数字化相控阵天线测试方法及测试系统设计研究

周锋　卫学新　丁迪

摘  要：近年来，随着计算机信息技术、电子科技的发展与应用，促进了相控阵天线系统的发展。数字化相控阵天线具有高分辨率、抗干扰性好、搜索速度快、可靠性高等优点，广泛应用在相控阵雷达工作中，可以实现多功能雷达探测工作。本文主要阐述了数字化相控阵天线的发射方向图测试和接受方向图测试两种方法，并基于数字化相控阵天线工作需求，设计一种数字化相控阵天线多任务测试系统，可以满足大型数字化相控阵天线测试的需求，提高测试效率。

关键词：数字化相控天线;测试方法;测试系统设计

引言

雷达设备具有全天候、全天时，且不受到自然环境影响的优势，成为全天候进行探测的设备之一，因此成为军事领域、资源探测、环境检测、气象预报以及科学研究等领域必不可少的电子设备。然而随着社会经济的发展，现代雷达设备的电磁环境越来越复杂，在工作时受到有源/无源电磁干扰、反辐射武器以及隐身目标等工作需求，对雷达设备提出了更高的要求。线控阵天线可以改变雷达波速方向，通过电子方式控制波束，提高了雷达探测准确性。数字化相控阵天线的上行链路微波激励源来自于自身的DDS移相，并通过中频采样将下行链路的光信号发射到目标，导致数字阵天线发射方向图失去同频率的参考基准，导致接受方向图测试仪失去了作用。因此，需要设计新的测试系统，满足数字化相控阵天线工作需求。

1.数字化相控阵天线测试方法

相控阵天线是通过控制阵列天线辐射单元中的馈电相位改变雷达探测方向图形状的天线，通过相位就可以改变天线方向图的指向，从而完成波速扫描的探测对象的目的。数字化相控阵天线通过电子方式进行采样、处理信号形成波速，相控阵天线发射与接收波速全部采用数字化T/R组件，它将发射机、接收机、激励器以及信号采集器集成一个完整的数字发射机和接收机分系统。雷达发射信号时，数字层DA产生调频信号，并经过两级混频，上变频转化为带宽所需的射频信号，并通过激励器进行放大信号，实现移相放大后进入到辐射单元进行辐射[1]。接受信号器通过T/R组件将接收通道的信号进行处理，移相衰减后进入到下变频通道，并经过A/D进行数字采样，形成数字信号发送到DBF模块。根据数字化相控阵天线的工作原理，可以看出相控阵天线的信号发射器和接受器没有形成完整且同频的射频信号闭环回路，所以射频仪器无法测试天线的性能。所以，数字化相控阵天线测试系统无法利用矢量网络分析仪进行测试，而是通过数字T/R组件进行闭环测试。目前数字化相控阵天线测试方法主要有发射方向图测试和接收方向图测试两种。

1.1发射方向图测试

数字化相控阵天线发射方向图测试时，整个天线阵处于发射状态，测试计算机扫描件探头移动测试每一个位置的数据，接受阵面辐射发出的额微波信号，并将信号发射到监测组件。监控组件本质是一个数字化的T/R组件，不仅可以对接收到的数字微波信号进行采集，而且还可以通过综合数字技术合成发射微波信号[2]。同时还可以输出测试专用的数字信号，并通过光纤网络发送到天线数据记录仪。记录仪将测试到的数据信息与参考信号数据进行对比，从而计算出探头移动测试到的每一个位置采集的微波信号频率、幅度以及相位。扫描设备完成天线阵面各个测试点的测试后，将测试阵面相位数合成矩阵，最后通过方向图软件得出天线的放射方向图。

1.2接收方向图测试

接收方向图测试方法与发射方向图测试方法的区别在于监测组件的收发状态和DBF技术的介入。数字化相控阵天线接收方向图测试过程中，天线阵面全部呈现接收状态，监测组件呈现发射状态。雷达探头在每一个测试位置上将监测组件发射的微波信号辐射到天线阵面，天线阵面接收的探测信号必须经过数字T/R组件的数字化采集并传输到DBF发射通道，综合数字技术根据发射信号的要求，对采集数据信息幅度、相位進行加权，产生所需的频率、带宽满足雷达工作所需的调制信号，再通过上变频器进行数据交换达到雷达所需的射频波段，并对波束进行合成[3]。数字波束合成信号和监测组件发送的参考信号利用光线通信系统传输到数据记录仪，记录仪将测试得到的数据信息与参考信号数据进行对比，从而计算出探头移动测试到的每一个位置采集的微波信号频率、幅度以及相位。扫描设备完成天线阵面各个测试点的测试后，将测试阵面相位数合成矩阵，最后通过方向图软件得出天线的接收方向图。

2.数字化相控阵天线多任务测试系统设计方案

数字化相控阵天线的工作频率范围比普通相控阵更广、测试任务量多、流程复杂，往往需要测试数百个频率点，普通的近场天线测试系统无法满足数字化相控阵天线测试系统的工作要求，因此需要建立多任务测试系统，满足数字化相控阵天线工作需求。

2.1硬件设计

鉴于数字化相控阵天线多任务测试系统的硬件设备包括计算机、综合频率源、控制模块、数据记录模块、测试模块、交换机、功率放大器、上变频器、下变频器、DDS中间件、限幅器、收发开关、数字接收器、数字发射器、光纤电缆、光纤转接盒等硬件设备。其中控制模块是整个多功能测试系统的关键，多任务测试系统的雷达探测头可以单次扫描测试多个频率点、多个波束、多个通道的天线方向图[4]。所以，扫描探头、阵面状态切换以及数字化采集需要同步控制。利用任务控制模块，在测试前，将天线测试的所有频率点、波束指向等相关数据信息预存到控制模块进行缓存，测试时可以按照缓存的数据扫描制定的测试点，合成数字光束，提高测试的效率和速度。

2.2软件设计

软件系统是整个数字化相控阵测试系统的关键，数字化相控阵多任务测试系统需要为用户提供一个可操作的人机界面，不仅可以完成多任务测试任务，而且还具备全阵面监测功能，将方向图测试结果以多维度、多角度、多层次可视化方式展现出来。多任务测试系统软件包括服务模块、控制模块、数据模块、执行模块、硬件驱动程序等。服务模块是将相控阵天线测试数据进行处理、显示与管理;控制模块是对整个数字化相控阵天线系统进行控制，按照预设的测量要求进行工作;数据模块是将所有测试系统采集的数据信息进行存储、分析与管理;执行模块是根据测试任务的需求，按照用户的测试意图自动生成一系列测试任务，并进行智能分配和精准调度，让多任务天线测试系统的硬件设备与被测目标进行协调控制[5]。在执行模块的调度下，硬件驱动系统访问各个控制模块和数据模块的信息，从而达到快速采集、记录、分析、计算以及评估天线测量数据信息。采用多任务测试系统，扫描探头一次可以完成多个频率点下多个波束以及多个方向图的测试，并与单任务测试系统的精度、准确度保持一致。

结束语

数字化相控阵多任务测试系统不仅解决了数字化相控阵天线测试系统无法利用网络矢量分析仪进行计算的难题，而且极大地提升了相控阵天线的测试效率。经过实验证明，多任务测试系统的精度与单任务测试系统的精度基本保持一致。

参考文献

[1] 侯飞，柏利，乔淑君.数字化相控阵天线测试方法及测试系统设计[J].计算机测量与控制，2017，25（1）：47-49.

[2] 代睿，高强.数字化子阵天线及通道指标测试方法研究[J].现代导航，2019，10（5）：386-390.

[3] 曹德明.数字相控阵天线测试平台[J].数字化用户，2018，24（1）：82-82.

[4] 刘江涛.宽带数字阵列雷达试验系统设计与仿真[D].陕西：西安电子科技大学，2015.

[5] 蔡亚宁，肖鹏飞，何德华，等.数字化技术在高分三号卫星总装设计中的应用[J].航天器工程，2017，26（6）：137-142.