動目標射頻仿真測試的應用研究與分析

肖 鵬，溫 燕，郭建軍

（中國西南電子設備研究所，四川 成都 610036）

0 引 言

陣列天線收發系統典型設備包括干涉儀接收機和相控陣干擾機等，其系統測試往往偏重于靜態性能測試，對運動目標的精確測向和跟蹤、干擾等動態測試一般外場進行，試驗成本高，周期長，測試不充分，重復性差。

以雷達尋的導彈制導系統為代表的裝備也存在類似需求，其典型解決辦法就是采用三元組等效輻射方式的動目標射頻仿真測試，通過天線陣面模擬雷達目標信號的空間連續運動來實現半實物仿真試驗[1-2]。

但是陣列天線收發系統的天線口徑和視場角遠大于導彈導引頭的天線口徑和視場角，同時具有寬頻帶的特點，信號波長在很大的范圍內變化，很難在暗室射頻仿真中滿足“遠場條件”的要求[3]。

因此，文章闡述了陣列天線收發系統的動目標射頻仿真測試原理，給出了測試系統實現方案，同時對多個輻射元射頻仿真模擬的近場效應誤差對測試的影響進行了仿真分析，得出射頻仿真測試應用的限制條件。

1 動目標射頻仿真測試的基本原理

動目標射頻仿真測試系統采用陣列饋電方式，通過控制目標天線陣列實現射頻仿真目標的運動模擬[4]。天線陣列單元按照一定規律排列，如圖1所示。

圖1 射頻仿真測試系統天線陣列

射頻仿真測試系統所模擬的目標信號以陣列上相鄰3個天線單元輻射的合成信號來表示，3個天線單元按等邊三角形排列，稱為三元組[5]。模擬的目標信號通過三元組3個輻射信號空間矢量合成得到1個等效的輻射中心，該輻射中心的位置通過精確控制3個輻射信號幅度和相位來改變，從而模擬出輻射目標的空間運動。

假設等效輻射中心的角度坐標為（φ，θ），E1、E2、E3為三元組 3 個輻射信號的幅度，（φ1，θ1），（φ2，θ2），（φ3，θ3）為三元組 3 個天線的角度坐標，則

如果三元組3個天線輻射信號的幅度和歸一化為1，即E1+E2+E3=1，同時假設三元組相鄰兩行的天線在方位和俯仰的角度差分別為φ0，θ0，三元組3個天線的角度坐標分別為：（φ1，θ1），（φ1+φ0/2，θ1+θ0），（φ1+φ0，θ1）。由式（1）就可以求解 3 個輻射信號的幅度值：

在給定三元組3個天線輻射信號和等效輻射中心角度位置時，通過式（2）可以快速計算出3個輻射信號的歸一化幅度控制值，實現模擬目標的快速精確移動位置控制[6]。

2 陣列天線收發系統測試應用

以干涉儀測向系統和相控陣干擾機為代表的新一代技術體制陣列天線收發系統的動態測試驗證，需要以動目標射頻仿真技術為基礎構建測試應用系統，實現以下功能：

圖2 陣列饋電多目標模擬原理框圖

（1）對干涉儀接收機，通過模擬目標快速連續變化的運動特性，測試驗證其動目標精確測向性能。

（2）對相控陣干擾機，通過模擬多目標的運動特性，測試驗證其多目標快速跟蹤響應和干擾性能。

動目標射頻仿真測試系統主要由陣列饋電系統、雷達信號模擬器和測試轉臺構成。試驗時，在轉臺上安裝被試設備，陣列饋電系統的天線面陣球心位于轉臺回轉中心。

陣列饋電系統主要包括天線面陣，粗、精位控制單元和目標位置解算控制單元等。其中，天線面陣安裝在球面支撐結構上，如圖1所示。

雷達信號模擬器通過陣列饋電系統的三元組輻射信號，在開關矩陣控制下，信號可由1個三元組轉移到另1個三元組，實現目標位置的粗略控制；三元組內3個天線單元的輻射信號，分別通過幅度衰減器及移相器來改變幅度及相位，從而實現等效合成的模擬信號在三元組內精確位置的控制。同時，通過對多路雷達信號模擬器的射頻輸出精、粗位控制，合路放大后送天線單元輻射，可以實現多目標的射頻仿真模擬，如圖2所示。

3 陣列天線收發系統測試的仿真分析

三元組陣列射頻仿真技術構建的測試系統，應用到干涉儀和相控陣干擾機的系統測試時，由于3個輻射元等效合成的幅度和相位特性與單個輻射元的差別，需要定量分析該差別對測試造成的影響。

3.1 測試誤差來源

動目標特性測試驗證時，被測陣列接收天線所觀測到的目標視在方向就是射頻仿真模擬目標輻射的電磁波在接收天線口徑面上的相位波前法線方向。如果輻射天線口徑很小，則接收天線所接收到的是1個球面波，其相位波前法線方向正好指向輻射單元所在位置，不會引起測向誤差。

實際在陣列天線收發系統的測試應用中，射頻仿真測試系統利用3個輻射單元的輻射信號在被試系統接收天線口徑面上產生電磁場相互疊加，得到一個合成場，其相位波前不再是一個球面，會產生畸變[7]。此時接收天線所觀測到的復合目標視在方向，是合成場在接收天線口徑面上的相位波前法線方向。當接收天線口徑面大小不可忽略時，合成場在口徑面上各個點的相位波前畸變不同，同時這種畸變不對稱，會引起接收系統的測向誤差[8]，即射頻仿真測試系統的“近場效應誤差”。

另外，動目標射頻仿真測試系統的模擬目標位置是根據三元組的歸一化饋電幅度求得，由于三元組各元輻射的信號只在轉臺轉動中心（被試系統接收天線相位中心）處是等相位的，而偏離該點的天線口徑其他位置上三元組輻射到達的相位不一致，也存在“近場效應誤差”。

3.2 仿真分析

為了便于分析，按圖3建立坐標系，圖中A、B、C分別表示射頻仿真測試系統三元組的3個單元天線。假設測試面為1m2的平面，用來模擬最長基線為1m的干涉儀天線或等效口徑為1m相控陣天線，同時假定測試面處于三元組法向38m遠處，A、B、C間隔0.04rad（約2.3°，單元天線之間間隔約為1.48m）。

圖3 三元組天線與測試面的坐標關系

按照輻射信號空間矢量合成原理，A、B、C 3個輻射源到達測試面某一點的輻射信號可以分別表示為

式中：Am、Bm、Cm——3個輻射信號的幅度；

RA、RB、RC——3個輻射信號到達測試面某一點的距離。

按照式（3），在3個輻射元等幅同相激勵條件下，對3個輻射信號計算矢量和，可以繪制出6GHz、18 GHz在1m×1m測試面上各點合成幅值和相位，如圖4所示。

圖4 等幅同相激勵的幅值和相位合成圖

從圖4的仿真結果可以看出，隨著輻射信號頻率的增加，三元組等效合成信號的幅度和相位波動越大，對測試的影響越大。

假設3個輻射元的幅值分別為0.25，0.25，0.5，對三元組非等幅激勵的情況進行仿真，圖5為3個輻射元在18 GHz的非等幅激勵合成幅值和相位變化曲線。

圖5 非等幅同相激勵的幅值和相位合成曲線

從圖5的仿真結果分析，非等幅激勵時，合成信號幅值和相位與等幅激勵時類似，只要保證3個輻射元歸一化幅度和為1，不會影響系統測試的結果。

假設測試面上的被測天線基線的法向對準3個輻射元中心，3個輻射元等幅同相激勵，其他假設條件與圖3一致。其中，幅度差、相位差分別為基線邊緣與中心的信號電平和相位之比，都用對數表示，可得到表1的仿真計算結果。

表1 不同口徑天線邊緣與中心幅相差計算表

從表1的計算結果可以看出，3個輻射元等幅同相激勵時，隨著被測系統等效天線口徑的增加，三元組等效輻射引起被測系統接收天線邊緣與中心幅度差和相位差變大，會使測試誤差變大。

3.3 測試應用的限制條件

利用射頻仿真測試系統對相控陣干擾機進行目標方位跟蹤測試時，干擾機利用幾個子陣的差信號獲得目標相對于陣面法向的角偏移，然后控制主波束對準目標，實現對目標的跟蹤。由于這是一種相對測試，對目標信號的絕對精度要求不高，一般而言，射頻仿真測試系統合成的等效輻射信號邊緣幅值與中心幅值相差小于2.5dB時，可滿足測試的幅度條件。因此，從表1的計算結果分析，對于等效口徑為400 mm的相控陣干擾機在2～10 GHz頻段內，可用射頻仿真測試系統進行測試。

4 結束語

動目標射頻仿真測試系統的多輻射點電磁場疊加合成的原理，決定了其測試應用中存在“近場效應誤差”。從仿真分析的結果看，接收天線口徑面越小，測試引起的“近場效應誤差”越小；測試應用的頻率越低，多個輻射元等效輻射引起的幅相波動越小，測試引起的“近場效應誤差”也越小。

因此，動目標射頻仿真測試系統用于干涉儀和相控陣干擾機等天線等效口徑較大的陣列收發系統測試時，必須限定頻率、天線口徑等應用邊界條件。

[1]王泗宏.“三元組近場”新型幅度控制精確算法[J].現代雷達，2005，27（12）：64-66.

[2]李勇.一種提高射頻仿真系統面陣精度的新方法[J].科學技術與工程，2000，9（8）：2201-2202.

[3]毛繼志.幅相誤差對射頻仿真系統目標位置精度的影響[J].系統仿真學報，2003，15（8）：1149-1151.

[4]劉烽.一種新型的機載雷達射頻仿真系統設計方案[J].系統仿真學報，2003，15（6）：757-759.

[5]肖衛國.雷達尋的制導半實物仿真系統的關鍵技術研究[J].計算機仿真，2007，24（6）：272-274.

[6]王蒙.一種提高射頻仿真系統目標定位精度的校準算法[J].儀器儀表用戶，2011，18（1）：69-70.

[7]王海濤.射頻仿真系統的誤差分析與可信度評估研究[J].系統仿真學報，2007，19（7）：1548-1550.

[8]王泗宏.射頻仿真幅相控制誤差對目標位置精度的影響分析[J].飛行器測控學報，2007，26（2）：60-61.