阵元失效的共形相控阵天线性能评估研究

王 涛，陈学军，李泽西，刘军锋，王 戈，邓德鑫，辛 鑫

(1.西安卫星测控中心，陕西 西安 710043；2.陆军装备部驻西安地区军事代表局，陕西 西安 710032)

0 引言

相控阵天线具有波束指向和波束形状快速变化的能力,易于形成多个波束,广泛应用于雷达、通信、导航等领域。然而,平面相控阵在应用过程中存在波束方位角方向上无法完全覆盖180°范围、天线的幅度增益和方向图等特性随着扫描角改变、方向图主瓣宽度随扫描角偏离阵列法线方向的角度变大逐渐变宽、阵列分辨率也随之下降等不足。

为了提高相控阵天线的性能,研究人员提出了共形相控阵天线概念。共形相控阵严格来说指的是阵列结构与一个已预设定好的形状共形,广义上来说指的是阵列中的阵元安置于一平滑的平面或曲平面上。为了适应日益增长的在轨航天器测控管理需求,研究人员将共形相控阵天线技术应用于航天器测控领域,提出了全空域多目标测控系统[1]。系统采用球面相控阵天线与数字多波束形成技术,能够实现空间多个目标同时测控的功能,是目前最先进的测控系统之一,代表了未来测控系统的主要发展方向。球面共形相控阵天线具有对于目标跟踪可平滑过渡、相位中心唯一、球面扫描增益一致等优点;缺点是阵面复杂,对于阵列天线通道标校和校准、多数字波束形成、天线装配工艺、测试和维护等均提出了挑战。

1998年美国空军研究实验室Boris Tomasic提出了网格球顶相控阵天线(Geadesic Dome Phased Arrary Antenna,GDPAA)方案[2],这是一种高效、多功能、低成本的球面阵列天线,由大量的子阵列拼接成一个球面,直径10 m,可工作在L和S频段[3]。2006年11月—2009年10月,美军开展了GDPAA-ATD项目,完成了GDPAA原型样机研制和验证[1]。美国航天与导弹系统中心计划在2017年完成第一个全尺寸GDPAA的工程化,但截至目前无相关公开报道。2007年,欧空局开发了一种网格球顶阵列天线(Geodesic Dome Array Actenna,GEODA)的多波束测控天线[4],该天线可以同时跟踪8 颗卫星,工作在1.7 GHz 的L频段[5]。2020年8月,美国洛克希德·马丁公司成功完成了多波束多任务(MBMM)天线的相控阵传输测试,并期待后续对该相控阵能力进行完整的端到端任务演示。美国空军计划将MBMM天线纳入美国空军的卫星控制网络,用于对美国国防部的卫星进行操作和维护。

与此同时,共形相控阵天线技术一经提出也受到国内研究人员的广泛关注,国内相关单位开展了大量工作。在文献[6-9]中,重点对全空域球面相控阵天线的基本原理、波束形成方法、波束控制方法等关键技术进行了研究,并将相关技术应用于现有多目标测控系统。文献[10-16]对全空域球面相控阵天线的角跟踪环路设计与角跟踪方法、波束合成的频响特性、零点约束方向图综合方法、过顶跟踪方法和波束形成器的优化设计等关键技术进行了研究,为共形相控阵多目标测控系统的实现奠定了扎实的理论基础。与此同时,文献[17]对空域全数字相控阵测控系统进行了设计,文献[18]对数字多波束形成与波束跟踪算法进行了研究,文献[19]对子阵级宽带数字多波束形成技术进行了研究。经过不懈努力,国内全空域球面相控阵天线技术研究已领先国外,且相关技术已得到实际应用。

目前,球面共形相控阵天线用到的阵元数达数万个,其后的波束形成模块,包括信道设备、数据采集传输及波束形成算法极其复杂。全空域相控阵测控系统采用球面共形布阵,所用天线阵元数目庞大,这就使得系统维护的复杂度非常大。与传统天线不同,全空域共形相控阵天线采用阵元合成波束,实现对空间目标的连续测控,当阵元出现失效后,将直接影响波束合成的性能,但是影响程度如何,是否会影响当前任务的执行,目前尚缺乏研究。同时,共形相控阵天线工作过程中,阵元失效后因无任务空闲时间,难以对失效阵元进行实时维护。

为了更好地掌握球面共形相控阵天线波束合成的性能,为系统的任务规划提供数据支撑,同时为更好地指导全空域球面共形相控阵天线的维护,首先,基于数字波束形成技术建立系统波束形成仿真模型,并通过Matlab软件完成模型实现;其次,分析均匀和集中2种方式下,不同数量阵元失效对于天线波束合成质量的影响;最后,开展球面相控阵多目标测控系统天线阵元失效外场试验,对比分析天线阵元失效理论分析结果与外场试验结果,对球面相控阵多目标测控系统阵元失效理论分析方法的有效性进行验证。

1 球面共形相控阵天线测控系统

球面共形相控阵天线测控系统是共形相控阵天线技术与数字多波束形成技术在测控系统中的首次应用,具备空间多个目标同时测控的能力,如图1所示。

图1 全空域多目标测控Fig.1 Multi-target TT&C in full airspace

1.1 系统基本原理

球面共形相控阵天线测控系统通过相控阵天线完成目标信号的接收,采用数字多波束技术同时形成多个波束,实现多个目标的同时测控,系统基本原理框图如图2所示。

图2 球面共形相控阵天线测控系统原理Fig.2 Schematic diagram of spherical conformal phased array antenna TT&C system

球面共形相控阵天线测控系统主要由阵列天线及射频分系统、多功能数字基带分系统、监控分系统、时频分系统、测试标校分系统、记录分系统、数据交互分系统及健康管理分系统组成。阵列天线及射频分系统主要由天线结构子系统、天线射频子系统、波束形成与控制子系统及中频数字开关矩阵等构成,主要完成目标信号的接收、处理并形成多个波束;多功能数字基带分系统主要包含基带设备,完成各个波束的信号处理;监控分系统是整个系统的“大脑”,完成全系统的控制,保证系统能够正常运行;时频分系统主要为系统提供统一的时钟信号和频综信号,保证系统各项信号梳理功能同步并正常;测试标校分系统主要完成系统安装联试过程功能调试和功能指标测试;记录分系统主要完成目标信号的记录,为故障排查提供支持;数据交互分系统主要完成系统与用户单位间信息交互;健康管理分系统主要完成系统所有分机工作状态的监视、故障的诊断与预测等。

1.2 球面共形阵列天线结构

球面共形相控阵天线测控系统采用球形共形阵列天线,其结构如图3所示。阵元分别形成收发组件,收发组件均匀分布在阵面上。

图3 球面共形相控阵天线测控系统天线Fig.3 Antenna of spherical conformal phased array antenna TT&C system

系统天线子阵包含4条接收组件和4条发射组件,每条组件包含8个阵元。系统天线子阵内收发组件共4种排列方式:第1种为接收组件-发射组件交替竖向排列;第2种为发射组件-接收组件交替竖向排列;第3种为接收组件-发射组件交替横向排列;第4种为发射组件-接收组件交替横向排列。

共形相控阵天线结构能够实现电波束全空域覆盖,具有对于目标跟踪可平滑过渡、相位中心唯一、球面扫描增益一致等优点[7]。同时,天线在跟踪目标过程中不依赖机械装置实现运动目标的跟踪,具有波束指向的瞬时性和准确性。

1.3 数字波束形成技术

数字波束形成技术是自适应波束形成与先进数字技术相结合发展而来,它是软件天线指向性接收的基础[18]。数字波束形成是把天线输出的信号经放大、下变频器变换为中频或基带信号后,进行模数(AD)转换,然后送到数字多波束形成器的信号处理单元完成对各路信号的复加权处理,最后形成所需的波束信号。

阵列天线接收机体制主要有2种方式:超外差接收体制和直接变频体制[6-7]。二者的区别在于将接收信号下变频到基带信号所用的变频链路不同,直接变频体制采用一级变频,超外差接收体制采用二级变频。超外差接收体制降低了对于AD采样的要求,但提高了信道的复杂度,同时受射频移相精度限制,降低了波束指向精度,导致旁瓣升高,不利于多目标多波束形成。因此,本系统采用直接射频采样接收体制实现的数字波束形成,基本流程如图4所示。

图4 数字波束形成流程Fig.4 Digital beamforming process

图4中,M表示形成波束数目,采用直接射频采样数字波束合成具有如下优点:① 省去了下变频链路,简化了阵列天线结构,便于实现集成化;② 形成灵活的可扩展模块,可扩展为行波束形成、列波束形成、子阵波束形成及阵面波束形成等模块;③ 采用数字化,可灵活形成多波束;④ 容易形成零陷,抗干扰性强。

阵元在球面上均匀分布,如图5所示(图中仅画出第n环)[7-8]。

图5 共形球面阵Fig.5 Conformal spherical array

第m个阵元坐标为(xmn,ymn,zmn),则:

(1)

(2)

式中:λ为波长,ωmn为加权系数,阵元参与波束合成时ωmn为1,反之为0,θ为目标方位角,φ为俯仰角。

因信号到达不同阵元的距离存在偏差,为保证各个阵元信号能够顺利形成波束,需要对不同阵元的相位进行补偿,共形阵相位补偿因子为:

(3)

式中:θT为阵元T对应的方位角,φT为对应的俯仰角。以上分析中的坐标(xmn,ymn,zmn)既可表示阵元的坐标,也可表示第m个子阵的坐标。

2 共形相控阵天线失效仿真评估

2.1 共形相控阵天线失效评估方法

为了有效评估相控阵天线阵元失效对天线波束合成性能的影响,提出一种基于仿真分析的全空域多目标测控系统天线阵元失效评估方法,如图6所示。

图6 球面共形相控阵测控系统天线失效评估方法Fig.6 Damage evaluation method for spherical conformal phased array TT&C system

首先,基于数字波束合成技术建立系统天线波束合成的仿真模型,并基于Matlab完成系统波束合成仿真模型,为天线阵元失效评估奠定基础。

其次,选择天线增益、归一化旁瓣和归一化栅瓣等指标,作为衡量波束合成的主要性能指标。基于建立的天线波束合成仿真模型,分析参与波束合成天线阵元在集中失效和均匀失效情况下,不同数目阵元失效对于波束合成性能的影响。

最后,开展天线阵元失效外场测试试验,对基于仿真分析的全空域多目标测控系统天线阵元失效分析方法的有效性进行验证,并分析试验结果,掌握系统的作战指标性能底数。

2.2 接收阵元失效仿真评估

选择等效口径5.5 m的球面阵作为研究对象,天线接收和发射分置,天线阵包含472个天线子阵,每个子阵包含32个接收阵元和32个发射阵元。选择S频段中心频点2.25 GHz作为仿真频点[14],对接收天线波束合成进行仿真分析。在此基础上,分析参与波束合成的阵元在集中失效分布和均匀失效分布方式下,不同数量阵元失效对波束合成的影响。

在使用旧建筑风格设计建筑设施时，需要注重经济效益，应当尽可能地减少施工的成本费用，减少建筑设施的维修运行费用。按因地制宜的原则合理使用地方建筑材料，在确保安全兼具美观的前提下最大限度地降低工程费用。

以S频段下行频率中心频点2.25 GHz为仿真频率,在0°方位上,分析5°、45°、90°俯仰条件下的波束合成,仿真得到不同频点和俯仰条件下的方向图。因仿真得到的方向图较多,此处仅给出中心频点2.25 GHz在45°俯仰条件下的方向图,如图7所示,图中X为方位角,Y为俯仰角,Z为信号幅度。

(a) 三维立体方向图

(b) 方位面方向图

(c) 俯仰面方向图图7 2.25 GHz接收波束在(0°,45°)的方向图Fig.7 Receiving beam patterns in direction (0°, 45°) at 2.25 GHz

分析不同频点在不同俯仰条件下的方向图仿真结果,得到波束合成的主要指标仿真结果如表1所示,主旁瓣比指主瓣增益与第一旁瓣增益之差,第一旁瓣如图7(c)中(43.6, 20.05)所示。主栅瓣比指主瓣增益与最大栅瓣增益之差,栅瓣如图7(a)中(44, -13, 18.93)所示。

表1 接收波束主要性能指标Tab.1 Main performance indicators of receiving beam

在球面相控阵天线波束合成的过程中,根据目标方位60°范围覆盖天线阵元为参与波束合成的阵元,其对波束合成的权值为“1”,未参与波束合成阵元权值为“0”,通过将参与波束合成阵元的状态由“1”更改为“0”,模拟阵元失效。在不同方位下,分别模拟相控阵天线阵元5%、10%、20%均匀失效和集中失效,其中天线阵元均匀失效指失效阵元均匀分布在参与波束合成的阵元中,集中失效是指以目标指向为中心,相邻的天线阵元出现失效。通过仿真分析得到不同失效条件下相控阵天线波束合成的方向图,从而分析天线阵元失效对于波束合成的影响。因仿真方向图较多,此处仅给出中心频点2.25 GHz在(0°,45°)方向阵元集中失效方式下波束合成方向图,如图8～图10所示,红色曲线为阵元失效后方向图曲线,蓝色曲线为正常状态下方向图曲线。

(a)方位面方向图

(b)俯仰面方向图图8 5%阵元集中失效时合成波束方向图Fig.8 Formed beam patterns when 5% of the array elements fail concentratedly

(a)方位面方向图

(b)俯仰面方向图图9 10%阵元集中失效时合成波束方向图Fig.9 Formed beam pattern when 10% of the array elements fail concentratedly

(a)方位面方向图

(b)俯仰面方向图图10 20%阵元集中失效时合成波束方向图Fig.10 Formed beam pattern when 20% of the array elements fail concentratedly

分析不同俯仰条件下,5%、10%、20%阵元均匀与集中失效下的方向图,波束合成指标如表2和表3所示。

表2 5%、10%、20%阵元均匀失效下接收波束合成主要指标Tab.2 Main performance indicators of receiving beam when 5%、10%、20% array elements fail uniformly

表3 5%、10%、20%阵元集中失效下接收波束合成主要指标Tab.3 Main performance indicators of receiving beam when 5%、10%、20% array elements fail concentratedly

由表2和表3可知,阵元失效率越大,合成波束主瓣增益下降越多,且阵元均匀失效合成波束增益下降量低于阵元集中失效方式。波束指向俯仰角分别为5°、45°、90°、阵元均匀失效5%时,接收波束主瓣增益下降量为0.29、0.13、0.18 dB;阵元均匀失效10%时,接收波束主瓣增益下降量为0.42、0.34、0.47 dB,阵元均匀失效20%时,接收波束主瓣增益下降量为0.97、0.96、0.96 dB。

波束指向俯仰角分别为5°、45°、90°,阵元集中失效5%时,接收波束主瓣增益下降量为0.39、0.41、0.41 dB;阵元集中失效10%时,接收波束主瓣增益下降量为0.79、0.85、0.78 dB;阵元集中失效20%时,接收波束主瓣增益下降量为1.77、1.74、1.47 dB。

阵元失效后,主旁瓣比下降量为正表示阵元失效后旁瓣信号增强,主旁瓣比下降量为负表示阵元失效后旁瓣信号减弱。主栅瓣比原理一致,主旁瓣比与主栅瓣比是否下降与失效阵元的位置相关,后续将针对性进行研究。

2.3 发射阵元失效仿真评估

因系统天线收发组件分置,采用接收天线失效分析方法对发射天线失效进行分析,系统天线子阵中包含4条发射组件,与接收组件交替放置,每条组件包含8个阵元,如图4所示。

参照文献[14],以S频段上行频率中心频点2.07 GHz为仿真频率,在0°方位上,分析5°、45°、90°俯仰条件下的波束合成,仿真得到不同频点和俯仰条件下的方向图。因仿真得到的方向图较多,此处仅给出中心频点2.07 GHz在45°俯仰条件下的方向图,如图11所示。

(a)三维立体方向图

(b)方位面方向图

(c)俯仰面方向图图11 2.07 GHz发射波束在(0°,45°)的方向图Fig.11 Transmiting beam patterns in direction (0°, 45°) at 2.07 GHz

方向图的第一旁瓣如图11(c)中(43.5,55.35)所示,栅瓣如图11(a)中(44, 14, 51.44)所示。分析不同频点在不同俯仰条件下的方向图仿真结果,得到波束合成的主要指标仿真结果如表4所示。

表4 发射波束主要性能指标Tab.4 Main performance indicators of transmitting beam

在不同方位下,分别模拟相控阵天线阵元5%、10%、20%均匀失效和集中失效,仿真不同失效条件下相控阵天线波束合成的方向图,从而分析阵元失效对于波束合成的影响。

经过仿真分析可知,阵元失效率越大,合成波束主瓣增益下降越多,且阵元均匀失效合成波束增益下降量低于阵元集中失效方式。波束指向俯仰角分别为5°、45°、90°,阵元均匀失效5%时,发射波束主瓣增益下降量为0.54、0.36、0.39 dB;阵元均匀失效10%时,发射波束主瓣增益下降量为0.8、0.74、0.91 dB;阵元均匀失效20%时,发射波束主瓣增益下降量为1.94、1.93、1.91 dB。

波束指向俯仰角分别为5°、45°、90°,阵元集中失效5%时,发射波束主瓣增益下降量为0.74、0.74、0.73 dB;阵元集中失效10%时,发射波束主瓣增益下降量分别为1.41、1.33、1.46 dB;阵元集中失效20%时,发射波束主瓣增益下降量分别为3.02、3、2.86 dB。

阵元失效后,主旁瓣比下降量为正表示阵元失效后旁瓣信号增强,主旁瓣比下降量为负表示阵元失效后旁瓣信号减弱。主栅瓣比原理一致,主旁瓣比与主栅瓣比是否下降与失效阵元的位置相关,后续将针对性进行研究。

3 试验验证分析

采用对塔测试方式,对全空域球面相控阵天线阵元失效对波束合成性能进行了试验测试,天线等效口径5.5 m,与仿真分析天线模型完全一致。受标校塔高度所限,对塔方向波束指向俯仰为1.8°。通过关闭阵元的供电的方式模拟阵元均匀失效和集中失效,失效比例分为5%、10%、20%。发射天线阵元失效测试时,地面发射2.07 GHz单载波信号,塔上利用频谱仪测试接收信号电平大小。接收天线阵元失效测试时,塔上发射2.25 GHz单载波信号,地面利用频谱仪测试设备接收信号电平大小。通过测试阵元失效前后上下行信号强度的变化,进而评估阵元失效对天线合成增益的影响,测试结果如表5和表6所示。

表5 发射相控阵天线阵元失效试验Tab.5 Damage experiments of transmit array antenna elements

表6 接收相控阵天线阵元失效试验Tab.6 Damage experiments of receiving array antenna elements

分析理论仿真结果与试验测试结果可知,发射相控阵天线阵元失效的试验结果与理论分析结果基本一致,可以通过理论分析结果开展发射天线阵元失效分析。同时,相同数目阵元失效情况下,阵元集中失效方式比均匀失效方式对波束合成增益的影响更大。阵元在相同失效方式下,失效数目越多,对天线波束合成增益影响越大。

在相控阵天线接收阵元失效对波束合成性能影响理论分析方法正确性验证的基础上,结合第2节不同俯仰条件和不同失效方式下天线阵元失效对波束性能的影响分析,球面相控阵天线测控系统中发射阵元失效不超过5%时,系统发射波束主瓣增益下降量不超过1 dB。发射阵元失效不超过10%时,系统发射波束主瓣增益下降量不超过2 dB。发射阵元失效不超过20%时,系统发射波束主瓣增益下降量不超过4 dB。

同理,接收相控阵天线阵元失效的试验结果与理论分析结果基本一致,可以通过理论分析结果开展接收天线阵元失效分析。由测试结果可知,相同数目阵元失效情况下,阵元集中失效方式比均匀失效方式对波束合成增益的影响更大。阵元在相同失效方式下,失效数目越多,对天线波束合成增益影响越大。

在相控阵天线发射阵元失效对波束合成性能影响理论分析方法正确性验证的基础上,结合不同俯仰条件和不同失效方式下天线阵元失效对波束性能的影响分析,球面相控阵天线测控系统中接收阵元失效不超过5%时,系统接收波束主瓣增益下降量不超过1 dB。接收阵元失效不超过10%时,系统波束主瓣增益下降量不超过2 dB。接收阵元失效不超过20%时,系统波束主瓣增益下降量不超过3 dB。

4 结论

为有效评估全空域多目标测控系统天线阵元失效对波束合成的影响,基于数字波束合成技术,提出一种基于仿真分析的系统天线失效评估方法。对塔的系统接收和发射相控阵天线阵元失效试验结果表明,基于理论仿真的阵元失效影响分析方法能够准确评估阵元失效对波束合成的影响,能够为基于共形相控阵天线的多目标测控系统任务规划和收发组件故障后的维修更换提供理论指导。在此基础上,相同数目天线阵元失效情况下,阵元集中失效方式比均匀失效方式对波束合成增益的影响更大。阵元在相同失效方式下,失效数目越多,对天线波束合成增益影响越大。同时,由理论分析可知,球面相控阵天线测控系统阵元失效不超过5%、10%、20%时,天线波束主瓣增益对应下降量不超过1、2、4 dB。

下一步,将借助无人机平台,继续开展不同俯仰条件下,天线阵元失效对于波束合成性能的影响,并研究天线阵元失效位置对天线增益、旁瓣电平和栅瓣电平的影响,并根据分析结果完善系统天线阵元失效后的维修维护策略。