數(shù)字陣列天線遠場幅相測試的設計與實現(xiàn)

任鵬宇 王團結(jié) 朱思橋

(西安電子工程研究所 西安 710100)

0 引言

數(shù)字陣列天線是未來相控陣雷達的重要發(fā)展方向[1]，它是由大量數(shù)字收發(fā)子陣組成的有源天線前端，它將傳統(tǒng)的發(fā)射機和接收機集成在一個收發(fā)單元中，再將多個收發(fā)單元整合形成數(shù)字收發(fā)子陣，最終通過波束合成網(wǎng)絡形成整個天線陣列。數(shù)字陣列天線的組成結(jié)構(gòu)可由圖1進行描述。

圖1 數(shù)字陣列天線的組成

由圖1可以看出，數(shù)字陣列天線的應用需要與頻率綜合器和信號處理機共同完成[2]，頻率綜合器提供系統(tǒng)的本振信號、同步信號和時序信號，信號處理機負責完成每一個收發(fā)單元的參數(shù)控制以及接收信號數(shù)據(jù)的處理功能。數(shù)字陣列天線、頻率綜合器、信號處理機協(xié)同工作就形成了典型的數(shù)字相控陣雷達系統(tǒng)。

數(shù)字陣列天線的實現(xiàn)方式主要分為兩類，如圖2所示。一類是通過對模擬收發(fā)組件進行數(shù)字化采樣，產(chǎn)生接收數(shù)據(jù)；另一類則是直接采用數(shù)字收發(fā)器SOC完成收發(fā)功能。兩類實現(xiàn)方式的共同點是接收端輸出由模擬信號改變?yōu)椴蓸訑?shù)據(jù)。因此，數(shù)字陣列天線的遠場幅相測試需要針對其自身特點進行方法設計，對采樣數(shù)據(jù)進行分析計算，得到所需的測試結(jié)果。本文將著重針對數(shù)字收發(fā)器SOC實現(xiàn)的數(shù)字陣列天線的遠場幅相測試進行設計與實現(xiàn)。

圖2 數(shù)字陣列天線的實現(xiàn)方式

1 數(shù)字陣列天線遠場幅相測試方法設計

1.1 遠場幅相測試的基本原理

在數(shù)字陣列天線的實際應用過程中，每一個收發(fā)通道的遠場幅度和相位參數(shù)是十分重要的，它們直接影響到陣列天線合成波束的信號質(zhì)量[3]。在天線遠場對每一個收發(fā)通道的幅度和相位進行測量后，應用測量數(shù)據(jù)對整個天線陣列進行幅度加權(quán)和相位配平處理，才能得到實際應用所需的陣列天線合成波束。

遠場幅相測試分為發(fā)射和接收兩部分[4]，發(fā)射測試是在天線遠場位置通過幅相測量設備對數(shù)字陣列天線每一個通道發(fā)射信號的幅度和相位進行測量。接收測試是在天線遠場位置輻射一模擬回波信號，數(shù)字陣列天線接收該模擬回波信號，測量每一個通道接收到信號的幅度和相位。如圖3所示。

圖3 遠場幅相測試原理框圖[5]

分別進行發(fā)射和接收幅相測試，得到測量結(jié)果數(shù)據(jù)庫后，可以通過計算得到天線幅度和相位的賦型系數(shù)。對數(shù)字陣列天線每一個通道的收發(fā)器SOC進行數(shù)據(jù)賦型[6]操作，再通過對數(shù)字陣列發(fā)射和接收方向圖指標判斷賦型系數(shù)的正確性，最終完成數(shù)字陣列天線遠場幅相測試。

1.2 測試方法設計

根據(jù)數(shù)字陣列天線自身的特點以及其在相控陣雷達系統(tǒng)中應用的環(huán)境，遠場幅相的測試方法基于基本測試原理進行了部分優(yōu)化和改良。

對于發(fā)射測試而言，常見的方式是在天線遠場端使用頻譜分析儀[7]進行幅度測量，使用雙通道示波器進行相位測量。這樣的測試方式的優(yōu)勢在于原理簡單、可實現(xiàn)性強。但是同時也存在著一些問題，諸如設備應用量大、遠程信號同步困難、相位漂移問題難以解決等諸多問題。

因此，在進行發(fā)射測試方法設計時可以利用數(shù)字陣列天線自身具備的收發(fā)一體的功能，將發(fā)射信號直接進行回傳，通過自身的接收功能獲得信號數(shù)據(jù)，再通過計算得到信號的幅度和相位測量結(jié)果。

不過，由于相控陣雷達工作時，發(fā)射和接收工作是通過時分的方式完成，即在一個雷達CPI內(nèi)分配不同的時間段進行信號的發(fā)射和接收。雷達CPI工作原理如圖4所示。

圖4 雷達CPI時分工作原理

因此在信號回傳的過程中應在遠場端設置延時裝置，通過空間延時和延時裝置延時共同將送到收發(fā)端口的信號延時至接收時段，保證回傳信號接收正常。延時裝置的工作原理圖5所示。

圖5 延時裝置工作的原理

由圖4和圖5可以看出，要保證發(fā)射信號能夠正常接收，發(fā)射信號空間傳輸經(jīng)過延時裝置延時后回傳，應恰好落入雷達CPI的接收時段內(nèi)。

對于接收測試而言，常見的方式是在天線遠場端設置通用信號發(fā)生器，發(fā)射模擬回波信號，切換陣列天線每一個接收通道分別工作測量計算接收到信號的幅度和瞬時相位。這樣的方式主要存在的問題在于測試時間較長，信號相位漂移帶來的測試誤差會疊加進入相位測量結(jié)果[8]。

考慮到數(shù)字陣列天線具備全通道接收信號采樣和數(shù)據(jù)下傳的能力，因此在接收測試過程中采用全通道采樣數(shù)據(jù)記錄后處理的方式，通過對數(shù)據(jù)整體進行計算得到所有接收通道幅度和相位測量結(jié)果[9]。

1.3 幅度和相位測量的數(shù)據(jù)處理

根據(jù)章節(jié)1.2設計的測試方法，發(fā)射和接收幅相測試的最終結(jié)果都是通過對采樣數(shù)據(jù)的分析計算得到的，因此下面需要對采樣數(shù)據(jù)的分析計算過程進行詳細介紹。

從頻域看，數(shù)據(jù)的模體現(xiàn)信號的幅度，而實部和虛部構(gòu)成的矢量的夾角體現(xiàn)信號的相位。

如式(1)表示一個時域的連續(xù)信號。

S(t)=Acos(2πf0t+θ0)

(1)

其中：A表示信號的幅度，f0表示信號的頻率，θ0表示信號的相位。

以采樣率fs對信號進行采樣后可以得到

Ss(n)=Acos(2πf0nts+θ0),n=0,1,…,N-1

(2)

其中：ts為采樣時間間隔。

再對采樣后的信號進行N點FFT，可得信號的離散頻譜為

(3)

其中：k0為一整數(shù)，表示信號中心頻率與頻率分辨率之間的關系。

Sf(k)在k=k0處取得最大頻譜，則有

(4)

式(4)經(jīng)過整理計算即可以得到被測信號的幅度和相位，可表示為式(5)的形式。

S=Ae-jφ

(5)

其中：A表示被測信號的幅度，φ表示被測信號的相位[10]。

上述推導過程可以看出，任意一個連續(xù)波信號經(jīng)過采樣后，對采樣數(shù)據(jù)進行N點FFT處理，可以得到幅度和相位兩條頻域曲線數(shù)據(jù)。對幅度的頻域曲線進行選大處理，即找到連續(xù)波信號頻譜所在位置，在相位頻域曲線的對應位置即可得到信號的瞬時相位。

信號的幅度和相位計算過程中，需要注意兩個問題。一是根據(jù)采樣位數(shù)和采樣最大輸入電壓將采樣數(shù)據(jù)的單位轉(zhuǎn)化為電壓單位，這樣經(jīng)過FFT后的頻譜幅度才是實際工程應用所需的幅度。二是相位曲線數(shù)據(jù)是以弧度制表示的，必要時需要進行角度轉(zhuǎn)換，得到相位測量結(jié)果的角度信息。

2 數(shù)字陣列天線遠場幅相測試的工程實現(xiàn)

2.1 遠場幅相測試的硬件組成結(jié)構(gòu)

根據(jù)上文對測試方法的設計分析，結(jié)合工程實際[11]，數(shù)字陣列天線遠場幅相測試的硬件組成如圖6所示。

報名截止日期：2018年12月16日。聯(lián)系人：Antonio di Cristofano；聯(lián)系地址：Associazione Musicale "A.Scriabin"， Via Etiopia， 25， I-58100 Grosseto， Italy；電話：（+39）0564 - 491805， 334-6608436；傳真：（+39）0564 - 491805；郵箱：antoniodicristofano@gmail.com ；網(wǎng)址：http://www.premioscriabin.it/。

圖6 硬件組成結(jié)構(gòu)

從圖6可以看出，終端計算機負責整個測試過程中的控制和數(shù)據(jù)處理，其通過網(wǎng)線與信號處理機相連，通過UDP協(xié)議向信號處理機的DPS控制板發(fā)送控制指令，配置數(shù)字陣列天線的工作，同時從信號處理機獲得數(shù)字陣列天線各通道的下傳數(shù)據(jù)。另外，終端計算機還利用無線網(wǎng)橋同步控制遠場端的模擬回波信號源，進行工作頻率和發(fā)射功率的配置。

信號處理機與數(shù)字陣列天線以高速數(shù)據(jù)光纖相聯(lián)，負責傳遞控制指令，獲取每一個通道的采樣數(shù)據(jù)，并通過FPGA進行采樣數(shù)據(jù)的預處理。

遠場端的光纖延時器負責在發(fā)射測試時將數(shù)字陣列天線某一通道的輻射信號進行延時回傳，保證輻射信號能夠被接收通道正常接收。模擬回波信號源提供接收測試時的模擬回波信號。

2.2 測試邏輯及終端測試軟件的實現(xiàn)方式

整個測試流程通過終端測試軟件控制實現(xiàn)，分為發(fā)射測試和接收測試兩部分。

發(fā)射測試時選擇一個固定的接收通道進行信號接收，這樣可以保證每個發(fā)射通道在相同的接收鏈路下進行測試，并選擇其中一個發(fā)射通道作為參考通道，以消除信號相位漂移帶來的影響。

終端控制軟件控制數(shù)字陣列天線依次遍歷每一個發(fā)射通道進行信號輻射，并在每一個發(fā)射通道信號輻射后插入一個參考通道信號輻射，獲取每一次信號輻射后接收通道的采樣數(shù)據(jù)，并進行幅度和相位計算。軟件流程圖如圖7所示。

圖7 發(fā)射測試軟件流程圖

接收測試時模擬回波信號源輻射信號，數(shù)字陣列天線所有接收通道同時進行接收，并同時獲取采樣數(shù)據(jù)，通過數(shù)據(jù)計算得到每一個接收通道的幅度和相位測試結(jié)果。軟件流程圖[12]如圖8所示。

圖8 接收測試軟件流程圖

2.3 數(shù)據(jù)計算的算法實現(xiàn)

章節(jié)1.3中介紹了幅度和相位測試結(jié)果的數(shù)據(jù)處理方法，通過Labview軟件可以實現(xiàn)上述處理方法。

調(diào)用Labview軟件中的頻譜測量函數(shù)，在該函數(shù)的信號輸入端輸入經(jīng)預處理的采樣信號數(shù)組，通過函數(shù)運算就可以得到相應的幅度曲線和相位曲線。對幅度曲線通過最大值和最小值函數(shù)進行選大處理，就可以得到幅度曲線中信號的幅度測量結(jié)果和頻譜索引，再在相位曲線中索引對應位置的相位測量值，就可以得到相位測量結(jié)果。

如對于一個圖9所示的連續(xù)波信號，通過頻譜測量函數(shù)進行處理，得到如圖10和圖11所示的幅度曲線和相位曲線，對圖10的幅度曲線進行選大處理，得到信號的幅度結(jié)果，再利用信號頻譜的索引在圖11的相位曲線中獲取信號的相位結(jié)果。

圖9 連續(xù)波信號

圖10 幅度曲線

圖11 相位曲線

2.4 測試數(shù)據(jù)庫的建立

得益于數(shù)字陣列天線測試過程中，接收信號輸出和測量結(jié)果的高度數(shù)據(jù)化，可以在測試終端軟件的設計實現(xiàn)時建立測試數(shù)據(jù)庫，為未來測試優(yōu)化、問題排查、智能測試構(gòu)建提供大數(shù)據(jù)支持。

數(shù)據(jù)庫的數(shù)據(jù)存儲架構(gòu)如圖12所示。通過對遠場幅相測試的各類型數(shù)據(jù)的存儲記錄，積累大量的測試信息，可以利用大數(shù)據(jù)分析的手段得到諸如測試參數(shù)變化的測試結(jié)果的影響，信號質(zhì)量在不同頻率和幅度配置狀態(tài)下的特點，環(huán)境變化對測試結(jié)果的影響等眾多具有實際應用價值的數(shù)據(jù)分析結(jié)果。

圖12 數(shù)據(jù)存儲架構(gòu)

3 測試驗證結(jié)果分析

通過對實際數(shù)字陣列天線進行遠場測試驗證，得到某通道的幅度和相位多次測量結(jié)果如表1和表2所示。測試過程中每組測量結(jié)果的得出均間隔一定的時間，以便衡量測量的穩(wěn)定性。

表1 幅度測量結(jié)果

表2 相位測量結(jié)果

從測試驗證結(jié)果可以看出，幅度測量結(jié)果與相位測量結(jié)果在多次重復測量中穩(wěn)定性較高，可以滿足數(shù)字陣列天線實際測試的需求。

4 結(jié)束語

本文具體論述了數(shù)字陣列天線遠場幅相測試的基本原理，測試方法的設計，測試硬件的組成，基于Labview平臺的軟件邏輯和數(shù)據(jù)處理實現(xiàn)方法，并根據(jù)數(shù)字陣列天線數(shù)據(jù)化的特點設計了測試數(shù)據(jù)庫的實現(xiàn)架構(gòu)，無論對具體的測試過程實現(xiàn)還是對未來大數(shù)據(jù)分析的應用都有實際的借鑒意義和應用價值。