数字多波束天线精密测距精度分析

尹继凯，蔚保国

(河北省卫星导航技术与装备工程技术研究中心，河北石家庄 050081)

0 引言

数字多波束天线以其同时具有阵列天线的波束扫描和数字信号高精度灵活处理的独特优势在移动通信、雷达和航天测控等领域得到越来越广泛的应用。随着技术的发展，数字多波束天线在导航信号抗干扰接收和精密测量等领域获得了越来越广泛的应用。

在无线测距应用中，对数字多波束天线提出了比一般通信系统更为苛刻的测量精度要求。与传统天线系统相比，数字多波束天线特有的多通道结构和波束跟踪扫描工作模式使其精密测量功能的实现变得更为复杂，通道间的幅度、相位和时延一致性以及相位中心特性对测距性能的影响必须加以重点考虑和解决。文中重点研究了通道间的时延不一致性对精密测距性能的影响和处理方法。

1 多通道系统的测距原理

基于数字多波束天线的多通道接收测距系统原理框图如图1所示。

图1 数字多波束天线测距系统原理

系统由接收阵列天线、数字化接收通道、多波束形成器、伪距测量和数据处理设备组成。天线阵列接收空间无线电信号，经过数字化接收信道完成信号的放大、变频、滤波和A/D采样，再由多波束形成器进行阵列信号的空域滤波，形成指向不同目标的多个数字化波束信号，最后通过精密伪距测量处理完成对多目标接收信号的测距。

2 测距误差分析

2.1 误差因素

由图1可知，数字多波束天线是一个多通道的系统，通道间的一致性是数字多波束天线合成波束的前提条件，关系到波束合成性能以及系统的测距精度。

在实际系统中每个通道的天线单元、馈线、信道和终端等部分都不可能完全一致，会存在幅度、相位和群时延的差异，其中幅度和相位的误差会对形成波束的性能产生影响，而群时延的误差则直接影响到系统的精密测距。在数字多波束系统中，造成群时延误差的的主要因素有:单元天线的相位中心、阵列天线的相位中心与通道间接收信号群时延不一致性，下面对上述误差因素进行分析。

2.2 单元天线相位中心

天线的相位中心是指电波出发的位置或者等效原点，若一个天线辐射的电波是一个球面波，则称该球面中心为天线的相位中心。实际中绝大多数天线辐射的电波并不是一个球面波，但是在主瓣某一范围内相位保持相对恒定，由这部分等相面求出的相位中心叫做“视在相心”。当视角变化时，视在相心也会发生移动，从而引起测距值发生变化。

单元天线的相位中心可以通过测量远场等相位面来确定，单元天线的相位中心随不同方向(尤其是随俯仰角)的改变而变化。某L频段微带天线在法线两侧90°范围内的相位方向图测试曲线如图2所示。可以看出，相位方向图并不是一条平直的水平线，相位的波动等效折算为相位中心的偏差。

图2 微带天线相位方向图

2.3 阵列天线相位中心

数字多波束阵列天线的波束形成过程是对多个单元天线的辐射或接收信号的加权合成处理完成的，合成波束相位中心与数字波束形成过程密切相关。

在波束形成时，通过控制每通道信号的时延和相位，使多个阵元天线接收的信号载波同相、调制伪码时延对准。所有这些相位和时延的合成，都是以阵列天线某参考位置(阵列的几何中心或某阵元天线)为基准，对每阵元通道信号作相位和时延加权修正而进行的。不论空间目标的方向如何改变，参考基准的位置不变，其余各通道通过加权处理调整信号的幅度、相位和时延，与参考基准通道的信号相位对齐。

数字多波束天线阵列的相位方向图主要取决于各个单元相位方向图，在各个阵元完全一致的理想情况下，阵列天线的相位中心等于阵列的参考点与单元相位中心的叠加。因此，从多通道信号传播形成的等相位面角度来考察，数字多波束阵列天线的等效相位中心主要取决于参考基准点坐标和单元天线的相位中心。这样从时延测量的机理出发，定义阵列天线的参考基准点为等效相位中心，该等效相位中心的随视角的变化会精确地反映在阵列天线的测距结果中。

实际上由于各个单元之间性能会有一定的离散度，阵列天线的等效相位中心与理想值会有一定的偏差，除此之外阵列的安装精度和阵元间的互耦等因素也会影响阵列天线的相位中心，可以通过如下措施尽量减小这些误差的影响:

①精确标定阵元天线的相位中心;

②提高阵元的一致性;

③确保阵列天线加工和安装精度;

④减小阵列天线互耦，进行互耦修正;

⑤提高通道一致性标校精度;

⑥提高数字波束加权控制精度。

2.4 通道间信号时延不一致性

理论上通过控制每个通道信号的幅度、相位和时延参数，使多个阵元天线接收的载波信号等幅、同相且调制信号的时延与固定参考点对准，即可精确控制波束的相位中心。

实际系统中受器件参数差异和工艺水平的制约，在天线后端的馈线、信道和终端电路中引入了通道不一致性，这些环节的通道不一致性可以通过标校手段加以校正。由于校准精度和波束形成精度的限制，校正后各通道间仍不可避免地存在一定的时延误差，这些时延误差导致在波束形成时各个通道信号的信号包络偏离理想位置而不能精确对准，造成对测距精度的影响。

2.5 天线孔径渡越时延

上述均考虑宽带阵列系统，即每个天线单元根据目标方向对信号时延作相应的补偿，使各通道信号包络能够对准合成，这就需要每个通道对各个目标具备时延调整能力，增加了设备的复杂度。

在满足窄带阵列系统的条件下，阵列孔径渡越时延远小于信号带宽的倒数时，由于信号穿越阵列时在天线单元上的延迟引起的包络变化很小，为简化系统的设计，一般不进行针对目标方向的时延调整。窄带条件一般按τ≤×10%取值。其中τ为阵列孔径渡越时延，B为信号带宽。

由于窄带系统中未对阵列孔径渡越时延进行处理，通道间的时延偏差带入了后续的测量处理过程，引入了测距误差。

2.6 多通道系统测距精度分析

通过分析可以看出，不论是单元和阵列的相位中心偏差、通道间时延不一致性，还是天线孔径渡越时延，最终都体现为各通道信号群时延的偏差。

由于在波束形成时，阵列天线系统必须对各通道信号的幅度和相位进行校准，这里只讨论通道信号群时延不一致性对测距的影响。

在通道幅度和相位精确校准的前提下，设Di为通道i信号独立测量时的伪距，在各通道伪距Di的偏差与码片宽度相比足够小(小于码片宽度的十分之一)的条件下，可以证明在均匀加权时，N单元阵列合成波束的整体伪距测量结果D0与各通道独立的伪距测量结果有如下关系:

式(1)表明，在一定的通道时延偏差内，各通道的群时延误差在波束形成输出端体现为统计平均效果。也就是说，合成波束的整体测距误差会因统计平均效果而得到改善，合成波束整体测距误差也可以由通道时延的偏差来估计。

上述结论为通道时延不一致性的处理提供了解决途径。在实际系统中，通道校准后的残留测距偏差可以利用式(1)对合成波束测距结果进行修正，对于窄带波束形成系统，也可以利用上述结论计算口径渡越时延对系统造成的影响。

3 测距试验结果分析

上述方法在1×16规模数字多波束接收试验系统中进行了验证，16通道数字多波束天线试验系统如图3所示。试验中的伪码速率设计为10 Mcps，载波频率为L波段，波束扫描和时延控制均采用数字化技术实现。

图3 16通道数字多波束天线试验系统

在试验过程中，首先校准各通道幅度和相位的一致性，分别测得各单通道的测距值Di，单通道测距值之间的差异即为通道的不一致性。然后在指定方向合成波束，测得合成波束的整体测距值D0，按照式(1)计算得到多通道测距的统计结果Dx，比较D0和Dx之间的符合程度，验证上述的分析和结论。

单通道的测距值如表1所示，试验中通道间的测距值偏差最大为51 ns。

表1 单通道的伪距值

为了充分验证式(1)的结论，在试验中设计了如表2所列的9种通道组合模式，每种模式分别取不同的天线单元组合，并在不同的波束扫描角进行试验，试验结果如图4所示。

表2 通道组合模式

图4 合成波束测距值与多通道统计结果比较

由以上试验数据可以看出，在伪码速率为10 Mcps、通道间时延偏差达51 ns的条件下，在0°～60°波束扫描角范围内，试验结果与理论计算值一致，误差在±1 ns以内，验证了上述方法的有效性。

4 结束语

分析和试验结果表明，在一定条件下(通道时延差异满足窄带条件)阵列合成波束总的时延特性是各个通道时延特性的统计平均值，相比单通道测距系统而言，统计特性使得阵列合成波束的测距性能得到提高。该特性对于多通道测量系统的数据处理、误差修正和通道失效处理等方面具有指导意义。■

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