宽带DBF 测向设备通道校正方法及工程实现

2020-04-13唐龙

通信电源技术 2020年4期

唐龙

（桂林长海发展有限责任公司，广西桂林 541001）

1 概述

宽带DBF 测向设备采用测频测向一体化设计，集成数字测频、数字测向和信号分选功能。数字波束形成技术（DBF）是以对多路阵列天线信号进行合适数字幅相加权来实现波束形成的技术，充分利用多路阵列天线所获得的信号空间信息，可以获得超出普通单元天线的性能，通过数字信号处理技术使合成波束获得超分辨率和低旁瓣的性能，同时具备目标跟踪、波束扫描以及自动抗干扰能力[1]。

2 宽带DBF 测向设备组成及工作原理

宽带DBF 测向设备主要由非均匀接收天线阵列、16 通道高灵敏度幅相一致性接收通道、校正/自检源和多波束处理模块组成。图1 为设备组成框图。

图1 宽带DBF 测向设备组成框图

非均匀接收天线阵列完成对空域射频信号的接收。幅相一致性接收通道对接收到的信号进行限幅、放大和下变频，将射频信号变频成中频信号。多波束测向处理模块包括数字波束形成单元、高精度测向单元、校正单元、PDW 参数编码和接口控制模块。数字波束形成单元通过并行数据处理和相关数学计算，实现对接收天线阵元信号与合适的权矢量相乘，按照一定约束条件得到最佳矢量控制信号，以产生所需要指向的合成波束。高精度测向单元通过噪声抑制和空间谱估计测向法对入射信号到达角度作精确测量。校正单元完成对天线方向图和接收通道幅相一致性校准。PDW参数编码主要完成对形成波束作信号载波频率、脉宽、到达时间和幅度的测量，结合到达角生成PDW 参数。接口控制模块主要完成本振、校正源和衰减器等控制，完成与显控计算机之间通信。

3 影响DBF 测向设备通道一致性的因素

数字波束形成技术中控制波束指向的数字幅相加权都是在基带形成的，为了保证宽带DBF 测向设备中基带处理时各通道阵元信号的幅相特性与在天线阵列输出端的幅相特性相同，需要保证各阵元接收变频通道的频率特性相同，但是因为工艺和器件差异影响，测向设备接收通道的幅相特性基本不能达到理想一致性要求，这对宽带DBF 测向设备数字波束合成有着很大的影响[2]。

宽带DBF 测向设备中由于不同天线阵元、限幅器、滤波器、放大变频通道、高速ADC 等器件一致性的影响，不同接收通道会出现幅度带内起伏和相位失配误差；即使在通道设计时优先选取同一批次的元器件和高稳定性的低损稳相电缆，仍不能满足多通道幅度/相位完全一致的要求；此外，天线阵元之间的互耦效应，也会造成互耦误差。因此，必须通过校正手段去除大部分通道幅度/相位误差[3]。

4 多通道校正方法及工程实现

4.1 多通道幅相误差校正实现方法

系统校正主要有两种校正方式：外场辐射校正和微波通道校正，其中微波通道校正需要结合天线方向图校正。通过内置校正源并结合幅度/相位误差定时或实时控制技术对测向通道幅度/相位误差一致性检测校正，能够补偿环境条件变化或者器件性能变化而引起的幅度/相位误差，可以保证宽带DBF 测向设备在不同条件下都具有较高的测向精度[4]。

宽带DBF 测向设备包含16 个阵元通道，我们可以理解成16 个阵元通道分别对应16 个不同滤波器，各阵元通道信号通过不同的通道进入数字波束形成单元，等效于经过不同的滤波器传递函数，这16 个滤波器传递函数为：

通过测试出不同通道之间的相对关系，就可以将要进行波束形成的信号通过校正方法形成一个有效平面波。采用内部校正的方式将校正信号从功分网络馈入接收前端，经过模数转换与正交插值后获得幅相校准系数，实现在测向与波束形成时进行多通道幅相校准。第k个频率步进校准信号的频域表示为s(fk)，第i个通道接收的信号为：

不失一般性，以第1 个通道接收的数据为参考，那么第i个通道和第1 个通道之间的差异用复数除法可以得到：

其中，Bi(fk)是第i个通道的幅相校准系数。

4.2 多通道幅相误差校正流程

假设第i（i=1，…，16）个天线阵元相对参考阵元在校正时的幅相不一致值为Ai，而接收通道内校准时幅相不一致值为Bi，定义内外场校正系数为：

通常天线阵元在使用寿命期间，Ci可以认为是一常数。因为测向设备使用环境条件变化或者器件性能变化，可以根据幅度/相位误差定时或实时控制技术进行通道一致性内校正。内校正以其中一个通道为参考通道，经过多波束处理模块中模数转换与正交插值后获得校正基带复信号，计算其他通道和该通道之间的幅相误差值。假设第i个通道内校正时某频点得到的幅相不一致值变为Bi，则此频率点天线阵元的幅相不一致性值相应变为：