一维相控阵天线

一维相控阵天线（精选五篇）

一维相控阵天线 篇1

一次雷达可以发现目标,但不能判别目标的敌我属性。二次世界大战期间,为了辨别一次雷达发现的飞机的敌我属性,诞生了由地面站询问,机载应答机(以下简称应答机)应答的敌我识别(IFF-Identification of Friend or Foe)系统[1]。

20世纪50年代,随着北约MARK X敌我识别系统公开并转为民用航空交通管制系统,出现了二次监视雷达(SSR-Secondary Surveillance Radar)系统,简称二次雷达。该系统采用敌我识别系统问-答式的协同工作方式。

20世纪60年代初英国COSSOR公司研制出第一台空管二次雷达[1],80年代又研制出第一台单脉冲二次雷达。这些二次雷达都是采用机械扫描天线,安装在一次雷达天线上面,和一次雷达天线同步旋转,协同工作。

20世纪60年代以来,随着电子技术的进步和对雷达功能需求的不断提高,相控阵雷达技术获得了很大发展,并逐渐推广应用。

为适应相控阵雷达技术的发展,我们设计了这种采用一维相控阵天线的二次雷达。由于无需伺服控制系统,此车载二次雷达安装、工作极其方便。同时,该二次雷达还能和相控阵体制一次雷达协同工作,组合成车载探测/监视系统。

1 天线波束及信号格式

1.1 单脉冲二次雷达天线波束

二次雷达通过方位面窄波束对应答机进行定位,并形成飞机的飞行航迹。按定位方法的不同,二次雷达可分为常规二次雷达和单脉冲二次雷达(MSSR-Monopulse Secondary Surveillance Radar)。常规二次雷达采用滑窗法测量飞机的方位角,单脉冲二次雷达采用和、差两路信号测量飞机的方位角。单脉冲技术测量精度高,因此,在本设计中,我们采用单脉冲二次雷达技术。

单脉冲测角采用查表法。先根据和、差波束方位面方向图建立飞机偏离天线波束瞄准轴夹角(OBA-Off-Boresight Angle)表,然后将实测的和、差信号与OBA表比对即得到飞机的偏离角。简单的,采用机械扫描天线的二次雷达只需建立一套OBA表即可。

除和波束、差波束外,二次雷达天线还包含一个控制波束,也称为全向波束,用于抑制副瓣方向(副瓣是不期望的方向,期望的是主瓣方向)的应答机对询问的应答。

单脉冲二次雷达的和、差、全向波束关系如图1所示。

1.2 信号格式

根据国际民航组织(ICAO-International Civil Aviation Organization)规范,空管二次雷达有多种询问模式,实际常用的是A、C两种模式。我们在设计中实现了这两种模式,同时预留了相应硬件及软件接口,可方便实现其它模式。

A模式和C模式询问信号格式如图2所示[1],包含3个脉冲P1、P2、P3。P1、P3脉冲经和波束辐射,P2脉冲经全向波束辐射。

图2中,P1、P2、P3脉冲宽度皆为(0.8±0.1)μs。P1P2脉冲间隔为(2±0.15)μs,A模式P1P3脉冲间隔为(8±0.2)μs,C模式P1P3脉冲间隔为(21±0.2)μs。应答机根据接收到的询问信号幅度判断是否应答,见表1。

应答信号格式如图3所示,由16个信息码位组成。其中F1F2为框架脉冲,恒为“1”,X是备用位,恒为“0”。其余13个码位有两种状态,有脉冲代表状态“1”,无脉冲代表状态“0”。脉冲宽度皆为(0.45±0.1)μs。

F1、F2之间的12个码位C1、A1、C2、A2、C4、A4、B1、D1、B2、D2、B4、D4为信息码位,可以编成212(即4096)个独立的应答码。SPI位是特殊位置识别码,一般不用,当两架飞机位置接近,调度员可以要求其中一架飞机增加一个SPI脉冲以便准备识别。

12个信息码位上脉冲距F1脉冲间隔为1.45μs的整数倍;SP1脉冲距F2脉冲4.35μs,允许的公差均为0.1us[1]。

当应答机响应A模式识别询问时,应答码代表飞机的识别码,12个信息码从高到低的排列顺利是:A4A2A1 B4B2B1C4C2C1 D4D2D1。

当应答机响应C模式识别询问时,应答码代表飞机的高度码,12个信息码从高到低的排列顺利是:D1D2D4 A1A2A4B1B2B4 C1C2C4。

2 总体实现

2.1 系统组成

本车载二次雷达由询问主机和询问天线组成,如图4所示。询问主机包含收发模块、控制处理模块、电源模块,主要完成系统控制、询问信号发射、应答信号处理。询问天线由一维相控阵天线和旁瓣抑制天线组合而成,一维相控阵天线形成和波束、差波束,旁瓣抑制天线形成全向波束。

2.2 工作流程设计

询问机主机控制一维相控阵天线波束在方位面扫描,期间进行询问,根据应答信息建立扫描空域民航飞机的航迹。需要注意的是,与机械扫描天线方位连续变化不同,相控阵天线波束是离散变化的。系统工作流程设计如下:

1)设定扫描方位范围;2)按一定步进将需扫描方位分为若干波位,得到波位1,波位2…波位n;3)从波位1开始,依次在每个波位做询问,直至波位n,处理并缓存每个波位的应答信息;4)重复步骤3),将得到的应答信息融合处理,建立飞机的航迹。

为保证测量精度及检测概率,询问机在每个波位上驻留一定时间,进行多次询问,并对同一架飞机的应答信号做加权处理。

询问机在任一波位上单次询问的工作原理如下:

1)询问机主机向询问天线发送方位参数;2)天线阵面根据方位参数计算设置移相码控制天线波束指向所需方位,并通知询问机主机;3)询问机主机产生1030MHz的脉冲信号P1、P2、P3馈入天线阵面,经和波束、全向波束辐射出去;4)应答机接收到询问信号,判别满足要求后发射1 090MHz的应答信号;5)询问天线接收应答信号,分三路(和、差、全向)送询问机主机;6)询问机主机对应答信号进行译码、测距、单脉冲测角等,得到当前波位内飞机的识别码、高度、角度、距离等信息;

3 一维相控阵天线及相应设计

3.1 一维相控阵天线组成及工作原理

一维相控阵天线采用有源直线阵体制,其由天线辐射单元、T/R组件、波束形成网络、波束控制器组成,如图5所示。

一维相控阵天线在询问机主机的控制下,通过和波束发射询问信号(P1、P3脉冲),接收应答信号,根据二次雷达特点,对其工作流程设计如下:

1)发射状态

(1)收到询问机主机发送的波束方位信息;(2)波束控制器根据发射频率(1030MHz)计算各移相器所需移相码,并置入TR组件中的移相器;(3)波束控制器控制TR组件至发射状态;(4)波束控制器将准备好信息反馈询问机主机;(5)询问机主机启动发射机发射信号,并在发射期间发送发射工作信号,发射结束后发送发射结束信号;(6)经和通道馈入的发射信号由波束形成网络分配至各TR组件;(7)TR组件对信号进行放大、移相,并馈入天线辐射单元;(8)各辐射单元辐射的信号在空间实现发射信号功率的合成。

2)接收状态

根据二次雷达的工作机理,询问机发射询问信号后即转入接收应答信号状态,因此,一维相控阵天线根据询问机主机发送的发射结束信号自动转到接收状态,接收状态的波束方位即前一次的发射波束方位。

(1)波束控制器根据接收频率(1090MHz)计算各移相器所需移相码,并置入TR组件中的移相器;(2)波束控制器控制TR组件至接收状态;(3)不同方向上来的高频信号在每个辐射单元上激励起不同的电流;(4)此电流通过各自的T/R组件的接收回路放大为高频信号;(5)各路高频信号在波束形成网络中合成,并最终形成和信号、差信号送询问机主机。

3.2 天线方位面波束特点及OBA表

在不同扫描角度上,一维相控阵天线方位面方向图有所差异,图6是扫描角度为0°、45°时的方位面方向图。

由图6可以看出,两种扫描角度下天线方向图的波束宽度、左右对称性差异很大。为保证对目标方位的测量精度,需根据天线扫描角度建立不同的OBA表。

3.3 天线俯仰面波束特点及指向修正

一维相控阵天线波束在俯仰面上存在倾斜现象,移相码确定后,波束在仰角0°时的最大值(即波束指向)Φb和仰角θ时的最大值Φ满足以下关系式[2]:

由式(1)分析可知,除法线(Φ=Φb=0°)外,Φ>Φb。即移相码确定后,一维相控阵天线波束最大指向随仰角增加将略为增大。因此,需根据目标仰角对天线波束指向进行修正。修正时目标的仰角可由询问得到的距离、C模式高度经换算得到。

4 主要技术特点

1)采用一维相控阵天线

采用一维相控阵天线,适应了相控阵雷达技术的发展,天线安装使用方便,波束扫描灵活,扫描区域可任意设定。

2)建立多套OBA表

区别于机械扫描天线二次雷达只需一套OBA表,一维相控阵天线波束随扫描角度变化而变化,为保证测角精度,需根据情况建立多套OBA表。

3)天线波束指向修正

针对一维相控阵天线波束在俯仰面的倾斜现象,给出了波束指向的修正公式,指出了修正方法。

4)单脉冲信号处理

采用单脉冲二次雷达技术,大大提高了目标的定位精度。

5)中频数字化处理

中频信号采用数字化处理,提高了处理的精度、灵活性,同时降低了设备量,提高了可靠性。

6)高幅相一致性TR组件及数字移相技术

采取配对筛选特殊器件、严格的工艺条件等措施,提高TR组件的幅相一致性,同时,移相器采用移相精度高的单片数字移相器。

5 试验测试

为测试该新型车载二次雷达,我们制定试验方案进行了二次航管系统联试[3]。该二次雷达采用A/C交替询问模式工作,能对扫描空域民航飞机正确识别;根据目标距离及C模式高度得到的目标仰角对一维相控阵天线波束指向修正后,所建航迹的测角误差达到0.2°(均方根值)。

测试表明采用一维相控阵天线实现的车载二次雷达技术可行。

6 结论

本文提出了一种新的采用一维相控阵天线的车载二次雷达的实现过程。该二次雷达的设计充分结合一维相控阵天线的工作方式及波束特点,能采用A/C交替询问模式对空域民航飞机进行航路监视。

与采用机械扫描天线的询问机不同,该车载二次雷达采用相控阵天线,适应了雷达技术的发展趋势。同时,相控阵天线波束形成灵活、安装使用方便,利于工程应用。

参考文献

[1]张尉,徐炎祥.二次雷达原理[M].北京:国防工业出版社,2009.

[2]张驿,王辉,温剑,张云,何海丹.摇摆状态一维相控阵天线波束指向修正[J].电讯技术,2011,51(6).

有源相控阵雷达天线实时校正方法 篇2

相控阵雷达天线在制造和安装过程中存在误差, 天线单元间存在互相耦合的影响, 以及各个通道之间的幅相误差, 导致相控阵雷达天线增益的下降和副瓣的提高。为保证获得相控阵雷达天线超低副瓣、高增益和精确波束指向等性能, 接收通道采用了数字技术。阵面校正时对天线的通道幅相一致性有很高的要求[1], 然而数字收发单元中的功率放大器、混频器、滤波器等有源器件的幅相特性会随环境、温度甚至不同的开关状态发生较大改变, 对通道的幅相不一致性影响较大[2], 所以对相控阵雷达天线进行实时校正, 才能确保相控阵雷达能在不同的工作环境下均能获得超低副瓣、高增益等天线辐射特性。

1 数据收发模型

相控阵雷达数字波束形成技术实现的关键是各个通道间的幅度、相位一致性和通道本身的稳定性, 而在实际雷达体制中, 误差在所难免。通常通道幅相误差分为两部分: (1) 各通道的误差会随环境的变化、组件的故障等发生变化, 每次开机都需要校正, 此类误差称之为有源误差, 系统工作前通过内部校正信号来补偿误差; (2) 各个单元的通道误差, 主要由天线阵列的不一致性引起, 一旦天线安装到位就基本不再变化, 此种误差称之为无源误差, 通过近场测试系统测试得到后, 将其固化到数字波束形成单元中即可。

相控阵雷达天线为了获得超低副瓣、高增益等天线辐射特性, 一般天线阵面组装完成之后, 需要对接收和发射模式下的通道幅相误差进行测量和校正。接收模式分接收内校正和接收外校正, 接收内校正时, 控制模块控制校正收发单元产生所需标准校正信号, 通过天线内部的校正耦合网络耦合到各个接收通道;接收外校正时将标准校正信号通过采样架天线经空间耦合到阵面天线单元后进入各个接收通道。内外接收校正信号由接收通道进入数字收发单元, 并经过低噪放、下变频和模拟/数字变换后, 将数字化后的校正信号送至数字信号处理模块进行数据处理, 提取各个通道在接收校正时的幅度和相位信息。

发射模式分发射内校正和发射外校正, 发射内校正时, 控制模块控制各个收发单元逐一产生所需标准校正信号, 通过天线内部的校正耦合网络逐一耦合到校正耦合网络并传至数字校正收发单元;发射外校正时, 控制模块控制各个数字收发单元逐一产生所需标准校正信号, 通过阵面天线单元逐一经空间耦合到采样架天线并传至数字校正收发单元。内外发射校正信号由数字校正收发单元经低噪放、下变频和模拟/数字变换后, 将数字化后的校正信号送至数字信号处理模块进行数据处理, 提取各个通道在发射校正时的幅度和相位信息。

2 通道幅相不一致实时校正

文章以接收校正为例来说明实时校正的方法, 实时发射校正的原理与实时接收校正一致。假设天线阵列由N个理想的无方向性天线单元组成, 且测试系统采样架探头扫描平面与待测天线阵面保持平行, 采样架与各天线单元之间的距离均为d[3,4,5]。该校正方法的数据收发模型及校正示意图如图1。

图1中的天线阵面及校正网络均由天线振子、耦合线及稳相射频电缆等无源器件组成, 其幅相特性随温度、环境及工作状态变化较小。而数字收发单元中的功率放大器、混频器、滤波器等有源器件的幅相特性会随环境、温度甚至不同的工作状态发生较大改变, 故为了获取正确有效的固定系数, 文章所述的接收内外校正数据X1, X2均需保w2n=g2n exp (jφ2n) 证在相同工作状态下获得, 此时可认为内外标准校正信号所经过的各段有源及无源网络带来的幅度和相位误差均能保持不变。

接收内校正时, 标准校正信号x1=g1exp (jφ1) 通过各个通道上的耦合点cn (n=1, 2, …, N) 耦合到各单元通道。wcn=gcnexp (jφcn) (n=1, 2, …, N) 表示耦合至各个单元通道带来的幅度和相位误差, (n=1, 2, …, N) 表示传输至数字收发单元带来的幅度和相位误差, w3n=g3nexp (jφ3n) (n=1, 2, …, N) 表示校正信号由各数字收发单元的功率放大器、混频器、滤波器等有源器件带来的幅度和相位误差, 则可知数字信号处理模块收到的校正信号是经过误差系数wcnw2nw3n (n=1, 2, …, N) 加权的, 此误差系数即代表了标准校正信号在接收内校正时所经各个通道的幅度和相位误差。此时数字信号处理模块收到的各通道的内校正数据为

同理, 接收外校正时通过控制模块和测试系统的控制, 标准校正信号通过空间耦合到阵面天线单元后进入各个接收通道。用x2=g2exp (jφ2) 表示标准校正信号, 此时数字信号处理模块收到的校正信号是经过了误差系数w1nw2nw3n (n=1, 2, …, N) 加权的, 此误差系数即代表标准校正信号在接收外校正时所经各个通道的幅度和相位误差, 其中w1n=g1nexp (jφ1n) (n=1, 2, …, N) 表示校正信号由天线阵面各个单元至耦合点各通道带来的幅度和相位误差。此时数字信号处理模块收到的各通道的外校正数据为

分别将各个通道接收外校正的数据与相应接收内校正的数据相比得到固定系数X:

当雷达在实际工作环境下工作时, 首先需要进行接收内校正获得实时的接收内校正数据:

式中w′3n=g′3nexp (jφ′3n) (n=1, 2, …, N) 为雷达当前工作状态下各通道数字收发单元的有源器件带来的幅度相位差, 随温度、环境及雷达开关电变化较大。为了获得此时雷达工作状态下各个接收通道的误差系数, 分别用各通道实时的接收内校正数据乘以固定系数得:

式 (5) 为雷达实时工作状态下各个接收通道的误差系数。雷达工作时, 将各个单元接收到的数字信号分别与归一化后的校正系数相乘后再进行接收波束数字形成, 即可实现相控阵雷达天线接收通道的实时校正。

3 实测数据分析

以某有源相控阵雷达天线测试为研究对象, 得到实际测试数据与理论仿真数据形成的方向图, 如图2~4所示。其中, 图2为用与该雷达天线一致的仿真参数所得的理论仿真方向图;图3与图4为相控阵雷达天线按照文章所述实时校正方法校正后测得的实测方向图。

为了验证该实时校正方法的实时有效性, 该雷达天线数据是在获得相应固定系数10天后进行的实时校正与天线方向图的测试结果。从图2与图3的比较中可以看出, 实测方向图与理论仿真方向图在波瓣形状上能很好地吻合;从图4中可看出, 实时校正方法能保证雷达天线在方位角上达到与理论方向图一样的-40dB以下的超低副瓣, 从而说明该校正方法是实时有效的。

4 结束语

文章通过对有源相控阵雷达天线及其校正网络的分析, 利用天线阵面及校正耦合网络无源部分的幅相特性稳定的特点, 提出利用固定系数进行天线收发通道实时校正的方法。实测数据表明, 该方法能够快速实时地对相控阵雷达天线进行收发校正, 可以动态的校正通道幅相不一致误差, 实现有源相控阵雷达天线超低副瓣、高增益等性能。

摘要：针对有源相控阵天线的超低副瓣、高增益及精确波束指向等性能的实现进行分析研究。首先分析一般相控阵雷达天线及其校正耦合网络的结构, 并对实时校正的原理以接收校正为例进行详细的阐述, 最后通过某有源相控阵雷达天线实测数据验证该方法的有效性及可行性。

关键词：相控阵天线,实时校正,超低副瓣,固定系数

参考文献

[1]官林海.相控阵雷达阵面幅相修正的研究[J].信息化研究, 2010, 36 (8) :32-35.

[2]陈曾平, 张月, 鲍庆龙.数字阵列雷达及其关键技术进展[J].国防科技大学学报, 2010, 32 (6) :1-7.

[3]束咸荣, 何炳发, 高铁.相控阵雷达天线[M].北京:国防工业出版社, 2007.

[4]殷连生.相控阵雷达馈线技术[M].北京:国防工业出版社.2007.

共形相控阵天线仿真与优化 篇3

天线是雷达导引头主要的能量转换器件, 它将发射信号转换为空间辐射场, 并将目标反射的回波信号转换为导波场送给接收机, 因此天线设计在雷达导引头设计中占有重要地位。雷达导引头天线的发展主要经历了锥扫天线、单脉冲抛物面天线以及波导裂缝阵天线。这类天线虽然能实现对目标的搜索与跟踪, 但其扫描方式为机械扫描, 需要依靠精密的伺服系统来完成, 因此其角度扫描范围小, 跟踪速度慢, 且体积大[1,2]。随着精确制导技术的发展, 可将相控阵天线单元安装于雷达导引头表面, 使得各辐射单元与导引头共形, 从而形成共形相控阵天线[3,4]。共形相控阵天线是共形阵与相控阵的结合, 由于其采用电子扫描代替机械扫描, 从而省去了复杂的伺服系统, 具有体积小、控制灵活、扫描速度快、扫描范围宽、抗干扰性能强等优点, 同时由于与导引头共形, 因此可提高导引头空气动力学性能, 减小雷

2 任意有向阵列方向图函数

3 锥面共形相控阵天线阵列的配置方式

共形相控阵天线阵列采用同心圆等角度配置方式如图2 (a) 及2 (b) 所示, 图2 (a) 为天线阵列在xy平面内投影, 图2 (b) 为整个天线阵列几何结构。由图可知, 从z轴方向观察, 阵元沿锥台母线方向对齐排列, 从xy平面观察, 阵列可以看作是由若干个阵元数目相同的圆环子阵组成, 每个阵元等间隔的分布在以0为起始角的圆环上。在z轴方向上等间距分布着M个圆环阵, 圆环与圆环之间的垂直间距为dz, 每个圆环上阵元间的角度间隔为 (35) , 单元数目为N (28) ceil (2/ (35) ) , ceil为取整函数, 第m个圆环的半径Rm (28) R0 (10) (m-1) dztan (0) , 因此阵列中第m个圆环上第n个阵元的位置为:

4 仿真结果

本文以复合制导雷达导引头为应用背景, 假设锥台体高h (28) 13, 顶部半径R0 (28) 8.5, 锥角0 (28) 14, 其中心频率为35GHz, 阵元按同心圆等角度方式配置, 由M (28) 21个圆环阵组成, 圆环与圆环之间的垂直间距为dz (28) 0.65, 每个圆环上阵元间的角度间隔为 (35)  (28) 3.5。天线单元共形于锥台表面, 整个共形相控阵天线阵列被划分为多个子阵, 为了实现大角度宽范围波束扫描, 可在方位面采用子阵切换方式实现波束扫描, 俯仰面采用相控扫描方式。假设每个子阵覆盖的方位角为90°, 则在该子阵中所包含的阵元数目分别为525。假设波束指向为锥面法向方向 (76, 0) , 在方位面及俯仰面的波束方向图分别如图3 (a) 及3 (b) 所示。由图3 (a) 可知, 在同心圆等间距配置方式下方位面主瓣宽度为3.6, 副瓣电平-14d B。由图3 (b) 可知, 俯仰面主瓣宽度也为3.6, 副瓣电平-12d B。

5 结语

共形相控阵天线已成为雷达导引头天线技术发展的重要方向。本文以复合制导雷达导引头为应用背景, 首先推导了任意有向阵列的方向图函数, 然后采用同心圆等角度配置方式建立了锥面共形相控阵天线模型, 得到了该配置方式下天线阵列的方向图函数, 最后在该配置方式下对共形相控阵天线的波束特性进行了分析。仿真结果表明:该共形相控阵天线在方位面及俯仰面上波束宽度均为3.6, 副瓣电平低于-12d B。

摘要：推导了任意有向阵列的方向图函数, 采用同心圆等角度配置方式建立了锥面共形相控阵天线模型, 得到了该配置方式下天线阵列的方向图函数, 最后在该配置方式下对共形相控阵天线的波束特性进行了分析。仿真结果表明:该共形相控阵天线在方位面及俯仰面上波束宽度均为, 副瓣电平低于-12dB。

关键词：共形,相控阵,波束特性

参考文献

[1]孙阳, 翟龙军.雷达导引头天线技术发展趋势探讨[J].电子设计工程, 2011, 19 (17) :130-134.

[2]何庆强, 王秉中, 殷忠良等.导引头共形相控阵新技术[J].系统工程与电子技术, 2006, 28 (12) :1816-1819.

[3]张光义.共形相控阵天线的应用与关键技术[J].中国电子科学院研究院学报, 2010, 5 (4) :331-336.

[4]王布宏, 郭英, 王永良等.共形天线阵列流行的建模方法[J].电子学报, 2009, 37 (3) :481-484.

[5]胡志慧, 姜永华, 凌祥等.共形天线技术及其在导引头中的应用[J].飞航导弹, 2012, 11:77-81.

现代相控阵雷达天线波控技术研究 篇4

相控阵雷达通过波束控制 (以下简称波控) 系统控制阵列天线中各单元的相位, 完成天线波束的电控扫描, 具有扫描快捷、灵活的特点。波控系统作为相控阵雷达控制波束指向的核心系统, 起着至关重要的作用。一般波束控制系统应该具备的功能有: (1) 相位控制 (2) 同步控制 (3) 数据传输 (4) BITE (故障检测) 。随着雷达技术的不断创新和发展, 根据具体需要可以扩展一些辅助功能, 比如随机馈相、天馈线相位误差校正、捷变频以后天线的波束指向修正、对移相器工作相位和波束形状变化的检测、近场测试等。相控阵雷达对于波控系统的设计要求有: (1) 能完成系统给予的功能 (2) 满足天线波束快速扫描的要求 (3) 体积小, 重量轻, 所用器件尽可能少 (4) 信号连接简单等。

2 波控的基本原理

相控阵雷达天线分为线阵相控阵天线和平面相控阵天线:线阵相控阵是指天线单元分布在一条直线上, 其波束可在方位 (或俯仰) 一个方向进行相控扫描的阵列天线;平面相控阵天线是指天线单元分布在一个平面上, 天线波束在方位与俯仰两个方向均可进行相控扫描的阵列天线。二维相控阵雷达一般采用平面相控阵天线。这种阵面排列方式一般采取坐标分离的方式实现其相位控制。所谓坐标分离技术就是将天线波束指向在水平和俯仰两个方向上进行正交分解, 分别计算天线单元在两个方向上的需要变化的相位值, 然后求其代数和即为天线单元需要改变的相位值, 天线单元相位的改变可由移相器实现。设天线单元按等间距矩形格阵排列如图1所示:

图中阵列在y0z平面上共有M×N个天线单元, 每个天线单元都有一个移相器。天线单元间距分别为d2和d1。设目标所在方向以方向余弦表示, 为 (cosαx, cosαy, cosαz) , 则相邻单元之间的“空间相位差”沿y轴 (水平) 和z轴 (垂直) 方向分别为:

设天线α、β分别为在水平方向和垂直方向上相邻天线单元的相位值增量, 则各天线单元的相移值为C (i, k) =iα+kβ。这样每一个天线单元的相位改变值都不一样, 需要提供M×N个波束控制数码。如果只要求波控完成其基本功能, 即波束控制数码只是按波束指向来决定。则波束控制系统就可以简化。如图3所示的在方位和仰角上分别进行馈相的二维相控阵天线, 由各个单元移相器的波束控制数码C (k, i) 组成的波束控制数码矩阵[C (k, i) ]M×N可分解为两个分别对应方位与仰角上相位扫描的子矩阵之和。

式中[C (k, i) α]M×N与[C (k, i) β]M×N分别为行、列波束控制数码矩阵, 即

这就意味着在图3中增加一层移相器后, 波束控制系统通过计算要产生的波束控制数码便由M×N个降低到了 (M+N) 个, 这使计算工作量大为简化。由于每一行或每一列的移相器具有相同的相移量, 因而图2所示的波束控制信号寄存器数目也可能降低, 只要波束控制信号的功率放大器的电流足够大, 就可以使一个驱动器带动多个移相器, 从而使波束控制系统的设备量降低。

3 系统设计

由于波控系统运算量比较大, 各种控制信号、定时信号比较多, 软硬件接口也较为复杂, 所以一般采用波控计算机来完成主要的波控功能。对于天线相位的控制, 首先需要一个存储器来存储通过测试得出的每个天线单元因为各种原因 (如天线加工的误差、馈电网络形成的误差等) 造成的相位初始零值的误差校正值与频率、温度构成的三维初始相位表 (以下简称初始相位表) 。由雷达中央计算机发送相应的频率代码、波位代码、波束展宽代码等给波控机, 配合移相器附近温度传感器感应的温度信息, 波控机通过综合计算得出各个天线单元需要改变的相位值, 再将得出的此相位值与初始相位值做相加处理, 最终将结果转换成二进制代码并进行锁存。等到中央计算机发出移相指令后, 将锁存的结果打入每个天线单元的移相器完成一次布相。

3.1 波控设计的方案

波控设计的方案主要有集中式波控和分布式波控两种。传统相控阵雷达多采用集中式波控方案, 其组成框图如图2。该方案由一个波控机对阵面各单元的相位进行统一运算, 然后将数据分路传给阵面上的每个单元。这种方案的特点是:设备量少, 适合单元数比较少的相控阵雷达。而对于阵面单元较多时其运算速度往往过长, 严重影响了波束扫描的速度。

平面相控阵天线往往含有数目较多的天线单元, 对于这种情况, 需要采取分布式波控的方案, 将整个天线阵面划分成若干个子阵, 每一个子阵用一个波控机专门进行该子阵中天线单元相移量的运算和故障检测, 其组成框图如图4。这样可以大大减少运算时间, 满足天线波束快速扫描的要求。

3.2 波控系统的硬件设计

波控系统的硬件可由波控计算机、外存储器、通信电路、BITE (机内检测) 电路等组成。

3.2.1 波控计算机

波控计算机的主要功能为:通过接收中央计算机发送的频率、波位、展宽等代码, 配合天线阵面温度传感器传送的温度信息代码等信息进行综合运算得出其所控子阵每个天线单元的相移值并发送给每个天线单元移相器的激励器进行移相。根据需要可以选用多个嵌入式计算机来完成子阵的移相, 以达到控制整个天线波束的目的。

3.2.2 外存储器

很多嵌入式计算机都支持外存储器扩展例如FLASH盘等, 可使用此模块完成对初始相位表、波束展宽相位表、随机馈相数据等的存储。

3.2.3 通信电路

通信电路的功能是将中央计算机的控制指令以一定的通信协议传递给每个子阵的波控机完成布相, 对于某些对工作时间要求比较苛刻的雷达来说, 必须采用高速布相的通信方式。

以太网的出现和普及为这一问题的解决提供了一个新的方法:用以太网传递数据和指令, 把硬件接口变为软件接口, 所有发送和接收都遵照TCP/IP协议的约定, 避免了硬件接口的种种弊端, 且目前以太网速度可达到千兆数量级, 大大提高了数据传输的速率。中央计算机通过以太网把指令和数据传送给各个波控计算机, 由于波控系统有多个节点, 需要同时收到指令, 所以指令采用广播方式发送。波控系统各节点通过点对点方式把需要上报的信息 (例如故检信息) 回送给中央计算机。

3.2.4 BITE电路

BITE技术是雷达系统中广泛应用的一种自动化监测与维修的手段。其电路检测的信息有波控码、各天线单元激励器的状态信号、定时信号、定时控制信号和激励器电源输出值等

通过对检测到的信息、比较要对以下几点作出判断: (1) 波控码是否正确; (2) 激励器接收到的波控数码是否有误码; (3) 是否有激励器定时控制信号, 状态是否正确; (4) 激励器是否空载 (与阵面移相器连接是否通) ; (5) 激励器电源工作是否正常。

最后将故障检测信息记录存储, 待阵面所有单元一次检测全部完成后, 整理故障信息, 按雷达系统要求的故障判别原则, 确定故障类别和等级, 并以编码形式发送给雷达中央计算机, 便于定期维修。

3.3 波控系统的软件设计

按照波控机完成相控阵天线配相运算和实时输出的功能, 其软件可以划分相位生成模块、接口模块和BIT模块三各部分。模块功能结构图如图5所示。

3.3.1 相位值生成模块

该模块是整个波控模块的核心部分, 由相位值生成软件模块、初始相位表、温度/波束展宽等信息采集器、地址转换器等组成。它的功能是根据波控指令生成阵面各单元相位值。

相位值生成软件模块的功能是将在规定相扫范围内可能出现的方位及仰角初始布相量 (表的总页数) , 按照一定的布相算法, 以阵面总单元为一页。顺序递增地逐页计算出阵面各单元所对应的相位值, 生成数据文件, 并固化成初始相位表。

初始相位表的总页数 (段地址) 就是波束展宽或不展宽情况下, 在不同温度环境下方位/仰角的初始布相量二进制位数的总和 (符号位不计在内) 。

整个波控机模块都是在控制器发出的信号控制下运行的。其功能包括方位及仰角初始布相量的符号判别、数据选通、给接口模块提供时序控制信号等。

3.3.2 接口模块

其功能是为数字激励器提供大量的波束控制信号 (相位值) , 并接收和发送故障检测信息。它由发送、接收数据的封包、解封模块, 相位值寄存器地址产生模块、移相数字驱动模块和故障信息的接收和发送模块组成。

3.3.3 BIT模块

BIT模块是波控机软件对自检信息的处理模块。波控机接收到从天线单元反馈回来的故障信息后, 将其汇总并以二进制代码的形式发送给中央计算机, 由于相控阵天线本身的特点, 个别天线单元出现问题不会影响到整个天线阵面的方向图, 所以波控机给中央计算机发送故障信息后, 仍然会正常工作。中央计算机根据所有波控机发送的故障信息进行判决, 最终决定雷达的下一步工作安排 (是正常工作还是停止工作进行故障检查) , 并将此指令发送给波控机。

3.3.4 波控分机的软件流程

根据雷达工作的需要, 波控分机的软件流程图如图6所示:

4 波控系统实现的几个问题

4.1 波控系统硬件的安装

波控系统的控制部分应就近安装在其所控天线子阵阵面附近框架上, 这样做是为了有效的缩短控制线缆的距离, 提高系统的可靠性。同时尽量不要和雷达其他分系统的模块、器件共用一块印制板, 以避免干扰。

4.2 高速布相的实现

实现高速布相的途径比较多, 其主要途径分为:

(1) 选用响应时间较快的移相器提高布相速度。这种方法适合于移相器种类有较多选择的情况。

(2) 将各移相基码对应的阵面单元移相量存于存储器中, 采用查表方法代替实时运算来提高布相速度, 这种方法存储的数据文件巨大, 尤其是加上展宽信息和温度信息以后, 存储的数据量将会非常是惊人的。

(3) 采用实时性较强的操作系统代替普通操作系统提高布相速度。

(4) 采用高速通信方法 (如以太网或光纤) 代替普通的通信方式来提高布相速度等。

4.3 可互换性原则

不同波控机的硬件完全一致, 可以在波控板上加一个识别端子, 控制计算机可以从识别端子读出识别码, 以区分不同的波控板, 这样就可以实现波控机单元的直接互换, 提高产品的可维修性。

4.4 子阵波控机的同步

由于采用了分布式波控的方式, 由多个波控计算机共同完成天线波束的指向的控制, 对雷达工作周期时间要求不高的雷达来说, 不同波控机之间不同步可能不会造成太大的影响, 但对于快速相位扫描的雷达来说, 波控的不同步有可能会造成波束的错误指向, 导致雷达检测到错误的信息。解决的办法有选用一个稳定度比较高的时钟源, 作为所有波控计算机的同步时钟源, 也可由中央计算机发出同步信号来控制所有波控机状态以达到同步的目的。

4.5 电磁兼容考虑

相控阵雷达阵面集中了大量的数字电路、移相器和微波器件, 同时也是电缆密集的地方。因此电磁兼容设计对波控系统稳定性至关重要。所有电路都应该采取有效的屏蔽措施;系统需可靠接地;对于微波辐射较严重的单元和对射频信号敏感的器件应加以隔离, 数据和控制信号的传输也应该考虑其抗干扰性能。

5 结语

相控阵雷达的应用越来越广泛, 对阵面设备的运算量、体积、功耗要求使得对阵面集成电路的选择也变得苛刻, 控制电路的选择已经从EPLD+单片机发展到FPGA+DSP, 单片电路的集成度从几千门向几十万门过渡。对于军用相控阵雷达来说, 阵面波控电路使用条件严酷, 且使用量较大, 芯片的购买和成本常会发生问题。鉴于此因素, 研制波控专用ASIC芯片已经成为很必要的措施, 目前国内已经出现并且开始大批生产波控专用ASIC芯片, 对于大型相控阵雷达来说, 这是一种降低成本的理想途径。另外随着软件无线电的快速发展, DBF技术的出现使得雷达具有自适应形成多个波束的能力, 运用该项技术后, 波控系统无需再为天线接收波束配相 (其接收波束的移相功能可在信号处理中实现) 。而采用直接数字合成 (DDS) 技术可以用数字的方式控制所产生雷达信号的频率、幅度、相位。波控系统则无需再为天线移相器 (发射波束) 配相。当这两种技术随着数字T/R组件的出现结合在一起时, 传统的波控系统就发生了变化, 移相器被数字化的器件所取代。实际上已经与雷达信号的产生和雷达数据的处理融合在了一起。这种组合技术必将在相控阵雷达中得到广泛应用。

参考文献

[1]丁鹭飞, 耿富录.雷达原理.西安:西安电子科技大学, 1997.

[2]张光义, 赵玉洁.相控阵雷达技术.北京:电子工业出版社, 2006.

[3]廖昌明.有源相控阵雷达波束控制系统的设计.南京:现代雷达, 2000, (3) .

[4]郑清.相控阵雷达波控系统技术研究.南京:现代雷达, 2006, (4) .

[5]梁欣华.模块化波控机.南京:现代雷达, 1995, (4) .

[6]郑清, 张健.相控阵雷达分布式波控系统设计.南京:现代雷达, 2001, (增) .

一维相控阵天线 篇5

EIRP (Equivalent Isotropic Radiated Power, 等效全向辐射功率) 是有源相控阵天线系统的重要性能指标之一, 它等于天线发射功率与发射增益的乘积。EIRP测量的常用方法是通过分别测量天线发射功率和发射增益, 从而计算出EIRP的大小[1,2]。但是对于有源相控阵天线, 天线单元的射频T/R组件与天线单元是集成在一起的, 单独测量相控阵天线发射净功率和天线阵的增益是很困难的[3,4,5,6]。为此, 我们提出了室外远场直接法测量有源相控阵天线EIRP的方法, 并给出了工程测量实例。实践证明, 该方法是切实可行的, 在实际工程测量中值得推广和应用。

1 测量原理和方法

有源相控阵天线EIRP测量的原理方框图如图1所示。图1中, R为测试距离, 应满足远场测试距离条件, 即 (D为待测天线最大尺寸, λ为工作波长) 。图中标准天线通常采用标准增益喇叭或标准波导探头, 其增益精确已知。由EIRP的定义可知:

式中:Pt为天线发射功率;Gt为天线发射增益。

由图1可知, 相控阵天线射频组件是同天线单元集成在一起的, 单独测量天线发射功率和增益是很困难的, 因此按照EIRP的定义测量有源相控阵天线的EIRP是不可行的。远场直接法测量有源相控阵天线EIRP的原理方法是:利用频谱分析仪测量出待测相控阵天线发射EIRP, 经自由空间衰减, 由标准天线接收的功率大小, 利用自由空间传播方程确定EIRP的大小。则用分贝表示的频谱分析仪测量信号功率电平为[7,8]:

式中:Pmea为频谱分析仪测量的信号功率电平 (单位:d Bm) ;EIRP为有源相控阵天线的发射EIRP (单位:d Bm) ;GS为标准天线增益 (单位:d Bi) ;LRF为标准天线和频谱分析仪之间射频电缆损耗 (单位:d B) ;LP为自由空间传播损耗 (单位:d B) :

由式 (2) 可求得待测有源相控阵天线的EIRP为:

如果待测天线为圆极化天线, 利用式 (4) 测量出待测天线长轴方向的EIRP值, 然后加上极化损失即得待测圆极化天线的EIRP值。由测量出待测天线的轴比AR (单位:d B) , 则计算极化损失Lpol为[9,10]:

2 测量误差分析

由式 (4) 的EIRP测量方程和测量原理可知, 室外远场直接法测量有源相控阵天线EIRP的主要误差有:功率的测量误差 (含信号源功率不稳和频谱仪幅度测量误差等) 、标准喇叭的增益校准误差、路径损耗误差、射频电缆损耗测量误差、极化损失误差、天线指向损耗误差和有限测试距离引起的误差等等。表1所示为EIRP测量均方根误差的估算结果。由表1可知远场直接法测量有源相控阵天线EIRP的均方根误差小于或等于±0.452 d B。

3 测量实例

这里以S波段圆极化19元阵天线的EIRP测量为例, 说明远场直接法测量有源相控阵天线EIRP的方法。图2所示为S波段圆极化19元阵天线。已知测试频率1.995 GHz, 收发天线之间的距离为6.2 m, 标准天线为BJ-22的标准波导探头, 其增益为6.53 d Bi;测试电缆损耗为5.0 d B。

实际测量时, 首先确定天线发射最大线性EIRP时信号源的输出功率。确定方法是:信号源输出功率增大或减少1 d B, 观察频谱仪测量信号电平是否线性地增加或减少1 d B。确定信号源输出功率为11 d Bm时, 相控阵天线工作在最大的线性区, 此时测量的信号功率电平为3.36 d Bm, 相控阵天线0°角扫描时, 测得其轴比为0.55 d B。则待测相控阵天线的发射EIRP为:

理论分析计算该相控阵天线在0°角扫描时, 系统EIRP为58.0 d Bm。实测结果同理论分析计算结果比较可知, 在误差允许的范围内, 二者基本吻合。

4 结语

随着有源相控阵天线技术的发展, 相控阵天线校准和测量技术面临着挑战, 传统的天线测量技术无法满足有源相控阵天线测试的需求。本文论述了室外远场直接法测量有源相控阵天线EIRP值的原理方法, 推导出测量的原理方程;分析了远场法测量EIRP误差, 其均方根误差小于或等于±0.452 d B;给出了工程测量实例, 实测结果同理论预测结果吻合很好。实践证明, 该方法是切实可行的, 在有源相控阵天线EIRP测量中, 值得推广和应用。

摘要：简述了远场直接法测量有源相控阵天线EIRP的原理方法, 推导出EIRP测量的原理方程。对EIRP测量误差进行了分析, 结果表明其均方根误差≤±0.452 dB。最后给出了某工程应用的S波段相控阵天线的EIRP测量结果, 测量结果同理论预算基本吻合。

关键词：远场直接法,有源相控阵,EIRP测量,误差分析

参考文献

[1]殷琪.卫星通信系统测试[M].北京:人民邮电出版社, 1997.

[2]MIRSHAFIEI M, ABTAHI M, LAROCHELLE S et al.Wideband antenna EIRP measurements for various UWB waveforms[C]//Proceedings of the 2008 IEEE International Conference on Ultrea-wideband.Hannover:IEEE, 2008:125-128.

[3]孟明霞, 丁晓磊, 丁克乾, 等.低副瓣有源相控阵天线测试方法研究[J].遥控遥测, 2011, 32 (4) :55-60.

[4]李宏, 薛冰, 杨英科.相控阵天线的测试技术[J].中国测试技术, 2003 (5) :10-13.

[5]李为玉.有源相控阵天线发射方向图测试简易方法[J].现代电子技术, 2012, 35 (15) :95-96.

[6]邱天, 蔡兴雨.相控阵天线方向图远场测试方法研究[J].火控雷达技术, 2008, 37 (2) :47-50.

[7]毛乃宏.天线测量手册[M].北京:国防工业出版社, 1987.

[8]INTELSAT SSOG 210.Earth station verification tests[S].[S.l.]:INTELSAT, 2002.

[9]秦顺友, 杨可忠, 陈辉.不同极化天线增益测量技术[J].电子测量与仪器学报, 2003, 17 (1) :7-11.