基于相控阵短波发信系统的波束控制技术研究*

李晓文　王华旭　杨志清 　何宪文

(1.熊猫汉达科技有限公司　南京　210014)(2.海军北海舰队司令部　青岛　266071) (3.海军工程大学　武汉　430033)

LI Xiaowen1　WANG Huaxu2　YANG Zhiqing2　HE Xianwen3

(1.Limited Company of Panda Handa, Nanjing　210014)(2.Navy North Sea Fleet, Qingdao　266071) (3.Naval University of Engineering, Wuhan　430033)



基于相控阵短波发信系统的波束控制技术研究*

李晓文1王华旭2杨志清2何宪文3

(1.熊猫汉达科技有限公司南京210014)(2.海军北海舰队司令部青岛266071) (3.海军工程大学武汉430033)

论文建立了相控阵短波发信系统下波束控制模型，可以根据当前发射机的通信频率，通信方向及组阵方式等因素，实现快速准确地查询计算多通道当前需要配置的特定相位，为天线阵波束合成指向的偏转控制提供移相值。论文针对特定的直立天线排列阵型，提出了一种工程适应性强的波束成型算法，并且针对该算法进行了波束成型仿真，经过反复的仿真分析，可以认为波束成形算法得到的波束控制表能够在理论上实现理想的波束合成的效果。

相控阵; 短波发信系统; 组阵方式; 波束成型

LI Xiaowen1WANG Huaxu2YANG Zhiqing2HE Xianwen3

(1.Limited Company of Panda Handa, Nanjing210014)(2.Navy North Sea Fleet, Qingdao266071) (3.Naval University of Engineering, Wuhan430033)

Class NumberTN914

1　引言

相控阵短波发信系统与一般的单通道发信系统相比，不同之处主要体现在射频信号处理模块、功率放大器部分及天线部分由单通道演化成多通道，同时增加了相位采集模块[1]，波束控制模块，同步模块及交换模块相互协调、相互配合。

其中，天线阵的波束控制模块是通过对馈入天线射频信号的相位进行调整实现的，因此数字化相位精确控制和调节技术的研究至关重要[2,8～10]。波束控制模块主要作用为根据当前发射机的通信频率，通信方向及组阵方式等因素，快速查询计算多通道当前需要配置的特定相位，为天线阵波束合成指向的偏转控制提供移相值。其波束控制原理为根据波束成形算法计算各路射频信号的相位差，进行存储并为射频处理模块的每路射频信号提供移相的控制指令。波束控制模块提供了一种实现相控阵短波发信系统波束偏转的可靠控制方案。

2　波束控制设计方案

相控阵具有高增益、强方向性、波束偏转等特点[4]，其核心技术是通过对相控阵各阵元馈入不同相位的射频信号，利用各阵元辐射场强的矢量和实现波束合成。传统的波束控制器仅提供理论上的馈电相位，忽视了多通道射频信号相位一致性的问题，结果实际方向图往往偏差过大；本系统所设计的波束控制模块将天线阵馈电相位列表与实时相位检测相结合进行波束合成计算[5]，既能满足激励器基带信号处理模块实时性的要求，又兼顾实际方向图修正。该方法是提供了一种短波相控阵系统波束偏转的可靠控制方案。

波束控制模块主要可协助实现通信、波束合成、相位校正、远程控制等功能[5]。天线阵各通道射频信号的相位会受通信频率、通信方向、组阵方式等因素的影响，设置波束控制模块与主控制机(MCU)接口，根据通信需求输入通信目标方向、通信频率等要素完成配相数据的计算，产生用于相控阵天线每个辐射单元的相位，再加上相位采集传回的相位数据综合计算后，经光纤传输系统远程送往射频处理模块来做相位补偿的处理，完成波束指向的工作。如图1所示。

图1　相位综合处理结构图

波束控制模块内存储通过波束成形算法得到的波束控制表，用于系统工作时的波束控制。当与天线波束成形相关的系统工作参数(含通信目标方位、通信频率等)发生变化时，波束控制模块由波束控制表得到各路激励器的配相相位值，并分别送到各射频处理模块完成波束控制。

整个波束控制模块的建立流程如下[7]：

首先，需要在波束控制模块内建立线性天线阵馈电相位列表，按照通信频率、通信方向、组阵方式等因素提供的基准参数，作为激励器更新请求时的应答参数。根据不同的参数进行波表分块，采用这种方法可以减少馈电相位计算时间。

然后，通过建立模型、波束成形算法与标校参数来产生用于相控阵天线各辐射模块的相位值，生成波束控制表，可以实现天线阵的波束合成。

最后，对生成的波束控制表，通过仿真模型验证其正确性。经上述步骤后，形成相位列表数据库。考虑到天线安装以后的工程误差等因素可能导致实际天线阵与理想场地天线阵的辐射特性存在差异，还需对天线阵列各阵元的馈电相位进行监测，对多通道射频信号的相位不一致性进行修正。

3　组阵控制

相控阵短波发信系统希望可以根据当前发射需要自由选择组阵方式，因此波表的生成需要根据不同的组阵方式来设计。

本文以天线阵采用2×4(2排4列)直立天线为例，可以设置五种天线组阵方式，即8元天线阵、前排4元天线阵、后排4元天线阵、左侧4元天线阵、右侧4元天线阵。根据当前的组阵方式，选择对应的射频信号处理模块上线，然后控制当前在线的模块进行信号发射并且进行当前天线阵元的波束空间合成。天线布阵如图2所示。

图2　天线布阵图

4　波束成型算法

波束控制模块提供天线阵波束偏转的可靠控制，其波束成形算法为天线阵波束合成的核心。

波束控制模块即以波束成形算法为核心，建立一套波束成形模型。该算法工程适应性强，只需要根据当前工程天线阵排布组阵情况，就可以更新馈电相位列表。

在波束控制模块中通过DSP控制模块对组阵方式、通信频率、通信方向、通信距离等工作参数进行实时更新，可以输出得到在8路阵元的相位配置，使在当前通信方向上增益最大。

波束成形算法整个流程如下所述。

1) 计算当前组阵方式下8个天线阵元的物理方位坐标。

建立笛卡尔坐标系，如下图3所示：

以每个天线阵相互之间距离为m米，建立笛卡尔坐标系，可以得到每个天线阵的物理方位坐标。

图3　天线阵坐标系图

2) 在通信方向θ和通信距离b明确之后，在第一步建立的笛卡尔坐标系中，以天线阵1为标准，计算其他天线阵与天线阵1的距离差Δi。

3) 在通信频率fc明确之后，以天线阵1为标准，计算其他天线阵与天线阵1的相位差Δφ。

(1)

通过以上流程，可以通过计算得到一张线性波束控制表，在实际工作中通过查表的方式，以减少不必要的运算时间。

波束控制表首先按照组阵方式分为：8元天线阵，前排4元天线阵，后排4元天线阵，左侧4元天线阵，右侧4元天线阵五个部分；其中每部分按照通信频率，波束指向以及阵元个数依次排列。通过查询波束控制表的地址可以实现对特定配置相位的访问。

5　波束成型仿真结果

根据波束成形算法，可以得到在特定通信频率，通信方向和组阵方式下，天线阵8路阵元的相位信息，从而建立8元天线阵下的波束控制表。利用当今市面上最流行的电磁场高频计算软件FEKO，建立天线阵增益计算模型，该模型的输入参量为天线阵各个阵元馈入的相位，通过仿真计算，可以得到该天线阵在各个方向上的电磁波场强大小，从而绘制出波束合成后的天线增益图。根据天线增益图的结果，来判断波束控制表的正确性。以下的仿真都是在组阵方式为2×4的8元天线阵情况下建立的。

通信频率为3MHz，通信方向为0°时天线阵增益图如图4所示。

如图4所示，在通信方向为0°时，通过波束控制表配置8阵元的相位信息，在0°和180°通信方向的时候，天线阵的增益为最大值。在90°和270°通信方向的时候，天线阵的增益为最小值。经过分析证明波束控制表配置的相位信息有效并且正确。

图4　天线阵增益图

通信频率为15MHz，通信方向为90°时天线阵增益图如图5所示。

图5　天线阵增益图

如图5所示，在通信方向为90°时，通过波束控制表配置8阵元的相位信息，在90°和270°通信方向的时候，天线阵的增益为最大值。在30°、150°、210°和330°通信方向的时候，天线阵的增益为最小值。经过分析证明波束控制表配置的相位信息有效并且正确。

图6　天线阵增益图

通信频率为29.5MHz，通信方向为90°时天线阵增益图如图6所示。

如图6所示，在通信方向为90°时，通过波束控制表配置8阵元的相位信息，在90°、200°、340°通信方向的时候，天线阵的增益为最大值。在270°通信方向的时候，天线阵的增益为最小值，增益为0。经过分析证明波束控制表配置的相位信息有效并且正确。

6　结语

经过反复的仿真分析，可以认为波束成形算法得到的波束控制表能够在理论上实现理想的波束合成的效果。与传统的相位检测控制技术相比本文提出的方法具有通信方向控制准确、方便、实时且可以远程控制的特点。对生成的波束控制表，要根据天线安装以后的工程误差等因素对天线阵列各阵元的馈电相位进行监测，对多通道射频信号的相位不一致性进行修正，从而进一步优化波束控制表。

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[4] Billam E R.Design and Performance Considerations in Modern Phased Array Radar[C]//IEEE Radar Conference，1982：14-19.

[5] 张磊.稳健自适应波束合成关键技术研究[D].重庆：重庆大学，2010：15-18.

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[7] 林桂道.现代相控阵系统的波束控制设计分析[J].舰船科学技术，2007，29(3)：74-79.

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[10] 赵玉洁.相控阵雷达技术[M].北京：电子工业出版社，2006：182-186.

Technology on A Beam Control Based on Shortwave Transmission System of Phased Array*

A model of beam control under the shortwave transmission system of phased array is established. According to the current state of transmitter including communication frequency, communication direction, arraying method and other factors, configuration-specific phase of multi-channel current state can be inquired and calculated fast and accurately to provide resultant phase shift value of antenna array beam forming for deflection control. For specific vertical antenna arrangement formation, a beam forming algorithm with better engineering adaptability is put forward. Moreover the simulation of beam forming is completed. Repeated analysis and simulation shows the beam control table from beam forming algorithm can realize effect for ideal beam forming.

phase array, shortwave transmission system, arraying method, beam forming

2016年2月12日,

2016年3月23日

李晓文，男，工程师，研究方向：短波无线通信。王华旭，男，工程师，研究方向：通信技术。杨志清，男，工程师，研究方向：通信技术。何宪文，男，博士研究生，研究方向：无线通信。

TN914

10.3969/j.issn.1672-9730.2016.08.020