一種有源相控陣收發通道性能檢測方法

江偉偉，閆勝剛

(中國船舶集團有限公司第八研究院，南京 211153)

0 引 言

相控陣雷達元器件少則上千、多則上萬，由于長時間地工作，不可避免會引起性能變差或損壞。當故障單元達到一定數量時會導致相控陣雷達系統的性能下降甚至不能正常工作。對于相控陣雷達，T/R組件收發通道性能的好壞直接影響到雷達的威力。因此，采用一定的手段對各通道單元進行定期或不定期檢測非常必要。及時判定各通道的工作狀態,并對故障通道進行定位，同時提供故障位置指示，為設備及時維修和更換提供依據和參考。

本文采用在面陣內上方設置檢測天線單元的方式，通過檢測天線單元與面陣天線單元之間的耦合實現對組件收發通道的故障檢測。

1 設計實現

檢測方式既要考慮到能否對組件的各個收發通道進行全面的檢測，又考慮到盡量減小檢測周期并及時送出檢測結果。在面陣內上方設置檢測天線單元，通過檢測天線單元與面陣天線單元之間的信號耦合實現對收發通道的檢測。

1.1 故障檢測天線個數確定

以下均采用80*8的面陣(80為T/R組件個數，8為單個組件的通道數)，并在面陣內上方等間距設置檢測天線單元的方式。表1為不同檢測天線個數時距離檢測天線單元最遠和最近面陣單元的相對幅度(dB)關系。表中第1行為檢測天線數個數，第2行為最近面陣單元接收到數據的相對幅度，第3行為最遠面陣單元接收到數據的相對幅度。上行和下行具有對偶性，相對幅度關系一致。

表1 不同檢測天線數時陣元的相對幅度

由表1可知，4個檢測天線的設計能夠覆蓋整個面陣的收發通道檢測，能保證最遠的面陣陣元能接收到可檢測信號(下行時)或者最遠的面陣陣元輻射信號其對應的檢測天線能接收到可檢測信號(上行時)。面陣天線單元與檢測天線單元的位置關系見圖1。

圖1 面陣天線單元與檢測天線單元位置關系

1.2 時序關系

在維護模式下對T/R組件的收發通道進行測試。上、下行檢測任務分開進行，先進行上行檢測任務，再進行下行檢測任務。具體時序設計如下：上行檢測任務(每次控制一個組件的一個通道在一個頻點發射，共8個通道，80個組件，26個頻點)占用五分之一個時間片；下行檢測任務(每次控制20個組件相同位置的通道在同一頻點接收，共60個頻點)占用一個時間片。

一個檢測周期內上行檢測時序關系圖如圖2所示，A1～A20為上行通道檢測任務。一個檢測周期內的下行檢測時序關系圖如圖3所示，B1～B4為下行通道檢測任務。

圖2 上行檢測時序關系圖

圖3 下行檢測時序關系圖

1.3 通道檢測信號的產生

由監測模塊產生下行通道檢測信號，T/R組件產生上行通道檢測信號，均為單載頻正弦波信號。監測模塊包括模擬模塊和數字模塊。模擬模塊包括收發開關、接收支路(低噪放+下變頻)、上變頻模塊。數字模塊包括FPGA電路、光纖接口電路。監測模塊原理框圖如圖4所示。

圖4 監測模塊原理框圖

1.4 信號流程

面陣接收通道性能測試時監測模塊產生數字中頻信號，經過DA和上變頻及功放模塊變換成射頻信號由檢測天線輻射出去，由面陣相對應的各個天線單元同時接收，經過T/R組件轉換成數字中頻信號，進入AD采樣I、Q數據，最后傳輸到故檢軟件。面陣發射通道性能測試時T/R組件產生相應發射頻點的信號，面陣天線單元將上行射頻信號輻射出去,檢測天線單元接收T/R組件發射的射頻信號，監測模塊通過下變頻轉換成數字中頻信號，進入AD采樣I、Q數據，最后傳輸到故檢軟件。

故檢軟件根據接收到的各個頻點下的相應通道數據完成信號幅度的估計，然后與參考值比較得出發射、接收通道性能結果。通道檢測信號流程圖如圖5所示。

圖5 通道檢測信號流程圖

2 應用實例

實例中采用80*8面陣，在面陣內上方等間距設置4個檢測天線單元，面陣天線單元與檢測天線單元位置關系如圖1所示。

2.1 發射通道測試

發射通道測試結果如圖6所示。圖中，橫坐標為組件號，縱坐標為通道號，組件16的7、8發射通道異常。經排查該組件的功放檢測電路存在問題。

圖6 發射通道測試結果

2.2 接收通道測試

接收通道測試實例1如圖7所示，圖中組件10的8個接收通道性能全部不正常。該組件的分析結果如圖8所示。圖中，橫坐標為測試次數(前100次為低頻段，剩下的為高頻段)，縱坐標為幅度值，測試數據的幅度值與期望值(80 dB左右)相比小很多，經排查確認該組件的本振輸入存在問題。

圖7 接收通道測試實例1結果

圖8 組件10的各個接收通道測試幅度值

接收通道測試實例2如圖9所示，圖中組件32的接收通道1故障。該通道的分析結果如圖10所示。該通道所有低頻點的測試數據的幅度均不正常，經排查確認該組件的接收通道1的第2級大功率開關損壞。

圖9 接收通道測試實例2結果

圖10 組件32的第1接收通道測試幅度值

接收通道測試實例3如圖11所示，圖中組件65的接收通道4故障。該通道的分析結果如圖12所示，所有高頻點的測試數據的幅度均不正常。經排查確認該組件的接收通道4的第1級大功率開關損壞。

圖11 接收通道測試實例3結果

圖12 組件65的第4接收通道測試幅度值

3 結束語

針對相控陣收發通道出現的故障，本文提出了一種有效的檢測方法。通過幾個典型的實例，證明該方法能快速對故障通道進行定位的同時提供位置指示，并可提供幾種典型故障的維修策略。本文提出的方法有效，設備量少，易于實現，已成功應用于某型號產品中。