一种射频仿真试验系统的校准装置设计研究

邵荣营

(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

射频仿真试验系统(Radio Frequency Simulation Test System，RFSS)是一种针对雷达系统进行性能测试与评估的半实物仿真系统。在射频仿真试验系统中可以构造产生威胁辐射源、目标回波和电子干扰等电磁信号，模拟被试设备在真实战场下所面临的复杂电磁环境，检测被试设备在实战条件下的性能指标。因其测试性能全面、保密性好、灵活性强、经济效益高等优点，射频仿真试验系统已广泛应用于导引头、雷达等装备的系统研制过程中的性能评估。[1-2]

本文所述射频仿真试验系统是一种阵列式仿真试验系统，主要由微波暗室、目标干扰模拟系统、天线阵列、飞行转台、阵列馈电系统和计算机控制系统等部分组成。阵列式射频仿真试验系统的基本设计思想是采用电路控制的方法来实现自由空间内模拟目标与被试装备视在角位置及其运动轨迹，完成被试设备的仿真试验和各项性能的检验。射频仿真试验系统中目标位置精度直接影响系统的工作性能，即通过射频仿真试验系统天线阵列三元组基于合成公式模拟出来的目标实际位置与控制指令理论位置之间的偏差，该偏差值越小表示射频仿真系统的精度越高。校准装置作为射频仿真系统的重要组成部分，其作用就是对射频仿真系统存在的误差进行测量和修正，其最终目的就是提高系统的目标位置精度。[3]

1 校准系统运行原理

所述射频仿真试验系统的校准系统采用辐射式工作方式。系统校准的基本工作原理框图如图1所示。图中可看出校准系统主要由射频信号产生部分、校准前端和校准控制计算机等部分组成。信号产生部分由标准信号源和本振信号源组成，提供射频信号以及校准前端所需的变频本振信号，同时使用信号源自带的同步信号进行相参同步，以保证两台信号源输出信号相位的严格一致性。校准前端即校准接收机系统主要由双通道宽频带校准接收机和矢量网络分析仪组成。校准控制计算机通过以太网接口与射频仿真系统中其他控制计算机通讯，控制校准系统中的硬件设备和测量仪表按照设定的模式完成校准工作，同时处理和记录校准过程中获取的数据。

图1 射频仿真系统校准工作原理框图

在校准控制计算机的控制下，标准信号源输出的射频信号分为两路，一路送阵列馈电系统作为校准测试信号，然后通过阵列天线单元辐射至校准分系统；另一路通过预埋的电缆或波导送至校准前端，用作校准系统的参考基准Fref。标准信号源输出的时钟同步也通过预埋电缆送至本振信号源和矢量网络分析仪。

阵列天线单元辐射的射频信号被校准接收机接收，通过信号接收选择装置进行波束切换。接收的射频信号经过校准通道进行下变频至中频信号，然后经过中频放大、滤波等处理再送入矢量网络分析仪。矢量网络分析仪对接收的不同波束射频信号进行相对幅度、相对相位的测量。测量数据传输到校准控制计算机进行数据分析计算、记录并存储结果，同时进行误差分析和判断。

2 校准装置数学模型

为完成各项功能、满足性能指标要求，本文所述校准装置采用比相法和比幅法两种工作方式。

2.1 比相法测角

比相法测角又称为干涉仪测角法，即利用两路天线所接收的射频信号之间的相位差来测量入射信号的入射角[4]，如图2所示。

假定被校准的辐射单元天线方向与校准接收天线轴线方向的夹角为θ。考虑到被校准的辐射单元天线到校准接收天线距离远远大于接收天线间距， 即辐射

图2 比相法测角原理示意图

源与接收机所处的位置满足远场条件。由于接收天线间距为d，故两路天线所接收的射频信号由于存在的波程差ΔR而产生相位差φ，即

(1)

式中，λ为射频信号的波长。那么，如用矢量网络分析仪测出接收到的两路射频信号的相位差φ，就可计算出天线单元辐射的入射角θ。

相位差φ测量误差将对入射角θ的测量产生误差，对式(1)两边取微分可得

(2)

(3)

由式(3)可以看出，采用精度较高(dφ小)的矢量网络分析仪，或减小λ/d值(增大d/λ值)，均可提高系统的测角精度。

值得注意的是，虽然增大d/λ值可以提高测角精度，但由式(1)可知，当d/λ值增大到一定程度时φ值将会超过2π，超出矢量网络分析仪的测量范围，将会出现真实的φ值无法确定的问题，即多值模糊问题。

不难看出，校准装置的测角精度和测角范围是相互限制的。在装置设计过程中需要综合考虑，选择合理的接收天线间距，同时满足测角精度和测角范围的技术指标要求。

2.2 比幅法测角

比幅法测角方式是通过测量两路天线所接收的射频信号的幅度来测量入射角，接收信号的幅度取决于两个天线的入射角度和方向图。比幅法测角可分为最大信号法和等信号法两种方式，其中等信号法是主要的比幅测角方式。[4]

等信号法测角采用两个相同且彼此部分重叠的波束，其方向图如图3所示。如果目标处在两个波束的交叠轴OA方向，则由两波束收到的信号功率相等，OA称为等信号轴。如果两个波束的信号功率不相等，则信号入射方向将偏离等信号轴。因此，比较两个波束的接收信号功率的大小就可以判断信号的入射方向。

图3 比幅法测角原理示意图

假设天线方向图函数为F(θ)，等信号轴的指向为θ0，波束1、2的方向图函数可分别写为

F1(θ)=F(θk-θ1)=F(θk+θ0-θ)

(4)

F2(θ)=F(θk+θ1)=F(θk-θ0+θ)

(5)

式中，θk为等信号轴指向θ0与波束最大值方向的偏角。两个信号的回波幅度表示为

u1=KF1(θ)=KF(θk-θ1)

(6)

u2=KF2(θ)=KF(θk+θ1)

(7)

可求得两路信号的幅度比：

(8)

根据测量出的幅度比就可以通过天线的方向图函数得到入射角的方向θ1。查找预先制定的表格就可以估计出目标偏离的等信号轴方向θ0数值。

在本文所述的校准系统中，阵列天线辐射单元的相位中心方位角、俯仰角通过比相法测角方式进行标定，阵列天线辐射单元的本身俯仰、偏航和滚动角等姿态信息以及各辐射单元的幅度一致性采用比幅法方式进行标定。

3 校准装置技术设计

3.1 校准装置主要组成

如前所述，校准前端包括双通道校准接收机和矢量网络分析仪组成。核心部分为射频信号接收和选择装置，其组成原理框图如图4所示。各部分的主要功能如下：

(1) 信号发生模块 信号发生模块分为本振信号源和标准信号源，主要提供射频信号和本振信号；

(2) 射频信号接收和选择装置 校准接收机为超外差式的双通道接收机，具备下变频以及测量功能切换选择功能；

(3) 矢量网络分析仪 矢量网络分析仪能测量两通道输出中频信号的幅度比和相位差；

(4) 校准控制计算机 安装校准控制软件程序，具有校准控制、数据通信、数据处理以及结果显示等功能。

图4 校准前端组成原理框图

3.2 校准装置硬件设计

根据射频仿真系统要求的技术要求，校准装置的性能指标要求如表1所示。

表1 校准装置性能指标

校准装置的作用是接收射频信号，对射频信号进行混频和放大，输出中频信号进行比幅和比相，同时还具有切换接收射频信号的功能。为实现以上功能并满足上述指标要求，校准装置的硬件设计如图5所示。

校准接收机设计采用动态范围大、灵敏度高、抗干扰能力强的超外差式接收机设计方案。由于辐射信号在自由空间衰减和路径损耗，校准装置接收天线收到的射频信号一般很弱，矢量网络分析器的测量精度将大大降低，并带来较大的测角误差。因此，在校准装置设计时，在信号接收的输入端使用低噪声放大器提高检测电平，保证检测信噪比。

图5 校准装置硬件组成框图

校准接收机采用双通道接收，各通道分别采用超外差接收方式。空间辐射过来的微波信号由微波天线接收后经过低噪声放大器，再通过微波开关选择后进行混频。混频器将高频微波信号下变频至中频信号。中频信号经过窄带滤波器以及多级程控衰减器和中频放大器，最后进入矢量网络分析仪进行数据处理。

功分器的作用是将本振信号分成两路分别作为两通道的混频本振。两通道之间使用隔离器对信号进行隔离防止通道之间的信号出现干扰，影响校准接收机的测量精度。

4 测试结果

通过以上分析和设计，对校准装置实物采用信号源、频谱仪和矢量网络分析仪等仪表进行射频指标测试以及两通道的固有幅相差测量，其中射频指标测试结果如表2所示。接收灵敏度和动态范围指标测试结果优于设计要求。

表2 校准装置指标测试结果

校准装置的两个接收通道馈电长度和射频器件上的差异会引起两通道幅度相位的不一致性，即固有幅相差。通常需要提前将这种不一致性测量出来，实际进行校准工作时只需要通过补偿的方法来抵消该固有幅相差。通道幅相不一致性测量时，将射频信号经功分器后同时接入校准接收机的两个通道，利用网络分析仪测量两通道中频输出信号的幅度比和相位差。

5 结束语

上述的测试结果表明，本文所述校准装置的接收灵敏度、线性动态范围、隔离度等指标完全满足射频仿真试验系统校准技术要求，校准装置两通道的幅相不一致性可通过提前测量然后再进行补偿的方式进行抵消。该校准装置已应用于某射频仿真试验系统的校准工作，具备校准精度高、安装和校准方便、操作便捷高效的特点，可为射频仿真试验系统的校准装置设计提供较好的解决方案参考。