鹄(1987-)，男，工程师，硕士，研究方向:高速电路设计及信号处理。

收稿日期:2014-12-04;修回日期:2015-01-12