米波雷达天线阵子故障快速检测新方法

同 伟，刘志高，束 琬，陆鹏程

(1.空装驻合肥地区第一军事代表室，安徽 合肥 230088；2.中国电子科技集团公司第三十八研究所，安徽 合肥 230088)

0 引 言

近年来，由于米波雷达的频段反隐身、大功率孔径积及低成本等多方面优势，大型相控阵米波雷达已经得到持续发展和广泛部署。作为地面防空预警反导体系的骨干装备，米波雷达在部署外场后长期受野外恶劣气候的影响，天线阵子的性能可能发生变化甚至失效，如未得到及时检修将会严重影响作战效能。现有的相控阵天线故障诊断方法多为针对T/R组件、移相器等有源器件，或对整个阵面的参数进行检测，少有专门针对天线阵子的快速故障检测方法研究。目前对天线阵子的故障检测，通常是在雷达修理厂利用仪器仪表对成百上千的天线单元逐一进行测试。这种方式通常是事后检测，存在反应不及时、容易发生漏检、检测效率低等问题，不能很好地适应现代化雷达部队对武器装备进行全面健康管理的需求。因此，如何在外场对米波雷达天线进行快速故障定位已经成为雷达基层部队的迫切需求。

1 天线阵子故障快速检测原理

通过对现有米波雷达天线阵子的研究发现，其最常见的故障模式为天线阵子长期暴露在户外，进入水汽后导致天线的幅度发生衰减以及相位出现突变。因此，对米波雷达天线阵子的故障检测在于准确获取天线阵面各个单元的幅度和相位特性，并从中筛选出幅度、相位出现异常的单元。对于已部署阵地的雷达，不便对其进行改造或加装，只能利用雷达本身的数据及有限的测试场地，外加简易的辅助设备来完成天线阵子的故障检测。

现代米波雷达的天线阵面通常是由天线阵子、T/R组件、馈电网络、移相器等几部分组成，同时相控阵雷达多设计有内校正网络，如图1所示。通过内校正网络可以实现由T/R组件、馈电网络、移相器、衰减器组成的收发通道幅相校正和补偿，但无法获取天线阵子的幅相数据。

图1 接收校正原理框图

为获取天线阵子本身的幅度和相位信息，需要外加信号源和辅助天线。首先对雷达实行内校正，获取内部通道的幅相数据，然后在外场通过辅助天线发射校正信号完成外校正，获得天线阵子与内部通道的复合幅相数据，并通过数据处理即可获得天线阵子本身的幅相数据，进行故障判定与定位。

2 米波雷达外校的多径效应应对

对米波雷达的外场校正一般是在远场区利用高塔发射测试信号来提供校正源。但是在阵地环境下不具备高塔的测试条件，只能使用可快速架设的简易支撑装置来进行测试。由于米波天线的频段较低，俯仰维度波瓣较宽，在架设高度不够的情况下，辅助天线发射的测试信号除直射波外还存在地面反射波。因此被测天线阵面接收的是直射波和地面反射波的合波信号，严重影响了天线阵面的幅相一致性。为减小多径效应的影响，本文使用地面反射场法进行架设，使得直达波和反射波在到达被测天线时形成近似等幅同相的最佳合成场。待测天线与辅助天线的二次路径如图2所示。

图2 地面反射场法

按照图2所示的几何关系，在被测天线口径面上任一点，距离地面高度为的合成场为:

()≈e-j[1+e-je-j(-)]

(1)

式中：为信号幅度;e-j为地面的复反射系数。

在理想镜面反射和小擦地角入射的条件下，直达波和反射波所产生的合波幅度为:

|()|=2sin()

(2)

因此当被测天线高度、辅助天线高度和测试距离之间满足以下关系式时，合波信号的幅值可以达到最大：

=4

(3)

在被测天线高度一定的情况下，根据公式(3)进行测试距离和辅助天线高度的设置，即可最大限度地减少多径效应带来的影响。

3 利用中场测试法计算天线阵子的幅相数据

由于场地条件和测量设备的限制，米波雷达天线无法采用比较成熟的近场和远场校正，故本文采用中场校正的方式。中场校正是将辅助天线单元放置在中场的测试距离上作为信号发生单元。但是由于辅助天线和阵中各被测单元之间存在空间程差，同时受方向图影响，测试信号到达各被测单元的幅度和相位存在差异。因此，可以使用多个辅助单元，构造出与被测阵列相同的排列方式，利用其几何关系来消除程差和方向图的影响。使用2个辅助天线可进行一维行向量测试，使用3个辅助天线即可进行二维平面阵测试。

图3 中场三点法原理

对第1组和第2组数据进行递归处理，可得与轴平行的每行单元的幅相为：

(4)

式中：=2,3,…,；=1,2,3,…,。

对第1组和第3组数据进行递归处理，可得与轴平行的每列单元的幅相为：

(5)

再以任意列的幅相分布将行与列进行关联处理，可得阵面单元归一化的幅相分布：

(6)

根据以上三点法的原理，可以测得阵面各个单元的幅相分布情况。该测试方法可以消除程差和方向图的影响，得到较高的测量精度。

4 试验系统

4.1 试验系统组成

米波雷达天线故障检测试验系统主要由待测米波雷达、数据处理设备、辅助天线阵面、辅助天线架设机构、信号源、电缆组件等几个部分组成，如图4所示。

图4 米波雷达天线故障检测试验系统

辅助天线阵面及其架设机构如图5所示。辅助天线阵面由天线反射板和3个辅助天线单元组成。其水平和垂直间距与雷达阵面的单元间距一致。天线架设机构可以实现垂直高度、水平角度和俯仰角度的调节，用于辅助天线架设、天线指向调节及架设高度调整。

图5 辅助天线阵面及其架设机构

信号源用于为辅助天线提供待检测频点的发射信号。数据处理设备用于控制射频开关切换、信号源的激励信号产生，同时接收相控阵雷达各天线的IQ数据，并根据中场三点法进行数据处理和故障判断，最终通过上位机软件界面显示相控阵雷达天线故障位置信息。

4.2 试验结果

采用上述地面反射场法和中场两点法，对现有的一个口径尺寸为12.5 m×20 m、单元数20×22的大型米波雷达天线单元进行故障检测试验。辅助天线高度2 m，雷达中心高度10 m，测试距离为70 m。

为验证故障检测的正确性，对天线阵列随机选择3个单元进行故障注入。选择其中第6行14列、7行3列、9行6列的天线单元，在天线馈线和数字阵列模块(DAM)间分别接入了一个2 dB、3 dB和5 dB的衰减器。选择对应行的局部相位测试结果如图6所示。

图6 三点法相位测试结果

从图6可以看出，每一行的相位关系出现了一个抛物线的趋势。这是由于没有对辅助天线和雷达天线的绝对坐标进行标校，使得辅助天线阵面和雷达阵面间的平行度有偏差。但是从相位测试结果来看，在加入衰减器的单元相位出现了突变，这与实际的相位故障模式是匹配的。可使用最小二乘法拟合对相位趋势进行去除，然后再根据门限进行故障判断。通过实测结果，根据良好天线与故障天线的幅相变化情况，可对阵元的幅度故障门限设置为3 dB，相位故障门限设置为20°。故障判断的图形化显示结果如图7所示。

从图7可以看出，进行故障注入的第10行9列、11行16列、12行3列的天线单元能够成功被检测出故障。

图7 故障检测结果的图形化显示

5 结束语

本文介绍了利用地面反射场法结合中场三点法对米波雷达天线故障进行快速检测，并搭建了测试系统对现有的一部大型米波雷达阵列天线进行了试验。试验结果表明，该方法的辅助天线架设简单、检测快速精准，适合于外场快速定位大型米波雷达故障天线。