數(shù)字波束形成系統(tǒng)多通道幅相校正方法及應(yīng)用

牛勤 胡元奎 吳偉 黃俊園

摘要 在數(shù)字波束形成（DigitalBeamforming，DBF）系統(tǒng)中，通道失配會嚴(yán)重影響形成波束的形狀和指向，所以在DBF運(yùn)算之前，需要對通道進(jìn)行幅相校正。論文采用內(nèi)場校正和外場校正相結(jié)合的方法對DBF系統(tǒng)進(jìn)行校正，通過內(nèi)場校正補(bǔ)償接收前端及之后的通道的幅相不一致，通過內(nèi)外場校正補(bǔ)償系數(shù)補(bǔ)償接收前端之前的陣列天線及相關(guān)射頻電纜的幅相不一致，進(jìn)而達(dá)到整個(gè)接收通道的幅相一致。論文給出了算法的推導(dǎo)與試驗(yàn)分析結(jié)果，證實(shí)了方法有效可行。

【關(guān)鍵詞】數(shù)字波束形成 通道失配 幅相校正

數(shù)字波束形成（Digital Beamforming，DBF）是指在天線波束形成的基礎(chǔ)上采用先進(jìn)的數(shù)字信號處理技術(shù)對陣列信號進(jìn)行處理并在數(shù)字域形成多個(gè)可控接收波束的一種技術(shù)。與機(jī)械掃描相比，DBF技術(shù)不但控制波束指向更加靈活，還可以實(shí)現(xiàn)超低副瓣。然而，其對射頻通道的幅相一致性要求卻相當(dāng)嚴(yán)格。在工程應(yīng)用中，射頻通道的組成多為模擬器件，不可避免的存在通道間的幅相差異，如果差異嚴(yán)重導(dǎo)致通道失配，將會嚴(yán)重影響形成波束的形狀和指向，因此，在DBF運(yùn)算之前，必須對陣列天線和接收通道進(jìn)行幅相校正。

幅相校正方法可分為外場校正和內(nèi)場校正，外場校正多在雷達(dá)或雷達(dá)信號偵察系統(tǒng)研制期間進(jìn)行，借助微波暗室、開闊場地等干擾較小的環(huán)境以及信號源、測試架等輔助設(shè)備，使信號從陣列天線法線方向平行入射，然后檢測各路輸出，計(jì)算幅相校正系數(shù)。內(nèi)場校正是利用設(shè)備自身的校正源產(chǎn)生信號，將其饋入接收前端，然后檢測各路輸出，計(jì)算幅相校正系數(shù)?？梢姡瑑?nèi)場校正和外場校正的不同之處在于對接收前端之前的陣列天線及相關(guān)射頻電纜等無源器件的幅相不一致性處理。無源器件一旦加工完成安裝到位，幅相特性就基本不隨時(shí)間變化，所以只需要對其進(jìn)行一次精確的校正，就可以實(shí)現(xiàn)幅相一致。

論文采用內(nèi)場校正和外場校正結(jié)合的方法對DBF系統(tǒng)進(jìn)行校正，通過系統(tǒng)研制期間存入的內(nèi)外場校正補(bǔ)償系數(shù)和系統(tǒng)服役期間每次開機(jī)實(shí)時(shí)的內(nèi)場校正系數(shù)，可以達(dá)到整個(gè)系統(tǒng)的幅相一致，理論推導(dǎo)和試驗(yàn)分析表明了方法的有效性。

1 校正方法與步驟

系統(tǒng)校正示意圖如圖1所示，外場校正的信號源采用外信號源，借助微波暗室及測試輔助設(shè)備，利用探頭的平移和分時(shí)采集數(shù)據(jù)等方法模擬一組與陣列天線法線方向平行的信號，輻射進(jìn)入接收天線。而內(nèi)場校正的信號源采用接收機(jī)自帶的校正源產(chǎn)生信號，通過功分器和耦合器（或開關(guān)）進(jìn)入各接收前端。為了表示方便，文中用大寫字母表示復(fù)數(shù)，并忽略時(shí)間索引，以上角標(biāo)的方式區(qū)分系統(tǒng)研制階段與服役階段。

定義：

需要注意的是，如果采用分時(shí)采集的方法模擬遠(yuǎn)場信號，需要保證信號源在每個(gè)位置發(fā)送的信號幅度和初相位完全相等，如果無法滿足這個(gè)條件，可以另設(shè)一個(gè)通道m(xù)作為參考（見圖1），每一時(shí)刻探頭移動(dòng)對準(zhǔn)一個(gè)天線，以其對應(yīng)通道與通道m(xù)的比值作為其對應(yīng)通道樣本，以通道i與通道m(xù)的比值作為參考通道樣本，求得校正系數(shù)如（3）式所示。論文中假設(shè)信號到達(dá)各接收天線的幅度相等，初相相同。

1.1.3 內(nèi)外場校正補(bǔ)償系數(shù)

由于有源部分每次開機(jī)狀態(tài)都不同，只能對系統(tǒng)中相對穩(wěn)定的無源部分進(jìn)行補(bǔ)償計(jì)算。內(nèi)外場校正時(shí)，通道的不一致性主要體現(xiàn)在圖3的開關(guān)（或耦合器）之前，也就是C和D的不同上，計(jì)算內(nèi)外場校正系數(shù)之間的幅相差異，作為每個(gè)通道的校正補(bǔ)償系數(shù)F，并將之存入系統(tǒng)。

1.2 服役階段

在系統(tǒng)服役階段，每次開機(jī)進(jìn)行實(shí)時(shí)的內(nèi)場校正，利用系統(tǒng)研制階段存入的內(nèi)外場校正補(bǔ)償系數(shù)，計(jì)算系統(tǒng)最終的校正系數(shù)，使整個(gè)通道的幅相一致。

1.2.1 內(nèi)場校正系數(shù)

與系統(tǒng)的研制階段的內(nèi)場校正系數(shù)相比，系統(tǒng)服役階段的內(nèi)場校正系數(shù)只在有源部分發(fā)生了變化，即：

2 試驗(yàn)驗(yàn)證分析

結(jié)合某項(xiàng)目，待測系統(tǒng)由陣列天線、接收機(jī)、信號處理、監(jiān)控、顯控等部分組成，接收頻段2-4GHz，通道數(shù)目32。由于寬帶系統(tǒng)的幅相不一致隨頻率變化而變化，而當(dāng)帶寬遠(yuǎn)小于中心頻率時(shí)，這種變化可以忽略不計(jì)，因此，論文將工作帶寬劃分為若干個(gè)窄帶系統(tǒng)進(jìn)行校正。本振間隔設(shè)計(jì)為100MHz，每本振32個(gè)信道，每信道帶寬為15.625MHz。

選取2.6GHz進(jìn)行測試，圖2（a）為系統(tǒng)未校正時(shí)信號處理端收到的各通道幅度和相位，圖2 （b）為采用論文中方法進(jìn)行校正之后信號處理端收到的各通道的幅度和相位。圖3是系統(tǒng)經(jīng)過校正之后反演出的方向圖。

由圖2 （a）和（b）可以看出經(jīng)過校正，32通道的幅度起伏由5 dB左右下降到ldB以內(nèi)，相位起伏由土180度下降到±4度以內(nèi)。由圖3可以看出，形成波束的形狀圓滑，無異常點(diǎn);形成波束指向正確，無偏差，3dB波束寬度和主副比均與理論計(jì)算匹配，滿足項(xiàng)目需求?？梢姡撐牟捎玫男Ｕ椒ㄊ怯行Э尚械?。

3 結(jié)論

論文針對DBF系統(tǒng)中的通道失配問題，設(shè)計(jì)了內(nèi)外場結(jié)合的校正方法，通過系統(tǒng)研制期間存入的內(nèi)外場校正補(bǔ)償系數(shù)和系統(tǒng)服役期間每次開機(jī)實(shí)時(shí)的內(nèi)場校正系數(shù)，來達(dá)到整個(gè)系統(tǒng)的幅相一致，方法驗(yàn)證試驗(yàn)結(jié)合工程實(shí)例進(jìn)行，證明了方法的有效性。

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