外场条件下有源相控阵雷达T/R组件幅相检测系统的构建

蒋 一，武昕伟

T/R组件是有源相控阵雷达天线分系统最关键的部件，承担着发射信号的功率放大、目标回波信号的低噪声前置放大、波束形成和扫描所需的幅相控制等功能，其性能直接影响着整部雷达的技战术水平.一部相控阵雷达的阵列天线通常包含数百或数千个T/R组件，对T/R组件的可靠性和幅相特性的稳定性要求极高.然而，由于雷达长时间工作以及存储环境等因素的影响，不可避免地会引起T/R组件性能蜕化或损坏，通道故障和单元失效情况时有发生［1-2］.为了使阵列天线的性能在雷达工作期间处于规定的技术条件范围内，需要相应手段定期或不定期地对T/R组件的工作状态进行判断，为评估阵列天线的性能提供依据.

相控阵天线系统的性能测试和监测校准主要采用在微波暗室里进行近场测量和外场监测测量的方法［3-4］.然而，对于某些大型相控阵天线，由于受到设备、场地、时间等因素的限制，有时很难甚至不可能在微波暗室进行近场测量，而外场测试一般利用转台进行天线性能测试，需要修建高塔，花费相当巨大.另一方面，为了在野外条件下充分发挥雷达装备的效能，往往需要在野外情况下对有源相控阵T/R组件的损坏情况进行快速判断，进而了解装备的性能状态，受条件限制，此时并不需要全面测试天线的性能参数.针对某型雷达装备保障需求，本文设计了一种基于中场测量技术的T/R组件测试方案，并构建了机动性强、操作简便的测试系统，解决了外场条件下T/R组件的幅相特性检测问题，实现了一种新的装备伴随式测试保障手段.

1 测试原理及系统组成

1.1 有源阵面T/R组件中场测试原理

有源相控阵天线通常利用波控指令可以实现T/R组件的单路收/发功能，即单个T/R组件（或单元）处于发射或接收状态时，其他T/R组件（或单元）处于关闭状态，且各个单元之间相互隔离.这种单路收/发功能为有源相控阵天线T/R组件的中场幅相测试提供了前提条件［5-6］.

如图1所示，假设有源阵面系统包含M×N个辐射单元（每个天线单元后面都有一个T/R组件），在阵面中场位置（相对于整个阵面是近场，但对于其中任一单元是远场）架设一个宽波束测试天线，利用波控系统控制第（m，n）个T/R组件选通，其余的T/R组件处于关闭状态（即有源组件的三态开关置于负载状态）.当处于发射通道测试时，被检测的某一路T/R组件正常发射，其余MN-1路接标准负载，测试天线处于接收状态，通过接收信号功率的测量，结合网络加权系数，可以检测组件发射通道的完好情况.反之，当处于接收通道测试时，被检测的某一路T/R组件正常接收，其余MN-1路接标准负载，测试天线处于发射状态，通过组件接收信号功率的测量，可以检测组件接收通道的完好情况［7-8］.

按照时序关系逐个对阵面T/R组件进行收发测试，待所有组件测试完毕，通过合理设置门限对失效组件进行判断，以直观方式显示所有组件的完好情况.

图1 T/R组件幅相检测系统原理框图

1.2 系统组成及功能

根据雷达装备野外保障任务对功能性、操作性、便携性等实际需求，本文研制的T/R组件外场检测系统由检测仪主机、终端设备、喇叭天线及便携式运输箱等部分组成，如图2所示.

图2 T/R组件外场测试系统组成

检测仪主机是整个检测系统的核心部分，由模拟收发、数字收发及电源等模块组成.其主要功能是接受操作命令，对设备的各种资源进行调度与控制，与雷达系统同步实现对被测有源阵面的检测，在终端设备控制下，产生射频输出信号，并接收射频输入信号，经数控衰减后进行数字下变频处理，计算得到各路的幅相值.

终端设备完成时序产生、数据处理、状态管理等功能，是整个检测设备的控制调度中心.负责产生各种控制信号和发送控制命令字，模拟被测单元正常工作所需要的时序和控制信号，控制收发组件产生被测试单元需要的模拟信号；控制接口板及数据采集板将被测单元的响应变换成数字量，并传输到各控制模块上；运行测试程序，对采集结果进行处理、分析及显示.

2 测试数据分析

待测雷达装备工作频率在S波段，其有源相控阵天线阵面包含567个T/R组件，按13行×12列排列.在每个组件中，垂直放置四个振子单元，它们共用一只5位PIN二极管移相器，通过二极管开/关完成11.25°、22.5°、45°、90°、180°等五类移相.每个T/R组件发射通道输出功率≥80W，567个T/R组件构成固态分布式发射机，并在空间合成45kW的峰值功率.

2.1 T/R组件发射幅相检测

该型雷达的发射链路包括：前级功率放大器、阵面推动级功率放大器、阵面驱动级功率放大器、T/R组件中的功率放大器，以及辐射单元组成的信号传输链.为了完成T/R组件发射幅相检测，检测仪主机按照射频激励信号的要求，利用雷达自身提供的时钟、一本振、二本振信号，由检测仪自行产生射频激励信号并注入到前级功放.终端设备通过波控系统控制T/R组件逐一工作在发射状态，同时控制移相器逐位移相.架设在距阵面适当距离远的喇叭天线接收T/R组件发射信号并馈入检测仪，经过数控衰减器、模拟收发模块二次下变频后送给数字收发模块中频采样转换为I、Q信号，通过计算逐一得到每个单元的发射幅相值.实测发射幅相检测数据如图3所示.

实测T/R组件发射幅度检测数据表明：由于各组件均为饱和发射，且位于中场测试距离的喇叭天线至阵面边缘组件与阵面中心组件的距离差对幅度影响很小，因此喇叭天线测得的幅度值一致性较好.基于此，将所有组件发射测试对应的六次测量幅度数据（分别对应0°、11.25°、22.5°、45°、90°和180°相移）取平均并归一化处理，并考虑到各个组件的特性差异，选择合适门限（如-10dB）即可判定组件发射通道是否损坏.采用本文提出的基于归一化的相对幅相测量法，结合数控衰减调整技术，解决了缺少标准数据的难题，使喇叭天线的架设距离可以根据场地情况灵活设置，提高了外场测试的适应性.

T/R组件发射通道移相器检测时，终端设备给波控发六次移相指令，分别对应移相0°、11.25°、22.5°、45°、90°和180°.检测仪接收每个单元的六次移相信号后，以0°移相接收信号相位为参考，通过计算相位差，得到其余五次移相（理论值）时实际测得的移相值.将实测移相值与理论移相值之差取绝对值，并选择合适门限（如8°）即可判定移相器工作状态是否正常.采用这种相对相位测量方式，可以消除测试环路内公共路径相位误差的影响，提高了外场测试的时效性.此外，由于幅度测量是相位测量的基础，因此根据发射通道移相误差对移相器进行状态判断时，该组件的发射幅度必须正常.若发射幅度异常，则由于噪声影响，实际测得的相位值误差很大，此时进行移相器状态判断可信度降低.

图3 实测发射幅相检测数据

2.2 T/R组件接收幅相检测

该型雷达的目标信号由T/R组件接收通道放大后，经接收馈电网络形成三路射频信号（方位差、俯仰差、和支路）分别输入到射频带通滤波器，滤波器输出信号馈入由高频组件、中频组件、接口电路、本振信号功分器等部分组成的接收链路.由于T/R组件密封在天线阵内，外场情况下无法直接获取T/R组件输出信号.为了完成T/R组件接收幅相检测，通过终端设备控制T/R组件逐一工作在接收状态，同时控制移相器逐位移相，由喇叭天线发射检测仪输出的激励信号，将接收和支路信号直接馈入检测仪主机，经模拟收发模块二次下变频后送给数字收发模块中频采样转换为I、Q信号，通过计算逐一得到每个单元的接收幅相值.实测接收幅相检测数据如图4所示.

图4 实测接收幅相检测数据

实测T/R组件接收幅度检测数据表明：由于阵面加权的影响，正常组件测得的幅度值有较大起伏，阵面中间组件的幅度输出较大，而阵面边缘组件的幅度输出较小.基于此，将所有组件接收测试对应的六次测量幅度数据取平均并归一化处理，然后分段进行曲线拟合，考虑到各个组件的特性差异，选择合适判决门限（如-10dB），若与拟合曲线的偏差低于-10dB，则判决为接收通道故障.为防止连续大面积组件故障对曲线拟合的影响，可以增设一个绝对门限，即拟合前先与绝对门限进行比较，经此判断状态完好后，再进行后续处理.采用这种基于归一化和阵面单元加权的相对幅相测量法，无需了解权值的实际大小，有效地降低了测试难度.

T/R组件接收通道移相器检测与发射通道移相器检测过程相同，根据接收通道移相误差对移相器进行状态判断时，该组件的接收幅度必须正常.另一方面，由于组件接收时馈入检测仪的接收信号取自和通道输出，尽管其他通道均处于关闭状态，但其他通道的噪声均叠加到和通道，加之邻近单元的互耦影响，接收时的移相误差远大于发射时的移相误差，因此，对移相器故障的判断应以发射移相器检测为主，接收移相器检测结果可进一步证实故障状态.

3 结论

在对有源相控阵雷达阵面天线系统工作过程和机理深入研究分析的基础上，针对某型雷达T/R组件的失效判定问题，提出了一种基于归一化和阵面单元加权的相对幅相中场测量方法，并研制了相应的检测系统.实际测试结果表明，该系统充分利用雷达装备自身资源，通过对T/R组件工作状态的控制及各路T/R组件的顺序切换，能够快速完成多个T/R组件的收发幅相测试，具有测试过程安全、操作简便、测试结果显示直观、对场地要求不高等优点，实现了一种新的装备伴随式测试保障手段.

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［1］虞萍，颜红.有源相控阵天线T/R组件幅相检测［J］.现代雷达，1997，19（3）：65-67.

［2］牛宝君.大型相控阵外监测系统［J］.现代雷达，1999，21（5）：72-74.

［3］殷连生.相控阵雷达馈线技术［M］.北京：国防工业出版社，2007.

［4］李玮，邓维波.相控阵天线辐射单元故障诊断新方法［J］.现代雷达，2014，36（11）：29-34.

［5］吴祖权.大型固定式有源相控阵天线系统性能测试技术［J］.现代雷达，2005，27（5）：72-74.

［6］袁立，梁宇宏，温剑，等.相控阵天线自动测试系统的搭建［J］.微波学报，2010（S1）：232-234.

［7］牛传峰，吴旭，赵东贺.相控阵天线阵元失效的影响分析及补偿［J］.无线电通信技术，2013（5）：46-47.

［8］刘静，马彦恒.一种便携式相控阵雷达T/R组件移相精度测试仪的研究与设计［J］.中国雷达，2010（3）：49-52.