全自適應數字陣列的近場測試

夏德平，劉雪晶

(南京電子技術研究所， 南京210039)

0 引言

隨著數字技術快速發展，全自適應數字陣列已開始在雷達中廣泛應用，它是一種以數字技術來實現波束形成的技術，保留了天線陣列單元信號的全部信息，用先進的數字信號處理技術對陣列信號進行處理，以獲得優良的波束形成性能。采用全自適應天線陣列后，傳統的模擬天線陣列的近場測試系統已不再使用，需要對現有測試系統進行改進，以滿足不斷發展的技術需求。

本文對全自適應數字陣列開展相關研究，針對全自適應數字陣列自身特性，采用多通道并行處理技術，對現有模擬近場測試系統進行改進，從而實現了全自適應數字陣列性能測試。采用改進后測試系統，除了完成常規數字波束的測試外，還對在外場條件下無法測量的自適應波束進行測試，從而確切地評估雷達系統的抗干擾能力。

1 近場測試原理

天線近場測試需要專門的技術和測試設備，在專用的微波測量場地才能實現測試，其工作原理是利用特性已知的探頭在距被測天線 3 λ～5 λ的表面上［1-2］，測出天線場的幅度分布和相位分布，根據測試數據利用數學變換計算出被測天線遠區輻射場［3］，其核心思想是把待測天線在空間建立的場展開成平面波函數(或柱面、或球面函數)之和，展開式中加權函數包含著遠場方向圖的完整信息，根據近場測試數據算出加權函數，進而確定天線的遠場方向圖。由于應用了模式展開，所以稱之為模式展開法，這種方法已成為天線方向圖和增益的一種準確測量技術。

天線近場測試包括平面、柱面和球面3種掃描測試［4］，其中平面掃描法適應于超低副瓣天線的測試，最大場角在±70°，其掃描系統復雜，而數學計算比較簡單，能夠測量前半個球面的方向圖。現有的模擬陣列近場測試系統通常采用平面掃描測試系統，包括Agilent專用測試矢網、掃描架控制系統、測試探頭、測試計算機等，如圖1所示，能實現常規和通道、差通道測試。在測試過程中，先通過測試計算機實現對指令的發布，再通過掃描架伺服控制系統實現掃描架控制，定時控制器實現與雷達系統的同步，專用矢網實現測試信號的產生及回波信號處理并將數據送測試計算機，最終由測試計算機完成測試數據的分析和天線波瓣計算。

圖1 模擬陣列近場測試系統

2 全自適應數字陣列測試

2.1 全自適應數字陣列模型

本文研究的全自適應天線陣面為M行N列的矩形陣列，其具有代表性，可推廣到圓形、橢圓形天線陣列。矩形陣列的陣元在行方向的間隔為dx，列方向的間隔為dy，這里設dx=dy=λ/2(λ為工作波長)，如圖2所示，圖中θ為方位角，φ為高低角，ψ為錐角，天線波束指向為(θ0，φ0)，陣列采用二維可分離加權。

圖2 天線陣列模型

天線陣面的發射方向圖為［5-6］

式中:gnm為單元接收幅度加權;Φnm為單元接收相位加權;wk為自適應權。

式(2)中，如果接收波束為常規波束，Wk為全1的權值，如果為自適應響應波束，Wk則取自適應權值。

2.2 全自適應數字陣列近場測試

全自適應數字陣列由陣列天線、數字收發組件、定時控制以及信號源等組成，每個天線單元對應一個數字收發通道，可得到單個陣元的信息，提高處理的自由度，但會導致陣面數據龐大，如采用原有的模擬近場測試系統，已無法實現全數字陣列的測試。

為了解決該問題，采用專用的現場可編程陣列(Field Programmable Gate Array，FPGA)構建數字波束形成分機，用于陣元數據的接收和合成，可同時接收500路以上的數字信號，并能實時合成所需的通道。該近場測試系統如圖3所示，專用計算機實現測試指令控制和測試數據分析，信號源提供收發組件所需的時鐘、本振信號，實時控制提供多路數字收發組件的定時信號用于陣面同步，數字波束形成分機合成每個單元的數字信號，并將合成結果送專用計算機，最后由專用計算機實現天線波瓣的測試。

圖3 全自適應數字陣列近場測試系統

天線近場測試前，按照加權要求實現收發通道的標校，考慮幅相誤差時［7-8］，第m行n列信號以復數形式表示為

式中:anm為單元幅度;Φnm為單元相位;δnm，σnm為單元幅度相位誤差;ωd為校準信號頻率。

為了實現數字陣列的校準，將Xnm(t)調整到設計的目標值，需對每個通道進行校準，先選定其中一路作為基準，定義為X11(t)，將其他通道的幅相與之相比較，并同時與所需調整的目標值進行比較，即可得到被校準通道的補償系數，從而得到校準結果，如式(4)所示，f即為補償系數，其中δnm，σnm的定義同式(3)。

發射通道校準時，因為發射通道信號較強，通道間存在干擾現象，只能進行單通道的校準，而在接收通道校準時，用于校準的信號為小信號，通道間不存在相互干擾，因此可實現全陣面同時校準，只用一個校準指令即可完成全陣面校準，大幅提高了效率。

發射波瓣測試時，雷達處于全陣面發射狀態，測試掃描架按照大于天線陣面面積的范圍進行掃描，掃描完成后，將錄取的數據進行處理，即可得到發射波瓣圖。

接收波瓣測試時，雷達處于全陣面接收狀態，測試掃描架按照大于天線陣面面積的范圍進行掃描，掃描完成后，將錄取的數據進行處理。與接收校準一樣，因為接收波束由數字信號合成，測試時只需測試法向波位的波瓣，其他波位將法向數據按照掃描角合成即可，不再需要測試，從而簡化了測試過程，縮短了測試時間。

2.3 干擾抑制方向圖測試

普通常規波束形成依賴于天線陣列幾何結構和波達方向角，是一個匹配濾波器，在主瓣方向信號相干積累，并且實現簡單，在白噪聲背景下它是最優的，但是常規波束存在旁瓣，且不隨信號環境改變而變化，如果有強干擾信號從旁瓣進入后，會提高系統的底噪，從而影響雷達的探測能力，采用加窗處理可在一定程度上降低旁瓣，但不會從根本上解決干擾抑制問題。

采用全自適應數字陣列，由于單元的信息得到保留，可利用自適應空域濾波［9］技術，對干擾實現有效抑制，同時在目標方向形成最大增益波束，自適應處理輸出可表示為

為歸一化常數。式中:Wopt為自適應權值，將該權值代人到式(2)，即可得到自適應響應波束，通過改進的近場測試系統進行測試，可得到該響應波束，從而真實評估系統的干擾抑制能力。

3 仿真與實驗結果

研究對象為M×N矩形天線陣列，L波段，單元間隔為λ/2。通過近場測試系統，實測得到的發射方向圖如圖4所示，方位向最大副瓣電平為-23 dB。

圖4 發射天線方向圖

測試的接收方向圖如圖5所示，方位向最大副瓣電平為-36 dB。

圖5 接收天線方向圖

存在單個干擾時，干擾從偏離天線陣面法向20°進入，通過自適應處理，得到自適應權值，由測試系統測試自適應響應波束，測試結果如圖6所示，在20°處形成有效干擾抑制，零深達-60 dB。

圖6 自適應響應波束圖

4 結束語

本文在對模擬陣列近場測試闡述的基礎上，對全自適應數字陣列進行系統分析，介紹了陣列模型，近場測試原理，干擾抑制原理，并給出了實測結果，從而實現了對全自適應數字陣列的全面評估。實驗結果表明，通過對測試系統的數字化改進，該測試系統已具備全自適應數字陣列近場測試能力，為后續全數字陣列的研制打下堅實的基礎。

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