数字化相控阵天线测试方法及测试系统设计

侯 飞,柏 利,乔淑君

(中国电子科技集团公司第十四研究所，南京 210039)

数字化相控阵天线测试方法及测试系统设计

侯 飞,柏 利,乔淑君

(中国电子科技集团公司第十四研究所，南京 210039)

伴随着雷达技术的飞速发展，数字化相控阵天线开始广泛运用于各种相控阵雷达当中;由于数字化相控阵天线的工作原理与传统模拟相控阵天线差异极大，测试方法也发生了根本性的改变，原有的基于普通微波仪表的天线测试系统无法再对数字化相控阵天线进行测试，必须设计新型的数字化相控阵天线测试系统;文章首先介绍了数字化相控阵天线自身的工作原理和测试方法，随后提出了新型数字化相控阵天线测试系统的具体软硬件设计方案，实际应用表明数字化相控阵天线测试系统可以满足各种数字化相控阵天线的测试要求。

数字化相控阵天线；方向图；测试系统设计

0 引言

伴随着电子技术的飞速发展，数字化相控阵天线因其具备高搜索速率、高多普勒分辨率和角分辨率、高抗干扰能力和同时多功能等优势，正在成为相控阵雷达的一个新的发展方向[1]。数字化相控阵天线，不再含有模拟的移相器，而是将数字化接收机前移。上行链路通过DDS移相产生不同相移的信号，上变频到射频天线单元形成发射波束。下行链路靠接收机将信号放大滤波，AD采样后，在数字域形成所需的接收波束。由于收发波束的合成产生与控制均采用了数字技术，因此称之为有源数字化相控阵天线，简称数字阵。

相控阵天线性能的好坏主要通过方向图来体现，普通模拟相控阵天线通常是在微波暗室中通过矢量网络分析仪进行方向图测试[2]。数字阵天线由于上行链路的微波激励源不再是从外部输入，而是来源于自身的DDS，其下行链路的输出也不再是微波频段下的信号输出，而是经过中频采样后的光信号。由此造成了数字阵天线的发射方向图测试失去了同频参考基准，接收方向图测试矢量网络分析仪无用武之地，必须设计全新的测试系统来进行数字阵天线测试[3]。本文首先介绍了数字阵天线的测试方法，进而讨论了测试系统的设计思路和架构方案，最后对测试系统软硬件技术方案进行了详细论述。

1 数字相控阵天线工作原理

根据所采用的波束形成硬件，相控阵雷达天线通常可以分为模拟相控阵天线和数字相控阵天线。模拟相控阵天线采用模拟器件(如移相器、时延单元及波导等)来形成波束，而数字相控阵天线则采用数字采样和数字处理器来形成波束[4]。数字相控阵天线的收发波束都采用全数字波束形成，它是在数字域实现幅相加权(即数字波束形成)。其核心技术是全数字T/R组件：它把发射机、接收机、激励器和本振信号发生器集为一体，成为一个完整的发射机和接收机分系统。特别是数字相控阵天线接收波束的合成并不是由真实的馈线网络合成的，而是由天线后端的数字波束形成模块(DBF)通过数据处理合成的。数字相控阵天线原理框图如图1所示。

图1 数字相控阵天线原理框图

数字阵天线发射工作时，全阵面的数字T/R组件内的DDS按幅度和相位控制指令结合时钟及定时信号在波形产生时预置相位和幅度，经上变频激励驱放，进而激励末级功率放大器放大信号后，通过辐射单元向空间辐射。天线接收工作时，辐射单元接收空域内的反射电磁波信号，经环形器后送入数字T/R组件接收通道，由LNA放大后，再由增益控制、下变频、滤波放大、A/D采后，形成数字正交信号送DBF模块，产生扫描空域内的任意接收波束。

2 数字相控阵天线测试方法

数字阵天线发射状态下输入的射频信号只有本振和时钟信号，天线辐射出去的射频信号与本振和时钟并不是同频率的。阵面接收状态下接收的是射频信号，输出的则是由数字T/R组件采样打包的数据光信号。不论是在发射状态下还是接收状态下都不存在完整且同频的射频信号闭环链路，用射频仪表很难测试天线性能。因此，数字阵天线测试系统不再以矢量网络分析仪为核心构成测试闭环链路，而是由阵面上的数字TR组件和监测组件共同组成一个完整的测试环路，测试系统提供阵面控制信号，控制阵面的工作状态以及扫描架的运行，由阵面自身设备完成测试激励和数据采集，系统采集到的测试数据由数据记录设备或计算机进行记录，通过数据处理得到阵面测试结果。

2.1 发射方向图测试

在近场对数字阵天线进行发射方向图测试时(测试原理框图如图2所示)，天线全阵面处于发射状态。测试过程中，测试计算机控制扫描架探头移动到每个测试位置，接收阵面辐射出的微波信号，并将该信号送入监测组件。

图2 数字阵发射方向图测试原理框图

监测组件实际上是一个功能拓展的数字T/R组件，既可以对接收到的微波信号进行数字采样，也可以利用自身的DDS合成并发射微波信号。另外，监测组件还可以输出一路专门作为测试参考的数字信号。

在对天线进行发射方向图测试时，监测组件处于接收态。监测组件将探头接收到的微波信号进行数字化采样，与自身参考信号同时通过光纤送给数据记录仪，测试计算机将记录仪得到的测试信号数据与参考信号数据进行实时比对，计算出探头在天线阵面每个测试位置采集到的微波信号幅度和相位。扫描探头依次完成天线阵面所有测试点的测试后，测试计算机将全阵面幅相数据进行矩阵合成，最终利用方向图计算软件计算出天线的放射方向图。

2.2 接收方向图测试

数字阵天线接收方向图的测试与发射方向图测试略有不同(测试原理框图如图3所示)。区别主要在于监测组件的收发状态改变和阵面DBF的介入。

图3 数字阵接收方向图测试原理框图

在对天线进行接收方向图测试时，天线全阵面处于接收状态，监测组件处于发射态。在每个测试位置，测试探头将监测组件发射出的微波信号向天线阵面辐射。天线阵面接收的信号经过所数字T/R组件数字化采样送到阵面DBF进行数字波束合成。数字波束合成后的信号与监测组件送出的参考信号同时通过光纤送给数据记录仪。与发射方向图测试一样，测试计算机将记录仪得到的测试信号数据与参考信号数据进行实时比对，计算出探头在天线阵面每个测试位置辐射的微波信号幅度和相位。扫描探头依次完成天线阵面所有测试点的测试后，测试计算机通过计算得到天线的接收方向图。

2.3 具体测试步骤

数字化相控阵天线具体测试步骤[5]如下：

1)测试计算机控制扫描探头走到天线正面的第一个测试位置，探头到位时向测试计算机发出到位确认信号。

2)测试计算机确认扫描探头到达指定测试点后，依据待测试的频点和波束指向信息，计算出相应的阵面状态控制码，发送给阵面控制设备。

3)阵面控制设备依据收到的阵面控制码，通过阵面光纤网络控制天线阵面上所有的数字T/R组件和频率源进入到相应的状态，阵面形成待测波束。

4)扫描探头采集射频信号进入监测组件的接收通道，下变频到中频信号，经过AD采样最终形成IQ数字信号，与参考信号一起通过光纤下传。

5)数据记录仪同时记录光纤下行的被测信号和参考信号。

6)测试计算机通过网络获得记录仪中的被测和参考信号数据，进行数据处理，计算出信号的幅度和相位。

7)测试计算机将得到的幅度和相位数据实时显示到测试软件界面上，同时将幅相数据按照指定格式存储，留待后期进行方向图计算。

8)测试计算机控制扫描探头移动到第二个测试位置点。重复步骤1至步骤7，直到完成整个天线的数据采集。

9)整个天线测试数据采集完成后，通过专用的方向图分析软件对存储在计算机中的测试数据进行FFT计算，得到被测天线的方向图和相关性能指标。

3 数字阵多任务测试系统设计

在实际的数字阵天线近场测试过程中，天线的测试流程非常复杂，测试任务量也极其巨大。往往需要对天线在不同收发状态下，测试数百个频率点、上千个波束的方向图。普通的近场测试系统无法满足工程化的测试需求，必须要使用可以对天线同时进行多频点、多波束方向图测试的数字阵多任务天线测试系统。多任务天线测试系统的硬件组成更加复杂和软件功能更加强大，通用化程度也更高。

3.1 系统设计

数字化相控阵天线多任务测试系统在硬件组成上主要包括测试计算机、综合频率源、任务控制模块、阵面控制模块、测试DBF模块、数据记录模块、网络交换机以及数据处理计算机、有源光放大分配器、光纤转接盒等设备(系统组成框图如图4所示)。系统中除了数字阵测试必须具备的硬件设备外，特别增加了一个任务控制模块。任务控制模块是测试系统具备多任务测试能力的关键。

图4 数字阵多任务测试系统组成框图

所谓多任务测试系统，是指扫描探头单次扫描全阵面可以测试多个频率点、多个波束、多个通道的天线方向图。因此，多任务测试系统必须要实现扫描探头移动、阵面状态切换和测试数据采集的实时同步控制。在进行多任务测试前，测试人员将天线需要测试的所有频率点、波束指向等测试任务信息预存在任务控制模块的缓存中，测试开始后扫描探头每到一个测试点都会给任务控制模块发送探头到位脉冲。任务控制模块收到探头到位脉冲的触发，将预存的所有任务信息依次打包发送给阵面控制模块。阵面控制模块实时响应每帧任务信息包生成相应的频率源控制指令和阵面控制指令，控制综合频率源和被测天线同步切换频率和波束指向状态。天线上的数字T/R组件、监测组件和DBF模块完成数据采集和波束合成后将数据送到数据记录模块记录或通过数据处理计算机实时处理显示。

为了提高多任务测试系统的通用性，测试系统中专门增加了测试DBF模块、有源光放大分配器、光纤转接盒等设备。有些被测天线规模较小，自身不包含阵面DBF模块就可以使用系统中的测试DBF进行波束合成。有些阵面规模较大，就需要使用有源光放大分配器、光纤转接盒来放大、分配或合成阵面的光纤控制指令和采样数据。

3.2 软件设计

数字化相控阵天线测试系统软件作为整个测试系统所有任务功能的最终体现，是整个测试系统开发的关键。软件通过人机接口实现与用户之间的信息交换。在人机接口中集成了全息显示模块，能够多维、多角度、多剖面、多层次展示天线的状态数据和信息。服务模块实现所有测试相关数据的处理、显示与管理功能。控制接口和数据接口实现了软件与测试系统硬件资源的高效对接。执行引擎则负责提供测试软件的任务工作环境。通过测试策略定制，执行引擎能够清晰获取用户的测试意图，并自动生成一系列的测试任务，再经智能分配和精准调度，实现测试系统所有硬件资源与被测天线的协调控制。处于软件上层的各类测试流程构件，在执行引擎的协调调度下，通过调用系统硬件驱动程序并访问各种控制与数据接口，最终实现天线测试数据的高速采集记录、高精度运算分析以及天线性能的综合验证评估。系统软件架构如图5所示。

图5 数字阵测试系统软件架构图

数字化相控阵天线测试系统软件为用户提供一个可操作的可视化界面，不但具备方向图多任务测试功能，还具备全阵面监测排故能力。每次阵面测试结束后，阵面的方向图测试结果可以立刻以多个维度的视角显示出来，各种性能参数一目了然。同时，软件还可以最直观的显示阵面上每个通道的工作状态，通道幅度和相位的差异都可以从色彩的变化体现出来。

4 试验结果与分析

数字化相控阵天线的工作频率范围通常比普通模拟相控阵宽很多，方向图测试任务量也往往数倍于普通天线。因此，多任务测试系统的应用更加具有非凡的意义。经过大量实验验证，可以发现多任务测试系统不但使得数字化相控阵天线测试效率提高了很多倍[6]，测试精度也不比普通单任务测试系统差。

图6 天线测试结果软件显示

以某L波段大型数字化相控阵天线实际测试为例分析。单任务天线测试系统探头扫描一次只能完成1个方向图的测试，耗时约为50分钟。使用多任务测试系统，探头单次扫描可以完成3个频率点下各7个波束共21个方向图的测试。为了多任务测试稳定，探头扫描速度降低，耗时约90分钟。在此情况下，多任务系统综合测试效率达到单任务的11倍。

同时对单任务和多任务测试系统测出的方向图指向精度和最大副瓣参数的10次平均值进行比对，具体测试数据如表1所示。

从比对数据可以确认，多任务测试系统与单任务测试系统方向图测试差异约为1%，测试精度基本一致。

5 结束语

文中论述的数字化相控阵天线测试系统集成方案和天线测

表1 单任务系统与多任务系统测试精度对比

试方法经过了多个型号、不同频段的数字化相控阵天线实际测试的应用，测试结果表明天线的测试效率和精度满足数字相控阵天线的测试要求。这种新型的数字化相控阵天线测试系统解决了数字化相控阵天线不能依靠传统仪表直接进行测试的技术难题，极大地提升了天线的测试效率，有效推动了数字相控阵天线的研制与应用进程。

[1] 吴曼青.数字阵列雷达及其进展[J].中国电子科学研究院学报，2006,1(1)：11-16.

[2] 张士选,李 勇,等.超低副瓣天线近场测试关键技术探讨[J].西安电子科技大学学报，2000,27(3)：368-373.

[3] 夏德平,刘雪晶.全自适应数字阵列的近场测试[J].现代雷达，2014,36(6)：88-91.

[4] 彭 傅,张 波. 基于FPGA的DBF多波束中频接收系统的设计与实现[J].计算机测量与控制，2016,24(7)：227-229.

[5] 吴鸿超,徐欣欢,等.数字相控阵天线阵面的暗室测试方法研究[J].现代雷达，2015,37(8)：49-52.

[6] 曹俊峰,倪向东.有源相控阵雷达天线测试实现与优化[J].火控雷达技术，2015,44(1)：99-102.

Test Method and Test System Design of Digital Phased Array Antenna

Hou Fei, Bai Li, Qiao Shujun

(China Electronics Technology Group Corporation the 14TH Research Institute, Nanjing 210039, China)

With the rapid development of the radar technology, digital phased array antennas have been widely used in various kinds of phased array radar. Due to the great difference of the principle between digital phased array antenna and conventional analog phased array antenna as well as the fundamental change of test method, original antenna test system based on common microwave instrument can no longer test digital phased array antenna and a new type of digital phased array antenna test system design is needed. This paper firstly introduces the working principle and test method of digital phased array antenna, and then proposes the concrete hardware and software design of new digital phased array antenna test system. The practical application shows that the digital phased array antenna test system can meet a variety of test requirements of digital array antenna.

digital phased array antenna; pattern; measurement system design

2016-11-25；

2016-12-12。

侯 飞(1977-)，男，江苏南京人，高级工程师，主要从事雷达测试技术方向的研究。

柏 利(1978-)，女，重庆人，教授，高级工程师，主要从事微波测试技术方向的研究。

1671-4598(2017)01-0047-03

10.16526/j.cnki.11-4762/tp.2017.01.014

TP3

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