DBF阵列波束无法稳定形成的原因分析及验证

杨 超，王雁涛，唐益民

(1.海装驻重庆地区军事代表局，重庆 400042；2.西南电子设备研究所，成都 610036)



DBF阵列波束无法稳定形成的原因分析及验证

杨 超1，王雁涛1，唐益民2

(1.海装驻重庆地区军事代表局，重庆 400042；2.西南电子设备研究所，成都 610036)

针对已固化权值的数字波束形成(DBF)阵列在岸边环境中出现波束无法稳定形成的问题，分析了原因，通过展宽主瓣波束的方法验证了原因分析的正确性。

数字波束形成阵列；波束形成；波束校正

0 引 言

乌克兰“铠甲”无源探测系统等装备证实了利用对对流层散射微弱微波信号的接收可实现超视距侦察，但其瞬时空域覆盖窄导致对目标信号截获概率低，无疑对作战效能有着较大的影响。数字波束(DBF)阵列具有增益高和空域覆盖宽等特点，可显著提高对目标辐射信号的探测距离和探测概率。DBF阵列的波束形成是通过对各路阵列单元接收的信号进行幅度/相位加权运算实现，理论上其幅度/相位权值不变，DBF阵列波束特性不变[1-2]。本文针对已固化权值的数字波束形成阵列在实际环境中出现波束无法稳定形成的问题，分析了引起波束凌乱的原因，通过展宽主瓣波束的方法验证了原因分析的正确性。

1 问题描述

微波辐射源架设在距离DBF阵列5.8 km、高度低于DBF阵列0.47 km的位置，DBF阵列附近有房屋及其它设备，百米开外有通讯铁塔，低处有树木、风电设备。DBF阵列临近海面，电磁环境比较复杂。在确认DBF阵列工作正常后，利用微波辐射源对DBF阵列波束形成情况进行测试，发现波束凌乱，中午重新对DBF阵列进行权值校正后，能够形成波束但天线副瓣电平偏高，晚上波束再次凌乱。

2 原因分析

基于现场环境和DBF阵列工作原理及天线阵理论分析[3-4]，波束无法稳定形成或凌乱的主要原因包括：环境中信号传播多径引起的波束畸变、盐雾天气引起的幅度/相位畸变、辐射源信号入射俯仰角引入的幅度/相位畸变均可能造成DBF阵列性能的下降，甚至波束无法形成。

2.1 信号多径传播影响分析

微波辐射源天线与DBF阵列之间满足天线测量要求的最小测试距离，电波传播满足通视条件。在这种情况下，信号多径传播对阵列波束主瓣影响不大，但对波束副瓣会有较大的影响，况且白天和晚上的信号传播环境并无实质变化，因此信号多径传播不是波束不能稳定形成的主要因素。

2.2 盐雾天气影响分析

中午天气晴朗，晚上海面雾大。以微波辐射源3.6 GHz信号进行辐射测试，通过测试阵列方位维各通道输出的幅度和相位，晚上的信号传输损耗比白天大3.2 dB，阵列边缘通道相位漂移比白天超前12°。收发天线布局示意图如图1所示。

图1 收发天线布局示意图

电磁波在介质中传播时，传输介质引起的相位变化为：

(1)

式中:ε为介质的相对介电常数。

由式(1)可知，12°的相位漂移主要是由晚上出现的海雾引起。根据阵列、单元及辐射源之间的尺寸，计算出12°的相位漂移可等效为在天线阵方位维长度基础上缩短约2.8 mm，平均相邻阵列单元间距缩短0.044 mm。根据阵列的俯仰维尺寸，推断出在俯仰维盐雾天气造成边缘通道最大相位漂移不大于19°,等效距离缩短约4.4 mm，平均相邻单元间间距缩短0.14 mm。0.14 mm和0.044 mm阵元间距的变化均满足0.2 mm的安装精度要求。另外，以前在其它远离海岸的环境中多次出现的雨雾天气从未影响DBF波束合成，尽管海雾引起的损耗较大，但它对DBF阵列各阵元和通道的影响是相同的。因此盐雾天气引起的幅度、相位变化不是波束不能形成的主要因素。

2.3 辐射源信号入射角影响分析

微波辐射源相距DBF阵列5.8 km，满足阵列天线所需的远场辐射条件。在俯仰方向，收发天线的高度差0.47 km引起的入射波以4.6°进入DBF阵列。DBF阵列波束指向下俯2°，实际入射波进入DBF阵列的夹角约2.6°。图2为3.6 GHz频率点的DBF阵列俯仰面仿真方向图，入射信号落入DBF天线的俯仰副瓣区域，相对主瓣，此处俯仰面合成波束相位翻转，但只要副瓣区幅度、相位是稳定的，并不影响方位面DBF权值的校正和波束的形成，所以，白天重新校正权值可以形成副瓣稍高、波束展宽的DBF波束。因此辐射以2.6°仰角进入DBF阵列是DBF波束形成变差的因素，但达不到波束凌乱、严重畸变的程度。

图2 天线俯仰面仿真方向图

3 试验验证

如果保证微波辐射源信号入射角落入俯仰波束变化较缓的主瓣区域，即方向图幅度/相位基本稳定，入射信号微弱的幅相变化将不会引起合成波束的畸变。通过只采用1/4子阵扩展DBF阵列的波束俯仰宽度，俯仰维2.6°附近入射的信号处于子阵俯仰波束位置如图3，此时2.6°位于俯仰波束幅/相特性基本稳定的主瓣区域。

在采用1/4俯仰阵列进行验证后，DBF阵列主瓣接收信号相位漂移和幅度起伏依然存在，但无论晴天、盐雾天，形成的DBF波束正常。因此，已固化的幅相权值完全可用。

4 结束语

图3 天线俯仰面1/4子阵仿真方向图

入射俯仰角各因素对DBF阵列合成波束的影响，均不能从根本上影响DBF波束的正常形成，但当3个因素同时作用于DBF阵列时，DBF阵列方向图副瓣电平起伏和相位翻转，导致接收俯仰2.6°入射信号不稳定，使DBF阵列波束严重畸变。此现象也说明了DBF阵列有效覆盖空域应是其主瓣覆盖空域，在内场校正固化的幅相加权值在外场同样适用。

[1] 邱文杰，杨超,陈文汉，等.数字波束形成在雷达中的应用译文专辑[J].成都电讯工程学院学报，1998，17(S1)：71- 82.

[2] 杨超，邱文杰.空间谱估计测向中通道失配和阵元间互耦的一次性补偿[J].电子科学学刊,1995，27(3):32- 36.

[3] 谢处方，邱文杰.天线原理与设计[M].西安：西安电子科技大学出版社，1985.

[4] 汪茂光，吕善伟，刘瑞祥.阵列天线分析与综合[M].成都：电子科技大学出版社，1989.

Reason Analysis and Experimental Verification for Unstabilized Beam-forming of DBF Array

YANG Chao1,WANG Yan-tao1,TANG Yi-min2

(1.Military Representative Bureau of Naval Equipment Department in Chongqing Region,Chongqing 400042,China;2.Southwest Research Institute of Electronic Equipment,Chengdu 610036,China)

Aiming at the problem that the beam of digital beam-forming (DBF) array with fixed weight value can not be formed stably on the shore,this paper analyzes the reasons,validates the correctness of reason analysis by widening main-lobe beam width.

digital beam-forming array;beam forming;beam correction

2015-11-11

TN971.1

A

CN32-1413(2016)03-0027-02

10.16426/j.cnki.jcdzdk.2016.03.007