全空域测控系统数字波束形成技术研究

宋广怡

(中国电子科技集团公司第五十四研究所，河北 石家庄 050081)



全空域测控系统数字波束形成技术研究

宋广怡

(中国电子科技集团公司第五十四研究所，河北 石家庄 050081)

摘要随着我国航空航天事业的飞速发展，无人机集群和卫星星座的出现给地面测控站提出了更高的要求。全空域多目标测控系统的建设提上日程。和其他波束形成方式相比，基于软件无线电的数字多波束形成技术在全空域测控系统中具有独特的优势，值得深入研究。介绍了全空域测控系统对波束形成设备的需求，进而提出了基于射频采样的波束形成模块的实现，并对共形球面阵数字波束形成技术进行了分析。实测结果验证了基于射频采样的数字波束形成方案的可行性。

关键词全空域；测控系统；射频采样；数字多波束形成

Research on Digital Beam Forming Technology in Whole Airspace TT&C System

SONG Guang-yi

(The54thResearchInstituteofCETC,ShijiazhuangHebei050081,China)

AbstractAs the development of Chinese aeronautics and astronautics,the higher requirement is proposed to TT&C ground station for the unmanned aerial vehicle swarming and satellite constellation.It is necessary to construct the whole airspace multiple-target TT&C system.Compared with other beam forming technologies,the digital beam forming technology has some unique advantages.This paper introduces the demand of beam forming equipment in whole airspace TT&C system.The implementation of beam forming module is put forward based on RF sampling.The conformal spherical digital beam forming technology is analyzed.The test results show that the digital beam forming scheme based on RF sampling is feasible.

Key wordswhole airspace;TT&C system;RF sampling;digital multibeam forming

0引言

随着航空航天事业的飞速发展，将逐步建成无人机网络、卫星导航系统和卫星星座网络，这给地面测控系统提出了更高的要求。全空域多目标测控技术是目前测控领域面临的一个重要课题，也是地面测控系统面临的新挑战。目前全空域相控阵测控系统的建设已提上日程，而波束形成技术作为全空域相控阵测控系统的关键技术，其形成方式及算法的设计尤为重要。相位控制可采用模拟方式(在射频端采用微波移相器)实现或采用数字波束形成(DBF)方法实现。而采用数字波束形成方式，亦有一次变频和超外差方式之分。同其他波束形成方式相比，基于软件无线电的数字多波束形成技术在全空域多目标测控系统中具有独特的优势，值得深入研究。本文在分析全空域测控系统对波束形成设备需求的基础上，提出了基于射频采样的波束形成模块实现方案，并对共形球面阵的波束形成技术进行了分析及验证。和现有的波束形成方式相比，提出的实现方法简化了硬件设计，集成度高，幅相一致性好且多波束形成灵活。

1全空域相控阵测控系统

全空域相控阵测控系统目前多采用球面共形阵进行分析[1]，其优点是对于目标跟踪可平滑过渡，相位中心唯一，球面扫描增益一致；但其缺点是阵面复杂，对于装配工艺、测试、维护及波束形成算法均提出了挑战。因此需要对球面阵波束形成方式及算法进行研究。以美国空军正在实施的网格球顶相控阵(GDPAA)系统为例[2]，该系统要求EIRP大于104 dBm，而G/T值大于12 dB/K，能对中高轨及静止轨道卫星进行测控通信。其阵面采用多个五边形阵和六边形阵拼成一个整体上的球面，而每个多边形阵由若干子阵面组成，每个子阵面又由若干阵元所构成。最终用到的阵元数为60 300个，其后的波束形成模块，包括信道设备、数据采集传输及波束形成算法极其复杂。

由上述分析可见，全空域相控阵测控系统如图1所示，采用球面共形布阵，阵元数极多，因此要求波束形成模块尽可能简单，以减少成本和空间，降低系统建设和维护的复杂度。

图1　全空域多目标测控系统

2基于软件无线电的接收前端分析

由于受模数转换器件性能(主要指采样位数、采样率及输入带宽等)的限制，接收机体制主要有2种[3]：超外差和直接变频体制。其主要区别在于将信号下变频到基带的级数不同：直接变频只用1级，而超外差体制则采用2级以上。下变频次数的增加虽然使接收机的复杂性也相应增加，而直接变频接收机也面临一些技术问题，所以现有的接收机大部分为超外差体制。但是随着器件的发展，使直接射频采样成为可能，即真正意义的软件无线电接收机具有了一定的可实现性。因此本文提出基于直接射频采样的接收机体制。由于超外差及直接变频体制原理在现有文献中已有详述，本文不再赘述。本节仅对直接射频采样体制的原理及其实现方式进行讨论分析。

直接射频体制接收机原理如图2所示。天线接收信号经低噪声放大器(LNA)提供合适的射频增益，其输出信号经过预选滤波器滤波后，输出需要频带的信号。滤波器的输出信号用频率为fs1的脉冲进行采样保持，然后通过连续时间插值滤波器进行二次抗混叠滤波，此时得到奈奎斯特带宽内信号，采用常规的AD芯片即可对该信号进行量化。这种直接射频采样的特点是模数转换分2步进行[4]：① 对射频信号进行带通滤波和无量化采样；② 经过连续时间低通或带通滤波器滤波后，得到中频(或零中频)信号，然后用常规ADC进行量化。通过把采样和量化分开在不同的阶段实现，降低了对ADC的射频输入带宽、时钟抖动和采样率的要求。

图2　直接射频采样原理

这种体制的优点是：① 消除了常规超外差接收机中因使用模拟混频器和本地振荡器而带来的增益起伏和噪声；② 简化了硬件设计，使接收机可集成在单片微波集成电路上；③ 消除了模拟失真和混频器非线性失真；④ 可重配置，通过软件定义可灵活完成空时域滤波等功能，即真正意义的软件定义无线电功能。下面对该体制原理进行分析。

设采样脉冲信号为：

(1)

(2)

式中，ωs1=2πfs1。设场放输出信号为x(t)，抗混叠滤波传递函数为h(t)，采样后二次抗混叠滤波传递函数为f(t)，则滤波后输出为：

(3)

其频域表示为：

(4)

将式(2)代入式(4)，得

TkXBL(ω-ωs1kH)+T-kXBR(ω+ωs1kH)。

(5)

(6)

(7)

3直接射频采样实现方案

由第2节的分析可见，直接射频采样体制接收架构最简单，易于将相控阵接收组件集成化、小型化。因此下面讨论如何实现该种体制应用于数字波束形成的接收组件。

利用现有的芯片，可实现基于上述直接射频采样接收体制的数字波束形成接收组件。直接射频采样具体实现可分为T/H+AD结构和单射频AD芯片结构。以目前的芯片水平，采用T/H+AD结构可达Ku频段，如HMC5640芯片，其射频输入带宽为18 GHz，最大采样率4 Gs/s，输入Vpp为1 V，其时钟抖动小于70 fs[5]。而单射频AD芯片可支持射频输入带宽至S频段。由于篇幅关系，此处仅对单芯片结构进行介绍。

单芯片采样原理仍如图2所示，只是将采样保持与量化功能集成在一个单片微波集成电路上。如e2v公司的EV10AQ190系列、TI的ADS54RF63及ADC12D800RF等。以EV10AQ190芯片为例，主要关注性能指标[6]如射频输入带宽(3 dB)为5 GHz、有效位数7.7位(输入2.3 GHz)、时钟抖动120 fs等。由上述指标可见该芯片支持对统一S频段测控系统的直接射频采样。在射频直接输入时，其模数转换有效位数可达8位左右。

4球面共形阵数字波束形成

4.1架构设计

现有的测控系统，多采用射频移相器和数字波束形成相结合的方式[7]：在射频端利用移相器实现子阵波束合成，然后采用超外差接收技术下变频到中频(如在某测控频段系统中常采用2级下变频到70 M中频)。最后在中频进行AD采样并实现子阵间的数字波束形成。这种架构满足当前仅对某一部分空域进行单目标或少目标测控的需求：由于覆盖空域小可采用平面相控阵，所需阵元少，布阵空间较充裕。因此可采用超外差接收体制的相控阵，该体制降低了AD采样的要求，但提高了信道的复杂度，而且采用射频移相精度受限。这降低了波束指向精度、导致旁瓣升高，并且不利于多目标多波束形成。

采用直接射频采样接收体制实现的数字波束形成架构如图3所示。采用这种架构有如下优点：① 省去了下变频链路，简化了结构，可实现小型化；② 形成灵活的可扩展模块，可扩展为行波束形成、列波束形成、子阵波束形成及阵面波束形成等模块；③ 采用数字化，可灵活形成多波束；④ 容易形成零陷，抗干扰性强。

图3　基于直接射频采样体制的数字波束形成

4.2波束形成算法分析

阵元在球面上均匀分布，如图4所示(图中仅画出第n环)[8]。

图4　共形球面阵

其中第m个阵元坐标为(xmn，ymn，zmn)，

(8)

式中，R为球体半径；Rn为第n环半径；N为n环上阵元个数，与期望的环上阵元间弧线长度dθdesired有关；floor( )为向下取整运算；相邻环间纬线距离相等为dφ，因此ndφ为第n环到球顶的纬线长度；dθ=2πRn/N为环上阵元间实际弧线长度，与实际的阵元个数N有关，容易得到dθ≥dθdesired。共形阵的合成方向图为n环上所有阵元共同作用得到：

(9)

式中，λ为波长；wmn为加权系数；θ为目标方位角；为俯仰角。共形阵相位补偿因子为：

(10)

值得说明的是，以上分析中的坐标(xmn，ymn，zmn)既可表示阵元的坐标，也可表示第m个子阵模块的坐标。

5测试结果分析

采用上述直接射频采样数字波束形成技术，实现了DBF处理模块样机。在数字波束形成中，主要关注通道的幅相一致性，因此对该处理模块在不同温度条件下的接收信噪比、幅相一致性进行了测试，测试结果如表1所示(其中幅度单位为dB，相位单位为度)。由表1可见，在高低温及常温下通道间的幅度差异<0.5 dB，相位差异<4°，满足应用需求。

表1　直接射频采样DBF模块测试结果

对DBF子阵合成的和差方向图测试结果如图5所示，其中图5(a)为和波束方向图，而图5(b)为差波束方向图。

图5　子阵样机波束形成方向图

由图5可见，主旁瓣比约13 dB，差零深约33 dB，测试结果与理论相吻合。其原因是采用直接射频采样的数字波束形成技术，阵列幅相误差较小，而且阵列校正精度高。

6结束语

全空域相控阵测控系统作为下一代地面测控系统的发展趋势，将会得到越来越多的关注。采用直接射频采样技术实现的测控系统数字波束形成处理模块，满足全空域共形阵对多波束形成的需求，实现了设备集成化、小型化。因此基于直接射频采样的数字波束形成技术在全空域测控领域中的应用将会得到越来越多的关注和应用。

参考文献

[1]HENDERSON M,DAVIS M B,HUISJEN M.GDPAA Advanced Technology Demonstration Overview and Results [C]∥ Phased Array Systems and Technology(Array),IEEE International Symposium on,Waltham,MA,2010:140-143.

[2]AHN H,TOMASIC B,LIU S.Digital Beamforming in a Large Conformal Phased Array Antenna for Satellite Operations Support-architecture,Design,and Development [J].IEEE,2010:423-431.

[3]TUTTLEBEE W.Software Defined Radio Enabling Technologies [M].USA:John Wiley & Sons Inc,2003:26-28.

[4]PHILLIP E P.Detecting and Classifying Low Probability of Intercept Radar[M].USA:Artech House,2009:103-105.

[5]Hittite Microwave Corporation.Hittite’s 18 GHz Ultra Wideband Track-and-Hold Amplifier Enhances High Speed ADC performance [Online].Available:http:∥www.analog.com/media/en/technical-documentation/technical-articles/track-n-hold_0411.pdf.

[6]E2V Corporation.EV10AQ190 QUAD 10-bit 1.25 Gsample/s ADC Data Sheet [Online].Available:http:∥www.e2v.com/resources/account/download-datasheet/1735.

[7]张广义.相控阵雷达原理[M].北京：国防工业出版社，2009：108-113.

[8]吴海洲，王鹏毅，郭肃丽.全空域相控阵测控系统波束形成分析[J].无线电工程，2011，41(11)：13-15.

[9]楼德侃，李志强，李飞龙.基于维纳滤波的测空系统测速精度优化[J].无线电通信技术，2013,39(5)：47-50.

宋广怡男，(1973—)，高级工程师。主要研究方向：航天测控总体。

作者简介

基金项目：国家部委基金资助项目。

收稿日期：2015-12-03

中图分类号TTN911

文献标识码A

文章编号1003-3106(2016)03-0041-04

doi:10.3969/j.issn.1003-3106.2016.03.12

引用格式：宋广怡.全空域测控系统数字波束形成技术研究[J].无线电工程,2016,46(3):41-44.