數字化相控陣天線測試方法及測試系統設計

侯 飛,柏 利,喬淑君

(中國電子科技集團公司第十四研究所，南京 210039)

數字化相控陣天線測試方法及測試系統設計

侯 飛,柏 利,喬淑君

(中國電子科技集團公司第十四研究所，南京 210039)

伴隨著雷達技術的飛速發展，數字化相控陣天線開始廣泛運用于各種相控陣雷達當中;由于數字化相控陣天線的工作原理與傳統模擬相控陣天線差異極大，測試方法也發生了根本性的改變，原有的基于普通微波儀表的天線測試系統無法再對數字化相控陣天線進行測試，必須設計新型的數字化相控陣天線測試系統;文章首先介紹了數字化相控陣天線自身的工作原理和測試方法，隨后提出了新型數字化相控陣天線測試系統的具體軟硬件設計方案，實際應用表明數字化相控陣天線測試系統可以滿足各種數字化相控陣天線的測試要求。

數字化相控陣天線；方向圖；測試系統設計

0 引言

伴隨著電子技術的飛速發展，數字化相控陣天線因其具備高搜索速率、高多普勒分辨率和角分辨率、高抗干擾能力和同時多功能等優勢，正在成為相控陣雷達的一個新的發展方向[1]。數字化相控陣天線，不再含有模擬的移相器，而是將數字化接收機前移。上行鏈路通過DDS移相產生不同相移的信號，上變頻到射頻天線單元形成發射波束。下行鏈路靠接收機將信號放大濾波，AD采樣后，在數字域形成所需的接收波束。由于收發波束的合成產生與控制均采用了數字技術，因此稱之為有源數字化相控陣天線，簡稱數字陣。

相控陣天線性能的好壞主要通過方向圖來體現，普通模擬相控陣天線通常是在微波暗室中通過矢量網絡分析儀進行方向圖測試[2]。數字陣天線由于上行鏈路的微波激勵源不再是從外部輸入，而是來源于自身的DDS，其下行鏈路的輸出也不再是微波頻段下的信號輸出，而是經過中頻采樣后的光信號。由此造成了數字陣天線的發射方向圖測試失去了同頻參考基準，接收方向圖測試矢量網絡分析儀無用武之地，必須設計全新的測試系統來進行數字陣天線測試[3]。本文首先介紹了數字陣天線的測試方法，進而討論了測試系統的設計思路和架構方案，最后對測試系統軟硬件技術方案進行了詳細論述。

1 數字相控陣天線工作原理

根據所采用的波束形成硬件，相控陣雷達天線通常可以分為模擬相控陣天線和數字相控陣天線。模擬相控陣天線采用模擬器件(如移相器、時延單元及波導等)來形成波束，而數字相控陣天線則采用數字采樣和數字處理器來形成波束[4]。數字相控陣天線的收發波束都采用全數字波束形成，它是在數字域實現幅相加權(即數字波束形成)。其核心技術是全數字T/R組件：它把發射機、接收機、激勵器和本振信號發生器集為一體，成為一個完整的發射機和接收機分系統。特別是數字相控陣天線接收波束的合成并不是由真實的饋線網絡合成的，而是由天線后端的數字波束形成模塊(DBF)通過數據處理合成的。數字相控陣天線原理框圖如圖1所示。

圖1 數字相控陣天線原理框圖

數字陣天線發射工作時，全陣面的數字T/R組件內的DDS按幅度和相位控制指令結合時鐘及定時信號在波形產生時預置相位和幅度，經上變頻激勵驅放，進而激勵末級功率放大器放大信號后，通過輻射單元向空間輻射。天線接收工作時，輻射單元接收空域內的反射電磁波信號，經環形器后送入數字T/R組件接收通道，由LNA放大后，再由增益控制、下變頻、濾波放大、A/D采后，形成數字正交信號送DBF模塊，產生掃描空域內的任意接收波束。

2 數字相控陣天線測試方法

數字陣天線發射狀態下輸入的射頻信號只有本振和時鐘信號，天線輻射出去的射頻信號與本振和時鐘并不是同頻率的。陣面接收狀態下接收的是射頻信號，輸出的則是由數字T/R組件采樣打包的數據光信號。不論是在發射狀態下還是接收狀態下都不存在完整且同頻的射頻信號閉環鏈路，用射頻儀表很難測試天線性能。因此，數字陣天線測試系統不再以矢量網絡分析儀為核心構成測試閉環鏈路，而是由陣面上的數字TR組件和監測組件共同組成一個完整的測試環路，測試系統提供陣面控制信號，控制陣面的工作狀態以及掃描架的運行，由陣面自身設備完成測試激勵和數據采集，系統采集到的測試數據由數據記錄設備或計算機進行記錄，通過數據處理得到陣面測試結果。

2.1 發射方向圖測試

在近場對數字陣天線進行發射方向圖測試時(測試原理框圖如圖2所示)，天線全陣面處于發射狀態。測試過程中，測試計算機控制掃描架探頭移動到每個測試位置，接收陣面輻射出的微波信號，并將該信號送入監測組件。

圖2 數字陣發射方向圖測試原理框圖

監測組件實際上是一個功能拓展的數字T/R組件，既可以對接收到的微波信號進行數字采樣，也可以利用自身的DDS合成并發射微波信號。另外，監測組件還可以輸出一路專門作為測試參考的數字信號。

在對天線進行發射方向圖測試時，監測組件處于接收態。監測組件將探頭接收到的微波信號進行數字化采樣，與自身參考信號同時通過光纖送給數據記錄儀，測試計算機將記錄儀得到的測試信號數據與參考信號數據進行實時比對，計算出探頭在天線陣面每個測試位置采集到的微波信號幅度和相位。掃描探頭依次完成天線陣面所有測試點的測試后，測試計算機將全陣面幅相數據進行矩陣合成，最終利用方向圖計算軟件計算出天線的放射方向圖。

2.2 接收方向圖測試

數字陣天線接收方向圖的測試與發射方向圖測試略有不同(測試原理框圖如圖3所示)。區別主要在于監測組件的收發狀態改變和陣面DBF的介入。

圖3 數字陣接收方向圖測試原理框圖

在對天線進行接收方向圖測試時，天線全陣面處于接收狀態，監測組件處于發射態。在每個測試位置，測試探頭將監測組件發射出的微波信號向天線陣面輻射。天線陣面接收的信號經過所數字T/R組件數字化采樣送到陣面DBF進行數字波束合成。數字波束合成后的信號與監測組件送出的參考信號同時通過光纖送給數據記錄儀。與發射方向圖測試一樣，測試計算機將記錄儀得到的測試信號數據與參考信號數據進行實時比對，計算出探頭在天線陣面每個測試位置輻射的微波信號幅度和相位。掃描探頭依次完成天線陣面所有測試點的測試后，測試計算機通過計算得到天線的接收方向圖。

2.3 具體測試步驟

數字化相控陣天線具體測試步驟[5]如下：

1)測試計算機控制掃描探頭走到天線正面的第一個測試位置，探頭到位時向測試計算機發出到位確認信號。

2)測試計算機確認掃描探頭到達指定測試點后，依據待測試的頻點和波束指向信息，計算出相應的陣面狀態控制碼，發送給陣面控制設備。

3)陣面控制設備依據收到的陣面控制碼，通過陣面光纖網絡控制天線陣面上所有的數字T/R組件和頻率源進入到相應的狀態，陣面形成待測波束。

4)掃描探頭采集射頻信號進入監測組件的接收通道，下變頻到中頻信號，經過AD采樣最終形成IQ數字信號，與參考信號一起通過光纖下傳。

5)數據記錄儀同時記錄光纖下行的被測信號和參考信號。

6)測試計算機通過網絡獲得記錄儀中的被測和參考信號數據，進行數據處理，計算出信號的幅度和相位。

7)測試計算機將得到的幅度和相位數據實時顯示到測試軟件界面上，同時將幅相數據按照指定格式存儲，留待后期進行方向圖計算。

8)測試計算機控制掃描探頭移動到第二個測試位置點。重復步驟1至步驟7，直到完成整個天線的數據采集。

9)整個天線測試數據采集完成后，通過專用的方向圖分析軟件對存儲在計算機中的測試數據進行FFT計算，得到被測天線的方向圖和相關性能指標。

3 數字陣多任務測試系統設計

在實際的數字陣天線近場測試過程中，天線的測試流程非常復雜，測試任務量也極其巨大。往往需要對天線在不同收發狀態下，測試數百個頻率點、上千個波束的方向圖。普通的近場測試系統無法滿足工程化的測試需求，必須要使用可以對天線同時進行多頻點、多波束方向圖測試的數字陣多任務天線測試系統。多任務天線測試系統的硬件組成更加復雜和軟件功能更加強大，通用化程度也更高。

3.1 系統設計

數字化相控陣天線多任務測試系統在硬件組成上主要包括測試計算機、綜合頻率源、任務控制模塊、陣面控制模塊、測試DBF模塊、數據記錄模塊、網絡交換機以及數據處理計算機、有源光放大分配器、光纖轉接盒等設備(系統組成框圖如圖4所示)。系統中除了數字陣測試必須具備的硬件設備外，特別增加了一個任務控制模塊。任務控制模塊是測試系統具備多任務測試能力的關鍵。

圖4 數字陣多任務測試系統組成框圖

所謂多任務測試系統，是指掃描探頭單次掃描全陣面可以測試多個頻率點、多個波束、多個通道的天線方向圖。因此，多任務測試系統必須要實現掃描探頭移動、陣面狀態切換和測試數據采集的實時同步控制。在進行多任務測試前，測試人員將天線需要測試的所有頻率點、波束指向等測試任務信息預存在任務控制模塊的緩存中，測試開始后掃描探頭每到一個測試點都會給任務控制模塊發送探頭到位脈沖。任務控制模塊收到探頭到位脈沖的觸發，將預存的所有任務信息依次打包發送給陣面控制模塊。陣面控制模塊實時響應每幀任務信息包生成相應的頻率源控制指令和陣面控制指令，控制綜合頻率源和被測天線同步切換頻率和波束指向狀態。天線上的數字T/R組件、監測組件和DBF模塊完成數據采集和波束合成后將數據送到數據記錄模塊記錄或通過數據處理計算機實時處理顯示。

為了提高多任務測試系統的通用性，測試系統中專門增加了測試DBF模塊、有源光放大分配器、光纖轉接盒等設備。有些被測天線規模較小，自身不包含陣面DBF模塊就可以使用系統中的測試DBF進行波束合成。有些陣面規模較大，就需要使用有源光放大分配器、光纖轉接盒來放大、分配或合成陣面的光纖控制指令和采樣數據。

3.2 軟件設計

數字化相控陣天線測試系統軟件作為整個測試系統所有任務功能的最終體現，是整個測試系統開發的關鍵。軟件通過人機接口實現與用戶之間的信息交換。在人機接口中集成了全息顯示模塊，能夠多維、多角度、多剖面、多層次展示天線的狀態數據和信息。服務模塊實現所有測試相關數據的處理、顯示與管理功能。控制接口和數據接口實現了軟件與測試系統硬件資源的高效對接。執行引擎則負責提供測試軟件的任務工作環境。通過測試策略定制，執行引擎能夠清晰獲取用戶的測試意圖，并自動生成一系列的測試任務，再經智能分配和精準調度，實現測試系統所有硬件資源與被測天線的協調控制。處于軟件上層的各類測試流程構件，在執行引擎的協調調度下，通過調用系統硬件驅動程序并訪問各種控制與數據接口，最終實現天線測試數據的高速采集記錄、高精度運算分析以及天線性能的綜合驗證評估。系統軟件架構如圖5所示。

圖5 數字陣測試系統軟件架構圖

數字化相控陣天線測試系統軟件為用戶提供一個可操作的可視化界面，不但具備方向圖多任務測試功能，還具備全陣面監測排故能力。每次陣面測試結束后，陣面的方向圖測試結果可以立刻以多個維度的視角顯示出來，各種性能參數一目了然。同時，軟件還可以最直觀的顯示陣面上每個通道的工作狀態，通道幅度和相位的差異都可以從色彩的變化體現出來。

4 試驗結果與分析

數字化相控陣天線的工作頻率范圍通常比普通模擬相控陣寬很多，方向圖測試任務量也往往數倍于普通天線。因此，多任務測試系統的應用更加具有非凡的意義。經過大量實驗驗證，可以發現多任務測試系統不但使得數字化相控陣天線測試效率提高了很多倍[6]，測試精度也不比普通單任務測試系統差。

圖6 天線測試結果軟件顯示

以某L波段大型數字化相控陣天線實際測試為例分析。單任務天線測試系統探頭掃描一次只能完成1個方向圖的測試，耗時約為50分鐘。使用多任務測試系統，探頭單次掃描可以完成3個頻率點下各7個波束共21個方向圖的測試。為了多任務測試穩定，探頭掃描速度降低，耗時約90分鐘。在此情況下，多任務系統綜合測試效率達到單任務的11倍。

同時對單任務和多任務測試系統測出的方向圖指向精度和最大副瓣參數的10次平均值進行比對，具體測試數據如表1所示。

從比對數據可以確認，多任務測試系統與單任務測試系統方向圖測試差異約為1%，測試精度基本一致。

5 結束語

文中論述的數字化相控陣天線測試系統集成方案和天線測

表1 單任務系統與多任務系統測試精度對比

試方法經過了多個型號、不同頻段的數字化相控陣天線實際測試的應用，測試結果表明天線的測試效率和精度滿足數字相控陣天線的測試要求。這種新型的數字化相控陣天線測試系統解決了數字化相控陣天線不能依靠傳統儀表直接進行測試的技術難題，極大地提升了天線的測試效率，有效推動了數字相控陣天線的研制與應用進程。

[1] 吳曼青.數字陣列雷達及其進展[J].中國電子科學研究院學報，2006,1(1)：11-16.

[2] 張士選,李 勇,等.超低副瓣天線近場測試關鍵技術探討[J].西安電子科技大學學報，2000,27(3)：368-373.

[3] 夏德平,劉雪晶.全自適應數字陣列的近場測試[J].現代雷達，2014,36(6)：88-91.

[4] 彭 傅,張 波. 基于FPGA的DBF多波束中頻接收系統的設計與實現[J].計算機測量與控制，2016,24(7)：227-229.

[5] 吳鴻超,徐欣歡,等.數字相控陣天線陣面的暗室測試方法研究[J].現代雷達，2015,37(8)：49-52.

[6] 曹俊峰,倪向東.有源相控陣雷達天線測試實現與優化[J].火控雷達技術，2015,44(1)：99-102.

Test Method and Test System Design of Digital Phased Array Antenna

Hou Fei, Bai Li, Qiao Shujun

(China Electronics Technology Group Corporation the 14TH Research Institute, Nanjing 210039, China)

With the rapid development of the radar technology, digital phased array antennas have been widely used in various kinds of phased array radar. Due to the great difference of the principle between digital phased array antenna and conventional analog phased array antenna as well as the fundamental change of test method, original antenna test system based on common microwave instrument can no longer test digital phased array antenna and a new type of digital phased array antenna test system design is needed. This paper firstly introduces the working principle and test method of digital phased array antenna, and then proposes the concrete hardware and software design of new digital phased array antenna test system. The practical application shows that the digital phased array antenna test system can meet a variety of test requirements of digital array antenna.

digital phased array antenna; pattern; measurement system design

2016-11-25；

2016-12-12。

侯 飛(1977-)，男，江蘇南京人，高級工程師，主要從事雷達測試技術方向的研究。

柏 利(1978-)，女，重慶人，教授，高級工程師，主要從事微波測試技術方向的研究。

1671-4598(2017)01-0047-03

10.16526/j.cnki.11-4762/tp.2017.01.014

TP3

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