寬帶多通道陣列饋電系統(tǒng)設(shè)計(jì)與仿真研究?

羅 杰 孔令峰 張坤峰

（中國(guó)船舶集團(tuán)有限公司第七二三研究所 揚(yáng)州 225101）

1 引言

內(nèi)場(chǎng)輻射式射頻仿真試驗(yàn)系統(tǒng)是雷達(dá)裝備、電子戰(zhàn)裝備、導(dǎo)彈武器系統(tǒng)研制試驗(yàn)的重要試驗(yàn)設(shè)施，為裝備研制試驗(yàn)研制構(gòu)建了一個(gè)集雷達(dá)輻射源、雷達(dá)目標(biāo)回波、電子干擾、背景環(huán)境與一體的密集、復(fù)雜、逼真、動(dòng)態(tài)、可控、可知的空間電磁信號(hào)環(huán)境［1］，通常是在一個(gè)能模擬電磁波自由傳播空間的暗室內(nèi)進(jìn)行［2］，屬于復(fù)雜的半實(shí)物仿真系統(tǒng)［3］，因其具有很高的控制精度和實(shí)時(shí)性，可以仿真多頻段、多制式、多目標(biāo)和各種干擾信號(hào)等，得到了廣泛應(yīng)用［4］。決定一套射頻陣列仿真系統(tǒng)性能優(yōu)劣的重要指標(biāo)就是模擬目標(biāo)的位置精度［5］，目標(biāo)位置精度是射頻仿真試驗(yàn)系統(tǒng)的關(guān)鍵指標(biāo)，因此，射頻仿真試驗(yàn)系統(tǒng)精度是以目標(biāo)位置精度來表示的［6］。陣列饋電系統(tǒng)的饋電通道的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)是保證射頻仿真試驗(yàn)系統(tǒng)目標(biāo)位置精度的重中之重，其主要任務(wù)是在自由空間內(nèi)模擬目標(biāo)與被試裝備視在角位置及其運(yùn)動(dòng)軌跡，直接決定著整個(gè)系統(tǒng)目標(biāo)位置模擬的精度。本文針對(duì)寬帶多通道陣列饋電系統(tǒng)，介紹了其系統(tǒng)組成、工作原理、饋電通道設(shè)計(jì)、器件選型，通過SystemVue2015 建立了寬帶陣列饋電系統(tǒng)目標(biāo)饋電通道鏈路仿真模型，結(jié)合器件性能指標(biāo)進(jìn)行了仿真驗(yàn)證。

2 陣列饋電系統(tǒng)

陣列饋電系統(tǒng)是內(nèi)場(chǎng)輻射式射頻仿真試驗(yàn)系統(tǒng)的關(guān)鍵系統(tǒng)，寬帶多通道陣列饋電系統(tǒng)主要由寬帶精位控制組合、寬帶粗位控制組合、寬帶信號(hào)合成及末級(jí)功放組合、寬帶陣列天線等組成，其組成原理如圖1所示。

圖1 陣列饋電系統(tǒng)組成原理

陣列饋電系統(tǒng)采用三元組工作方式，實(shí)現(xiàn)雷達(dá)目標(biāo)回波信號(hào)相對(duì)被試設(shè)備的空間目標(biāo)角位置運(yùn)動(dòng)。其中，精位控制組合是由放大器、衰減器、功分器、移相器等微波有源和無源器件組成的三支路幅相控制組合，通過對(duì)精位控制組合三個(gè)支路中的移相器和衰減器的控制，實(shí)現(xiàn)射頻信號(hào)等效輻射中心在三元組內(nèi)的精確位置運(yùn)動(dòng)來實(shí)現(xiàn)微波目標(biāo)角位置空間運(yùn)動(dòng)。粗位控制組合是由多路微波開關(guān)組成的開關(guān)矩陣，主要是選擇射頻信號(hào)位置所在的三元組天線。信號(hào)合成及末級(jí)功放組合主要由多路合成器、末級(jí)功放、極化開關(guān)等組成，主要是對(duì)多個(gè)通道輸出目標(biāo)信號(hào)進(jìn)行信號(hào)合成、功率放大，并對(duì)陣列天線輻射單元的極化進(jìn)行選擇。陣列天線是由寬帶雙極化喇叭天線組成的天線陣列，為系統(tǒng)提供寬帶三元組陣列天線。

3 系統(tǒng)運(yùn)行原理

早在20 世紀(jì)70 年代，美國(guó)波音公司提出了沿用至今的角閃爍方程（幅度重心公式），為射頻仿真系統(tǒng)的發(fā)展奠定了基礎(chǔ)［7］，角閃爍方程（幅度重心公式）是陣列饋電系統(tǒng)工作原理的核心。在實(shí)際工程應(yīng)用中，射頻仿真試驗(yàn)系統(tǒng)一般采用控制射頻仿真系統(tǒng)天線陣列三元組模擬目標(biāo)在空間相對(duì)被試設(shè)備的運(yùn)動(dòng)軌跡［8］。寬帶多通道陣列饋電系統(tǒng)工作原理的主要理論基礎(chǔ)就是角閃爍方程（幅度重心公式），主要工作過程包括精位控制和粗位控制兩部分。目標(biāo)位置在空間的運(yùn)動(dòng)特性等效通過陣列輻射單元上的多個(gè)三元組天線進(jìn)行輻射模擬，三元組天線輻射中心位置通過控制三個(gè)天線輻射信號(hào)的相對(duì)幅度和相對(duì)相位來控制，而輻射中心從一個(gè)三元組運(yùn)動(dòng)到另一個(gè)三元組則借助于開關(guān)來實(shí)現(xiàn)［9］。

3.1 精位控制原理

目標(biāo)信號(hào)輻射中心在三元組內(nèi)的位置是通過控制三元組的三個(gè)輻射天線輻射信號(hào)的相對(duì)幅度來控制的，這種控制方式可以控制信號(hào)的目標(biāo)信號(hào)輻射中心在三元組內(nèi)的相對(duì)位置移動(dòng)，稱為精確位置控制，即精位控制。它是通過控制饋電系統(tǒng)中的程控幅度衰減器和程控相移來實(shí)現(xiàn)的。精位控制組合組成原理如圖2所示。

圖2 精位控制控制組合組成原理框圖

目標(biāo)信號(hào)輻射中心的運(yùn)動(dòng)可以通過角閃爍方程來描述，因此，精位控制的理論依據(jù)就是角閃爍方角閃爍方程（幅度重心公式）。在角閃爍方程中，輻射中心相對(duì)基準(zhǔn)方向的角度是以下兩個(gè)因素的函數(shù)：1）輻射源的角位置；2）坐標(biāo)系原點(diǎn)上各個(gè)信號(hào)的相對(duì)幅度和相位。根據(jù)實(shí)際使用狀態(tài)，對(duì)角閃爍方程作小角度近似后，可得到用以描述目標(biāo)信號(hào)輻射中心位置的常用方程組：

式中Ψ 為輻射中心的方位角，?為輻射中心的俯仰角，Ψ1、Ψ2、Ψ3為三元組三個(gè)天線的方位角坐標(biāo)，?1、?2、?3為三元組三個(gè)天線的俯仰角坐標(biāo)，E1，E2，E3為三個(gè)天線的發(fā)射信號(hào)幅度。

從該方程組可以看出，控制三個(gè)單元的幅度E1，E2，E3就能控制三個(gè)單元的合成輻射中心在三元組內(nèi)的精確位置。為了便于計(jì)算和控制，振幅E1，E2和E3控制方式為：即三個(gè)幅度之和為常數(shù)（如為1），于是E1+E2+E3=1。這樣，在轉(zhuǎn)臺(tái)框架軸線交點(diǎn)處合成信號(hào)的幅度便與輻射中心的位置無關(guān)，僅僅取決于提供給陣列天線的目標(biāo)信號(hào)功率大小。因此可進(jìn)一步得出：

由以上公式可知，只要給出目標(biāo)的方位角、俯仰角，就可以計(jì)算出目標(biāo)在三元組三個(gè)天線輻射單元的輻射信號(hào)幅度，就可以精確地控制目標(biāo)輻射信號(hào)在三元組中的位置。值得注意的是：角閃爍方程算法本身存在近場(chǎng)誤差，也是最主要的誤差來源，其次是幅相精度、暗室質(zhì)量、寄生輻射等因素。為了提高目標(biāo)精位置精度，通常還需通過進(jìn)場(chǎng)效應(yīng)修正算法進(jìn)行誤差修正。

3.2 粗位控制原理

目標(biāo)信號(hào)輻射中心在三元組之間的運(yùn)動(dòng)是通過控制陣列饋電系統(tǒng)中射頻開關(guān)矩陣的切換控制來實(shí)現(xiàn)的，稱為粗略位置控制，即粗位控制。單通道單支路粗位控制組合組成原理如圖3所示。

圖3 單通道單支路粗位控制組合組成原理框圖

目標(biāo)信號(hào)輻射中心的粗位控制過程：首先將陣列天線上的A，B，C 三支路所對(duì)應(yīng)的天線輻射單元分區(qū)編碼，然后將陣列天線上所有三元組所對(duì)應(yīng)的編碼以表格形式存入陣列控制系統(tǒng)中，實(shí)際工作過程中，若要選通某三元組，就可從表格中讀出相應(yīng)的三組控制碼編碼送給開關(guān)矩陣，即可選通該三元組的A，B，C 三支路，從而方便地實(shí)現(xiàn)目標(biāo)在三元組之間的運(yùn)動(dòng)，達(dá)到粗位控制的目的。

4 饋電通道設(shè)計(jì)

4.1 饋電通道組成

寬帶多通道陣列饋電系統(tǒng)包括多個(gè)陣列饋電通道，其中每個(gè)饋電通道由寬帶精位控制組合、寬帶粗位控制組合、寬帶信號(hào)合成及末級(jí)功放組合、天線輻射單元等組成，能夠?qū)δ繕?biāo)位置進(jìn)行合成，對(duì)各通道各個(gè)支路幅度、相位進(jìn)行調(diào)整，可選擇通道，可確定三元組，實(shí)現(xiàn)三元組內(nèi)的目標(biāo)合成［10］。寬帶多通道陣列饋電系統(tǒng)組成原理如圖4 所示。

圖4 寬帶多通道陣列饋電系統(tǒng)饋電通道組成原理框圖

4.2 通道功率分配

所述寬帶多通道陣列饋電系統(tǒng)目標(biāo)通道輸入功率為+10dBm，要求天線輻射單元的輸入功率≥10dBm。為了保證天線輻射單元的輸入功率，其饋電通道功率分配如圖5所示。

圖5 寬帶多通道陣列饋電系統(tǒng)饋電通道功率分配框圖

4.3 主要器件選型

精位控制組合的主要器件包括寬帶移相器、程控衰減器和放大器。其中，寬帶移相器和寬帶程控衰減器選擇GMIC公司的I/Q 矢量調(diào)制器7218和程控衰減器3468C，其頻段范圍均覆蓋2GHz～18GHz。寬帶放大器選擇Mini 公司的ZVA-183XS+放大器，其頻段范圍均覆蓋0.7GHz～18GHz。

粗位控制組合的主要器件為寬帶射頻開關(guān)和寬帶放大器，其中，寬帶射頻開關(guān)選擇GT 公司的SP4T 射頻開關(guān)R4D-69-0JJ 和GMC 公司的SP5T 射頻開關(guān)F9150W-70，寬帶放大器選擇Mini 公司的ZVA-183X-S+放大器。

信號(hào)合成及末級(jí)功放組合為寬帶合成器、寬帶放大器、寬帶極化開關(guān)，主要選擇NEL 公司的1GHz～18GHz四路合成器80118-4A和MINI公司的ZVA-183X-S+功率放大器，MSP2TA-18-12BM-S+機(jī)電開關(guān)。

天線輻射單元選擇1～18GHz寬帶四脊圓錐喇叭天線，具有超寬頻帶、雙極化等工作特性，天線增益5dBi～16dBi，極化隔離度≥20dB。

5 仿真驗(yàn)證

根據(jù)寬帶多通道陣列饋電系統(tǒng)的饋電通道設(shè)計(jì)和器件選擇，采用美國(guó)是德公司（KEYSIGHT TECHNOLOGES）的SystemVue2015 建立了寬帶多通道陣列饋電系統(tǒng)目標(biāo)饋電通道鏈路仿真模型。SystemVue 軟件是美國(guó)是德公司（KEYSIGHT TECHNOLOGES）開發(fā)的專注于電子系統(tǒng)級(jí)（ESL）的EDA 仿真環(huán)境，可以幫助無線通信和航天、國(guó)防電子領(lǐng)域的系統(tǒng)架構(gòu)設(shè)計(jì)人員和算法開發(fā)人員在核心設(shè)計(jì)上進(jìn)行技術(shù)創(chuàng)新；可為以信號(hào)處理為硬件平臺(tái)核心的射頻、數(shù)字信號(hào)處理和FPGA/FPGA/ASIC 電路的實(shí)現(xiàn)提供依據(jù)；可作為電子系統(tǒng)級(jí)設(shè)計(jì)和信號(hào)處理算法開發(fā)與實(shí)現(xiàn)的專用軟件，能夠完全取代通用的數(shù)字、模擬和數(shù)學(xué)運(yùn)算軟件，并充分考慮各種射頻效應(yīng)，大大減少物理層設(shè)計(jì)的開發(fā)驗(yàn)證時(shí)間。

對(duì)于寬帶多通道陣列饋電系統(tǒng)目標(biāo)饋電通道鏈路仿真，重點(diǎn)關(guān)注整個(gè)饋電通道的輸出功率、通道增益、噪聲系數(shù)、噪聲電平，動(dòng)態(tài)范圍等指標(biāo)、特別是目標(biāo)饋電通道三個(gè)支路輸出功率、通道增益、噪聲系數(shù)、噪聲電平、動(dòng)態(tài)范圍的一致性。

根據(jù)寬帶多通道陣列饋電系統(tǒng)的饋電通道的器件選擇，利用SystemVue2015 建立的寬帶多通道陣列饋電系統(tǒng)目標(biāo)饋電通道鏈路仿真模型，并進(jìn)行了仿真驗(yàn)證。通過仿真驗(yàn)證可知，目標(biāo)饋電通道三個(gè)支路的輸出功率都可達(dá)11.3dBm，通道增益均小于5dB，噪聲系數(shù)均小于35dB，噪聲電平由于-75dBm（@1MHz 帶寬），動(dòng)態(tài)范圍優(yōu)于85dB（@1MHz帶寬）；可滿足系統(tǒng)技術(shù)指標(biāo)要求。

在此基礎(chǔ)上，還利用SystemVue2015 對(duì)寬帶多通道陣列饋電系統(tǒng)目標(biāo)饋電通道三個(gè)支路輸出功率、通道增益、噪聲系數(shù)、噪聲電平、動(dòng)態(tài)范圍的一致性進(jìn)行了重點(diǎn)仿真，饋電通道三支路的相關(guān)仿真結(jié)果如圖6～圖10所示。

圖6 輸出功率一致性仿真結(jié)果

圖7 通道增益一致性仿真結(jié)果

圖8 噪聲系數(shù)一致性仿真結(jié)果

圖9 噪聲電平一致性仿真結(jié)果

圖10 動(dòng)態(tài)范圍一致性仿真結(jié)果

通過進(jìn)一步仿真驗(yàn)證可知，寬帶多通道陣列饋電系統(tǒng)目標(biāo)饋電通道三個(gè)支路的輸出功率、通道增益、噪聲系數(shù)、噪聲電平、動(dòng)態(tài)范圍的一致性均可滿足系統(tǒng)設(shè)計(jì)要求。

6 結(jié)語

通過上述仿真分析驗(yàn)證可知，本文所述寬帶多通道陣列饋電系統(tǒng)陣列饋電通道三個(gè)支路的輸出功率、通道增益、噪聲系數(shù)、噪聲電平、動(dòng)態(tài)范圍可滿足系統(tǒng)技術(shù)指標(biāo)要求，饋電通道三個(gè)支路的輸出功率、通道增益、噪聲系數(shù)、噪聲電平、動(dòng)態(tài)范圍的一致性均可滿足系統(tǒng)設(shè)計(jì)要求。證明了所述寬帶多通道陣列饋電系統(tǒng)饋電通道設(shè)計(jì)滿足內(nèi)場(chǎng)輻射式射頻仿真試驗(yàn)系統(tǒng)的技術(shù)要求，對(duì)內(nèi)場(chǎng)輻射式射頻仿真試驗(yàn)系統(tǒng)的寬帶多通道陣列饋電系統(tǒng)設(shè)計(jì)具有較好的指導(dǎo)意義和參考價(jià)值。