基于現(xiàn)有天線設備對數(shù)字定向發(fā)射系統(tǒng)的研究

汪安民，劉 芳，劉德保，萬義和

(1.同方電子科技有限公司研究所，江西 九江332003；2.航天華迅科技有限公司，陜西 西安 710071)

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基于現(xiàn)有天線設備對數(shù)字定向發(fā)射系統(tǒng)的研究

汪安民1，劉 芳2，劉德保1，萬義和1

(1.同方電子科技有限公司研究所，江西 九江332003；2.航天華迅科技有限公司，陜西 西安 710071)

在通信基地或艦載通信平臺現(xiàn)有設備的基礎上，利用多付獨立工作的天線，構(gòu)成一個分布式陣列天線系統(tǒng)。在此天線系統(tǒng)上，介紹了數(shù)字定向發(fā)射波束形成的原理，分析了實際發(fā)射過程中的存在的各種誤差，及其對波束合成的影響，并提出采用校準的方法以降低這些誤差對發(fā)射波束合成的影響。以不規(guī)則圓陣布陣為例進行仿真，結(jié)果表明數(shù)字定向發(fā)射系統(tǒng)可以有效地實現(xiàn)對某一定點目標方向的功率增強。系統(tǒng)可以在線實時調(diào)整相位參數(shù)，能夠分時實現(xiàn)對某一段方向的掃描發(fā)射或者多點定向發(fā)射。

陣列天線；不規(guī)則圓陣；數(shù)字發(fā)射波束合成；天線校準

0 引言

通信基地或艦載通信平臺經(jīng)過長時期發(fā)展，各種設備的不斷更新和增加，使得這些平臺具有多付獨立天線，這些天線呈不規(guī)則的分布，各自獨立工作。如果將這些天線構(gòu)成陣列系統(tǒng)，利用波束合成方法就可以實現(xiàn)數(shù)字定向發(fā)射，數(shù)字定向發(fā)射具有對某一定點方向?qū)崿F(xiàn)功率增強；波束方向具備快速捷變能力；還具有特定方位零陷以及數(shù)字多波束等優(yōu)點，其應用將大大提高基地的信號處理能力[1-2]。但是在實際天線系統(tǒng)中，由于安裝誤差、相互遮擋、互耦和通道幅相不一致等帶來的誤差，使得期望的方向畸變，尤其是天線處于復雜多變的環(huán)境中，電路熱特性變化劇烈，從而導致各通道幅相失真增大[3-4]。

1 數(shù)字定向發(fā)射模型及誤差校準

1.1 數(shù)字定向發(fā)射系統(tǒng)模型

數(shù)字定向發(fā)射技術(shù)是通過使用陣列天線，通過數(shù)字方法調(diào)整每路天線發(fā)射信號的相位，從而實現(xiàn)對某些定點目標方向的功率增強或抑制。如果組成N元分布式陣列天線，根據(jù)陣列信號處理理論，可以實現(xiàn)N-1個方向的增強或者抑制[5]。

利用通信基地或艦載平臺上的N個獨立天線，組成N元分布式陣列天線，若每一個陣元均發(fā)射同一信號s(t)，則位于θ方位的遠場點P的接收信號為[6]：

(1)

圖1 數(shù)字定向發(fā)射系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)框圖

1.2 數(shù)字定向發(fā)射系統(tǒng)中的誤差校準方法

在實際的DBF天線系統(tǒng)中，各個天線陣上總是存在幅度上和相位上的誤差，這些誤差由很多原因?qū)е隆Ｖ饕梢苑殖蓵r變和非時變誤差。非時變誤差是隨著天線布陣完成而確定的，主要因素由陣元安裝位置失配、陣元互耦、饋線阻抗長度差異和切換矩陣差異等。時變誤差是指陣列各通道中電子元器件非線性，尤其是溫度敏感的放大器、混頻器和濾波器等模擬器件，其時延及其幅頻相頻特性容易隨溫度引起較大的失真，這些誤差對天線的增益、波束指向和副瓣電平均有重要影響。時變和非時變誤差，會一起共同反應到數(shù)字端，表現(xiàn)為各個通道的幅相差[7,8]。不失一般性，以幅相差來表示由各種原因引起的所有誤差，可表示為[9]：

(2)

式中，δn為第n個陣元上的幅度誤差，Φn為其相位誤差。

圖2 具備校正功能的數(shù)字定向發(fā)射天線系統(tǒng)

通過開關(guān)控制器來控制校正誤差An或Cn，當開關(guān)控制器連接到陣列天線上時，校正的是整個系統(tǒng)誤差An，連接到合路器時校正的是時變誤差Cn。誤差An或Cn的校正步驟是相同的，以校正誤差Cn為例，校正步驟如下所示：

① 產(chǎn)生N個復合正交碼信號sk(l)，k=1,2…,N;l=1,2…,L；N、L分別為陣元數(shù)和正交碼的長度。這可以事先算好存儲在存儲器中。sk(l)經(jīng)過DFT變換產(chǎn)生N個校正測試信號testn(l) n=1,2…,N;l=1,2…,L。

(3)

②N個校正測試信號testn(l)同時進入N個發(fā)射通道，乘上射頻通道引入的誤差{C1,C2,…,CN-1,CN}。經(jīng)過合路器后的信號為：

(4)

合路器輸出的信號經(jīng)過校正網(wǎng)絡。sk為第k個正交碼信號，有：

(5)

(6)

(7)

(8)

考慮到校正系數(shù)對發(fā)射系統(tǒng)每個射頻通道中器件尤其是功放的非線性影響，對校正系數(shù)進行歸一化處理：

(9)

2 仿真實驗

以非均勻圓陣布陣為例進行仿真，仿真條件如下：① 陣型：非均勻圓陣(如圖3所示)；② 陣元數(shù)：5個；③ 半徑：6m；④ 載波頻率：33.3MHz；⑤ 發(fā)射信號強度：1dBw；⑥SNR：5dB；⑦ 掃描范圍：-180°～180°；⑧ 發(fā)射方位：0°。

圖3 非均勻圓陣天線的陣元排列及相鄰陣元間的夾角

當形成的分布式陣列天線系統(tǒng)處于變化的環(huán)境中時，其射頻信號之間幅度不一致在-2～3.5dB之間變化，相位不一致在-120°～180°之間變化。根據(jù)這些條件，仿真中設校正前的幅度誤差在-2～3.5dB之間均勻分布，相位誤差在-120°～180°之間均勻分布。每個采樣點之間的相位抖動服從均值為0，標準差為2的高斯分布。

圖4(a)為理想狀態(tài)下的發(fā)射波束圖，圖4(b)為校正前后發(fā)射波束圖的比較，可以看出校正前的發(fā)射波束圖由于存在誤差，使得發(fā)射波束圖產(chǎn)生嚴重的畸變，主瓣的指向有偏差，旁瓣的電平明顯升高。圖4(c)為校正后與理想狀態(tài)下的發(fā)射波束圖的比較，由于采樣點間的相位抖動影響無法消除，校正后發(fā)射波束圖與理想的發(fā)射波束圖有些偏差，主瓣偏移2°～3°，但仍處在3dB波束寬度內(nèi)。

圖4 發(fā)射波束圖

圖5表示校正后接收信號合成功率和單路接收信號的頻譜圖，從圖中可以看出，在0°方向五路合成功率相對于單路功率可增強約13dB。若每個陣元發(fā)射功率為100W，則合成后功率可增強為1 900W。

圖5 校正后接收信號合成功率與單路信號的頻譜圖

3 結(jié)束語

利用通信基地或者艦載通信平臺上的現(xiàn)有設備，由多付獨立工作的天線構(gòu)成一個分布式陣列天線系統(tǒng)，在此陣列天線系統(tǒng)的基礎上介紹了數(shù)字定向發(fā)射的系統(tǒng)模型，分析了發(fā)射過程中所產(chǎn)生的誤差并對其進行校準。并以不規(guī)則圓陣布陣為例進行仿真，表明數(shù)字定向發(fā)射系統(tǒng)可以有效地在某一定點方向?qū)崿F(xiàn)功率增強。數(shù)字定向發(fā)射不僅可以用于定向通信，還可以有效地對特定(已知)方位的敵方通信或接收系統(tǒng)進行干擾。

[1]LitvaJ，TitusKwok-YeungLO.DigitalBeamforminginwirelessCommunications[M].BostonLondon:ArtechHouse,1996.

[2] 尹繼凱.發(fā)射數(shù)字多波束天線技術(shù)研究[J].無線電工程,2005,35(5):39-40.

[3] 唐 恬,姜 軍,張 平.一種新的天線陣列盲自適應波束形成算法[J].無線電工程,2006,36(3):23-25.

[4]MailfouxRJ.(美)著.相控陣天線手冊(第2版)[M].南京電子技術(shù)研究所，譯.北京:電子工業(yè)出版社,2007.

[5]TsoulosG.SpaceDivisionMultipleAccess(SDMA)FieldTrials,Part2:CalibrationandLinearityIssues[J].IEEProc.Radar,SonarNavig,1998,145(1):79-84.

[6] 潘玉平,王玉虹.數(shù)字波束方向圖綜合技術(shù)[J].無線電工程,2008,38(10):23-25.

[7]VookFW,ComptonRT.BandwidthPerformanceofLinearAdaptiveArrayswithTappedDelay-lineProcessing[J].IEEETransonAES,1992,28(3):901-908.

[8] 吳曼青,王 炎,靳學明.收發(fā)全數(shù)字波束形成相控陣雷達關(guān)鍵技術(shù)研究[J].系統(tǒng)工程與電子技術(shù),2001,23(14):45-47.

[9] 趙紅梅.星載數(shù)字多波束相控陣天線若干關(guān)鍵技術(shù)研究[D].南京：南京理工大學，2009：22-26.

[10]吳 瑛，王 斌，張 莉 等.多信道接收機幅相不一致性的數(shù)字化校正[J].無線電通信技術(shù),2002,28(1):1-2.

[11]趙紅梅,王華力,牟善祥 等.星載DBFTx射頻通道幅相誤差校正[J].電子與信息學報,2008,30(9):2182-2184.

[12]吳曼青，王 炎.基于DDS的收發(fā)全DBF相控陣技術(shù)[J].高技術(shù)通信,2000(8):41-44.

Research on Digital Directional Transmission System Based on Existing Antenna Equipments

WANG An-min1,LIU Fang2,LIU De-bao1,WAN Yi-he1

(1.Research Institute of Tongfang Science and Technology Co.,Ltd.,Jiujiang Jiangxi 332009,China;2.Hangtian Huaxun Science and Technology Co.,Ltd.,Xi’an Shaanxi 710071,China)

Based on communication base or ship borne communication platform on the existing equipment,a distributed antenna array systemis constitutedusing extra work independently of the antenna.Based on this antenna system,the principle of digital directional transmission beam-forming is studied in this paper.The influence of the errors to the beam and errors calibration are also introduced.And simulation is performed taking irregular circular array as an example.Simulations results show that the digital directional transmission system can effectively achieve power enhanced to a designated target direction.

Array Antenna;Irregular Circular Array;Digital Transmit Beam-forming;Antenna Calibration

10.3969/j.issn.1003-3114.2016.06.17

汪安民 ，劉 芳，劉德保，等.基于現(xiàn)有天線設備對數(shù)字定向發(fā)射系統(tǒng)的研究[J].無線電通信技術(shù),2016,42(6):66-69.

2016-07-05

汪安民(1974—)，男，高級工程師，博士，主要研究方向:信號處理系統(tǒng)設計。劉 芳(1987—)，女，工程師，主要研究方向:陣列信號處理。

TN911.7

A

1003-3114(2016)06-66-4