數(shù)字化相控陣天線遠(yuǎn)場(chǎng)測(cè)試系統(tǒng)設(shè)計(jì)

吳文超, 錢 陽*, 賈守波, 王鵬飛,孫階彪, 陳光緒

(1.上海無線電設(shè)備研究所，上海 201108；2.上海神添實(shí)業(yè)有限公司，上海 201108)

近年來，相控陣?yán)走_(dá)技術(shù)逐步在眾多科技研究領(lǐng)域表現(xiàn)出旺盛的生命力，并已經(jīng)廣泛應(yīng)用到軍用和民用領(lǐng)域，同時(shí)，數(shù)字技術(shù)也取得了迅猛的發(fā)展，數(shù)字相控陣天線逐漸成為主流軍用雷達(dá)關(guān)鍵組件。數(shù)字相控陣天線因其具備高搜索速率、高多普勒分辨率和角分辨率、高抗干擾能力和同時(shí)多功能等優(yōu)勢(shì)，正在成為相控陣?yán)走_(dá)的一個(gè)新的發(fā)展方向[1]。

目前，數(shù)字相控陣天線測(cè)試通常在暗室中進(jìn)行，通過矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀進(jìn)行方向圖測(cè)試[2-3]，以獲取天線的真實(shí)性能。傳統(tǒng)數(shù)字相控陣天線測(cè)試系統(tǒng)采用非標(biāo)轉(zhuǎn)臺(tái)等專用機(jī)構(gòu)，測(cè)試過程一般為半自動(dòng)測(cè)試，需要人工干預(yù)，并且測(cè)試軟件系統(tǒng)功能相對(duì)簡(jiǎn)單，面對(duì)數(shù)字化相控陣天線的大量測(cè)試任務(wù)，測(cè)試效率不足已開始阻礙相控陣天線研制與應(yīng)用進(jìn)程。

相控陣天線測(cè)試需要天線在輻射范圍中完成一次運(yùn)動(dòng)過程和儀器儀表數(shù)據(jù)采集過程，運(yùn)動(dòng)過程耗時(shí)長(zhǎng)，較大程度地制約了相控陣天線測(cè)試速度。相控陣天線測(cè)試效率的提升，關(guān)鍵在于實(shí)現(xiàn)多通道、多波束[4]測(cè)試以及高效的數(shù)據(jù)傳輸、處理過程[5]，行業(yè)內(nèi)也在不斷研究[6-8]。例如，袁婕[9]、王耀華[10]基于一種層次架構(gòu)模塊化系統(tǒng)，提出了多任務(wù)測(cè)試功能實(shí)現(xiàn)多個(gè)頻率與波束的測(cè)試，但未對(duì)測(cè)試時(shí)序控制進(jìn)行優(yōu)化研究，并且系統(tǒng)不包含測(cè)試時(shí)外圍其他模塊的控制，實(shí)際使用時(shí)仍顯不足。

提出了一種新型數(shù)字化相控陣天線遠(yuǎn)場(chǎng)測(cè)試系統(tǒng)，介紹了相控陣天線的測(cè)試系統(tǒng)搭建、測(cè)試系統(tǒng)設(shè)計(jì)、測(cè)試方法和時(shí)序設(shè)計(jì)，對(duì)測(cè)試系統(tǒng)軟硬件技術(shù)方案進(jìn)行了詳細(xì)論述。軟件系統(tǒng)是測(cè)試系統(tǒng)的關(guān)鍵部分，整個(gè)測(cè)試系統(tǒng)被劃分為總控模塊和子模塊，子模塊可獨(dú)立運(yùn)行，通過數(shù)據(jù)流與總控模塊進(jìn)行通信進(jìn)而實(shí)現(xiàn)控制，測(cè)試過程中模塊間的調(diào)用關(guān)系通過配置文件定義。系統(tǒng)具有完整的全自動(dòng)化測(cè)試功能，并且測(cè)試過程可通過配置文件進(jìn)行靈活拓展，具有較好的通用性。通過對(duì)測(cè)試系統(tǒng)的實(shí)測(cè)驗(yàn)證表明，本系統(tǒng)能夠較大程度地提高測(cè)試效率，對(duì)相控陣天線的研制和應(yīng)用具有較大的實(shí)際意義。

1 測(cè)試系統(tǒng)構(gòu)成

測(cè)試系統(tǒng)布局如圖1所示，空間分布有射頻子系統(tǒng)、供電子系統(tǒng)、機(jī)械子系統(tǒng)、散熱子系統(tǒng)和測(cè)試控制軟件系統(tǒng)。數(shù)字化相控陣天線是一種有源相控陣天線，對(duì)于有源相控陣天線測(cè)試，為了避免相控陣天線TR組件中低噪放工作于飽和狀態(tài)，即要求處于線性工作狀態(tài)，通過調(diào)整矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀的輸出功率，使得系統(tǒng)信噪比達(dá)到預(yù)期要求。另外，為了相控陣天線姿態(tài)控制更加靈活并保證足夠的精度，采用六軸工業(yè)機(jī)器人作為輔助相控陣天線運(yùn)動(dòng)的轉(zhuǎn)臺(tái)。

圖1 天線測(cè)試系統(tǒng)布局示意圖

常用的天線測(cè)試方法有遠(yuǎn)場(chǎng)測(cè)試、近場(chǎng)測(cè)試和緊縮場(chǎng)測(cè)試等[11]。論述的數(shù)字化相控陣天線測(cè)試系統(tǒng)工作在分米波段，這使得遠(yuǎn)場(chǎng)方向圖測(cè)試可在暗室中進(jìn)行，不受外界環(huán)境的電磁干擾，而且可以全天候工作，不受天氣的影響。

圖2是測(cè)試系統(tǒng)布局模型示意圖。在進(jìn)行接收信號(hào)測(cè)量時(shí)，為了保證接收(TR)組件的飽和工作狀態(tài)，需要調(diào)整信號(hào)強(qiáng)度，將在矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀信號(hào)源輸出端接入功率放大器，保證掃描架喇叭探頭處的輻射信號(hào)的電平值滿足要求；在進(jìn)行發(fā)射信號(hào)測(cè)量時(shí)，為了保證相控陣天線發(fā)射(TR)組件的飽和工作狀態(tài)，將在矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀信號(hào)源輸出端接入功率放大器。注意，為了保證器件、儀表不受損壞，矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀接收端以及天線發(fā)射端要按需決定是否接入衰減器。

圖2 測(cè)試系統(tǒng)布局模型示意圖

相控陣天線測(cè)試系統(tǒng)硬件框圖如圖3所示，系統(tǒng)主要包括測(cè)試工控機(jī)、矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀、功率放大器、水冷機(jī)、機(jī)器人、掃描架、供電電源、串口服務(wù)器、網(wǎng)絡(luò)交換機(jī)等設(shè)備。

圖3 系統(tǒng)硬件框圖

2 測(cè)試系統(tǒng)設(shè)計(jì)

在實(shí)際的相控陣天線遠(yuǎn)場(chǎng)測(cè)試過程中，天線的測(cè)試工藝流程非常復(fù)雜，測(cè)試任務(wù)量也極其巨大。往往需要對(duì)天線在不同收發(fā)狀態(tài)下，測(cè)試多個(gè)頻率點(diǎn)、多個(gè)波束的方向圖。普通的遠(yuǎn)場(chǎng)測(cè)試系統(tǒng)無法滿足工程化的測(cè)試需求，必須使用可以對(duì)天線同時(shí)進(jìn)行多頻點(diǎn)、多波束方向圖測(cè)試的相控陣天線多任務(wù)測(cè)試系統(tǒng)[9]。多任務(wù)天線測(cè)試系統(tǒng)的硬件組成更加復(fù)雜，軟件功能更加強(qiáng)大，通用化程度也更高。

2.1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

所謂多任務(wù)測(cè)試系統(tǒng)，是指機(jī)器人帶動(dòng)相控陣天線陣面單次掃描預(yù)定的方向圖角度區(qū)間的過程中，可以測(cè)試多個(gè)頻率點(diǎn)、多個(gè)波束、多個(gè)加權(quán)、多個(gè)通道的天線方向圖。因此，本測(cè)試系統(tǒng)必須實(shí)現(xiàn)相控陣天線陣面移動(dòng)、狀態(tài)切換和測(cè)試數(shù)據(jù)采集的實(shí)時(shí)同步控制。在進(jìn)行測(cè)試前，測(cè)試人員將天線需要測(cè)試的所有頻率點(diǎn)、波束指向等測(cè)試任務(wù)信息在測(cè)試系統(tǒng)界面進(jìn)行設(shè)置，測(cè)試開始后，機(jī)械臂每到一個(gè)測(cè)試點(diǎn)，依次控制天線波控模塊切換狀態(tài)并對(duì)矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀進(jìn)行觸發(fā)采集，并不斷循環(huán)直到該點(diǎn)位處天線所有狀態(tài)的數(shù)據(jù)都采集完畢，最后通過測(cè)試系統(tǒng)處理后實(shí)時(shí)顯示測(cè)試過程不同狀態(tài)時(shí)的方向圖。

2.2 軟件設(shè)計(jì)

數(shù)字化相控陣天線測(cè)試系統(tǒng)軟件作為整個(gè)測(cè)試系統(tǒng)所有任務(wù)功能的最終體現(xiàn)，是整個(gè)測(cè)試系統(tǒng)開發(fā)的關(guān)鍵。系統(tǒng)軟件架構(gòu)如圖4所示。設(shè)計(jì)上將測(cè)試系統(tǒng)切分為若干可獨(dú)立運(yùn)行的子模塊，以便于子模塊同步運(yùn)行執(zhí)行任務(wù)，同時(shí)方便調(diào)試開發(fā)和拓展。子模塊由業(yè)務(wù)調(diào)度模塊統(tǒng)一管理，最后由測(cè)試系統(tǒng)主控模塊進(jìn)行數(shù)據(jù)和指令的輸入輸出。

圖4 軟件設(shè)計(jì)架構(gòu)圖

系統(tǒng)由主控模塊、業(yè)務(wù)調(diào)度模塊、機(jī)器人模塊、矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀模塊、波控模塊、電源模塊、水冷機(jī)模塊、文件模塊等組成。主控模塊負(fù)責(zé)信息輸入和輸出功能，業(yè)務(wù)調(diào)度模塊負(fù)責(zé)接收主控模塊指令，根據(jù)流程配置表以及參數(shù)配置表生成子模塊調(diào)度隊(duì)列調(diào)用子模塊執(zhí)行功能。子模塊有機(jī)器人模塊、矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀模塊、波控模塊、電源模塊、掃描架模塊、水冷模塊和文件模塊。機(jī)器人模塊負(fù)責(zé)機(jī)器人控制和機(jī)器人狀態(tài)獲取、矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀模塊負(fù)責(zé)設(shè)置矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀參數(shù)、觸發(fā)和讀取矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀的測(cè)量數(shù)據(jù)，波控模塊負(fù)責(zé)控制相控陣天線完成信號(hào)狀態(tài)切換，電源模塊負(fù)責(zé)供電電源參數(shù)設(shè)定和狀態(tài)監(jiān)控，掃描架模塊負(fù)責(zé)掃描架運(yùn)動(dòng)控制和狀態(tài)讀取，水冷模塊負(fù)責(zé)水冷機(jī)參數(shù)設(shè)置、控制和狀態(tài)監(jiān)控，文件模塊負(fù)責(zé)配置文件的讀取、保存以及測(cè)試數(shù)據(jù)的保存。軟件交互界面如圖5所示。

圖5 軟件交互界面

圖5中，軟件交互界面共包含9個(gè)區(qū)域：① 快捷操作及監(jiān)測(cè)區(qū)；② 子模塊界面操作區(qū)；③ 測(cè)試參數(shù)設(shè)置區(qū)；④ 測(cè)試數(shù)據(jù)顯示選擇區(qū)；⑤ 測(cè)試數(shù)據(jù)顯示區(qū)；⑥ 測(cè)試點(diǎn)位置耗時(shí)顯示區(qū)；⑦ 測(cè)試操作區(qū)；⑧ 系統(tǒng)狀態(tài)欄顯示區(qū)；⑨ 用戶登錄區(qū)。

3 測(cè)試方法

以暗室遠(yuǎn)場(chǎng)測(cè)試為例，給出相控陣天線方向圖的測(cè)試方法。數(shù)字化相控陣天線測(cè)試系統(tǒng)通過發(fā)送波控指令信號(hào)，控制相控陣天線的工作狀態(tài)，測(cè)試過程中控制機(jī)器人和掃描架的運(yùn)動(dòng)，再由矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀進(jìn)行測(cè)試所用到的信號(hào)發(fā)生和測(cè)試數(shù)據(jù)的采集，并得到相控陣天線信號(hào)的方向圖測(cè)試結(jié)果。

3.1 發(fā)射方向圖測(cè)試

在遠(yuǎn)場(chǎng)對(duì)相控陣天線進(jìn)行發(fā)射方向圖測(cè)試時(shí)，相控陣天線處于發(fā)射狀態(tài)。測(cè)試過程中，源信號(hào)由矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀產(chǎn)生，經(jīng)過功率放大器放大后，輸送到天線以準(zhǔn)備進(jìn)行發(fā)射，信號(hào)經(jīng)過空間傳播后通過探頭進(jìn)行接收，再經(jīng)由衰減器衰減后接入矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀進(jìn)行采集。測(cè)試系統(tǒng)控制機(jī)器人和掃描架探頭移動(dòng)到每個(gè)測(cè)試位置，通過天線的波控模塊間接控制天線發(fā)送信號(hào)的方位角、俯仰角以及信號(hào)頻率和天線模式，并對(duì)矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀采集到的信號(hào)進(jìn)行讀取和記錄，最終得到天線的發(fā)射方向圖。

3.2 接收方向圖測(cè)試

在對(duì)天線進(jìn)行接收方向圖測(cè)試時(shí)，相控陣天線處于接收狀態(tài)，探頭處于發(fā)射態(tài)。在每個(gè)測(cè)試位置，測(cè)試探頭將微波信號(hào)向天線陣面輻射。相控陣天線接收信號(hào)后通過同軸電纜送給矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀。測(cè)試過程中，控制系統(tǒng)控制機(jī)器人以及掃描架探頭移動(dòng)到每個(gè)測(cè)試位置，通過相控陣天線波控模塊控制天線接收信號(hào)的方位角、俯仰角以及信號(hào)頻率和天線模式，并對(duì)矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀采集到的信號(hào)進(jìn)行讀取和記錄，最終得到天線的接收方向圖。

3.3 具體測(cè)試步驟

相控陣天線的發(fā)射測(cè)試和接收測(cè)試具有相同的流程，其測(cè)試方法的差異主要在信號(hào)回路連接和波控指令上。發(fā)射和接收方向圖的測(cè)試流程相同，如圖6所示。

圖6 發(fā)射/接收方向圖測(cè)試流程圖

3.4 測(cè)試時(shí)序設(shè)計(jì)

測(cè)試效率是本系統(tǒng)的一個(gè)關(guān)鍵指標(biāo)，系統(tǒng)在測(cè)試時(shí)應(yīng)該在滿足測(cè)試要求的前提下盡可能將子設(shè)備的動(dòng)作時(shí)間進(jìn)行重疊，以7波位單頻點(diǎn)測(cè)試為例，時(shí)序圖設(shè)計(jì)如圖7所示?？梢暂^大程度地節(jié)省機(jī)器人坐標(biāo)發(fā)送時(shí)間和波控指令的執(zhí)行時(shí)間，以達(dá)到提高測(cè)試系統(tǒng)效率的目的。

圖7 時(shí)序圖設(shè)計(jì)

測(cè)試開始后，系統(tǒng)執(zhí)行機(jī)器人坐標(biāo)發(fā)送，并控制機(jī)器人運(yùn)動(dòng)到測(cè)試需要的位置，機(jī)器人運(yùn)動(dòng)到位后，系統(tǒng)執(zhí)行波控指令，并在波控指令執(zhí)行完成后將矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀進(jìn)行觸發(fā)，觸發(fā)完成后隨即執(zhí)行下一次波控指令。在機(jī)器人運(yùn)動(dòng)到位后，系統(tǒng)會(huì)同時(shí)將下一次測(cè)試需要的位置發(fā)送給機(jī)器人，以節(jié)省下一次機(jī)器人運(yùn)動(dòng)前發(fā)送坐標(biāo)期間的等待時(shí)間；在矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀觸發(fā)完成后，由于矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀已經(jīng)得到了測(cè)試數(shù)據(jù)，其后進(jìn)行波控指令執(zhí)行不會(huì)影響已有測(cè)試結(jié)果，因此在系統(tǒng)從矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀中采集數(shù)據(jù)的過程中，同時(shí)執(zhí)行下一次波控指令，以節(jié)省下一次矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀觸發(fā)前波控指令的執(zhí)行時(shí)間。

4 測(cè)試結(jié)果與分析

數(shù)字相控陣天線的工作頻率范圍通常比普通模擬相控陣天線寬很多，其方向圖測(cè)試任務(wù)量也往往數(shù)倍于普通天線。因此，多任務(wù)測(cè)試系統(tǒng)的應(yīng)用更加具有實(shí)用意義。經(jīng)過大量實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證可以發(fā)現(xiàn)，數(shù)字化相控陣天線測(cè)試系統(tǒng)能夠保證近似的測(cè)試精度，并且大范圍提高當(dāng)前相控陣天線測(cè)試效率。

4.1 重復(fù)測(cè)試精度

通過對(duì)某型號(hào)相控陣天線實(shí)際測(cè)試為例進(jìn)行分析，對(duì)相控陣天線進(jìn)行了測(cè)試對(duì)比，取多個(gè)方位波束角、單頻點(diǎn)進(jìn)行測(cè)試，其中3次結(jié)果的對(duì)比如圖8所示。

圖8 測(cè)試重復(fù)性對(duì)比

由圖8中的比對(duì)數(shù)據(jù)可以確認(rèn)，測(cè)試系統(tǒng)方向圖重復(fù)測(cè)試3 dB波束帶寬最大差異約為1.2%，副瓣抑制最大差異約為1.5%，測(cè)試精度基本一致。

4.2 測(cè)試效率

通過對(duì)某型號(hào)相控陣天線實(shí)際測(cè)試為例進(jìn)行分析。相比于市場(chǎng)上已有的同類方案，在不同的測(cè)試參數(shù)下，效率均有較大提升，最大為60%。具體數(shù)據(jù)如表1所示。

表1 相控陣天線測(cè)試系統(tǒng)測(cè)試效率對(duì)比

5 結(jié)束語

本文論述的數(shù)字化相控陣天線測(cè)試系統(tǒng)集成方案和天線測(cè)試方法經(jīng)過了多個(gè)型號(hào)、不同頻段的數(shù)字式相控陣天線實(shí)際測(cè)試的應(yīng)用，結(jié)果表明天線的測(cè)試效率和精度滿足相控陣天線的測(cè)試要求。這種新型數(shù)字化相控陣天線測(cè)試系統(tǒng)測(cè)試精度較好，有效提升了天線的測(cè)試效率，能夠推動(dòng)相控陣天線的研制與應(yīng)用進(jìn)程。