数字阵列天线的阵面监测方法研究

丁 坚

(南京电子技术研究所,南京 210039)



数字阵列天线的阵面监测方法研究

丁 坚

(南京电子技术研究所,南京 210039)

阵面监测是数字阵列天线在阵面测试和工作过程中的重要自检监测手段，阵面监测可检测出数字阵列天线中存在异常的通道，避免这些通道对阵面性能造成影响。文中首先介绍了数字阵列天线的阵面监测原理及分类，并对各种监测类型的应用场景作了分析；然后，详细描述了阵面监测中几种常见的通道故障类型、以及这些故障类型的监测方法和判断依据；最后，结合实际阵面测试，将阵面监测结果与实际通道性能进行比较，证明了该阵面监测方法的有效性，对比阵面监测处理前后的波束形成结果，验证了阵面监测方法对数字阵列天线的作用。

数字阵列天线；阵面监测；数字波束形成

0 引 言

数字阵雷达是一种新型体制的相控阵雷达，数字阵雷达在波束灵活性、系统动态范围、抗干扰等方面较模拟相控阵雷达有着独特优势。因此，越来越被包含地面、舰载、机载、星载等领域所应用。数字阵列天线，具有通道多、成本大等特点，良好的数字阵列天线性能是雷达整体性能保证的前提。

数字阵列天线需满足损耗小、副瓣低等特点[1]，但通道间存在一定差异性，如幅度、相位不一致性[2]以及通道异常导致通道失效[3]等，这些通道差异会对天线性能造成较大影响，使得数字波束形成(DBF)后波束的主瓣宽度、副瓣电平、波束保形等波束特性质量降低[4-7]，通道校准技术通过测试得到通道之间的幅相差异，对通道进行补偿，可以得到较好的波束方向图，改善通道幅相差异带来的影响，进而改善雷达整体性能。阵面监测技术通过在天线测试或雷达正常工作过程中对数字阵列的内/外通道监测，迅速定位出存在异常的通道，通过对该通道进行维修或屏蔽，改善异常通道对天线性能的影响。

本文介绍了数字阵列天线阵面监测系统组成、分类及其应用场景，结合实际工程中出现的通道失效情况，总结出通道幅度异常监测、IQ单路异常监测、通道相位异常监测、通道幅相不稳定监测四种最常见通道失效监测手段，针对这些通道失效情况，研究了相应的定位方法和处理措施。将实际测试系统中通道监测处理前后的DBF结果进行比较，验证了通道监测方法的有效性。

1 数字阵列天线阵面监测原理及分类

1.1 数字阵列天线阵面监测系统组成和框图

阵面监测是指在天线进行阵面测试或雷达正常工作过程中，利用特有的测试设备，对阵面接收或发射通道灌入指定输入，并对接收或发射通道输出结果进行采集和分析，迅速定位出数字阵列天线工作状态存在异常现象的通道，指导雷达系统对失效通道进行相应的处理，避免或减小通道失效对阵面测试和雷达正常工作的影响。

数字阵列天线阵面监测的原理框图如图1所示。

图1 数字阵列天线阵面监测原理框图

图1中控制/分析设备主要负责阵面监测系统按一定时序进行阵面测试以及对监测结果进行分析，频率源主要负责为数字阵列和监测组件产生时钟/本振信号，数据采集设备负责对数字阵列通道和监测组件进行数据采集，可以是DBF设备或者记录设备；监测组件主要负责发送/接收监测信号。

监测组件的原理框图如图2所示。

图2 单通道和通道合成信噪比比较

1.2 数字阵列天线阵面监测原理介绍

从监测对象进行划分，阵面监测可以分为接收内/外监测和发射内/外监测。内监测主要对阵面发射/接收的有源链路或数字单元本身进行监测，外监测则是对发射/接收的整体链路进行监测。

1)接收内监测：对接收通道性能进行内监测，当图1中开关④与⑤接通时，由监测组件产生监测信号通过放大、功分将信号发送给每个数字单元，数字单元将接收信号输出给数据采集设备，由分析设备对接收采样数据进行分析。

2)接收外监测：对整个接收通道链路监测，当图1中开关④与⑥接通时，由监测组件产生监测信号通过放大后送到监测探头，监测探头置于数字阵列正前方或通过扫描架依次对准每一个阵元，将信号发送给每个阵元，通过R组件、数字单元进行信号接收并将信号输出给数据采集设备，由分析设备对接收采样数据进行分析。

3)发射内监测：对发射通道性能进行内监测，当图1中开关①与②接通时，由发射通道数字单元产生信号通过监测网络发送给监测组件的发射内监测单元，发射内监测单元将接收到的信号输出给数据采集设备，由分析设备对发射内监测采样数据进行分析。

4)发射外监测：对整个发射通道链路性能监测，当图1中开关①与③接通时，由发射通道数字单元产生信号通过T组件向阵元发送监测信号，监测探头从空间接收信号并送给监测组件的发射外监测单元，发射外监测单元将接收到的信号输出给数据采集设备，由分析设备对发射外监测采样数据进行分析。

从雷达研制阶段进行划分，阵面监测可分为阵面测试阶段监测和雷达正常工作阶段监测。阵面测试阶段的阵面监测一般伴随通道校准同时进行，近场法和中场法校准均需要阵面监测[8]，此时阵面监测主要协助判断校准采样数据的可靠性，如通过阵面监测发现失效通道，应及时采取通道维修或替换等处理。雷达正常工作阶段，阵面监测完成对全阵面通道状态监测，用于快速定位故障通道，防止故障通道对全阵波束形成造成较大影响。一般外监测测试时间较长，在维护或发现波束性能明显下降时使用，而内监测由于测试时间较短，可以每次开机执行一遍，甚至穿插在正常工作过程中。

2 数字阵列天线的阵面监测方法

常规的数字阵列天线的阵面监测方法是利用通道校准结果观察被测通道与参考通道间的幅度差，当幅度差过大时，认为通道异常。但是该方法并不能适用所有的通道故障，例如：被测通道IQ中单路异常、通道相位异常、通道性能不稳定等故障，各通道故障现象如图3所示。

以下对实际阵面测试中出现的故障及其监测方法进行介绍与分析。

2.1 通道幅度异常监测

当通道损坏或增益过高时，通道监测采样数据表现出幅度过小或者过大现象。此时，通道收发数据均存在失真现象，校准结果误差很大，即使通过通道校准将该通道数据修正，也会因为噪声放大或者引入误差而导致通道性能受到影响。通道幅度异常表现形式如图3a)、图3b)所示。

图3 各类通道故障现象

针对这种通道故障，采用通道幅度比较法进行监测。一般在监测过程中，选择某一指定通道作为参考通道，监测前会对该通道进行检查，保证参考通道幅相稳定、性能正常。通道幅度异常的判断条件可以表示为

(1)

式中：A为通道幅度；T1为比较门限。当被测通道与参考通道幅度差超过门限，则认为该通道故障。

在正常工作过程中出现该种故障时，阵面监测应指出故障通道位置，并采取屏蔽法处理，即控制DBF将该通道信号设为噪声或置零，以降低通道异常对系统造成的影响。

2.2 IQ单路异常监测

数字通道信号分为两路IQ正交信号，当IQ中一路信号过小或无输出时，IQ通道失真，影响DBF后波束性能。通道IQ单路异常表现形式如图3c)所示。

发生这种通道故障时，通道幅度有所降低，但不一定低于通道幅度比较法的门限值T1，需要通过IQ比幅法进行监测。IQ比幅法的判断条件为

(2)

式中：AI、AQ分别为通道IQ单路幅度；T2为比较门限。

对被测通道的I路与Q路进行幅度检测，当IQ路幅度差超过门限时，则认为该通道I路或者Q路存在异常。

在正常工作过程中出现该种故障时，阵面监测应指出异常通道位置，并采取屏蔽法。

2.3 通道相位异常监测

通道相位异常是指，通道发生故障导致通道相位抖动较大，其表现形式如图3d)所示。

发生这种通道故障时，通道幅度可能与参考通道幅度接近，且IQ路幅度都正常，故不一定能通过幅度比较检测出来，需要通过相位导数方差检测法进行监测。阵面监测时产生的监测信号为幅度稳定、相位递增的点频信号，对相位进行求导，理论上应为常数。但是，由于噪声、系统误差等因素存在，相位的导数应该在一个常数附近抖动，即方差较小。当出现相位异常时，故障通道的相位导数不再符合这种现象，即相位导数方差较大。正常通道与相位抖动通道的相位比较如图4所示。

图4 正常通道与相位抖动通道的相位比较

相位导数方差检测法的判断条件为

D(φ被测通道)>T3

(3)

式中：φ为通道相位序列；T3为比较门限。

对被测通道的相位序列进行求导，即取相邻采样点之间的相位差，并对被测通道的相位差求方差，当方差超过门限时，则认为该通道相位异常。

在正常工作过程中出现该种故障时，阵面监测应指出故障通道位置，并采取屏蔽法处理。

2.4 通道幅相不稳定监测

在阵面测试或雷达正常工作时，由于电缆连接松动或组件性能起伏等原因，会造成通道性能不稳定，表现出通道数据时好时坏的现象。

针对这种通道故障，由于通道不是一直存在故障，故单次阵面监测未必能够定位出异常通道，需要通过幅相方差检测法进行监测。数字阵列天线的通道特性在较短时间内是很稳定的，因此，其幅相校准值会在一个较小范围内起伏，如一段时间内多次校准结果起伏较大，则说明该通道存在通道性能不稳定故障。幅相方差检测法的判断条件为

(4)

或者

D(|φ被测通道-φ参考通道|)>T5

(5)

对多次通道校准后的幅度差、相位差序列分别求方差，当方差超过门限时，则认为该通道性能起伏较大。在正常工作过程中出现该种故障时，阵面监测应指出故障通道位置，并采取屏蔽法处理。

3 性能分析

采用本文介绍的方法对数字阵列天线进行实际阵面监测，当阵面监测过程中发现性能超出监测指标时，上报故障通道并采取通道屏蔽法进行处理。实际工作中，对阵面监测原始采样数据分析，人为进行逐个通道性能判断，判断结果与上述四种异常检测方法的结果一致，说明文中所述监测手段有效。对采取阵面监测进行故障通道屏蔽与不进行相应处理的波束图进行比较，如图5所示。

图5 阵面监测前后波束图比较

进行阵面监测并屏蔽故障通道前后，波束形成性能差别如表1所示。

表1 通道监测前后波束形成性能比较

由图5和表1可以看出，采用阵面监测并进行相应处理后波束副瓣电平压低、波束宽度收缩、波束保形改善，波束性能有明显提升。

4 结束语

本文研究了数字阵列天线的阵面监测方法，对其原理和组成进行了详细阐述，针对实际工程中出现的通道故障模式，提出了相应的监测方法、判断准则以及处理措施。工程实践证明，本方法提出的阵面监测方法有效，采用相应通道屏蔽措施后，波束性能有明显改善。本文可为数字阵列阵面天线的阵面监测系统提供系统方案支撑。

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丁 坚 男，1982年生，硕士，工程师。研究方向为雷达信号处理、阵列处理、反干扰等方面。

A Study on Array Monitor Methods of Digital Array Antenna

DING Jian

(Nanjing Research Institute of Electronics Technology,Nanjing 210039,China)

Array monitor is an important self-monitor method of digital array antenna while antenna testing or radar normal working.Array monitor can find the abnormal channels in digital array antenna,and avoid the effects to antenna.Firstly,the principles and assortments of digital array antenna monitor are introduced,and the application scenarios of each monitor method are analysed.Secondly,several common channel abnormal types are described and the monitor methods and determinants of these types detailedly are introduced.Finally,are described the array monitor results with the real channel properties in actual array test are compared.The result verifies the availabilities of these array monitor methods.The beam forming result comparison of before and after array monitor provides the effort of monitor methods to digital array antenna.

digital array antenna；array monitor ；DBF

��伺系统·

10.16592/j.cnki.1004-7859.2016.10.014

丁坚 Email：szdingj@163.com

2016-07-06

2016-09-19

TN85

A

1004-7859(2016)10-0061-04