基于近距多天线技术多方位多目标模拟方法

李国君 刘 伟

(中国人民解放军92941部队 辽宁 葫芦岛 125001)

0 引言

在雷达试验中，利用模拟目标检查雷达性能相比真实目标而言，具有试验周期短、重复性高和低成本的显著特点。辐射注入式雷达目标模拟器通过空馈的方式将射频信号由雷达天线注入接收机，经过下变频、信号检测、相干检波和视频检波后，在雷达视频显示器上显示，从而驱动雷达全系统工作，能够全面考核雷达性能[1]。对于固定架设的雷达目标模拟器，由于雷达和目标模拟器相对方位确定，所以仅能模拟该方位目标。

本文主要研究如何利用近距多天线技术实现1套雷达目标模拟器模拟多个方位上多目标方法，主要解决具体实现中目标模拟器与雷达间距离设计、通道转换控制方法和目标模拟器参数设计等问题。

1 近距多天线目标模拟原理

雷达目标模拟器由天线分系统、接收分系统、发射分系统、目标调制系统和控制系统等组成，通过辐射注入的方式将接收的雷达信号调制并转发，雷达对目标模拟器转发的信号进行稳定跟踪，从而模拟单一方位上的目标。如果能够利用射频电缆将雷达目标模拟器多组收发天线在方位上区分开，并保证雷达天线扫描过程中主瓣只能覆盖一组收发天线，则在雷达扫描过程中，通过收发功率控制和通道转换控制，就能模拟多方位的目标，模拟原理如图1所示。天线1和2、3和4及5和6为三组收发天线，组内天线间距离很近，保证雷达天线波束主瓣同时照射组内天线，相邻组间天线距离应大于雷达天线波束主瓣的覆盖范围。当雷达天线扫描至目标模拟器的天线1、2时，目标模拟器将接收天线1接收信号进行调制，经通道转换控制后由发射天线2转发给雷达，从而模拟了天线1、2与雷达方位上不同距离和速度的模拟目标，同理，当雷达天线旋转至天线3、4时，重复旋转至天线1、2的信号处理过程，从而模拟3、4方位上的目标，5、6方位上的目标模拟同上述过程。

图1 近距多天线多方位多目标模拟原理

2 近距多天线目标模拟关键技术

利用近距多天线技术实现多方位多目标模拟关键技术包括目标模拟器与雷达间距离设计、通道转换控制方法、目标模拟器参数设计等。

2.1 目标模拟器与雷达距离

在近距多天线多方位多目标模拟中，目标模拟器收发天线应置于电磁波传播远场适当位置上，如果目标模拟器距雷达过远，为保证雷达天线波束主瓣只能同时照射一组收发天线，则要求增大组间收发天线间的距离，过长的射频电缆引起接收信号功率衰减增大，导致接收的雷达信号信噪比降低，不利于目标模拟。如果目标模拟器距雷达过近，不满足电磁波传播远场条件，雷达天线辐射方向图将产生较大变形[2]，使得主瓣波束宽度变宽，主瓣增益减小，旁瓣增益提高，无法实现多个方位上目标模拟。

电磁波传播远场条件主要由雷达天线有效口径和波长决定，为保证远场条件，目标模拟器与雷达之间距离R应满足：

(1)

式(1)中：D为天线有效口径，λ为雷达信号波长，k为常数，通常要求k≥2。

2.2 通道转换控制

在图1中，利用近距多天线技术可模拟3个方位的目标，其中，目标模拟器在每个方位上均包括接收通道和发射通道，因此在近距多天线目标模拟中，模拟3个方位目标需包括3个接收通道和3个发射通道。在系统开始工作时，天线1、2通道常态处于通路状态，利用通道转换控制器控制天线3～6通道常态处于断路状态，利用不同组天线功率耦合和检测模块，当检测到雷达天线波束主瓣扫描至天线1和2时，此时接收通道天线1能够接收雷达电磁信号，将该信号进行调制后经天线2转发给雷达，天线3～6处于断路状态，此时只能模拟方位1的目标，当检测到雷达天线波束主瓣扫描至天线3时，关闭天线1、2通道，打开天线3、4通道，此时仅能模拟方位3的目标，同理，当检测到雷达天线波束主瓣扫描至天线5时，关闭天线3、4通道，打开天线5、6通道，此时仅能模拟方位5的目标。通道的切换通过射频开关[3-4]实现,将控制针脚置不同电平,实现通道打开和关闭。利用HMC344LH5芯片实现目标模拟通道转换控制[5],能够实现对4路射频信号的通断控制，该器件的典型原理图如图2所示，各针脚功能如表1所示。

图2 射频电子开关HMC344LH5原理图

表1 射频电子开关MC344LH5针脚功能

针脚号功能描述典型值1、3、7、9射频输出11射频输入2、8、10、12接地4供电电压-5V5控制电压0、-56控制电压0、-5

2.2.1 接收通道控制方案

在近距离多天线的多方位多目标模拟中，某一时刻，雷达天线波束主瓣可能指向三组天线中的任意一组，当指向该组天线时，该天线应正常接收雷达辐射信号，经过调制与转发后，通过该天线再转发给雷达，如果以HMC344LH5中针脚11作为输入点，则无法正常接收其它两个天线的雷达射频信号，解决方案是将射频电子开关HMC344LH5反接，即将1、3、7、针脚作为输入(9针脚不用)，11针脚作为输出，此时，利用一片HMC344LH5能够实现3个方位上的目标模拟工作，连接示意图如图3所示。

图3 接收通道射频开关连接方式

2.2.2 发射通道控制方案

在发射支路，需要利用HMC344LH5进行1路输入与3路输出信号的通断控制，因此射频电子开关采用正常接法，即将11针脚作为输入，1、3、7、针脚作为输出(9针脚不用)，如图4所示。

图4 发射通道射频开关连接方式

2.3 目标模拟器参数设计

2.3.1 接收机参数设计

如果目标模拟器接收信号太弱，模拟器接收机无法检测，若接收到的信号太强，接收机会发生饱和过载。根据一次雷达方程[6]，目标模拟器接收端不发生过载所允许输入的最大信号功率Prmax、最小可检测信号功率Prmin(即灵敏度)，目标模拟器接收机参数需满足：

(PrminL/Gr)

(2)

(PrmaxL/Gr)>PtGtλ2/(4πR)2

(3)

式(2)中，PtGt为雷达的功率增益积，Gr为目标模拟器接收天线增益，λ为波长，R为雷达与目标模拟器间距离，L为射频电缆、射频开关等总损耗。

2.3.2 发射机参数设计

目标模拟器发射信号经空间传输后被雷达接收机接收，雷达接收信号的强度也是有一定范围的，若接收信号太弱，雷达接收机无法检测，若接收信号太强，接收机会发生饱和过载。根据一次雷达方程，目标模拟器发射参数需满足：

(4)

(5)

3 仿真分析

3.1 仿真条件

雷达工作频段为C波段，天线口径D为0.6m，雷达功率增益积PtGt变化范围为10kW～100kW，接收机灵敏度Prmin变化范围为1.0×10-9W～1.0×10-7W，雷达接收机动态范围为40dB，方位和俯仰波束宽度为2.5°，为保证雷达天线波束主瓣在某一时刻只照射一组收发天线，设置相邻目标模拟接收发送通道所对应的张角为5°，电磁波传播的远场R>15m，为保证目标模拟器可靠置于电磁波远场，目标模拟器接收天线置于距雷达100m处，不同通道天线间的距离L为5m。

不同功率增益积天线下目标模拟器接收端参数PrminL/Gr随雷达功率增益积PtGt、雷达与目标模拟器间距离R变化情况如图5所示。

图5 模拟器接收机参数随PtGt和R变化图

图6 模拟器发射机参数随Prmin和R变化图

3.2 仿真分析

根据仿真试验结果，可得出如下结论：

在图5中，曲面为式(2)中右侧对应曲面，在目标模拟器接收机参数设计中，目标模拟器接收机灵敏度Prmin通常量级约为-40dBW，天线增益Gr约为10dB，总损耗L约为10dB，因目标模拟器与雷达间距离较近，一般情况下都能满足式(2)条件，在目标模拟器发射机参数设计中，应重点解决式(3)条件，即要求目标模拟器接收机接收的雷达信号不致引起其饱和。

4 结束语

利用单个目标模拟器实现多个方位目标模拟是靶场亟需解决的技术难题。本文利用近距多天线技术，解决了多方位目标模拟的远场条件、通道转换控制和目标模拟器参数设计等技术难题，通过仿真分析，给出了目标模拟发射机和接收机参数设计中重点解决的问题，采用该技术能够实现低成本、高效率多方位目标模拟器设计，为雷达训练维护等工作提供新的技术手段，具有重要的工程意义。