數字陣列天線的陣面監測方法研究

丁 堅

(南京電子技術研究所,南京 210039)

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數字陣列天線的陣面監測方法研究

丁 堅

(南京電子技術研究所,南京 210039)

陣面監測是數字陣列天線在陣面測試和工作過程中的重要自檢監測手段，陣面監測可檢測出數字陣列天線中存在異常的通道，避免這些通道對陣面性能造成影響。文中首先介紹了數字陣列天線的陣面監測原理及分類，并對各種監測類型的應用場景作了分析；然后，詳細描述了陣面監測中幾種常見的通道故障類型、以及這些故障類型的監測方法和判斷依據；最后，結合實際陣面測試，將陣面監測結果與實際通道性能進行比較，證明了該陣面監測方法的有效性，對比陣面監測處理前后的波束形成結果，驗證了陣面監測方法對數字陣列天線的作用。

數字陣列天線；陣面監測；數字波束形成

0 引 言

數字陣雷達是一種新型體制的相控陣雷達，數字陣雷達在波束靈活性、系統動態范圍、抗干擾等方面較模擬相控陣雷達有著獨特優勢。因此，越來越被包含地面、艦載、機載、星載等領域所應用。數字陣列天線，具有通道多、成本大等特點，良好的數字陣列天線性能是雷達整體性能保證的前提。

數字陣列天線需滿足損耗小、副瓣低等特點[1]，但通道間存在一定差異性，如幅度、相位不一致性[2]以及通道異常導致通道失效[3]等，這些通道差異會對天線性能造成較大影響，使得數字波束形成(DBF)后波束的主瓣寬度、副瓣電平、波束保形等波束特性質量降低[4-7]，通道校準技術通過測試得到通道之間的幅相差異，對通道進行補償，可以得到較好的波束方向圖，改善通道幅相差異帶來的影響，進而改善雷達整體性能。陣面監測技術通過在天線測試或雷達正常工作過程中對數字陣列的內/外通道監測，迅速定位出存在異常的通道，通過對該通道進行維修或屏蔽，改善異常通道對天線性能的影響。

本文介紹了數字陣列天線陣面監測系統組成、分類及其應用場景，結合實際工程中出現的通道失效情況，總結出通道幅度異常監測、IQ單路異常監測、通道相位異常監測、通道幅相不穩定監測四種最常見通道失效監測手段，針對這些通道失效情況，研究了相應的定位方法和處理措施。將實際測試系統中通道監測處理前后的DBF結果進行比較，驗證了通道監測方法的有效性。

1 數字陣列天線陣面監測原理及分類

1.1 數字陣列天線陣面監測系統組成和框圖

陣面監測是指在天線進行陣面測試或雷達正常工作過程中，利用特有的測試設備，對陣面接收或發射通道灌入指定輸入，并對接收或發射通道輸出結果進行采集和分析，迅速定位出數字陣列天線工作狀態存在異常現象的通道，指導雷達系統對失效通道進行相應的處理，避免或減小通道失效對陣面測試和雷達正常工作的影響。

數字陣列天線陣面監測的原理框圖如圖1所示。

圖1 數字陣列天線陣面監測原理框圖

圖1中控制/分析設備主要負責陣面監測系統按一定時序進行陣面測試以及對監測結果進行分析，頻率源主要負責為數字陣列和監測組件產生時鐘/本振信號，數據采集設備負責對數字陣列通道和監測組件進行數據采集，可以是DBF設備或者記錄設備；監測組件主要負責發送/接收監測信號。

監測組件的原理框圖如圖2所示。

圖2 單通道和通道合成信噪比比較

1.2 數字陣列天線陣面監測原理介紹

從監測對象進行劃分，陣面監測可以分為接收內/外監測和發射內/外監測。內監測主要對陣面發射/接收的有源鏈路或數字單元本身進行監測，外監測則是對發射/接收的整體鏈路進行監測。

1)接收內監測：對接收通道性能進行內監測，當圖1中開關④與⑤接通時，由監測組件產生監測信號通過放大、功分將信號發送給每個數字單元，數字單元將接收信號輸出給數據采集設備，由分析設備對接收采樣數據進行分析。

2)接收外監測：對整個接收通道鏈路監測，當圖1中開關④與⑥接通時，由監測組件產生監測信號通過放大后送到監測探頭，監測探頭置于數字陣列正前方或通過掃描架依次對準每一個陣元，將信號發送給每個陣元，通過R組件、數字單元進行信號接收并將信號輸出給數據采集設備，由分析設備對接收采樣數據進行分析。

3)發射內監測：對發射通道性能進行內監測，當圖1中開關①與②接通時，由發射通道數字單元產生信號通過監測網絡發送給監測組件的發射內監測單元，發射內監測單元將接收到的信號輸出給數據采集設備，由分析設備對發射內監測采樣數據進行分析。

4)發射外監測：對整個發射通道鏈路性能監測，當圖1中開關①與③接通時，由發射通道數字單元產生信號通過T組件向陣元發送監測信號，監測探頭從空間接收信號并送給監測組件的發射外監測單元，發射外監測單元將接收到的信號輸出給數據采集設備，由分析設備對發射外監測采樣數據進行分析。

從雷達研制階段進行劃分，陣面監測可分為陣面測試階段監測和雷達正常工作階段監測。陣面測試階段的陣面監測一般伴隨通道校準同時進行，近場法和中場法校準均需要陣面監測[8]，此時陣面監測主要協助判斷校準采樣數據的可靠性，如通過陣面監測發現失效通道，應及時采取通道維修或替換等處理。雷達正常工作階段，陣面監測完成對全陣面通道狀態監測，用于快速定位故障通道，防止故障通道對全陣波束形成造成較大影響。一般外監測測試時間較長，在維護或發現波束性能明顯下降時使用，而內監測由于測試時間較短，可以每次開機執行一遍，甚至穿插在正常工作過程中。

2 數字陣列天線的陣面監測方法

常規的數字陣列天線的陣面監測方法是利用通道校準結果觀察被測通道與參考通道間的幅度差，當幅度差過大時，認為通道異常。但是該方法并不能適用所有的通道故障，例如：被測通道IQ中單路異常、通道相位異常、通道性能不穩定等故障，各通道故障現象如圖3所示。

以下對實際陣面測試中出現的故障及其監測方法進行介紹與分析。

2.1 通道幅度異常監測

當通道損壞或增益過高時，通道監測采樣數據表現出幅度過小或者過大現象。此時，通道收發數據均存在失真現象，校準結果誤差很大，即使通過通道校準將該通道數據修正，也會因為噪聲放大或者引入誤差而導致通道性能受到影響。通道幅度異常表現形式如圖3a)、圖3b)所示。

圖3 各類通道故障現象

針對這種通道故障，采用通道幅度比較法進行監測。一般在監測過程中，選擇某一指定通道作為參考通道，監測前會對該通道進行檢查，保證參考通道幅相穩定、性能正常。通道幅度異常的判斷條件可以表示為

(1)

式中：A為通道幅度；T1為比較門限。當被測通道與參考通道幅度差超過門限，則認為該通道故障。

在正常工作過程中出現該種故障時，陣面監測應指出故障通道位置，并采取屏蔽法處理，即控制DBF將該通道信號設為噪聲或置零，以降低通道異常對系統造成的影響。

2.2 IQ單路異常監測

數字通道信號分為兩路IQ正交信號，當IQ中一路信號過小或無輸出時，IQ通道失真，影響DBF后波束性能。通道IQ單路異常表現形式如圖3c)所示。

發生這種通道故障時，通道幅度有所降低，但不一定低于通道幅度比較法的門限值T1，需要通過IQ比幅法進行監測。IQ比幅法的判斷條件為

(2)

式中：AI、AQ分別為通道IQ單路幅度；T2為比較門限。

對被測通道的I路與Q路進行幅度檢測，當IQ路幅度差超過門限時，則認為該通道I路或者Q路存在異常。

在正常工作過程中出現該種故障時，陣面監測應指出異常通道位置，并采取屏蔽法。

2.3 通道相位異常監測

通道相位異常是指，通道發生故障導致通道相位抖動較大，其表現形式如圖3d)所示。

發生這種通道故障時，通道幅度可能與參考通道幅度接近，且IQ路幅度都正常，故不一定能通過幅度比較檢測出來，需要通過相位導數方差檢測法進行監測。陣面監測時產生的監測信號為幅度穩定、相位遞增的點頻信號，對相位進行求導，理論上應為常數。但是，由于噪聲、系統誤差等因素存在，相位的導數應該在一個常數附近抖動，即方差較小。當出現相位異常時，故障通道的相位導數不再符合這種現象，即相位導數方差較大。正常通道與相位抖動通道的相位比較如圖4所示。

圖4 正常通道與相位抖動通道的相位比較

相位導數方差檢測法的判斷條件為

D(φ被測通道)>T3

(3)

式中：φ為通道相位序列；T3為比較門限。

對被測通道的相位序列進行求導，即取相鄰采樣點之間的相位差，并對被測通道的相位差求方差，當方差超過門限時，則認為該通道相位異常。

在正常工作過程中出現該種故障時，陣面監測應指出故障通道位置，并采取屏蔽法處理。

2.4 通道幅相不穩定監測

在陣面測試或雷達正常工作時，由于電纜連接松動或組件性能起伏等原因，會造成通道性能不穩定，表現出通道數據時好時壞的現象。

針對這種通道故障，由于通道不是一直存在故障，故單次陣面監測未必能夠定位出異常通道，需要通過幅相方差檢測法進行監測。數字陣列天線的通道特性在較短時間內是很穩定的，因此，其幅相校準值會在一個較小范圍內起伏，如一段時間內多次校準結果起伏較大，則說明該通道存在通道性能不穩定故障。幅相方差檢測法的判斷條件為

(4)

或者

D(|φ被測通道-φ參考通道|)>T5

(5)

對多次通道校準后的幅度差、相位差序列分別求方差，當方差超過門限時，則認為該通道性能起伏較大。在正常工作過程中出現該種故障時，陣面監測應指出故障通道位置，并采取屏蔽法處理。

3 性能分析

采用本文介紹的方法對數字陣列天線進行實際陣面監測，當陣面監測過程中發現性能超出監測指標時，上報故障通道并采取通道屏蔽法進行處理。實際工作中，對陣面監測原始采樣數據分析，人為進行逐個通道性能判斷，判斷結果與上述四種異常檢測方法的結果一致，說明文中所述監測手段有效。對采取陣面監測進行故障通道屏蔽與不進行相應處理的波束圖進行比較，如圖5所示。

圖5 陣面監測前后波束圖比較

進行陣面監測并屏蔽故障通道前后，波束形成性能差別如表1所示。

表1 通道監測前后波束形成性能比較

由圖5和表1可以看出，采用陣面監測并進行相應處理后波束副瓣電平壓低、波束寬度收縮、波束保形改善，波束性能有明顯提升。

4 結束語

本文研究了數字陣列天線的陣面監測方法，對其原理和組成進行了詳細闡述，針對實際工程中出現的通道故障模式，提出了相應的監測方法、判斷準則以及處理措施。工程實踐證明，本方法提出的陣面監測方法有效，采用相應通道屏蔽措施后，波束性能有明顯改善。本文可為數字陣列陣面天線的陣面監測系統提供系統方案支撐。

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丁 堅 男，1982年生，碩士，工程師。研究方向為雷達信號處理、陣列處理、反干擾等方面。

A Study on Array Monitor Methods of Digital Array Antenna

DING Jian

(Nanjing Research Institute of Electronics Technology,Nanjing 210039,China)

Array monitor is an important self-monitor method of digital array antenna while antenna testing or radar normal working.Array monitor can find the abnormal channels in digital array antenna,and avoid the effects to antenna.Firstly,the principles and assortments of digital array antenna monitor are introduced,and the application scenarios of each monitor method are analysed.Secondly,several common channel abnormal types are described and the monitor methods and determinants of these types detailedly are introduced.Finally,are described the array monitor results with the real channel properties in actual array test are compared.The result verifies the availabilities of these array monitor methods.The beam forming result comparison of before and after array monitor provides the effort of monitor methods to digital array antenna.

digital array antenna；array monitor ；DBF

??伺系統·

10.16592/j.cnki.1004-7859.2016.10.014

丁堅 Email：szdingj@163.com

2016-07-06

2016-09-19

TN85

A

1004-7859(2016)10-0061-04