有源相控阵雷达通道幅相监测方法研究*

练学辉

(海军驻南京地区雷达系统军事代表室，南京 210003)

1 引言

随着微电子化和数字技术的飞速发展，数字波束形成技术在相控阵雷达中得到了广泛的应用。数字波束形成技术充分利用了阵列天线所接收到的空间信息，可以快速、灵活地实现波束扫描，并具有抗干扰能力强、可靠性好等多方面的优点。但是，由于各通道间幅相特性的不一致，因而导致了波束指向不正确和旁瓣抬高等问题。这是每个阵列雷达设计者都非常关注的。本文首先分析了引起通道幅相不一致的原因，并且仿真了通道幅相误差对波束形成的影响，最后结合工程实际阐述了有源相控阵雷达中收发通道幅相监测与校准方法［1-2］。

2 通道幅相误差分析

2.1 通道幅相误差来源分析

有源相控阵雷达系统基本组成如图1所示。

图1 有源相控阵阵面系统框图

在不考虑安装误差和通道间互耦的情况下，影响系统各通道幅相一致性的因素主要包括:

(1）天线阵列幅相误差；

(2）TR组件幅相误差；

(3）数字化信号的量化误差；

(4）温度不一致性造成的误差；

(5）宽频带带内幅相不一致。

由模拟电路、数字电路组成的TR组件很难做到各通道间的幅度、相位一致性，是其主要的误差源，而且受到温度不同的影响，幅相一致性恶化很大。捷变频工作方式下的雷达在多个频率点间幅相一致性是有差异的。

2.2 幅相误差对波束形成影响的仿真分析

阵列信号的理想形式为

式中，波程差γ=－2π(d/c）fsinθ，f为射频，θ为观察方向与阵面法线的夹角，d 是阵元间距。当考虑通道间的幅相误差时，阵列信号的形式为

其中ai和φi分别为整个传输链路引入的幅度和相位误差。波束形成结果变为

其中，K为波束号，M为形成的波束数，N为阵元数。

不同ai和φi对合成波束的影响如图2所示。

图2 不同幅相误差对波束形成的影响

分别使用了3组参数与没有幅相误差的波束形成结果对比，其中σφ和σa分别表示相位和幅度误差的均方值，没有进行加窗处理。在没有幅相误差时主旁瓣比－13.2 dB；σφ=1.4°，σa=0.1时，主旁瓣比－12.9 dB；σφ=4.7°，σa=0.1时，主旁瓣比－12.49 dB；σφ=8.9°，σa=0.1时，主旁瓣比－11.17 dB。

3 通道幅相监测方法及系统构建

在研制过程中，相控阵雷达的通道幅相校准可以借助近场测试系统，而在装备服役期间则难以借助辅助设备，必须有其他合理的辅助测量方法对通道的特性进行监测和校正。校正的过程一般是在监测到幅相特性数据后，对于上行通道可以通过调整波控方式或者修改数字移相器完成预期的波束赋形，而下行通道则可以在DBF的数字加权网络中实现各通道间的幅相修正［3-4］。

按照监测信号馈入的位置，将经典的监测方法分为内监测和外监测两种，分别包含接收监测和发射监测。

(1）内监测

内监测法在技术上是一种传统的、较为成熟的方法。使用内监测时需要在发射末级加入定向耦合器，从耦合器耦合出或者馈入监测信号，通过分析各通道回馈的监测信号间的相位从而进行发射监测和接收监测。

图3 描述的是发射监测和接收监测基本功能模块组成和工作流程。综合控制器包括采集下行信号、生成监测信号、控制各种开关和移相器等功能。

图3 内监测系统原理框图

接收内监测时，监测转换开关将综合控制器输出的监测信号经过电子开关送到发射组件末级的定向耦合器，耦合回来的信号经过环流器馈入正常的接收支路，综合控制器采集回馈的监测信号，并将数据传给后端的操控计算机进行幅度相位计算。

发射内监测时，综合控制器产生射频监测信号送入正常发射通道，通过发射组件送入各阵元，而部分信号通过定向耦合器耦合到监测支路，并通过下变频进入综合控制器进行数字化转换。

内监测的优点是:能实现在线监测，监测速度快；技术成熟、可靠性高、性能稳定；精确度高，可以在整机架设之前通过仪表对监测通道进行校准。

由于内监测时没有包括阵元的影响，监测的是收发分机通道的幅相特性，必然会有其不足的地方:监测的结果不包括天线单元的幅相误差和其互耦作用，与实际检测到的幅相数据有一定的差异；不能监测天线安装误差和阵元本身排列方向所引起的相位不一致性；监测通路引入了电子开关的系统误差，必须预先得到监测通路的不一致性。

利用内监测系统可以进行雷达系统自检、TR组件状态监测、TR组件更换前后的比较、自动故障定位等工作。

(2）外监测

常规外监测法需要在距离较近、较空旷的地区进行。在天线阵面外设置一个或几个外监测天线，从远场源获得监测信号，或者发射监测信号；稳定的相参信号经过各通道，改变后的幅相信息能够被采集到，从而得到通道的不一致性数据。

本文提出了一种较为简单的外监测方法，相比于经典的外监测法减少了一部分设备量。系统原理框图如图4所示。将反射体架设在雷达阵面的远场，用脉冲形式的监测信号对其照射。由于脉冲信号的初相是固定的，从天线单元发出，经反射体回到天线，这个过程中不考虑环境的影响，回波信号满足平面波入射条件，信号幅度相位变化是固定的。

图4 外监测系统原理框图

在发射外监测时，单独控制某一路发射组件发射信号，用独立的接收通道去接收回波，采集后计算出回波幅相。用此法遍历各通道获得完整的幅相监测数据。

接收外监测时，发射监测信号，所有接收通道同时工作，采集此时反射的监测信号回波，分析其幅相特性，确定各通道的幅度和相位差。

这种外监测法相对于经典外监测法的优越性在于:设备量得到了简化，而且不需要在远场的反射物处放置设备和安排保障人员；硬件实现简单，成本低，在不影响雷达性能的前提下通过雷达自身的功能做完全部监测过程，不需要其他设备配合；考虑到了天线阵元自身幅相误差等因素的影响，更加接近真实的接收通道幅相特性；接收外监测时可以迅速定位损坏的TR组件的位置。

外监测的缺点在于必须要选择满足远场测试条件的场地，在雷达装备服役以后很难准确实施。

两种通道监测手段适用于不同的场合，内监测更适合经常性的系统自检，而外监测的通道一致性数据更加真实。在外场实验系统稳定后，记录此时通道幅相不一致性数据，可以当作真值使用，方便以后系统维护。

下面通过接收外监测实验说明监测方法的正确性。

在外场实验中，天线由N个线阵组成，间距0.05 m，波长0.1 m。使用上文提到的外监测方法，将角反射体摆放在远场相对于天线阵面法线夹角－11.2°的位置，得到了接收通道幅相不一致的数据。通过多次重复试验，通道不一致性数据稳定。

图5 接收入射角－7.2°监测信号幅相

图6 接收通道校正前后DBF合成结果与理论分析结论比较

图6 是校正前后DBF 结果与理论分析结论比较，可以明显看出阵面的空间指向正确、旁瓣降低，与理论分析结果接近，充分说明接收外监测方法是正确的。

4 结论

对于DBF 体制的雷达，通道一致性对雷达性能影响很大。将内监测和外监测的数据合理地结合起来，就可以快速而精确地校准通道的幅相误差，为雷达整机的精度、威力、可靠性保驾护航。

［1］张光义，赵玉洁.相控阵雷达技术［M］.北京:电子工业出版社，2006.

［2］束咸荣，何炳发，高铁.相控阵雷达天线［M］.北京:国防工业出版社，2007.

［3］吕继荣，朱子平.通道间幅相差异对DBF的影响及解决方法［J］.中国科技信息，2008(11）.

［4］吴祖权.有源相控阵雷达阵面监测方法及其实验研究［J］.现代雷达，1998(8）.