基于數字相控陣雷達的同步技術設計

林立新

（福建金石電子有限公司，福建 福州 350001）

0 引 言

近海沿岸手機相控陣監控系統可實現對重點懷疑對象、犯罪嫌疑人的連續性跟蹤和間斷監控，通過跟蹤和監控分析、預判其動向、行動軌跡的目的。該系統首先由偽基站吸附覆蓋區域手機，其次通過相控陣雷達測向設備偵測被吸附目標手機的位置數據，最后通過數學建模以及后臺軟件測算出目標所在的GPS位置、距離、方位、時間等數據，為其動向、行動軌跡的分析提供幫助。

該系統的核心為相控陣測向技術，采用相控陣空間位置掃描技術即相控陣雷達技術，通過雷達前端的相控陣天線和后端的數字分析電路完成對手機來波方向的測定。首先通過LTE協議的解析將目標手機從同頻不同物理小區標識（Physical Cell Identifier，PCI）或同頻同PCI（模3相等）的多用戶混合信號中剝離出來，生成干凈無損的信號供波達方向（Direction of Arrival，DOA）測向，然后通過相控陣測定技術分析給定手機信號，分析無線電信號在空間的多徑傳播路線。利用相控陣電路測量手機信號的多個傳播路徑（最多32條），并結合自定義的多徑分析算法，精準挑選出主徑并確定該國際移動用戶識別碼（International Mobile Subscriber Identity，IMSI）的DOA角度。

由于相控陣雷達測向技術為該系統的核心，因此，保證相控陣雷達的空間掃描性能具有重要意義。本文通過對雷達系統進行研究，確定超寬帶數字相控陣雷達技術中影響同步的因素，并從轉換器的同步設計出發，在設定優化、同步性能要求的基礎上，提出時間同步設計方案，對數字相控陣雷達進行設計，并驗證設計效果。通過此次設計，為數字相控陣雷達的同步設計提供幫助和借鑒。

1 雷達系統研究

按照天線的掃描方式劃分，基礎雷達可分為機械掃描雷達和相控陣雷達兩種。相控陣雷達中的相指的是相位差，控指的是相位差的控制，而陣指的是天線陣面由多個獨立發射-接收單元組成，通過控制每個獨立單元的相位差，進而改變整個天線陣面的方向圖，實現波束形成和掃描。對比機械掃描雷達，相控陣雷達的掃描速度較快，且抗干擾能力更強，可靠性更高。隨著數字化技術的發展，在相控陣雷達的基礎上，通過數字陣列的集成，逐漸優化、演變出數字相控陣雷達。數字相控陣雷達可以提高波束賦性的靈活性，并且具有多域抗干擾的能力，能夠對多面標進行探測[1]。

本系統采用的數字相控雷達技術為超寬帶數字相控陣雷達技術。超寬帶數字相控陣是指集成超寬帶數字射頻前端陣列的相控陣雷達，是目前最為先進的相控陣雷達技術。其中，超寬帶數字射頻前端是指使用了超寬帶數字采樣技術的射頻收發前端，并且使用數字信道化、數字脈沖壓縮等算法，提高目標分辨率、目標識別能力及多目標能力等。同時，可實現軟件化，根據指令改變工作模式以適應不同需求。

該系統采用的超寬帶數字相控陣雷達技術中，雷達前端測向單元采用超寬帶數字射頻技術，利用超寬帶射頻前端組成天線陣面，在天線陣面指向被測物時通過數字波束形成（Digital Beam Forming，DBF）技術完成掃描工作[2]，通過波束賦性獲得不同使用要求下期盼的信號輻射模式。因此，相控陣雷達的性能基于DBF技術性能，而DBF技術性能與陣面同步效果有關，雷達天線陣因子如式（1）所示：

式中：M，N為天線陣面各方向輻射單元數量；x，y為天線軸平面方向，Tx，Ty為天線平面軸方向，x，y方向單元之間的時間差；Txs，Tys為天線掃描方向，xs，ys方向單元之間的時間差；|Amm|為天線單元輻射強度。

由式（1）可知，當天線陣面各單元不同步，會導致在天線軸平面方向、天線掃描方向的單元之間的時間差存在隨機誤差。而隨機誤差的存在會導致方向圖失真，進而影響雷達性能。因此，如何保證超寬帶數字相控陣雷達的同步，是目前主要的研究方向。而在超寬帶數字射頻技術的使用中，射頻前端的轉換器工作時需進行大量、高頻率的采樣，因此，通過轉換器的同步設計，可實現射頻前端的同步，保證超寬帶數字相控陣雷達的同步功能。

2 總體設計

2.1 同步性能要求

由上述表述可知，超寬帶數字射頻前端會存在隨機誤差，該誤差是由于數字器件在環境的影響如電磁影響、物理環境影響下，運行時會產生時序亞穩態，在該狀態下會產生一定的隨機數字誤差時延，而對該誤差影響較大的因素有運行時的數模轉換，以及在數模轉換時對數字進行處理時發生的時鐘抖動、同步信號的建立和保持時間。因此，為消除超寬帶數字射頻前端的隨機數字誤差時延，本文提出并設計了一種新型的時間同步方案，通過時間同步方案保證同步的性能。因此，在進行設計時，需對同步時產生的誤差影響進行分析。

此次設計以常見的主瓣-3 dB波束寬度作為優化目標，首先需要確定相位誤差對于-3 dB波束寬度的影響，因此需根據式（1）進行建模處理。通過仿真實驗，獲得隨機誤差增加時的方向圖，根據方向圖獲取-3 dB波束寬度，通過對相位隨機誤差進行調整，根據方向圖的變化情況，獲取-3 dB波束寬度隨相位隨機誤差改變的情況。以8單元線陣為例，對其進行仿真實驗，得到的-3 dB波束寬度隨相位隨機誤差改變情況如圖1所示。

圖1 波束寬度隨相位隨機誤差改變圖

由圖1可知，當相位誤差超過9°，-3 dB波束寬度會顯著增加，-3 dB波束的形狀發生劇烈的變化，進而導致方向圖失真。而在本次設計中，信號中頻頻率為370 MHz，在相位誤差為9°時，所對應的時延誤差均值為25.8 ps，因此在設計時，對同步性能進行優化后，應優于25.8 ps的誤差均值。

2.2 總體框架設計

本次雷達的總體組成方式如圖2所示。天線陣面采用瓦片式數字子陣。該子陣通過將雷達的陣列前端模塊化、數字化，在進行組陣時能夠實現載體和陣列共形、相適，具有加高的靈活性。并且由于其模塊化的設計方式，在前期安裝與測試、后期維修與更換時較為便利。整體包含32個天線單元，4個收發（Transmitter and Receiver，TR）組件、1個變頻組件以及1個數字處理單元。運行時，陣面結構中的32個子陣會通過其含有的超寬帶射頻數字前端，對射頻信號進行數字化處理，從而獲得32路基帶信號，通過同步分配網絡將信號收集端與處理端向量同步。基帶通過同步分配網絡輸送至數據儲存模塊完成數據的儲存，并通過波束形成單元將數據信號形成數字波束，然后將得到的多波束信號輸送至雷達處理機進行信號檢測、跟蹤等處理。顯示控制中心作為指令輸入端以及結果顯示端。

圖2 雷達整體框架

3 時間同步系統設計及關鍵技術

為實現超寬帶數字射頻前端的同步，需降低前端之間的相位誤差。而降低相位誤差則需要保證工作時鐘和同步信號在不同的射頻前端同時到達[3]，因此需在保證同步信號能夠穩定地被工作時鐘采樣的基礎上，讓同步信號、工作時鐘對于雷達回波起始點、發射波形的起始點一同定義，實現不同的射頻前端間初相的對準。因此對于數字子陣的同步分配結構進行設計，設計的同步分配拓撲結構如圖3所示。其工作流程如下。

圖3 拓撲結構

獲取基準時鐘和同步信號后，由功分器進行分配。功分器采用樹形結構，可使信號均勻分配至數字子陣，且能夠保證信號的一致性。當信號進入數字子陣內部，由分布式零延時鎖相環系統提供工作時鐘。由于基準時鐘是同步分頻的起始，則需保證工作時鐘與基準時鐘的相位一致，并監控基準時鐘、工作時鐘的相位關系。當出現不一致的情況時，需主動進行調整。

3.1 分布式零延時鎖相環系統

為滿足超寬數字射頻前端的工作時鐘的要求，本次設計采用分布式零延時鎖相環系統，其中零延時鎖相環是在傳統的鎖相環技術上發展優化而來。鎖相環是一種頻率控制系統，零延時鎖相環[4]在結構上進行了改變，通過多級同步分頻器結構，對壓控振蕩器的輸出時鐘信號進行逐級同步，同步后產生的頻率再通過零延時分頻器進行輸出，通過的過程中不會產生自由分頻現象，進而降低了延時的不確定性。在此基礎上，還可對延時在ps量級進行調整。分布式指的是鎖相環的布置方式，在每個射頻前端中均集成零延時鎖相環，從而獲取分布式的頻綜系統。分布式的結構對比單獨的鎖相環，在滿足同步能力要求的基礎上，可通過多通道的方式降低相噪。

3.2 時間數字轉換器

由3.1節所述可知，自由分頻現象會提高延時的不確定性，進而導致誤差，因此在系統運行時需避免自由分頻誤差的出現，則需要對同步信號進行實時的監控，保證同步信號的建立保持時間，因此此次設計引入具有時間數字轉換器（Time Digtal Converter，TDC）反饋的機制，進而實現提高時序收斂的效果，提高系統的冗余度、可調試性[5]。TDC主要由1條延時鏈和多個采樣模塊組成，其主要作用是對時序之間的延遲量進行測量和數字化表示。通過TDC的反饋，可以獲取同步信號建立保持時間的偏移量，根據偏移量提供的數據支撐，實現對于同步信號的調節。調節其時延，保證采樣的穩定性，避免自由分頻現象的產生。

4 應用效果分析

為驗證同步設計的效果，需對同步性能進行計算，對信號采樣的穩定性進行評估。進行同步性能計算時，可通過計算子陣間的延遲抖動T來表示。子陣間延時抖動T由兩部分組成，分別是自由分頻的誤差Td和分配路徑在傳播時產生的抖動誤差TP，表示如下：

在雷達系統中，工作時鐘為960 MHz，由式（2）可知，存在自由分頻的誤差Td最小為1 ns，此時本系統的數字前端對應的相位誤差超過120°，超過了指標要求，因此需保證避免出現自由分頻現象，此時子陣間延時與分配路徑在傳播時產生的抖動誤差TP相等，約為20 ps，小于9°時25.8 ps誤差均值要求，性能能夠滿足設計的性能要求。

當時鐘樹完成逐級分配后，利用960 MHz的工作時鐘對同步信號進行采樣，同步采樣器的建立保持時間約為30 ps。利用采樣結果，定義轉換輸出波形的初始時刻。根據相應的指標可知，120 MHz的同步信號，其偏斜為57 ps，對于960 MHz的同步信號，其偏斜為62 ps。此時可計算穩定采樣窗口為893 ps，采樣窗口的大小適中。因此利用兩個數模轉換器進行仿真實驗，得到其同時工作時輸出信號的同步情況，如圖4所示，在960 MHz的高頻率下采樣穩定，且兩個數模轉換器在同時工作時，輸出信號穩定、同步性較好。驗證表明，此設計可實現射頻前端的同步，保證超寬帶數字相控陣雷達的同步的功能。

圖4 同步性能測試結果

5 結 語

本文從影響數字相控陣雷達性能的天線陣面出發，對射頻前端的同步制定了時間同步方案，創新性地應用了分布式零延時鎖相環系統、時間數字轉換器反饋機制，保證了同步信號與工作時鐘的同步性，通過試驗驗證了該系統設計具有較好的同步性能，以及在高頻率（960 MHz）的情況下能夠達到穩定采樣，數模轉換器的輸出信號穩定、同步性較好，數字相控陣雷達的同步性能較好。對數字相控陣雷達的同步設計進行研究，可以提高雷達的應用效果，推動雷達技術的優化發展。

參考文獻：c[1] 趙榮超.數據處理及報告生成軟件在有源相控陣天線多波束自動測試技術中的實踐與運用[J].通信電源技術，2021，38（4）：75-77.

[2] 崔衛東，肖晶，馬凱.子陣數字化雙頻相控陣波束指向分析[J].火控雷達技術，2020，49（4）：34-37.

[3] 李洋，胡純棟，鄭長勇，等.射頻負離子源分布式定時同步系統設計[J].核電子學與探測技術，2021，41（1）：178-182.

[4] 王玉江，劉剛，張迪雅，等.基于ADF4356鎖相環的雷達頻率合成器設計[J].艦船電子對抗，2022，45（1）：105-110.

[5] 郭圍圍，尹勇生，龔號，等.基于時間放大技術的時間數字轉換器的設計[J].電子測量與儀器學報，2022，36（4）：98-105.