外場條件下有源相控陣雷達T/R組件幅相檢測系統(tǒng)的構(gòu)建

蔣 一，武昕偉

T/R組件是有源相控陣雷達天線分系統(tǒng)最關(guān)鍵的部件，承擔著發(fā)射信號的功率放大、目標回波信號的低噪聲前置放大、波束形成和掃描所需的幅相控制等功能，其性能直接影響著整部雷達的技戰(zhàn)術(shù)水平.一部相控陣雷達的陣列天線通常包含數(shù)百或數(shù)千個T/R組件，對T/R組件的可靠性和幅相特性的穩(wěn)定性要求極高.然而，由于雷達長時間工作以及存儲環(huán)境等因素的影響，不可避免地會引起T/R組件性能蛻化或損壞，通道故障和單元失效情況時有發(fā)生［1-2］.為了使陣列天線的性能在雷達工作期間處于規(guī)定的技術(shù)條件范圍內(nèi)，需要相應(yīng)手段定期或不定期地對T/R組件的工作狀態(tài)進行判斷，為評估陣列天線的性能提供依據(jù).

相控陣天線系統(tǒng)的性能測試和監(jiān)測校準主要采用在微波暗室里進行近場測量和外場監(jiān)測測量的方法［3-4］.然而，對于某些大型相控陣天線，由于受到設(shè)備、場地、時間等因素的限制，有時很難甚至不可能在微波暗室進行近場測量，而外場測試一般利用轉(zhuǎn)臺進行天線性能測試，需要修建高塔，花費相當巨大.另一方面，為了在野外條件下充分發(fā)揮雷達裝備的效能，往往需要在野外情況下對有源相控陣T/R組件的損壞情況進行快速判斷，進而了解裝備的性能狀態(tài)，受條件限制，此時并不需要全面測試天線的性能參數(shù).針對某型雷達裝備保障需求，本文設(shè)計了一種基于中場測量技術(shù)的T/R組件測試方案，并構(gòu)建了機動性強、操作簡便的測試系統(tǒng)，解決了外場條件下T/R組件的幅相特性檢測問題，實現(xiàn)了一種新的裝備伴隨式測試保障手段.

1 測試原理及系統(tǒng)組成

1.1 有源陣面T/R組件中場測試原理

有源相控陣天線通常利用波控指令可以實現(xiàn)T/R組件的單路收/發(fā)功能，即單個T/R組件（或單元）處于發(fā)射或接收狀態(tài)時，其他T/R組件（或單元）處于關(guān)閉狀態(tài)，且各個單元之間相互隔離.這種單路收/發(fā)功能為有源相控陣天線T/R組件的中場幅相測試提供了前提條件［5-6］.

如圖1所示，假設(shè)有源陣面系統(tǒng)包含M×N個輻射單元（每個天線單元后面都有一個T/R組件），在陣面中場位置（相對于整個陣面是近場，但對于其中任一單元是遠場）架設(shè)一個寬波束測試天線，利用波控系統(tǒng)控制第（m，n）個T/R組件選通，其余的T/R組件處于關(guān)閉狀態(tài)（即有源組件的三態(tài)開關(guān)置于負載狀態(tài)）.當處于發(fā)射通道測試時，被檢測的某一路T/R組件正常發(fā)射，其余MN-1路接標準負載，測試天線處于接收狀態(tài)，通過接收信號功率的測量，結(jié)合網(wǎng)絡(luò)加權(quán)系數(shù)，可以檢測組件發(fā)射通道的完好情況.反之，當處于接收通道測試時，被檢測的某一路T/R組件正常接收，其余MN-1路接標準負載，測試天線處于發(fā)射狀態(tài)，通過組件接收信號功率的測量，可以檢測組件接收通道的完好情況［7-8］.

按照時序關(guān)系逐個對陣面T/R組件進行收發(fā)測試，待所有組件測試完畢，通過合理設(shè)置門限對失效組件進行判斷，以直觀方式顯示所有組件的完好情況.

圖1 T/R組件幅相檢測系統(tǒng)原理框圖

1.2 系統(tǒng)組成及功能

根據(jù)雷達裝備野外保障任務(wù)對功能性、操作性、便攜性等實際需求，本文研制的T/R組件外場檢測系統(tǒng)由檢測儀主機、終端設(shè)備、喇叭天線及便攜式運輸箱等部分組成，如圖2所示.

圖2 T/R組件外場測試系統(tǒng)組成

檢測儀主機是整個檢測系統(tǒng)的核心部分，由模擬收發(fā)、數(shù)字收發(fā)及電源等模塊組成.其主要功能是接受操作命令，對設(shè)備的各種資源進行調(diào)度與控制，與雷達系統(tǒng)同步實現(xiàn)對被測有源陣面的檢測，在終端設(shè)備控制下，產(chǎn)生射頻輸出信號，并接收射頻輸入信號，經(jīng)數(shù)控衰減后進行數(shù)字下變頻處理，計算得到各路的幅相值.

終端設(shè)備完成時序產(chǎn)生、數(shù)據(jù)處理、狀態(tài)管理等功能，是整個檢測設(shè)備的控制調(diào)度中心.負責產(chǎn)生各種控制信號和發(fā)送控制命令字，模擬被測單元正常工作所需要的時序和控制信號，控制收發(fā)組件產(chǎn)生被測試單元需要的模擬信號；控制接口板及數(shù)據(jù)采集板將被測單元的響應(yīng)變換成數(shù)字量，并傳輸?shù)礁骺刂颇K上；運行測試程序，對采集結(jié)果進行處理、分析及顯示.

2 測試數(shù)據(jù)分析

待測雷達裝備工作頻率在S波段，其有源相控陣天線陣面包含567個T/R組件，按13行×12列排列.在每個組件中，垂直放置四個振子單元，它們共用一只5位PIN二極管移相器，通過二極管開/關(guān)完成11.25°、22.5°、45°、90°、180°等五類移相.每個T/R組件發(fā)射通道輸出功率≥80W，567個T/R組件構(gòu)成固態(tài)分布式發(fā)射機，并在空間合成45kW的峰值功率.

2.1 T/R組件發(fā)射幅相檢測

該型雷達的發(fā)射鏈路包括：前級功率放大器、陣面推動級功率放大器、陣面驅(qū)動級功率放大器、T/R組件中的功率放大器，以及輻射單元組成的信號傳輸鏈.為了完成T/R組件發(fā)射幅相檢測，檢測儀主機按照射頻激勵信號的要求，利用雷達自身提供的時鐘、一本振、二本振信號，由檢測儀自行產(chǎn)生射頻激勵信號并注入到前級功放.終端設(shè)備通過波控系統(tǒng)控制T/R組件逐一工作在發(fā)射狀態(tài)，同時控制移相器逐位移相.架設(shè)在距陣面適當距離遠的喇叭天線接收T/R組件發(fā)射信號并饋入檢測儀，經(jīng)過數(shù)控衰減器、模擬收發(fā)模塊二次下變頻后送給數(shù)字收發(fā)模塊中頻采樣轉(zhuǎn)換為I、Q信號，通過計算逐一得到每個單元的發(fā)射幅相值.實測發(fā)射幅相檢測數(shù)據(jù)如圖3所示.

實測T/R組件發(fā)射幅度檢測數(shù)據(jù)表明：由于各組件均為飽和發(fā)射，且位于中場測試距離的喇叭天線至陣面邊緣組件與陣面中心組件的距離差對幅度影響很小，因此喇叭天線測得的幅度值一致性較好.基于此，將所有組件發(fā)射測試對應(yīng)的六次測量幅度數(shù)據(jù)（分別對應(yīng)0°、11.25°、22.5°、45°、90°和180°相移）取平均并歸一化處理，并考慮到各個組件的特性差異，選擇合適門限（如-10dB）即可判定組件發(fā)射通道是否損壞.采用本文提出的基于歸一化的相對幅相測量法，結(jié)合數(shù)控衰減調(diào)整技術(shù)，解決了缺少標準數(shù)據(jù)的難題，使喇叭天線的架設(shè)距離可以根據(jù)場地情況靈活設(shè)置，提高了外場測試的適應(yīng)性.

T/R組件發(fā)射通道移相器檢測時，終端設(shè)備給波控發(fā)六次移相指令，分別對應(yīng)移相0°、11.25°、22.5°、45°、90°和180°.檢測儀接收每個單元的六次移相信號后，以0°移相接收信號相位為參考，通過計算相位差，得到其余五次移相（理論值）時實際測得的移相值.將實測移相值與理論移相值之差取絕對值，并選擇合適門限（如8°）即可判定移相器工作狀態(tài)是否正常.采用這種相對相位測量方式，可以消除測試環(huán)路內(nèi)公共路徑相位誤差的影響，提高了外場測試的時效性.此外，由于幅度測量是相位測量的基礎(chǔ)，因此根據(jù)發(fā)射通道移相誤差對移相器進行狀態(tài)判斷時，該組件的發(fā)射幅度必須正常.若發(fā)射幅度異常，則由于噪聲影響，實際測得的相位值誤差很大，此時進行移相器狀態(tài)判斷可信度降低.

圖3 實測發(fā)射幅相檢測數(shù)據(jù)

2.2 T/R組件接收幅相檢測

該型雷達的目標信號由T/R組件接收通道放大后，經(jīng)接收饋電網(wǎng)絡(luò)形成三路射頻信號（方位差、俯仰差、和支路）分別輸入到射頻帶通濾波器，濾波器輸出信號饋入由高頻組件、中頻組件、接口電路、本振信號功分器等部分組成的接收鏈路.由于T/R組件密封在天線陣內(nèi)，外場情況下無法直接獲取T/R組件輸出信號.為了完成T/R組件接收幅相檢測，通過終端設(shè)備控制T/R組件逐一工作在接收狀態(tài)，同時控制移相器逐位移相，由喇叭天線發(fā)射檢測儀輸出的激勵信號，將接收和支路信號直接饋入檢測儀主機，經(jīng)模擬收發(fā)模塊二次下變頻后送給數(shù)字收發(fā)模塊中頻采樣轉(zhuǎn)換為I、Q信號，通過計算逐一得到每個單元的接收幅相值.實測接收幅相檢測數(shù)據(jù)如圖4所示.

圖4 實測接收幅相檢測數(shù)據(jù)

實測T/R組件接收幅度檢測數(shù)據(jù)表明：由于陣面加權(quán)的影響，正常組件測得的幅度值有較大起伏，陣面中間組件的幅度輸出較大，而陣面邊緣組件的幅度輸出較小.基于此，將所有組件接收測試對應(yīng)的六次測量幅度數(shù)據(jù)取平均并歸一化處理，然后分段進行曲線擬合，考慮到各個組件的特性差異，選擇合適判決門限（如-10dB），若與擬合曲線的偏差低于-10dB，則判決為接收通道故障.為防止連續(xù)大面積組件故障對曲線擬合的影響，可以增設(shè)一個絕對門限，即擬合前先與絕對門限進行比較，經(jīng)此判斷狀態(tài)完好后，再進行后續(xù)處理.采用這種基于歸一化和陣面單元加權(quán)的相對幅相測量法，無需了解權(quán)值的實際大小，有效地降低了測試難度.

T/R組件接收通道移相器檢測與發(fā)射通道移相器檢測過程相同，根據(jù)接收通道移相誤差對移相器進行狀態(tài)判斷時，該組件的接收幅度必須正常.另一方面，由于組件接收時饋入檢測儀的接收信號取自和通道輸出，盡管其他通道均處于關(guān)閉狀態(tài)，但其他通道的噪聲均疊加到和通道，加之鄰近單元的互耦影響，接收時的移相誤差遠大于發(fā)射時的移相誤差，因此，對移相器故障的判斷應(yīng)以發(fā)射移相器檢測為主，接收移相器檢測結(jié)果可進一步證實故障狀態(tài).

3 結(jié)論

在對有源相控陣雷達陣面天線系統(tǒng)工作過程和機理深入研究分析的基礎(chǔ)上，針對某型雷達T/R組件的失效判定問題，提出了一種基于歸一化和陣面單元加權(quán)的相對幅相中場測量方法，并研制了相應(yīng)的檢測系統(tǒng).實際測試結(jié)果表明，該系統(tǒng)充分利用雷達裝備自身資源，通過對T/R組件工作狀態(tài)的控制及各路T/R組件的順序切換，能夠快速完成多個T/R組件的收發(fā)幅相測試，具有測試過程安全、操作簡便、測試結(jié)果顯示直觀、對場地要求不高等優(yōu)點，實現(xiàn)了一種新的裝備伴隨式測試保障手段.

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