數(shù)字化相控陣天線測試方法及測試系統(tǒng)設(shè)計(jì)研究

周鋒　衛(wèi)學(xué)新　丁迪

摘??要：近年來，隨著計(jì)算機(jī)信息技術(shù)、電子科技的發(fā)展與應(yīng)用，促進(jìn)了相控陣天線系統(tǒng)的發(fā)展。數(shù)字化相控陣天線具有高分辨率、抗干擾性好、搜索速度快、可靠性高等優(yōu)點(diǎn)，廣泛應(yīng)用在相控陣?yán)走_(dá)工作中，可以實(shí)現(xiàn)多功能雷達(dá)探測工作。本文主要闡述了數(shù)字化相控陣天線的發(fā)射方向圖測試和接受方向圖測試兩種方法，并基于數(shù)字化相控陣天線工作需求，設(shè)計(jì)一種數(shù)字化相控陣天線多任務(wù)測試系統(tǒng)，可以滿足大型數(shù)字化相控陣天線測試的需求，提高測試效率。

關(guān)鍵詞：數(shù)字化相控天線;測試方法;測試系統(tǒng)設(shè)計(jì)

引言

雷達(dá)設(shè)備具有全天候、全天時(shí)，且不受到自然環(huán)境影響的優(yōu)勢，成為全天候進(jìn)行探測的設(shè)備之一，因此成為軍事領(lǐng)域、資源探測、環(huán)境檢測、氣象預(yù)報(bào)以及科學(xué)研究等領(lǐng)域必不可少的電子設(shè)備。然而隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，現(xiàn)代雷達(dá)設(shè)備的電磁環(huán)境越來越復(fù)雜，在工作時(shí)受到有源/無源電磁干擾、反輻射武器以及隱身目標(biāo)等工作需求，對雷達(dá)設(shè)備提出了更高的要求。線控陣天線可以改變雷達(dá)波速方向，通過電子方式控制波束，提高了雷達(dá)探測準(zhǔn)確性。數(shù)字化相控陣天線的上行鏈路微波激勵(lì)源來自于自身的DDS移相，并通過中頻采樣將下行鏈路的光信號發(fā)射到目標(biāo)，導(dǎo)致數(shù)字陣天線發(fā)射方向圖失去同頻率的參考基準(zhǔn)，導(dǎo)致接受方向圖測試儀失去了作用。因此，需要設(shè)計(jì)新的測試系統(tǒng)，滿足數(shù)字化相控陣天線工作需求。

1.數(shù)字化相控陣天線測試方法

相控陣天線是通過控制陣列天線輻射單元中的饋電相位改變雷達(dá)探測方向圖形狀的天線，通過相位就可以改變天線方向圖的指向，從而完成波速掃描的探測對象的目的。數(shù)字化相控陣天線通過電子方式進(jìn)行采樣、處理信號形成波速，相控陣天線發(fā)射與接收波速全部采用數(shù)字化T/R組件，它將發(fā)射機(jī)、接收機(jī)、激勵(lì)器以及信號采集器集成一個(gè)完整的數(shù)字發(fā)射機(jī)和接收機(jī)分系統(tǒng)。雷達(dá)發(fā)射信號時(shí)，數(shù)字層DA產(chǎn)生調(diào)頻信號，并經(jīng)過兩級混頻，上變頻轉(zhuǎn)化為帶寬所需的射頻信號，并通過激勵(lì)器進(jìn)行放大信號，實(shí)現(xiàn)移相放大后進(jìn)入到輻射單元進(jìn)行輻射[1]。接受信號器通過T/R組件將接收通道的信號進(jìn)行處理，移相衰減后進(jìn)入到下變頻通道，并經(jīng)過A/D進(jìn)行數(shù)字采樣，形成數(shù)字信號發(fā)送到DBF模塊。根據(jù)數(shù)字化相控陣天線的工作原理，可以看出相控陣天線的信號發(fā)射器和接受器沒有形成完整且同頻的射頻信號閉環(huán)回路，所以射頻儀器無法測試天線的性能。所以，數(shù)字化相控陣天線測試系統(tǒng)無法利用矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀進(jìn)行測試，而是通過數(shù)字T/R組件進(jìn)行閉環(huán)測試。目前數(shù)字化相控陣天線測試方法主要有發(fā)射方向圖測試和接收方向圖測試兩種。

1.1發(fā)射方向圖測試

數(shù)字化相控陣天線發(fā)射方向圖測試時(shí)，整個(gè)天線陣處于發(fā)射狀態(tài)，測試計(jì)算機(jī)掃描件探頭移動(dòng)測試每一個(gè)位置的數(shù)據(jù)，接受陣面輻射發(fā)出的額微波信號，并將信號發(fā)射到監(jiān)測組件。監(jiān)控組件本質(zhì)是一個(gè)數(shù)字化的T/R組件，不僅可以對接收到的數(shù)字微波信號進(jìn)行采集，而且還可以通過綜合數(shù)字技術(shù)合成發(fā)射微波信號[2]。同時(shí)還可以輸出測試專用的數(shù)字信號，并通過光纖網(wǎng)絡(luò)發(fā)送到天線數(shù)據(jù)記錄儀。記錄儀將測試到的數(shù)據(jù)信息與參考信號數(shù)據(jù)進(jìn)行對比，從而計(jì)算出探頭移動(dòng)測試到的每一個(gè)位置采集的微波信號頻率、幅度以及相位。掃描設(shè)備完成天線陣面各個(gè)測試點(diǎn)的測試后，將測試陣面相位數(shù)合成矩陣，最后通過方向圖軟件得出天線的放射方向圖。

1.2接收方向圖測試

接收方向圖測試方法與發(fā)射方向圖測試方法的區(qū)別在于監(jiān)測組件的收發(fā)狀態(tài)和DBF技術(shù)的介入。數(shù)字化相控陣天線接收方向圖測試過程中，天線陣面全部呈現(xiàn)接收狀態(tài)，監(jiān)測組件呈現(xiàn)發(fā)射狀態(tài)。雷達(dá)探頭在每一個(gè)測試位置上將監(jiān)測組件發(fā)射的微波信號輻射到天線陣面，天線陣面接收的探測信號必須經(jīng)過數(shù)字T/R組件的數(shù)字化采集并傳輸?shù)紻BF發(fā)射通道，綜合數(shù)字技術(shù)根據(jù)發(fā)射信號的要求，對采集數(shù)據(jù)信息幅度、相位進(jìn)行加權(quán)，產(chǎn)生所需的頻率、帶寬滿足雷達(dá)工作所需的調(diào)制信號，再通過上變頻器進(jìn)行數(shù)據(jù)交換達(dá)到雷達(dá)所需的射頻波段，并對波束進(jìn)行合成[3]。數(shù)字波束合成信號和監(jiān)測組件發(fā)送的參考信號利用光線通信系統(tǒng)傳輸?shù)綌?shù)據(jù)記錄儀，記錄儀將測試得到的數(shù)據(jù)信息與參考信號數(shù)據(jù)進(jìn)行對比，從而計(jì)算出探頭移動(dòng)測試到的每一個(gè)位置采集的微波信號頻率、幅度以及相位。掃描設(shè)備完成天線陣面各個(gè)測試點(diǎn)的測試后，將測試陣面相位數(shù)合成矩陣，最后通過方向圖軟件得出天線的接收方向圖。

2.數(shù)字化相控陣天線多任務(wù)測試系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案

數(shù)字化相控陣天線的工作頻率范圍比普通相控陣更廣、測試任務(wù)量多、流程復(fù)雜，往往需要測試數(shù)百個(gè)頻率點(diǎn)，普通的近場天線測試系統(tǒng)無法滿足數(shù)字化相控陣天線測試系統(tǒng)的工作要求，因此需要建立多任務(wù)測試系統(tǒng)，滿足數(shù)字化相控陣天線工作需求。

2.1硬件設(shè)計(jì)

鑒于數(shù)字化相控陣天線多任務(wù)測試系統(tǒng)的硬件設(shè)備包括計(jì)算機(jī)、綜合頻率源、控制模塊、數(shù)據(jù)記錄模塊、測試模塊、交換機(jī)、功率放大器、上變頻器、下變頻器、DDS中間件、限幅器、收發(fā)開關(guān)、數(shù)字接收器、數(shù)字發(fā)射器、光纖電纜、光纖轉(zhuǎn)接盒等硬件設(shè)備。其中控制模塊是整個(gè)多功能測試系統(tǒng)的關(guān)鍵，多任務(wù)測試系統(tǒng)的雷達(dá)探測頭可以單次掃描測試多個(gè)頻率點(diǎn)、多個(gè)波束、多個(gè)通道的天線方向圖[4]。所以，掃描探頭、陣面狀態(tài)切換以及數(shù)字化采集需要同步控制。利用任務(wù)控制模塊，在測試前，將天線測試的所有頻率點(diǎn)、波束指向等相關(guān)數(shù)據(jù)信息預(yù)存到控制模塊進(jìn)行緩存，測試時(shí)可以按照緩存的數(shù)據(jù)掃描制定的測試點(diǎn)，合成數(shù)字光束，提高測試的效率和速度。

2.2軟件設(shè)計(jì)

軟件系統(tǒng)是整個(gè)數(shù)字化相控陣測試系統(tǒng)的關(guān)鍵，數(shù)字化相控陣多任務(wù)測試系統(tǒng)需要為用戶提供一個(gè)可操作的人機(jī)界面，不僅可以完成多任務(wù)測試任務(wù)，而且還具備全陣面監(jiān)測功能，將方向圖測試結(jié)果以多維度、多角度、多層次可視化方式展現(xiàn)出來。多任務(wù)測試系統(tǒng)軟件包括服務(wù)模塊、控制模塊、數(shù)據(jù)模塊、執(zhí)行模塊、硬件驅(qū)動(dòng)程序等。服務(wù)模塊是將相控陣天線測試數(shù)據(jù)進(jìn)行處理、顯示與管理;控制模塊是對整個(gè)數(shù)字化相控陣天線系統(tǒng)進(jìn)行控制，按照預(yù)設(shè)的測量要求進(jìn)行工作;數(shù)據(jù)模塊是將所有測試系統(tǒng)采集的數(shù)據(jù)信息進(jìn)行存儲(chǔ)、分析與管理;執(zhí)行模塊是根據(jù)測試任務(wù)的需求，按照用戶的測試意圖自動(dòng)生成一系列測試任務(wù)，并進(jìn)行智能分配和精準(zhǔn)調(diào)度，讓多任務(wù)天線測試系統(tǒng)的硬件設(shè)備與被測目標(biāo)進(jìn)行協(xié)調(diào)控制[5]。在執(zhí)行模塊的調(diào)度下，硬件驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)訪問各個(gè)控制模塊和數(shù)據(jù)模塊的信息，從而達(dá)到快速采集、記錄、分析、計(jì)算以及評估天線測量數(shù)據(jù)信息。采用多任務(wù)測試系統(tǒng)，掃描探頭一次可以完成多個(gè)頻率點(diǎn)下多個(gè)波束以及多個(gè)方向圖的測試，并與單任務(wù)測試系統(tǒng)的精度、準(zhǔn)確度保持一致。

結(jié)束語

數(shù)字化相控陣多任務(wù)測試系統(tǒng)不僅解決了數(shù)字化相控陣天線測試系統(tǒng)無法利用網(wǎng)絡(luò)矢量分析儀進(jìn)行計(jì)算的難題，而且極大地提升了相控陣天線的測試效率。經(jīng)過實(shí)驗(yàn)證明，多任務(wù)測試系統(tǒng)的精度與單任務(wù)測試系統(tǒng)的精度基本保持一致。

參考文獻(xiàn)

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