数字波束形成系统多通道幅相校正方法及应用

牛勤 胡元奎 吴伟 黄俊园

摘要 在数字波束形成（DigitalBeamforming，DBF）系统中，通道失配会严重影响形成波束的形状和指向，所以在DBF运算之前，需要对通道进行幅相校正。论文采用内场校正和外场校正相结合的方法对DBF系统进行校正，通过内场校正补偿接收前端及之后的通道的幅相不一致，通过内外场校正补偿系数补偿接收前端之前的阵列天线及相关射频电缆的幅相不一致，进而达到整个接收通道的幅相一致。论文给出了算法的推导与试验分析结果，证实了方法有效可行。

【关键词】数字波束形成 通道失配 幅相校正

数字波束形成（Digital Beamforming，DBF）是指在天线波束形成的基础上采用先进的数字信号处理技术对阵列信号进行处理并在数字域形成多个可控接收波束的一种技术。与机械扫描相比，DBF技术不但控制波束指向更加灵活，还可以实现超低副瓣。然而，其对射频通道的幅相一致性要求却相当严格。在工程应用中，射频通道的组成多为模拟器件，不可避免的存在通道间的幅相差异，如果差异严重导致通道失配，将会严重影响形成波束的形状和指向，因此，在DBF运算之前，必须对阵列天线和接收通道进行幅相校正。

幅相校正方法可分为外场校正和内场校正，外场校正多在雷达或雷达信号侦察系统研制期间进行，借助微波暗室、开阔场地等干扰较小的环境以及信号源、测试架等辅助设备，使信号从阵列天线法线方向平行入射，然后检测各路输出，计算幅相校正系数。内场校正是利用设备自身的校正源产生信号，将其馈入接收前端，然后检测各路输出，计算幅相校正系数。可见，内场校正和外场校正的不同之处在于对接收前端之前的阵列天线及相关射频电缆等无源器件的幅相不一致性处理。无源器件一旦加工完成安装到位，幅相特性就基本不随时间变化，所以只需要对其进行一次精确的校正，就可以实现幅相一致。

论文采用内场校正和外场校正结合的方法对DBF系统进行校正，通过系统研制期间存入的内外场校正补偿系数和系统服役期间每次开机实时的内场校正系数，可以达到整个系统的幅相一致，理论推导和试验分析表明了方法的有效性。

1 校正方法与步骤

系统校正示意图如图1所示，外场校正的信号源采用外信号源，借助微波暗室及测试辅助设备，利用探头的平移和分时采集数据等方法模拟一组与阵列天线法线方向平行的信号，辐射进入接收天线。而内场校正的信号源采用接收机自带的校正源产生信号，通过功分器和耦合器（或开关）进入各接收前端。为了表示方便，文中用大写字母表示复数，并忽略时间索引，以上角标的方式区分系统研制阶段与服役阶段。

定义：

需要注意的是，如果采用分时采集的方法模拟远场信号，需要保证信号源在每个位置发送的信号幅度和初相位完全相等，如果无法满足這个条件，可以另设一个通道m作为参考（见图1），每一时刻探头移动对准一个天线，以其对应通道与通道m的比值作为其对应通道样本，以通道i与通道m的比值作为参考通道样本，求得校正系数如（3）式所示。论文中假设信号到达各接收天线的幅度相等，初相相同。

1.1.3 内外场校正补偿系数

由于有源部分每次开机状态都不同，只能对系统中相对稳定的无源部分进行补偿计算。内外场校正时，通道的不一致性主要体现在图3的开关（或耦合器）之前，也就是C和D的不同上，计算内外场校正系数之间的幅相差异，作为每个通道的校正补偿系数F，并将之存入系统。

1.2 服役阶段

在系统服役阶段，每次开机进行实时的内场校正，利用系统研制阶段存入的内外场校正补偿系数，计算系统最终的校正系数，使整个通道的幅相一致。

1.2.1 内场校正系数

与系统的研制阶段的内场校正系数相比，系统服役阶段的内场校正系数只在有源部分发生了变化，即：

2 试验验证分析

结合某项目，待测系统由阵列天线、接收机、信号处理、监控、显控等部分组成，接收频段2-4GHz，通道数目32。由于宽带系统的幅相不一致随频率变化而变化，而当带宽远小于中心频率时，这种变化可以忽略不计，因此，论文将工作带宽划分为若干个窄带系统进行校正。本振间隔设计为100MHz，每本振32个信道，每信道带宽为15.625MHz。

选取2.6GHz进行测试，图2（a）为系统未校正时信号处理端收到的各通道幅度和相位，图2 （b）为采用论文中方法进行校正之后信号处理端收到的各通道的幅度和相位。图3是系统经过校正之后反演出的方向图。

由图2 （a）和（b）可以看出经过校正，32通道的幅度起伏由5 dB左右下降到ldB以内，相位起伏由土180度下降到±4度以内。由图3可以看出，形成波束的形状圆滑，无异常点;形成波束指向正确，无偏差，3dB波束宽度和主副比均与理论计算匹配，满足项目需求。可见，论文采用的校正方法是有效可行的。

3 结论

论文针对DBF系统中的通道失配问题，设计了内外场结合的校正方法，通过系统研制期间存入的内外场校正补偿系数和系统服役期间每次开机实时的内场校正系数，来达到整个系统的幅相一致，方法验证试验结合工程实例进行，证明了方法的有效性。

参考文献

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