一种相控阵雷达的收发通道监测方法

2019-08-27刘亮李涛

火控雷达技术 2019年2期

刘亮李涛

(1.中国电子科技集团公司第二十研究所西安 710068；2.陆军装备部驻西安地区第八军代室西安 710065)

0 引言

相控阵天线的波束指向、波束形成可快速变化，可同时形成多个波束，在空间对信号进行合成，通过迅速、精准切换波束来完成多种雷达功能[1]。随着数字与模拟集成电路及微电子技术的快速发展，有源相控阵雷达技术发展迅速，具有系统响应速度快、可靠性高、抗干扰能力强等特点。天线阵面是相控阵雷达与外辐射空间之间的能量转换器，相控阵天线的性能直接与抗干扰性能相联系[2]。

有源相控阵雷达阵面的每个天线单元通道都与发射/接收组件(T/R组件)相连，阵面上T/R组件的数量巨大，而接收和发射通道是雷达系统的前端，收发通道的工作性能直接影响到整个雷达的战技指标[3]，雷达对多个通道的信号合成波束的波束形状、主瓣宽度、副瓣电平等会受每个T/R组件的幅度、相位影响[4]。因此，对阵面上数目众多的T/R组件中收发通道的幅度和相位进行实时监测是十分必要的，对监测到有故障的组件进行及时维修更换以保证相控阵雷达天线处于正常的状态，发挥最优的性能。

1 幅度和相位不一致性对合成波束的影响仿真分析

在有源相控阵雷达系统设计中，天线方向图的副瓣电平与天线收发通道的幅相误差具有密切联系。形成天线方向图时，若不进行加窗处理，则方向图的第一副瓣电平较高，工程应用中为了降低副瓣电平，通常对波束合成进行加窗处理。

以N个阵元的等距线阵为例，仿真幅度和相位误差对所合成方向图的副瓣电平的影响，其中阵面单元间距为d。

图1 N元均匀等距线阵

不考虑幅相误差时，天线方向图合成公式为：

(1)

当天线单元的幅度和相位误差分别为Δai和Δφi时，天线方向图合成公式为：

(2)

图2为64阵元等距线阵加窗后在不同幅相误差时的方向图仿真结果，所加窗函数为40dB切比雪夫窗，无幅相误差时，副瓣电平可达-40dB；Δai=0.1，Δφi=5°时，峰值副瓣电平为-28.3dB；Δai=0.1，Δφi=10°时，峰值副瓣电平为-24.1dB；Δai=0.3，Δφi=5°时，峰值副瓣电平为-21.2dB。由此可见幅相误差越大，对方向图的影响越大，因此，对收发通道的幅相进行监测非常有必要。

图2 不同幅相误差的天线方向图

2 阵面监测方法比较

根据监测测试信号的传输路径不同，是否从外部空间辐射进入天线单元后进入收发通道，阵面监测方法一般可分为外监测法和内监测法，外监测方法可以监测到天线单元，而内监测法一般无法监测到天线单元本身。

2.1 内监测法

内监测法是一种传统成熟的监测方法[6]，通过在T/R组件与天线的接口一端与阵面监测网络耦合，可通过监测网络耦合出信号或者馈入信号来对发射和接收进行监测。

图3所示，在监测发射通道时，由系统控制计算机控制波形产生模块产生高频激励信号，经功放后进入组件发射通道，发射信号经组件放大后馈入天线单元，而部分发射信号经过耦合器耦合进入监测网络，再进入接收机进行采样及变频，再进入幅相监测仪对采样信号计算幅度相位。

在监测接收通道时，激励信号通过功放放大以后再通过阵面监测网络耦合进入T/R组件，再经阵面馈电网络进入接收机进行采样及变频，最终进入幅相监测仪计算幅度相位。

2.2 外监测法

外监测法的测试信号是通过天线外部的信号来进行测试，通常设置有外监测天线，通过空间耦合信号来对收发通道进行监测。外监测原理与内监测类似，只是监测网络变成了外部监测天线。外监测原理如图4所示。

图3 阵面收发通道内监测原理图

图4 阵面收发通道外监测原理图

外监测在监测发射通道时，激励信号通过功放放大后，再由开关控制，经阵面馈电网络送至发射通道，经过环形器从天线辐射至监测天线，此时监测信号经过开关送至接收模块从而进行幅相监测。在监测接收通道时，激励信号通过功放放大后，再由开关控制送至监测天线，由空间辐射到天线单元，通过环形器到接收通道，此时监测信号经过阵面馈电网络后由开关控制送至接收模块从而进行幅相监测。

内监测法与外监测法相比各有特点。

内监测法的优点是：技术成熟，可靠性高；监测精度高，易通过仪表校准；在线监测，监测速度快。缺点是：对监测网络的幅度相位一致性要求较高；无法监测到天线单元的幅相误差和安装误差引起的相位一致性；引入了监测网络，设备较复杂。

外监测法的优点是：可监测到天线单元及其互耦部分的相关幅度相位误差, 监测的幅相更接近真实值;设备量较少。缺点是：外监测需在阵面调试正常后采集一组数据作为真值来作为收发通道监测的标准。

3 阵面收发通道监测方法的设计实现

相控阵雷达阵上的核心部件是T/R组件，而T/R组件中的核心器件是移相器和衰减器，调相和调幅的精确度直接决定波束形成性能的优劣。因此对阵面的收发通道监测主要就是对T/R组件中移相器和衰减器进行检测和判断，确定收发通道是否正常。

本文基于内监测方法对某相控阵雷达的阵面收发通道设计了一种监测方法，监测原理框图如图5所示，在监测时，接收模块接收到监测信号后需要进行幅相处理，直接采用系统中的信号处理模块来实现。所设计的监测方法可对阵面上T/R组件的接收和发射通道进行监测，可实现的监测内容如下：

1)T/R组件的发射移相器监测；

2)T/R组件的接收移相器监测；

3)T/R组件的接收衰减器监测。

图5 阵面收发通道监测框图

①波形时序设计

与正常工作时序不同，T/R组件收发通道监测时序的接收期与发射期相同，这样才可以利用耦合回来信号进行采样分析。测试基带信号为点频正弦波信号，频率为0.5MHz，阵面采样率为10MHz，发射和接收期均为20μs，因此可以采样200点，采样点的IQ各包含10个完整周期的正弦波信号。

发射基带信号为正弦波点频信号

x=exp(-1×j×2×pi×w×t)

(3)

图6 监测信号的实部与虚部

②采集信号的功率和相位计算

在每个测试周期中所采集正弦波信号中不同采样点的相位由于调频随时间变化，如图7(a)所示，为了直观地观察本次采集信号的相位值，需要解调频来归一化相位，结果如图7(b)所示。

s=x×exp(-1×j×2×pi×w×t)

(4)

图7 移相100°时采集信号的相位

在实际应用中，为了降低运算次数，同时不改变采集信号的相位特性，先对解调频后的200个复数求平均值后再分别计算功率和相位。

(5)

a)对平均值求幅度来计算得到该次测试的功率

p=20lg(abs(y))

(6)

b)对平均值求相位

φ=atan2(y)

(7)

其中atan2为函数运算库中求反正切函数，在实际计算中需要注意的是，由于atan2函数的值域为-180°～180°，因此若相位值在180°附近时，由于噪声的影响，计算得到的相位值可能会符号跳变，如测试结果可能是-179°也可能是179°，为了方便判断准则单一，因此对相位计算结果进行处理，将角度结果范围全部统一到0°～360°：

φ=mod(φ+360°，360°)

(8)

其中mod(x，y)函数表示y对x求余。

根据上述方法，通过控制每一个通道的发射和接收，可对每个通道接收和发射进行采集信号，计算得到采集信号的幅度和相位，对阵面的收发通道进行监测。

某型C波段相控阵雷达为一维有源相控阵，阵面中有256个独立的收发通道，各T/R组件中移相器位数为6位，衰减器位数为6位。由于阵面上各收发通道均调整到了正常状态，移相器和衰减器均无故障，因此各个通道的收发监测结果为正常。为验证监测系统，通过衰减器和延迟线缆对部分通道的幅度和移相值进行预设，使之与实际工作需要有较大偏差，此时系统监测到该部分通道异常，且该部分通道实测幅度与预设值偏差小于±1dB，移相值与预设布相值偏差小于±5°，证明监测系统可对收发通道进行有效监测。