宽带阵列超低副瓣实现技术

黄 华，于 勇

(中国船舶重工集团公司第七二三研究所，江苏 扬州 225101)

0 引 言

战争中的先敌发现与先敌打击能力是决定某次战役成败的关键。有源相控阵在现代战争中的运用给对抗方带来了一定的困难，有源相控阵采取的是快速波束扫描的方式，并且通过低副瓣技术可将发射副瓣做得很低[1]。若要实现对其信号的高概率截获，那么，侦察设备也要采取相应的有源相控阵对抗技术，在宽带范围内利用阵面增益与数字波束形成技术提高设备的侦收灵敏度，实现对敌方电磁信号的副瓣侦收。

考虑到成本与集成度等因素，不可能单元级采用数字波束形成技术[2-4]，通常采用的是子阵级的数字波束形成技术。子阵级的数字波束形成技术既涉及到前端模拟部分的馈电、微波等的设计，同时也涉及到后端数字部分的处理架构。

1 系统模型

子阵级超低副瓣系统框图如图1所示，包括阵列层、馈电层、微波层、采样层、接收机与系统控制六大部分。

其中，天线层为宽带阵列天线，可根据安装需求，与安装平台共形，主要用于接收制定自由空间中的电磁信号；馈电层将m×n个天线单元合成n个子阵信息；微波层将n路射频子阵信号下变频至n路中频信号，并将中频信号送给后端的采样层，在采样层中完成模拟中频信号的数字量化，得到数字中频信号；数字中频信号传送给后端的接收机，在接收机中完成波束形成的操作；系统控制为该系统的核心部分，控制着阵列的空间指向、微波变频、A/D方式、数字接收机及整个系统的工作状态等。

图1 宽带系统工作框图

包含模拟部分与数字部分的子阵级数字波束合成超低副瓣系统中，要获得超低副瓣的效果，首先，在设计过程中需充分考虑各部分在工作带宽内的幅度与相位的多通道一致性，在系统指标分配过程中对每个模块进行仔细核算；然后，在测试过程中需要对模拟部分、数字部分及两者相结合的部分进行高精度的校正，尽量消除测量误差带来的不一致性。

2 数学模拟与公式推导

按照图1所示的系统工作框图建立如图2所示的数学模拟，在该模型中包括单元权系数WU、子阵权系数WS、信道权系数WC3个部分，其中子阵权系数包括微波通道与数字采样通道，在设计与测试过程中需充分考虑这三部分幅度与相位的一致性方可获得低副瓣的性能。

其中，单元权系数表征的是阵列中m×n个单元的一致性在不同的幅度与相位状态下的数值；子阵权系数则是由单元经过馈电网络所合成的n个子阵，用于表征微波及A/D后的子阵通道幅度与相位的一致性；信道权系数是指宽带信号在处理过程中划分为q个子信道，在多个信道中也要考虑多个信道间的幅度与相位的一致性；最终合成波束数据输出。

图2 子阵级超低副瓣形成模型

2.1 单元权系数

天线阵列规模为m×n，具体的单元权系数公式WU可表示为：

(1)

式中：Wunitmn为阵列中mn个单元的电流激励幅度；Ai为每个单元通道第i(i=1，…，64)个幅度状态下的幅度值；φj为每个单元通道第j(j=1，…，64)个相位状态下的相位值；M、N分别为M行单元数与N列单元数。

2.2 子阵权系数

由m×n个单元通过馈电网络合成n个子阵，既包括了微波的1～n个子阵通道，又包括了A/D的1～n个子阵通道，具体的子阵权系数公式WS可表示为：

(2)

式中：n为阵列中的子阵个数；Wsubarray为每个子阵中的权值，基础的权值可通过泰勒窗函数获得，同时需考虑不同子阵通道的不一致性，通过测量后求取校正系数。

2.3 信道权系数

为了降低宽带信号的处理难度，一般将宽带信号划分成q个信道进行处理，具体的信道权系数公式WC可表示为：

(3)

式中：q为所划分的信道个数，即是将大带宽信号所分成的子处理带宽数；Wchannel为每个信道中的权值。

2.4 系统合成系数

最终的系统合成系数包括了单元权系数、子阵权系数与信道权系数，具体的系统合成系数公式F(A,φ)可表示为：

F(A,φ)=WU·WS·WC=

Wsubarray(n)·Wchannel(q)

(4)

3 实测结果

实测过程中测试了一个16×16规模的Ku波段的阵面，该阵按工作的高频段点的半波长进行布阵，其中，子阵数16，接收处理信道数为15。测试过程中，分别测试了256个通道的幅度与相位、16个子阵的幅度与相位及15个信道的幅度与相位的校正前与校正后的测试数据，最后测试了包括通道、子阵及信道在内的整个系统的所有幅度与相位数据。测试结果如图3～图6所示。

图3 通道测试数据

图4 子阵测试数据

图5 信道测试数据

图6 系统测试数据

从图3～图6中的测试结果可知，在自由状态下，相位的初始状态分布在0°～360°之间，幅度的初始状态与各个分立器件所提的指标对应；通过对原始数据进行测试，利用相应的算法进行计算，可得最后通道、子阵、信道的校正结果；通道、子阵、信道的校正结果是收敛的，具有很好的重复性；最后对整个系统的所有幅度与相位进行了测试，校正后的相位在10°以内，幅度在3 dB以内。

4 结束语

本文从宽带系统的工作原理出发，分析了影响宽带系统超低副瓣相关的通道、子阵、信道的幅度与相位因素，最后对256个阵元规模、16个子阵、15个信道的实例进行了测试。首先测试了各个部分的幅度与相位特性，最后对整个系统的幅度与相位特性进行了测试，结果表明校正后的相位在10°以内，幅度在3 dB以内，可实现超低副瓣的特性。