米波雷達天線陣子故障快速檢測新方法

同 偉，劉志高，束 琬，陸鵬程

(1.空裝駐合肥地區第一軍事代表室，安徽 合肥 230088；2.中國電子科技集團公司第三十八研究所，安徽 合肥 230088)

0 引 言

近年來，由于米波雷達的頻段反隱身、大功率孔徑積及低成本等多方面優勢，大型相控陣米波雷達已經得到持續發展和廣泛部署。作為地面防空預警反導體系的骨干裝備，米波雷達在部署外場后長期受野外惡劣氣候的影響，天線陣子的性能可能發生變化甚至失效，如未得到及時檢修將會嚴重影響作戰效能。現有的相控陣天線故障診斷方法多為針對T/R組件、移相器等有源器件，或對整個陣面的參數進行檢測，少有專門針對天線陣子的快速故障檢測方法研究。目前對天線陣子的故障檢測，通常是在雷達修理廠利用儀器儀表對成百上千的天線單元逐一進行測試。這種方式通常是事后檢測，存在反應不及時、容易發生漏檢、檢測效率低等問題，不能很好地適應現代化雷達部隊對武器裝備進行全面健康管理的需求。因此，如何在外場對米波雷達天線進行快速故障定位已經成為雷達基層部隊的迫切需求。

1 天線陣子故障快速檢測原理

通過對現有米波雷達天線陣子的研究發現，其最常見的故障模式為天線陣子長期暴露在戶外，進入水汽后導致天線的幅度發生衰減以及相位出現突變。因此，對米波雷達天線陣子的故障檢測在于準確獲取天線陣面各個單元的幅度和相位特性，并從中篩選出幅度、相位出現異常的單元。對于已部署陣地的雷達，不便對其進行改造或加裝，只能利用雷達本身的數據及有限的測試場地，外加簡易的輔助設備來完成天線陣子的故障檢測。

現代米波雷達的天線陣面通常是由天線陣子、T/R組件、饋電網絡、移相器等幾部分組成，同時相控陣雷達多設計有內校正網絡，如圖1所示。通過內校正網絡可以實現由T/R組件、饋電網絡、移相器、衰減器組成的收發通道幅相校正和補償，但無法獲取天線陣子的幅相數據。

圖1 接收校正原理框圖

為獲取天線陣子本身的幅度和相位信息，需要外加信號源和輔助天線。首先對雷達實行內校正，獲取內部通道的幅相數據，然后在外場通過輔助天線發射校正信號完成外校正，獲得天線陣子與內部通道的復合幅相數據，并通過數據處理即可獲得天線陣子本身的幅相數據，進行故障判定與定位。

2 米波雷達外校的多徑效應應對

對米波雷達的外場校正一般是在遠場區利用高塔發射測試信號來提供校正源。但是在陣地環境下不具備高塔的測試條件，只能使用可快速架設的簡易支撐裝置來進行測試。由于米波天線的頻段較低，俯仰維度波瓣較寬，在架設高度不夠的情況下，輔助天線發射的測試信號除直射波外還存在地面反射波。因此被測天線陣面接收的是直射波和地面反射波的合波信號，嚴重影響了天線陣面的幅相一致性。為減小多徑效應的影響，本文使用地面反射場法進行架設，使得直達波和反射波在到達被測天線時形成近似等幅同相的最佳合成場。待測天線與輔助天線的二次路徑如圖2所示。

圖2 地面反射場法

按照圖2所示的幾何關系，在被測天線口徑面上任一點，距離地面高度為的合成場為:

()≈e-j[1+e-je-j(-)]

(1)

式中：為信號幅度;e-j為地面的復反射系數。

在理想鏡面反射和小擦地角入射的條件下，直達波和反射波所產生的合波幅度為:

|()|=2sin()

(2)

因此當被測天線高度、輔助天線高度和測試距離之間滿足以下關系式時，合波信號的幅值可以達到最大：

=4

(3)

在被測天線高度一定的情況下，根據公式(3)進行測試距離和輔助天線高度的設置，即可最大限度地減少多徑效應帶來的影響。

3 利用中場測試法計算天線陣子的幅相數據

由于場地條件和測量設備的限制，米波雷達天線無法采用比較成熟的近場和遠場校正，故本文采用中場校正的方式。中場校正是將輔助天線單元放置在中場的測試距離上作為信號發生單元。但是由于輔助天線和陣中各被測單元之間存在空間程差，同時受方向圖影響，測試信號到達各被測單元的幅度和相位存在差異。因此，可以使用多個輔助單元，構造出與被測陣列相同的排列方式，利用其幾何關系來消除程差和方向圖的影響。使用2個輔助天線可進行一維行向量測試，使用3個輔助天線即可進行二維平面陣測試。

圖3 中場三點法原理

對第1組和第2組數據進行遞歸處理，可得與軸平行的每行單元的幅相為：

(4)

式中：=2,3,…,；=1,2,3,…,。

對第1組和第3組數據進行遞歸處理，可得與軸平行的每列單元的幅相為：

(5)

再以任意列的幅相分布將行與列進行關聯處理，可得陣面單元歸一化的幅相分布：

(6)

根據以上三點法的原理，可以測得陣面各個單元的幅相分布情況。該測試方法可以消除程差和方向圖的影響，得到較高的測量精度。

4 試驗系統

4.1 試驗系統組成

米波雷達天線故障檢測試驗系統主要由待測米波雷達、數據處理設備、輔助天線陣面、輔助天線架設機構、信號源、電纜組件等幾個部分組成，如圖4所示。

圖4 米波雷達天線故障檢測試驗系統

輔助天線陣面及其架設機構如圖5所示。輔助天線陣面由天線反射板和3個輔助天線單元組成。其水平和垂直間距與雷達陣面的單元間距一致。天線架設機構可以實現垂直高度、水平角度和俯仰角度的調節，用于輔助天線架設、天線指向調節及架設高度調整。

圖5 輔助天線陣面及其架設機構

信號源用于為輔助天線提供待檢測頻點的發射信號。數據處理設備用于控制射頻開關切換、信號源的激勵信號產生，同時接收相控陣雷達各天線的IQ數據，并根據中場三點法進行數據處理和故障判斷，最終通過上位機軟件界面顯示相控陣雷達天線故障位置信息。

4.2 試驗結果

采用上述地面反射場法和中場兩點法，對現有的一個口徑尺寸為12.5 m×20 m、單元數20×22的大型米波雷達天線單元進行故障檢測試驗。輔助天線高度2 m，雷達中心高度10 m，測試距離為70 m。

為驗證故障檢測的正確性，對天線陣列隨機選擇3個單元進行故障注入。選擇其中第6行14列、7行3列、9行6列的天線單元，在天線饋線和數字陣列模塊(DAM)間分別接入了一個2 dB、3 dB和5 dB的衰減器。選擇對應行的局部相位測試結果如圖6所示。

圖6 三點法相位測試結果

從圖6可以看出，每一行的相位關系出現了一個拋物線的趨勢。這是由于沒有對輔助天線和雷達天線的絕對坐標進行標校，使得輔助天線陣面和雷達陣面間的平行度有偏差。但是從相位測試結果來看，在加入衰減器的單元相位出現了突變，這與實際的相位故障模式是匹配的。可使用最小二乘法擬合對相位趨勢進行去除，然后再根據門限進行故障判斷。通過實測結果，根據良好天線與故障天線的幅相變化情況，可對陣元的幅度故障門限設置為3 dB，相位故障門限設置為20°。故障判斷的圖形化顯示結果如圖7所示。

從圖7可以看出，進行故障注入的第10行9列、11行16列、12行3列的天線單元能夠成功被檢測出故障。

圖7 故障檢測結果的圖形化顯示

5 結束語

本文介紹了利用地面反射場法結合中場三點法對米波雷達天線故障進行快速檢測，并搭建了測試系統對現有的一部大型米波雷達陣列天線進行了試驗。試驗結果表明，該方法的輔助天線架設簡單、檢測快速精準，適合于外場快速定位大型米波雷達故障天線。