宽带多通道阵列馈电系统设计与仿真研究∗

罗 杰 孔令峰 张坤峰

（中国船舶集团有限公司第七二三研究所 扬州 225101）

1 引言

内场辐射式射频仿真试验系统是雷达装备、电子战装备、导弹武器系统研制试验的重要试验设施，为装备研制试验研制构建了一个集雷达辐射源、雷达目标回波、电子干扰、背景环境与一体的密集、复杂、逼真、动态、可控、可知的空间电磁信号环境［1］，通常是在一个能模拟电磁波自由传播空间的暗室内进行［2］，属于复杂的半实物仿真系统［3］，因其具有很高的控制精度和实时性，可以仿真多频段、多制式、多目标和各种干扰信号等，得到了广泛应用［4］。决定一套射频阵列仿真系统性能优劣的重要指标就是模拟目标的位置精度［5］，目标位置精度是射频仿真试验系统的关键指标，因此，射频仿真试验系统精度是以目标位置精度来表示的［6］。阵列馈电系统的馈电通道的设计与实现是保证射频仿真试验系统目标位置精度的重中之重，其主要任务是在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，直接决定着整个系统目标位置模拟的精度。本文针对宽带多通道阵列馈电系统，介绍了其系统组成、工作原理、馈电通道设计、器件选型，通过SystemVue2015 建立了宽带阵列馈电系统目标馈电通道链路仿真模型，结合器件性能指标进行了仿真验证。

2 阵列馈电系统

阵列馈电系统是内场辐射式射频仿真试验系统的关键系统，宽带多通道阵列馈电系统主要由宽带精位控制组合、宽带粗位控制组合、宽带信号合成及末级功放组合、宽带阵列天线等组成，其组成原理如图1所示。

图1 阵列馈电系统组成原理

阵列馈电系统采用三元组工作方式，实现雷达目标回波信号相对被试设备的空间目标角位置运动。其中，精位控制组合是由放大器、衰减器、功分器、移相器等微波有源和无源器件组成的三支路幅相控制组合，通过对精位控制组合三个支路中的移相器和衰减器的控制，实现射频信号等效辐射中心在三元组内的精确位置运动来实现微波目标角位置空间运动。粗位控制组合是由多路微波开关组成的开关矩阵，主要是选择射频信号位置所在的三元组天线。信号合成及末级功放组合主要由多路合成器、末级功放、极化开关等组成，主要是对多个通道输出目标信号进行信号合成、功率放大，并对阵列天线辐射单元的极化进行选择。阵列天线是由宽带双极化喇叭天线组成的天线阵列，为系统提供宽带三元组阵列天线。

3 系统运行原理

早在20 世纪70 年代，美国波音公司提出了沿用至今的角闪烁方程（幅度重心公式），为射频仿真系统的发展奠定了基础［7］，角闪烁方程（幅度重心公式）是阵列馈电系统工作原理的核心。在实际工程应用中，射频仿真试验系统一般采用控制射频仿真系统天线阵列三元组模拟目标在空间相对被试设备的运动轨迹［8］。宽带多通道阵列馈电系统工作原理的主要理论基础就是角闪烁方程（幅度重心公式），主要工作过程包括精位控制和粗位控制两部分。目标位置在空间的运动特性等效通过阵列辐射单元上的多个三元组天线进行辐射模拟，三元组天线辐射中心位置通过控制三个天线辐射信号的相对幅度和相对相位来控制，而辐射中心从一个三元组运动到另一个三元组则借助于开关来实现［9］。

3.1 精位控制原理

目标信号辐射中心在三元组内的位置是通过控制三元组的三个辐射天线辐射信号的相对幅度来控制的，这种控制方式可以控制信号的目标信号辐射中心在三元组内的相对位置移动，称为精确位置控制，即精位控制。它是通过控制馈电系统中的程控幅度衰减器和程控相移来实现的。精位控制组合组成原理如图2所示。

图2 精位控制控制组合组成原理框图

目标信号辐射中心的运动可以通过角闪烁方程来描述，因此，精位控制的理论依据就是角闪烁方角闪烁方程（幅度重心公式）。在角闪烁方程中，辐射中心相对基准方向的角度是以下两个因素的函数：1）辐射源的角位置；2）坐标系原点上各个信号的相对幅度和相位。根据实际使用状态，对角闪烁方程作小角度近似后，可得到用以描述目标信号辐射中心位置的常用方程组：

式中Ψ 为辐射中心的方位角，ϕ为辐射中心的俯仰角，Ψ1、Ψ2、Ψ3为三元组三个天线的方位角坐标，ϕ1、ϕ2、ϕ3为三元组三个天线的俯仰角坐标，E1，E2，E3为三个天线的发射信号幅度。

从该方程组可以看出，控制三个单元的幅度E1，E2，E3就能控制三个单元的合成辐射中心在三元组内的精确位置。为了便于计算和控制，振幅E1，E2和E3控制方式为：即三个幅度之和为常数（如为1），于是E1+E2+E3=1。这样，在转台框架轴线交点处合成信号的幅度便与辐射中心的位置无关，仅仅取决于提供给阵列天线的目标信号功率大小。因此可进一步得出：

由以上公式可知，只要给出目标的方位角、俯仰角，就可以计算出目标在三元组三个天线辐射单元的辐射信号幅度，就可以精确地控制目标辐射信号在三元组中的位置。值得注意的是：角闪烁方程算法本身存在近场误差，也是最主要的误差来源，其次是幅相精度、暗室质量、寄生辐射等因素。为了提高目标精位置精度，通常还需通过进场效应修正算法进行误差修正。

3.2 粗位控制原理

目标信号辐射中心在三元组之间的运动是通过控制阵列馈电系统中射频开关矩阵的切换控制来实现的，称为粗略位置控制，即粗位控制。单通道单支路粗位控制组合组成原理如图3所示。

图3 单通道单支路粗位控制组合组成原理框图

目标信号辐射中心的粗位控制过程：首先将阵列天线上的A，B，C 三支路所对应的天线辐射单元分区编码，然后将阵列天线上所有三元组所对应的编码以表格形式存入阵列控制系统中，实际工作过程中，若要选通某三元组，就可从表格中读出相应的三组控制码编码送给开关矩阵，即可选通该三元组的A，B，C 三支路，从而方便地实现目标在三元组之间的运动，达到粗位控制的目的。

4 馈电通道设计

4.1 馈电通道组成

宽带多通道阵列馈电系统包括多个阵列馈电通道，其中每个馈电通道由宽带精位控制组合、宽带粗位控制组合、宽带信号合成及末级功放组合、天线辐射单元等组成，能够对目标位置进行合成，对各通道各个支路幅度、相位进行调整，可选择通道，可确定三元组，实现三元组内的目标合成［10］。宽带多通道阵列馈电系统组成原理如图4 所示。

图4 宽带多通道阵列馈电系统馈电通道组成原理框图

4.2 通道功率分配

所述宽带多通道阵列馈电系统目标通道输入功率为+10dBm，要求天线辐射单元的输入功率≥10dBm。为了保证天线辐射单元的输入功率，其馈电通道功率分配如图5所示。

图5 宽带多通道阵列馈电系统馈电通道功率分配框图

4.3 主要器件选型

精位控制组合的主要器件包括宽带移相器、程控衰减器和放大器。其中，宽带移相器和宽带程控衰减器选择GMIC公司的I/Q 矢量调制器7218和程控衰减器3468C，其频段范围均覆盖2GHz～18GHz。宽带放大器选择Mini 公司的ZVA-183XS+放大器，其频段范围均覆盖0.7GHz～18GHz。

粗位控制组合的主要器件为宽带射频开关和宽带放大器，其中，宽带射频开关选择GT 公司的SP4T 射频开关R4D-69-0JJ 和GMC 公司的SP5T 射频开关F9150W-70，宽带放大器选择Mini 公司的ZVA-183X-S+放大器。

信号合成及末级功放组合为宽带合成器、宽带放大器、宽带极化开关，主要选择NEL 公司的1GHz～18GHz四路合成器80118-4A和MINI公司的ZVA-183X-S+功率放大器，MSP2TA-18-12BM-S+机电开关。

天线辐射单元选择1～18GHz宽带四脊圆锥喇叭天线，具有超宽频带、双极化等工作特性，天线增益5dBi～16dBi，极化隔离度≥20dB。

5 仿真验证

根据宽带多通道阵列馈电系统的馈电通道设计和器件选择，采用美国是德公司（KEYSIGHT TECHNOLOGES）的SystemVue2015 建立了宽带多通道阵列馈电系统目标馈电通道链路仿真模型。SystemVue 软件是美国是德公司（KEYSIGHT TECHNOLOGES）开发的专注于电子系统级（ESL）的EDA 仿真环境，可以帮助无线通信和航天、国防电子领域的系统架构设计人员和算法开发人员在核心设计上进行技术创新；可为以信号处理为硬件平台核心的射频、数字信号处理和FPGA/FPGA/ASIC 电路的实现提供依据；可作为电子系统级设计和信号处理算法开发与实现的专用软件，能够完全取代通用的数字、模拟和数学运算软件，并充分考虑各种射频效应，大大减少物理层设计的开发验证时间。

对于宽带多通道阵列馈电系统目标馈电通道链路仿真，重点关注整个馈电通道的输出功率、通道增益、噪声系数、噪声电平，动态范围等指标、特别是目标馈电通道三个支路输出功率、通道增益、噪声系数、噪声电平、动态范围的一致性。

根据宽带多通道阵列馈电系统的馈电通道的器件选择，利用SystemVue2015 建立的宽带多通道阵列馈电系统目标馈电通道链路仿真模型，并进行了仿真验证。通过仿真验证可知，目标馈电通道三个支路的输出功率都可达11.3dBm，通道增益均小于5dB，噪声系数均小于35dB，噪声电平由于-75dBm（@1MHz 带宽），动态范围优于85dB（@1MHz带宽）；可满足系统技术指标要求。

在此基础上，还利用SystemVue2015 对宽带多通道阵列馈电系统目标馈电通道三个支路输出功率、通道增益、噪声系数、噪声电平、动态范围的一致性进行了重点仿真，馈电通道三支路的相关仿真结果如图6～图10所示。

图6 输出功率一致性仿真结果

图7 通道增益一致性仿真结果

图8 噪声系数一致性仿真结果

图9 噪声电平一致性仿真结果

图10 动态范围一致性仿真结果

通过进一步仿真验证可知，宽带多通道阵列馈电系统目标馈电通道三个支路的输出功率、通道增益、噪声系数、噪声电平、动态范围的一致性均可满足系统设计要求。

6 结语

通过上述仿真分析验证可知，本文所述宽带多通道阵列馈电系统阵列馈电通道三个支路的输出功率、通道增益、噪声系数、噪声电平、动态范围可满足系统技术指标要求，馈电通道三个支路的输出功率、通道增益、噪声系数、噪声电平、动态范围的一致性均可满足系统设计要求。证明了所述宽带多通道阵列馈电系统馈电通道设计满足内场辐射式射频仿真试验系统的技术要求，对内场辐射式射频仿真试验系统的宽带多通道阵列馈电系统设计具有较好的指导意义和参考价值。