有源相控陣雷達天線測試的時序實現與優化

曹俊鋒，倪向東，孔　玥(.中國電子科技集團公司第三十八研究所，合肥30088; .中國船舶重工集團公司第七二四研究所，南京53))

?

有源相控陣雷達天線測試的時序實現與優化

曹俊鋒1，倪向東1，孔玥2
(1.中國電子科技集團公司第三十八研究所，合肥230088; 2.中國船舶重工集團公司第七二四研究所，南京211153))

摘要:天線測試是有源相控陣雷達設計中重要組成部分。相較于無源天線測試閉環的相參信號使用方式，有源相控陣雷達天線采用開環的測試過程，對于信號間的時序關系要求更加嚴格。對測試所用的時序關系進行分析并對其進行優化，實現了一種有效的測試方法。使用優化前后的兩種方法對同一型號雷達進行實測，測試結果基本一致，但優化方法測試時間僅為原方法的11.3%。

關鍵詞:有源相控陣雷達;天線測試;時序同步;效率提升

0　引言

天線測試設計是有源相控陣體制雷達設計中不可或缺的一部分［1］。傳統的天線常使用暗室平面掃描近遠場外推法進行測試。測試所用的收發系統由暗室測試系統單獨提供，待測天線通過饋線網絡將測試信號與收發系統互聯。測試過程中使用的相參信號由同源系統提供，是一個閉環的過程［2-8］，如圖1所示。隨著有源相控陣雷達天線陣面單元數目增多，測試使用的饋線網絡設計越來越困難［9］。若將雷達視作整體進行測試，測試使用的接收系統和發射系統分別置于雷達和暗室測試系統兩端，測試使用的參考信號由不同系統提供，采用開環的過程進行測試，那么就不必單獨設計測試使用的饋線網絡。這種測試方法不再是單一的天線測試，待測試雷達還要包含接收機、發射機和控制終端等部分，并且要求更加嚴格的測試信號時序關系，如圖2所示。有源相控陣雷達天線測試就是需要解決雷達與測試采樣系統之間交互時序同步問題。實際的雷達測試中，由于測試頻點多，波位覆蓋廣，還需要考慮測試效率問題。

圖1　無源天線閉環測試示意圖

圖2　有源天線開環測試示意圖

1　平面掃描近遠場外推法

測試天線有遠場測試、近場測試等多種方法。有源相控陣雷達天線一般在暗室的環境下采用近場測試的方法進行測試。暗室可以有效減少距離效應和外界環境對測試結果的影響，提高準確性。測試時使用一個已知特性且高效穩定的天線探頭，選取距離待測天線3～10個波長的某一表面上進行掃描，采集掃描面上離散點的幅度和相位分布，運用嚴格的模式展開法推導出天線的遠場輻射特性。一般情況下，測試所選取的掃描面平行于待測天線所在的平面，故稱這種方法為平面掃描近遠場外推法。下文所述的測試方法就是在平面掃描近遠場外推法基礎上進行設計與實現。

2　有源相控陣雷達收發遠場特性測試設計

有源相控陣雷達天線采用開環的測試模式，待測系統為雷達整機，需要實現與暗室測試系統交互同步測試。雷達整機與暗室測試系統之間嚴格信號時序同步問題是設計的難點。

以雷達發射測試為例，暗室采樣系統與雷達之間的協作流程示意如圖3所示。其對應的時序關系如圖4所示。

圖3　有源雷達測試流程示意圖

圖4　有源雷達測試時序關系圖

測試開始前，首先要進行掃描面的選取，根據雷達與探頭之間的距離、雷達的測試方位和俯仰角度、暗室空間大小等參數，選取一個能夠覆蓋天線特性的平面。采樣架掃描測試開始時，暗室測試系統先要通過換頻觸發完成自身系統的頻率變換，換頻觸發延遲t1時間后向雷達系統發送觸發脈沖。雷達收到觸發脈沖后當即向暗室反饋一個脈沖表示已經收到觸發信息，雷達延遲t3時間后雷達打開發射系統發射帶寬為τ的發射波形。暗室收到雷達回饋后延遲t4時間打開自身的接收系統進行采樣，整個處理時間為t2。暗室采樣架探頭從一個掃描點到下個點的時間為T。當完成所有掃描點后，采樣停止，暗室根據近遠場外推的方法即可計算出雷達發射遠場特性。

通過以上的時序關系，暗室能進行采樣條件為t3＜t4＜t3+τ。

雷達接收測試掃描采樣的原理與發射基本相同，但是接收系統在雷達整機上，雷達需要將接收測試得到的信息轉換為空間掃描點的幅相信息［3］，再將信息傳輸至暗室，按照與發射相同處理方法計算得出雷達接收的遠場特性。

按照該方法對某型號雷達一個頻點進行測試，其發射波瓣測試結果如圖5虛線所示。接收波瓣測試結果如圖6虛線所示。

圖5　發射遠場特性比較圖

圖6　接收遠場特性比較圖

3　改進型方法的實現

實際的雷達收發遠場特性測試中，需要測試的頻點往往比較多，波位覆蓋也比較廣，測試設計時要考慮測試效率的問題。

以上述的雷達為例，測試單個頻點單個波位所用的時間需要1.5 h。以50個頻點3個波位的要求進行測試，雷達測試的時間為1.5×50×3 =225 h。測試時間長，測試所消耗的成本也隨之增多。若將單個頻點單個測試的時間內進行多個頻點多個波位同時測試，那么測試效率就會大大提高。

由圖3中的時序關系可以知道，在采樣面兩個離散點之間時間T內，可以多次發送暗室觸發脈沖，雷達收到每個脈沖時，可以按照不用的頻點、不同的波位信息發射波形。考慮雷達自身穩定性和采樣天線內存容量問題的條件下，實際設計的多頻測試點數比計算結果要小。測試的點數為n = T/(t1+ t2)－1。

圖7　接收測試中心點幅相信息比較圖

圖8　接收測試中心點幅相信息比較圖

同樣以該型號雷達為例，t1=20 ms，t2=2 ms，t3= 8 μs，t4=40 μs，t = 80 μs，T = 240 ms。計算得出n = 9。圖5為頻點1在單頻測試和多頻測試發射遠場特性的比較結果，圖6為接收特性的比較結果。選取采樣面中心點的幅相信息進行比較，這9個頻點的兩種不同方法測試得出的幅相信息如圖7、圖8所示。

由圖中各個結果看出，兩個測試方法的結果基本一致。使用優化方法的時間為25.5 h，僅為原先測試時間的11.3%，測試效率大大提高。

4　結束語

文中比較了傳統天線與有源天線測試設計的不同，結合有源天線開環測試的特點，著重就待測雷達和暗室測試系統交互同步測試問題進行分析，參照平面掃描近遠場外推的方法實現了有源天線的測試方法。在此基礎上進行又對測試方法進行了優化，實現了多頻點多波位同時測試，測試時間減少為單頻點測試的11.3%，測試效率大大提升。

參考文獻:

［1］熊毅，等.有源相控陣天線自動測試系統設計［J］.雷達科學與技術，2012，10(5):562-564.

［2］陳翱.幅相校準在機載有源相控陣雷達中的應用［J］.現代雷達，2012，34(5):17-19.

［3］張光義.相控陣雷達系統［M］.北京:國防工業出版社，1994.

［4］李萌，計算機自動控制與接口技術在天線近場測量系統中的應用［D］.南京:南京理工大學，2006.

［5］張撫順，等.天線測量［M］.西安:西安電子科技大學出版社，1995.

［6］陳軍.近遠場天線測量系統與定標體RCS的研究［D］.西安:西安電子科技大學，2012.

［7］彭偉博.天線測量概述與轉臺系統的設計［D］.西安:西安電子科技大學，2011.

［8］歐杰.天線近遠場測量及應用［D］.西安:西安電子科技大學，2011.

［9］楊東萍，等.相位誤差對相控陣天線影響分析與改進［J］.無線電工程，2013，43(3)，24-26.

Sequential implementation and optimization of antenna test of active phased-array radar

CAO Jun-feng1，NI Xiang-dong1，KONG Yue2
(1.No.38 Research Institute of CETC，Hefei 230088; 2.No.724 Research Institute of CSIC，Nanjing 211153)

Abstract:Antenna test is an important part in the design of the active phased-array radar.In comparison with the conventional passive antenna test that adopts closed-loop coherent signals，the active phased-array antenna test is done in the open-loop testing process and it shall be stricter in the sequential relationship between signals.An effective test method is realized through the analysis and optimization of the sequential relationship for the active antenna test.The two methods before and after the optimization are applied to the same radar.The test results are basically consistent，while the test time of the optimized method is just 11.3% compared with the original one.

Keywords:active phased-array radar; antenna test; sequential synchronization; efficiency promotion

作者簡介:曹俊鋒(1974-)，男，高級工程師，研究方向:雷達總體;倪向東(1989-)，男，助理工程師，碩士，研究方向:研究方向:雷達總體;孔玥(1988-)，女，助理工程師，碩士，研究方向:儀器儀表測量及天線系統測試。

收稿日期:2015-03-06;修改日期:2015-04-02

文章編號:1009－0401(2015)02－0008－04

文獻標志碼:A

中圖分類號:TN958.92