一种收发分置雷达的幅相监测网络

司 军，张 鹏

(中国船舶重工集团公司第723研究所，扬州 225001)

一种收发分置雷达的幅相监测网络

司 军，张 鹏

(中国船舶重工集团公司第723研究所，扬州 225001)

介绍了一种收发分置雷达的幅相监测网络设计方法，分析了不同幅相监测方法的优缺点。结合收发分置雷达特点，提出了利用接收通道进行发射通道监测的方法。与传统方法相比，采用本方法减少了幅相监测网络设备量。对本方法进行了试验验证，结果表明，可有效的实现幅相监测和校正。

收发分置雷达；幅相监测网络；监测

0 引 言

相控阵天线由许多收发通道组成，每个通道包含了若干微波器件，如天线子阵、移相器、电调衰减器、功放、低噪放、限幅器等。通过控制每个天线子阵的幅度相位关系来形成所需要的波束形状和指向。这些微波器件在使用过程中很难保证通道之间幅相稳定不变，有些甚至出现失效。由于通道的幅相变化会严重影响相控阵的低旁瓣特性，严重时甚至不能正常工作。为了保证天线的性能,必须对天线子阵之间的幅相关系进行测试、修正和补偿。对有源相控阵天线来说，每个阵元后都接有一个收/发(T/R)组件，必须准确、实时地判断它们的工作状况，以便及时地进行补偿和维修。因此,为了使相控阵天线性能在雷达工作期间处于规定的技术条件范围内，必须要有对天线阵面性能进行监测的系统。良好的监测系统对缩短雷达的调试周期、提供阵面各子阵通道幅相数据以便及时进行补偿或维修等起着非常重要的作用。

目前有源相控阵天线的校正方法很多，国内不同雷达研制单位采取的方法各不相同，从信号注入路径来分，主要有内部注入信号监测法和外部耦合监测法。但对收发分置相控阵天线的幅相监测目前还没有公开论文发表。

本文首先介绍相控阵天线幅相监测基本流程，提出了一种收发分置雷达的幅相监测方法，并进行了验证。

1 幅相监测分类及优缺点

任何校准或监测系统,其最关键的部分是阵列单元信号采样或测试信号注入的路径。按照这种路径的不同,相控阵天线的通道幅相监测方法可分内监测和外监测两大类。每类里面又可以根据监测链路的具体设计方法和适用情况不同分为许多种小类。内监测法通常是在天线系统内利用附加设备实现监测，该方法通常在天线系统内设置开关矩阵、馈电网络等[1]。外监测法又有远场和近场监测之分，远场监测需要一个远距离测试场、辅助天线和转台系统，基本原理是在多个预定的角度上，分别测出天线总输出端口的幅度和相位值[2]，再通过矩阵求逆运算得到天线口径分布的幅度和相位值；近场方法是在天线阵的四周或阵中不同位置设置若干辅助单元，通过测试辅助单元和阵单元之间的相互耦合来进行校准[3]。

1.1 内监测法

内监测法在技术上是一种较为成熟的方法[4]，图1所示为收发共用馈电网络的内检测原理框图。这种方法的测试信号由定向耦合器获得。

图1 内监测法框图

内监测法的优缺点如表1所示。

表1 内监测法的优缺点

1.2 外监测法

外监测法的测试信号从1个或几个远场源获得，或者由安装在阵列附近的1个或几个探头将测试信号直接注入每个阵列单元，其原理框图如图2所示。表2所示为外监测法的优缺点。

图2 外监测法框图

优点缺点考虑互耦，监测更接近真实值。从各个单元接收或发射的相位和幅度都是不同的，每个单元的信号之间的关系是探头与各单元相对位置的函数，在校准中必须把它考虑进去，有极化损耗。设备量大大减少。标校困难，从理论上很难算出各单元的幅度和相位，只有在阵面系统完全调试正常后，才能在微波暗室内测试一组标准数据，作为监测收发通道好坏和进行收发通道幅度及相位补偿的依据。由于减少了大量电缆、矩阵开关及其驱动电路，省去了监测矩阵网络，节约了阵面高频箱内的有限空间，降低了电磁兼容性和结构设计的难度。由于监测系统的监测和校正是在阵面调试正常后进行的，外监测无法给阵面的调试提供依据；但其实际环境中较难应用，受环境的多径影响大。

2 监测方案

2.1 监测方案选择

因发射阵与接收阵分开，发射与接收阵不共用馈电系统，故需设计一种新型的监测网络。从国内外厂家实际工程经验来看，结合课题实际，选择内监测法，从减少硬件设备量考虑，拟选择耦合法来实现。

2.2 监测方案——内监测法

基本思路是利用收发分置相控阵天线的天然优势，采取发射通道监测利用接收通道一一对应监测的方法，详见图3、图4。

图3 收发互校正示意图

实施的前提：先对接收通道实施监测校正，确保R组件通道正确性，因为T组件是以R组件为参考的。

按照图5所示的时序，发射通道校正时，每个重频打开1个T组件和对应的R组件，T组件正常工作，该信号经空间耦合进入对应的R组件内，该信号经放大、混频后进入数字波束形成(DBF)，得到幅度和相位。依次打开所有T组件和对应的R组件，DBF处理机记录下每个T组件相位、幅度，测试完成后将测试结果送显控显示，显控绘制成曲线。

图4 原理框图

图5 发射通道监测时序图

按照图5所示的时序，接收通道校正时，频综射频不输出，频综产生的测试信号通过开关矩阵以N个PRF时间逐路开启R组件，DBF处理机记录下每个R组件信号对应的相位、幅度，测试完成后将测试结果送显控显示，显控绘制成曲线。

图6 接收通道监测时序图

3 监测流程及误差分析

3.1 生成幅相真值表

雷达天线调试完成后，将雷达系统置于接收监测状态，频综送出接收检测信号，所有T/R组件置于接收状态且移相器零相移，系统自动测试每个天线子阵接收通道幅相特性，生成天线接收通道幅相真值表。将雷达系统置于发射监测状态，频综送出激励信号，T/R组件根据系统指令将对应组件置于发射状态且移相器零相移，其余组件置于负载状态，系统自动测试对应天线子阵发射通道幅相特性，依次更换组件开关状态直至完成所有子阵发射通道幅相测试，生成天线发射通道幅相真值表。

3.2 幅相监测及故障判断

同生成幅相真值表一样，分别测试天线子阵发射和接收通道幅相特性，并和真值表对比，找出有故障的通道。若只有相位出现偏差或幅度偏离在±2 dB以内直接修正即可；若幅度偏离>2 dB，应分析故障原因并排除故障，若是检测通道故障，直接更换检测通道电缆即可，无需更改真值表。

3.3 幅相校正误差分析

不论内监测还是外监测法，其幅度和相位校正精度与系统误差、测量误差等有直接关系。

幅相监测网络的实质是为闭合的天线系统网络注入监测信号，因监测系统本身为无源系统，接收到的信号直接进入监测计算机处理，其幅相监测精度与处理精度直接相关。

接收机的幅相稳定性对接收数字波束的形成至关重要，它直接影响波束形成的副瓣电平。研究表明，在温度变化范围较小时，对温度的稳定性比较好，幅相变化均方根值较小。在温度变化较大时，幅相变化较大。同时，当接收机在全频段变频工作时，不同频率点的初相的离散性也较大。因此，在对多通道接收机进行幅相校准时，应考虑多组校准因子，即根据不同的工作频率点和不同的温度来进行校准。

图7 监测前方向图

从某种程度上说，幅相监测精度即为雷达幅相测试误差，从多个单位成熟应用的经验来看，内监测法能够较好地实现校正(天线副瓣电平校正后可实现-30 dB,校正前较差)，如图7所示，副瓣电平为-20 dB左右，进行监测并校正后，如图8所示，副瓣电平可达到-30 dB，满足使用要求。

图8 监测并校正后方向图

4 结束语

本文针对收发分置雷达幅相监测的问题，开展了不同监测方案的比对，设计了一种幅相监测网络，可为后续其他类似产品提供参考。

[1] 刘邦余.基于耦合线的有源相控阵雷达幅相监测校准方法[J].现代雷达,2001,33(8):20-22.

[2] 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,1998,20(5):1-3.

[3] 陈翱.幅相校准在机载有源相控阵雷达中的应用[J].现代雷达,2012,34(5):17-19.

[4] 练学辉.有源相控阵雷达通道幅相监测方法研究 [J].雷达与对抗,2011,31(4):62-64.

An Amplitude/Phase Monitoring Network of Bistatic Radar

SI Jun,ZHANG Peng

(The 723 Institute of CSIC,Yangzhou 225001,China)

This paper introduces a design method of amplitude/phase monitoring network for bistatic radar,analyzes the advantages and disadvantages of different amplitude/phase monitoring methods,puts forward a method using reception channel to monitor the transmitting channel combining with the characteristics of bistatic radar.Compared with traditional methods,the method proposed in this paper reduces the device quantity of amplitude/phase monitoring network.The method is validated through test,and the result shows that the effective amplitude/phase monitoring and correction can be realized.

bistatic radar;amplitude and phase monitoring network;monitoring

2016-02-26

TN957.51

A

CN32-1413(2016)06-0051-04

10.16426/j.cnki.jcdzdk.2016.06.011