數字化相控陣天線測試方法及測試系統設計研究

周鋒　衛學新　丁迪

摘??要：近年來，隨著計算機信息技術、電子科技的發展與應用，促進了相控陣天線系統的發展。數字化相控陣天線具有高分辨率、抗干擾性好、搜索速度快、可靠性高等優點，廣泛應用在相控陣雷達工作中，可以實現多功能雷達探測工作。本文主要闡述了數字化相控陣天線的發射方向圖測試和接受方向圖測試兩種方法，并基于數字化相控陣天線工作需求，設計一種數字化相控陣天線多任務測試系統，可以滿足大型數字化相控陣天線測試的需求，提高測試效率。

關鍵詞：數字化相控天線;測試方法;測試系統設計

引言

雷達設備具有全天候、全天時，且不受到自然環境影響的優勢，成為全天候進行探測的設備之一，因此成為軍事領域、資源探測、環境檢測、氣象預報以及科學研究等領域必不可少的電子設備。然而隨著社會經濟的發展，現代雷達設備的電磁環境越來越復雜，在工作時受到有源/無源電磁干擾、反輻射武器以及隱身目標等工作需求，對雷達設備提出了更高的要求。線控陣天線可以改變雷達波速方向，通過電子方式控制波束，提高了雷達探測準確性。數字化相控陣天線的上行鏈路微波激勵源來自于自身的DDS移相，并通過中頻采樣將下行鏈路的光信號發射到目標，導致數字陣天線發射方向圖失去同頻率的參考基準，導致接受方向圖測試儀失去了作用。因此，需要設計新的測試系統，滿足數字化相控陣天線工作需求。

1.數字化相控陣天線測試方法

相控陣天線是通過控制陣列天線輻射單元中的饋電相位改變雷達探測方向圖形狀的天線，通過相位就可以改變天線方向圖的指向，從而完成波速掃描的探測對象的目的。數字化相控陣天線通過電子方式進行采樣、處理信號形成波速，相控陣天線發射與接收波速全部采用數字化T/R組件，它將發射機、接收機、激勵器以及信號采集器集成一個完整的數字發射機和接收機分系統。雷達發射信號時，數字層DA產生調頻信號，并經過兩級混頻，上變頻轉化為帶寬所需的射頻信號，并通過激勵器進行放大信號，實現移相放大后進入到輻射單元進行輻射[1]。接受信號器通過T/R組件將接收通道的信號進行處理，移相衰減后進入到下變頻通道，并經過A/D進行數字采樣，形成數字信號發送到DBF模塊。根據數字化相控陣天線的工作原理，可以看出相控陣天線的信號發射器和接受器沒有形成完整且同頻的射頻信號閉環回路，所以射頻儀器無法測試天線的性能。所以，數字化相控陣天線測試系統無法利用矢量網絡分析儀進行測試，而是通過數字T/R組件進行閉環測試。目前數字化相控陣天線測試方法主要有發射方向圖測試和接收方向圖測試兩種。

1.1發射方向圖測試

數字化相控陣天線發射方向圖測試時，整個天線陣處于發射狀態，測試計算機掃描件探頭移動測試每一個位置的數據，接受陣面輻射發出的額微波信號，并將信號發射到監測組件。監控組件本質是一個數字化的T/R組件，不僅可以對接收到的數字微波信號進行采集，而且還可以通過綜合數字技術合成發射微波信號[2]。同時還可以輸出測試專用的數字信號，并通過光纖網絡發送到天線數據記錄儀。記錄儀將測試到的數據信息與參考信號數據進行對比，從而計算出探頭移動測試到的每一個位置采集的微波信號頻率、幅度以及相位。掃描設備完成天線陣面各個測試點的測試后，將測試陣面相位數合成矩陣，最后通過方向圖軟件得出天線的放射方向圖。

1.2接收方向圖測試

接收方向圖測試方法與發射方向圖測試方法的區別在于監測組件的收發狀態和DBF技術的介入。數字化相控陣天線接收方向圖測試過程中，天線陣面全部呈現接收狀態，監測組件呈現發射狀態。雷達探頭在每一個測試位置上將監測組件發射的微波信號輻射到天線陣面，天線陣面接收的探測信號必須經過數字T/R組件的數字化采集并傳輸到DBF發射通道，綜合數字技術根據發射信號的要求，對采集數據信息幅度、相位進行加權，產生所需的頻率、帶寬滿足雷達工作所需的調制信號，再通過上變頻器進行數據交換達到雷達所需的射頻波段，并對波束進行合成[3]。數字波束合成信號和監測組件發送的參考信號利用光線通信系統傳輸到數據記錄儀，記錄儀將測試得到的數據信息與參考信號數據進行對比，從而計算出探頭移動測試到的每一個位置采集的微波信號頻率、幅度以及相位。掃描設備完成天線陣面各個測試點的測試后，將測試陣面相位數合成矩陣，最后通過方向圖軟件得出天線的接收方向圖。

2.數字化相控陣天線多任務測試系統設計方案

數字化相控陣天線的工作頻率范圍比普通相控陣更廣、測試任務量多、流程復雜，往往需要測試數百個頻率點，普通的近場天線測試系統無法滿足數字化相控陣天線測試系統的工作要求，因此需要建立多任務測試系統，滿足數字化相控陣天線工作需求。

2.1硬件設計

鑒于數字化相控陣天線多任務測試系統的硬件設備包括計算機、綜合頻率源、控制模塊、數據記錄模塊、測試模塊、交換機、功率放大器、上變頻器、下變頻器、DDS中間件、限幅器、收發開關、數字接收器、數字發射器、光纖電纜、光纖轉接盒等硬件設備。其中控制模塊是整個多功能測試系統的關鍵，多任務測試系統的雷達探測頭可以單次掃描測試多個頻率點、多個波束、多個通道的天線方向圖[4]。所以，掃描探頭、陣面狀態切換以及數字化采集需要同步控制。利用任務控制模塊，在測試前，將天線測試的所有頻率點、波束指向等相關數據信息預存到控制模塊進行緩存，測試時可以按照緩存的數據掃描制定的測試點，合成數字光束，提高測試的效率和速度。

2.2軟件設計

軟件系統是整個數字化相控陣測試系統的關鍵，數字化相控陣多任務測試系統需要為用戶提供一個可操作的人機界面，不僅可以完成多任務測試任務，而且還具備全陣面監測功能，將方向圖測試結果以多維度、多角度、多層次可視化方式展現出來。多任務測試系統軟件包括服務模塊、控制模塊、數據模塊、執行模塊、硬件驅動程序等。服務模塊是將相控陣天線測試數據進行處理、顯示與管理;控制模塊是對整個數字化相控陣天線系統進行控制，按照預設的測量要求進行工作;數據模塊是將所有測試系統采集的數據信息進行存儲、分析與管理;執行模塊是根據測試任務的需求，按照用戶的測試意圖自動生成一系列測試任務，并進行智能分配和精準調度，讓多任務天線測試系統的硬件設備與被測目標進行協調控制[5]。在執行模塊的調度下，硬件驅動系統訪問各個控制模塊和數據模塊的信息，從而達到快速采集、記錄、分析、計算以及評估天線測量數據信息。采用多任務測試系統，掃描探頭一次可以完成多個頻率點下多個波束以及多個方向圖的測試，并與單任務測試系統的精度、準確度保持一致。

結束語

數字化相控陣多任務測試系統不僅解決了數字化相控陣天線測試系統無法利用網絡矢量分析儀進行計算的難題，而且極大地提升了相控陣天線的測試效率。經過實驗證明，多任務測試系統的精度與單任務測試系統的精度基本保持一致。

參考文獻

[1] 侯飛，柏利，喬淑君.數字化相控陣天線測試方法及測試系統設計[J].計算機測量與控制，2017，25（1）：47-49.

[2] 代睿，高強.數字化子陣天線及通道指標測試方法研究[J].現代導航，2019，10（5）：386-390.

[3] 曹德明.數字相控陣天線測試平臺[J].數字化用戶，2018，24（1）：82-82.

[4] 劉江濤.寬帶數字陣列雷達試驗系統設計與仿真[D].陜西：西安電子科技大學，2015.

[5] 蔡亞寧，肖鵬飛，何德華，等.數字化技術在高分三號衛星總裝設計中的應用[J].航天器工程，2017，26（6）：137-142.