多通道相控阵天线数字波束合成技术及实现

封淑青，廖润贵，周威威，夏礼诺

（1.上海无线电设备研究所，上海 200090；2.中航工业洪都660 所，江西 南昌 330001）

0 引言

数字阵列雷达是雷达技术结合数字信号处理技术在应用需求牵引和技术发展推动下的一种新体制雷达［1-2］，已成为当代高性能相控阵雷达技术发展的一个主要研究方向。相控阵天线作为雷达的重要组成部分，其性能的优劣对雷达的精确制导功能具有重大的影响。传统的模拟和差体制相控阵天线通过功分网络与模拟和差器合成和、方位差、俯仰差（简称“和差差”）信号［2］，在天线测试时，通过矢网实时积累监测和差差三通道在不同波位的幅相值，得到天线在不同的方位俯仰角下的方向图。数字多通道相控阵天线通过功分网络合成多路信号，经频综处理机下变频采样后形成数字信号，再进行数字和差处理形成和差差信号［3-4］。针对这种体制的相控阵天线，传统的模拟波束合成测试手段已不再适用，需采用数字波束形成技术，对信号进行数字化合成和差波束［5-7］。数字波束形成技术是一种以数字方法来实现波束合成的技术，可以将多通道相控阵天线各通道接收的信号下变频成中频信号，再利用A/D 芯片对各路中频信号进行同步采样及数据处理，进行数字化波束合成，形成相控阵天线和差方向图［8-11］。

本文介绍了一种16 通道相控阵天线数字波束合成（Digital Beam-Forming，DBF）系统，以高性能现场可编程门阵列（Field Programmable Gate Array，FPGA）为核心，辅以16 路高速AD、大容量FLASH 和DDR 芯片，通过高速实时处理软件实现信号的同步采集、实时处理、DBF、高速传输。最后通过上位机进一步处理得到相控阵天线的和差方向图、测角误差、测角精度、波束宽度等信息［12-14］。

1 设计原理

多通道相控阵天线波束合成原理如图1 所示。假设第i号天线单元在t时刻接收到的复信号为xi（t），对应的天线加权系数为wi，则在某一取样时刻，整个阵面波束合成后的接收信号矢量为F=XTW，其中W=［w1，w2，…，wN］T为各天线单元的加权系数，X=［x1（t），x2（t），…，xN（t）］T为各天线单元的接收信号矢量［1，15-17］，通过改变加权系数W，即可改变阵面天线波束形状。

由图1 可知，多通道相控阵天线的阵面被分为多个子阵，每个子阵中有多个天线单元，通过功分网络合成一路子阵射频信号，由接收机将该子阵信号下变频为中频信号，再由AD 数据采集模块对中频信号进行采样后，通过串行方式传输到FPGA中。为避免大量数据的处理繁琐过程，在FPGA 中先对接收的数据进行抽样滤波［8，15］，对抽样数据进行解析后得到该时刻子阵模块的有效IQ 因子，再处理折算成幅度相位值将数据传输给上位机进行离线处理。

离线处理时，考虑阵面是一个对称方阵，则可按照四象限对各子阵进行划分，如图2 所示。然后对各子阵信号幅相值进行矢量数字合成得到整个阵面和差路方向图，即利用（A+B+C+D）形成和通道输出，（A+D）-（B+C）形成方位差路方向图，（A+B）-（C+D）形成俯仰差路方向图［4］。

为了实现多通道相控阵天线波束合成，传统的模拟波束合成技术需要增加一个大于通道数的多路模拟波束合差器，该多路和差器的引入不仅增加了硬件的成本，同时引入的通道误差不能实现实时补偿，会造成波束合成后的方向图畸形化［18-20］。与模拟波束合成技术相比，DBF 的关键点和难点主要在于AD 数据采集模块。AD 数据采集模块需要同步完成多个通道的数据采集，采集过程中需考虑每个AD 通道间串扰和不一致性，同时需降低信噪比［4］。为保证合成的方向图不失真，需要精选AD芯片的型号，匹配AD 芯片采样前端耦合电路，考虑AD 芯片供电电源电路的去耦和滤波特性，且需保证AD 各通道在PCB 布局布线时的电磁兼容和延时。因该模块中采样通道较多、采样速率高，且考虑到整个PCB 的集成度和功耗，相较于并行采用许多单个通道的AD 芯片，单个芯片能兼容8 个通道同步采样，有效分辨率位数为14 bit，最大采样速率为125 Mbit/s，基带信噪比73.1 dB，集成度高，单个通道功耗仅140 W 的LTM9011 芯片具有更大的优势。针对文中提及的16 通道阵列DBF 系统，使用2片LTM9011 即可满足系统工作需求，该芯片具有专门的片间同步IO 管脚，能保证多片间同步采样，该芯片性能的优越性使其广泛应用于MIMO 雷达和医疗影像等领域［2，4］。为了满足系统对相位一致性的要求，提高稳定性和测量的精确性，避免采集信号的不定性，采集模块电路中的时钟输入应该保证是同一时钟模块产生。

2 系统实现

以16 通道阵列DBF 系统为例，介绍了系统的组成与实现方式。相控阵天线波束合成方向图前都需要对整个阵面上所有阵元信道进行校平［17-18］，以消除不同信道的系统误差，即对图1 中从阵面单元x1～xN到16 路AD 采样端口进行校准，对数字多通道阵列相控阵校准采用对比法。以子阵1 中的某一个单元信道为参考，取待测单元与参考单元信道幅相差值，依次对阵面各单元幅相差值进行校准，幅度校准到加权目标值，相位校准为0，得到的幅相校准值脱机写入波束控制器中，在方向图合成测试时调用该幅相值，实现不同波束角的方向图测试，从而得到各指向角波束宽度、指向误差、主副瓣比值等，精准实现测角功能。

如图2 所示的面阵，整个天线阵面划分为16 个子阵，以阵面中点为中心按照四象限将阵面分成方位俯仰向。16 通道阵列DBF 方向图测试验证实验系统如图3 所示。如图3 安装好各分系统于微波暗室中，阵列相控阵天线的阵面中心应与标准测试喇叭中心同轴，实验中需保证标准测试喇叭与变频器中的本振同源，因此标准喇叭的信号源与变频器本振输入来自同一个信号源输入，该信号源能同时实现多路信号输出。系统上电后，上位机通过串行方式发送配相指令，内容包含对应的频点、子阵号、通道号、加权配相码等参数，控制模块接收配相指令后转发给采集系统模块，采集系统模块解析接收指令中的有效信息，后转发参数信息给相控阵天线组合，相控阵天线组合中的控制模块根据指令信息对各通道进行开启关闭，标准喇叭辐射信号，开启的阵面天线单元接收射频信号经不同的信道至变频器，下变频为中频信号，采集系统模块对中频信号进行采样处理，通过串口通信的方式将数据传输给上位机，得到该通道对应频点的相位码和幅度加权码。关闭相控阵天线组合的电源，信号源输入信号往功分器耦合口输入信号，通过闭馈的方式对16 路AD 采样端口进行校准，将采集的16 组数据通过串行的方式传输给上位机，在方向图测试时进行校正。整个系统断电，将对应的相位幅度码写入相控阵天线组合波控器的flash 中，系统完成校正和配相，校正和配相是形成和差波束方向图的基础，直接影响合成方向图的各项指标。

图3 DBF 实验系统Fig.3 Block diagram of the test system for DBF

考虑要形成和差方向图，统计被测天线的波束指向误差，实验过程中设定天线方位俯仰向的波束指向范围为-45°～+45°，波束步进为3°，控制转台的扫描范围为-90°～+90°，转台在波束指向角范围内的步进为0.01°，其他角度步进为0.50°，波束扫描时天线的极化方式和标准喇叭的极化方式必须相同，按照波束指向和扫描范围对多通道进行数据采集和波束合成，对不同波束下的方向图进行归一化处理，得到不同波束角下的和差方向图。不同波束角下方位、俯仰向数字和差波束方向图如图4 所示。根据天线理论有效截面积与波束的正比关系，随着扫描角度增大，天线有效截面积减小，阵面天线法向增益逐渐降低，3 dB 波束宽度展宽，主副瓣比变小。

图4 不同波束指向下和差波束方向图Fig.4 Patterns of sum and difference in different beam pointing angles

从图4 不同波束扫描状态下的方向图中可以看出，多通道相控阵天线DBF 方式按照四象限划分后形成了较优的和差波束方向图，且从方向图上可得到多通道相控阵天线的多项性能指标。在0°波束指向角时，与差波束的方向图关于波束角对称，随着扫描角度增加，方向图开始呈现不对称状态，角度越大畸变越严重，这是由于转动后阵面横截面积不对称导致。根据实验结果对多个波束的指标统计结果见表1。波束宽度随着指向角增大而展宽，副瓣抬升，指向误差增大，从表1 中可以看到，对称波位的波束指标之间存在差异，主要原因是因为在数据同步采集过程中，转台转动时的重复性误差和连续采样导致不同通道间温差引起。俯仰向的指向误差比方位更大，导致此结果的原因是阵面配相是在方位向，俯仰向的方向图测试是在方位向转向90°后进行，转台的精度对指向误差影响很大。

表1 和差波束形成的方向图统计指标Tab.1 Statistical indicators for the beam-forming pattern of sum and difference

3 结束语

本文详细阐述了一种多通道相控阵天线DBF技术及工程系统实现，对系统的组成、合成原理、硬件结构、工作步骤等进行了详细介绍。通过某16 通道相控阵天线方向图测试，验证了该系统具有可行性和实用性。测试结果表明：该DBF 系统能实现较优的和差波束方向图，方向图的各项性能指标能准确得到分析。DBF 技术的成熟应用为多通道相控阵天线方向图测试提供了一定的技术支持，为雷达信号处理提供一定的工程实用指导。