数字阵列天线远场幅相测试的设计与实现

2022-04-27任鹏宇王团结朱思桥

火控雷达技术 2022年1期

任鹏宇王团结朱思桥

(西安电子工程研究所西安 710100)

0 引言

数字阵列天线是未来相控阵雷达的重要发展方向[1]，它是由大量数字收发子阵组成的有源天线前端，它将传统的发射机和接收机集成在一个收发单元中，再将多个收发单元整合形成数字收发子阵，最终通过波束合成网络形成整个天线阵列。数字阵列天线的组成结构可由图1进行描述。

图1 数字阵列天线的组成

由图1可以看出，数字阵列天线的应用需要与频率综合器和信号处理机共同完成[2]，频率综合器提供系统的本振信号、同步信号和时序信号，信号处理机负责完成每一个收发单元的参数控制以及接收信号数据的处理功能。数字阵列天线、频率综合器、信号处理机协同工作就形成了典型的数字相控阵雷达系统。

数字阵列天线的实现方式主要分为两类，如图2所示。一类是通过对模拟收发组件进行数字化采样，产生接收数据；另一类则是直接采用数字收发器SOC完成收发功能。两类实现方式的共同点是接收端输出由模拟信号改变为采样数据。因此，数字阵列天线的远场幅相测试需要针对其自身特点进行方法设计，对采样数据进行分析计算，得到所需的测试结果。本文将着重针对数字收发器SOC实现的数字阵列天线的远场幅相测试进行设计与实现。

图2 数字阵列天线的实现方式

1 数字阵列天线远场幅相测试方法设计

1.1 远场幅相测试的基本原理

在数字阵列天线的实际应用过程中，每一个收发通道的远场幅度和相位参数是十分重要的，它们直接影响到阵列天线合成波束的信号质量[3]。在天线远场对每一个收发通道的幅度和相位进行测量后，应用测量数据对整个天线阵列进行幅度加权和相位配平处理，才能得到实际应用所需的阵列天线合成波束。

远场幅相测试分为发射和接收两部分[4]，发射测试是在天线远场位置通过幅相测量设备对数字阵列天线每一个通道发射信号的幅度和相位进行测量。接收测试是在天线远场位置辐射一模拟回波信号，数字阵列天线接收该模拟回波信号，测量每一个通道接收到信号的幅度和相位。如图3所示。

图3 远场幅相测试原理框图[5]

分别进行发射和接收幅相测试，得到测量结果数据库后，可以通过计算得到天线幅度和相位的赋型系数。对数字阵列天线每一个通道的收发器SOC进行数据赋型[6]操作，再通过对数字阵列发射和接收方向图指标判断赋型系数的正确性，最终完成数字阵列天线远场幅相测试。

1.2 测试方法设计

根据数字阵列天线自身的特点以及其在相控阵雷达系统中应用的环境，远场幅相的测试方法基于基本测试原理进行了部分优化和改良。

对于发射测试而言，常见的方式是在天线远场端使用频谱分析仪[7]进行幅度测量，使用双通道示波器进行相位测量。这样的测试方式的优势在于原理简单、可实现性强。但是同时也存在着一些问题，诸如设备应用量大、远程信号同步困难、相位漂移问题难以解决等诸多问题。

因此，在进行发射测试方法设计时可以利用数字阵列天线自身具备的收发一体的功能，将发射信号直接进行回传，通过自身的接收功能获得信号数据，再通过计算得到信号的幅度和相位测量结果。

不过，由于相控阵雷达工作时，发射和接收工作是通过时分的方式完成，即在一个雷达CPI内分配不同的时间段进行信号的发射和接收。雷达CPI工作原理如图4所示。

图4 雷达CPI时分工作原理

因此在信号回传的过程中应在远场端设置延时装置，通过空间延时和延时装置延时共同将送到收发端口的信号延时至接收时段，保证回传信号接收正常。延时装置的工作原理图5所示。

图5 延时装置工作的原理

由图4和图5可以看出，要保证发射信号能够正常接收，发射信号空间传输经过延时装置延时后回传，应恰好落入雷达CPI的接收时段内。

对于接收测试而言，常见的方式是在天线远场端设置通用信号发生器，发射模拟回波信号，切换阵列天线每一个接收通道分别工作测量计算接收到信号的幅度和瞬时相位。这样的方式主要存在的问题在于测试时间较长，信号相位漂移带来的测试误差会叠加进入相位测量结果[8]。

考虑到数字阵列天线具备全通道接收信号采样和数据下传的能力，因此在接收测试过程中采用全通道采样数据记录后处理的方式，通过对数据整体进行计算得到所有接收通道幅度和相位测量结果[9]。

1.3 幅度和相位测量的数据处理

根据章节1.2设计的测试方法，发射和接收幅相测试的最终结果都是通过对采样数据的分析计算得到的，因此下面需要对采样数据的分析计算过程进行详细介绍。

从频域看，数据的模体现信号的幅度，而实部和虚部构成的矢量的夹角体现信号的相位。

如式(1)表示一个时域的连续信号。

S(t)=Acos(2πf0t+θ0)

(1)

其中：A表示信号的幅度，f0表示信号的频率，θ0表示信号的相位。

以采样率fs对信号进行采样后可以得到

Ss(n)=Acos(2πf0nts+θ0),n=0,1,…,N-1

(2)

其中：ts为采样时间间隔。

再对采样后的信号进行N点FFT，可得信号的离散频谱为

(3)

其中：k0为一整数，表示信号中心频率与频率分辨率之间的关系。

Sf(k)在k=k0处取得最大频谱，则有

(4)

式(4)经过整理计算即可以得到被测信号的幅度和相位，可表示为式(5)的形式。

S=Ae-jφ

(5)

其中：A表示被测信号的幅度，φ表示被测信号的相位[10]。

上述推导过程可以看出，任意一个连续波信号经过采样后，对采样数据进行N点FFT处理，可以得到幅度和相位两条频域曲线数据。对幅度的频域曲线进行选大处理，即找到连续波信号频谱所在位置，在相位频域曲线的对应位置即可得到信号的瞬时相位。

信号的幅度和相位计算过程中，需要注意两个问题。一是根据采样位数和采样最大输入电压将采样数据的单位转化为电压单位，这样经过FFT后的频谱幅度才是实际工程应用所需的幅度。二是相位曲线数据是以弧度制表示的，必要时需要进行角度转换，得到相位测量结果的角度信息。

2 数字阵列天线远场幅相测试的工程实现

2.1 远场幅相测试的硬件组成结构

根据上文对测试方法的设计分析，结合工程实际[11]，数字阵列天线远场幅相测试的硬件组成如图6所示。

报名截止日期：2018年12月16日。联系人：Antonio di Cristofano；联系地址：Associazione Musicale "A.Scriabin"， Via Etiopia， 25， I-58100 Grosseto， Italy；电话：（+39）0564 - 491805， 334-6608436；传真：（+39）0564 - 491805；邮箱：antoniodicristofano@gmail.com ；网址：http://www.premioscriabin.it/。

图6 硬件组成结构

从图6可以看出，终端计算机负责整个测试过程中的控制和数据处理，其通过网线与信号处理机相连，通过UDP协议向信号处理机的DPS控制板发送控制指令，配置数字阵列天线的工作，同时从信号处理机获得数字阵列天线各通道的下传数据。另外，终端计算机还利用无线网桥同步控制远场端的模拟回波信号源，进行工作频率和发射功率的配置。

信号处理机与数字阵列天线以高速数据光纤相联，负责传递控制指令，获取每一个通道的采样数据，并通过FPGA进行采样数据的预处理。

远场端的光纤延时器负责在发射测试时将数字阵列天线某一通道的辐射信号进行延时回传，保证辐射信号能够被接收通道正常接收。模拟回波信号源提供接收测试时的模拟回波信号。