寬帶多通道陣列饋電系統設計與仿真研究?

羅 杰 孔令峰 張坤峰

（中國船舶集團有限公司第七二三研究所 揚州 225101）

1 引言

內場輻射式射頻仿真試驗系統是雷達裝備、電子戰裝備、導彈武器系統研制試驗的重要試驗設施，為裝備研制試驗研制構建了一個集雷達輻射源、雷達目標回波、電子干擾、背景環境與一體的密集、復雜、逼真、動態、可控、可知的空間電磁信號環境［1］，通常是在一個能模擬電磁波自由傳播空間的暗室內進行［2］，屬于復雜的半實物仿真系統［3］，因其具有很高的控制精度和實時性，可以仿真多頻段、多制式、多目標和各種干擾信號等，得到了廣泛應用［4］。決定一套射頻陣列仿真系統性能優劣的重要指標就是模擬目標的位置精度［5］，目標位置精度是射頻仿真試驗系統的關鍵指標，因此，射頻仿真試驗系統精度是以目標位置精度來表示的［6］。陣列饋電系統的饋電通道的設計與實現是保證射頻仿真試驗系統目標位置精度的重中之重，其主要任務是在自由空間內模擬目標與被試裝備視在角位置及其運動軌跡，直接決定著整個系統目標位置模擬的精度。本文針對寬帶多通道陣列饋電系統，介紹了其系統組成、工作原理、饋電通道設計、器件選型，通過SystemVue2015 建立了寬帶陣列饋電系統目標饋電通道鏈路仿真模型，結合器件性能指標進行了仿真驗證。

2 陣列饋電系統

陣列饋電系統是內場輻射式射頻仿真試驗系統的關鍵系統，寬帶多通道陣列饋電系統主要由寬帶精位控制組合、寬帶粗位控制組合、寬帶信號合成及末級功放組合、寬帶陣列天線等組成，其組成原理如圖1所示。

圖1 陣列饋電系統組成原理

陣列饋電系統采用三元組工作方式，實現雷達目標回波信號相對被試設備的空間目標角位置運動。其中，精位控制組合是由放大器、衰減器、功分器、移相器等微波有源和無源器件組成的三支路幅相控制組合，通過對精位控制組合三個支路中的移相器和衰減器的控制，實現射頻信號等效輻射中心在三元組內的精確位置運動來實現微波目標角位置空間運動。粗位控制組合是由多路微波開關組成的開關矩陣，主要是選擇射頻信號位置所在的三元組天線。信號合成及末級功放組合主要由多路合成器、末級功放、極化開關等組成，主要是對多個通道輸出目標信號進行信號合成、功率放大，并對陣列天線輻射單元的極化進行選擇。陣列天線是由寬帶雙極化喇叭天線組成的天線陣列，為系統提供寬帶三元組陣列天線。

3 系統運行原理

早在20 世紀70 年代，美國波音公司提出了沿用至今的角閃爍方程（幅度重心公式），為射頻仿真系統的發展奠定了基礎［7］，角閃爍方程（幅度重心公式）是陣列饋電系統工作原理的核心。在實際工程應用中，射頻仿真試驗系統一般采用控制射頻仿真系統天線陣列三元組模擬目標在空間相對被試設備的運動軌跡［8］。寬帶多通道陣列饋電系統工作原理的主要理論基礎就是角閃爍方程（幅度重心公式），主要工作過程包括精位控制和粗位控制兩部分。目標位置在空間的運動特性等效通過陣列輻射單元上的多個三元組天線進行輻射模擬，三元組天線輻射中心位置通過控制三個天線輻射信號的相對幅度和相對相位來控制，而輻射中心從一個三元組運動到另一個三元組則借助于開關來實現［9］。

3.1 精位控制原理

目標信號輻射中心在三元組內的位置是通過控制三元組的三個輻射天線輻射信號的相對幅度來控制的，這種控制方式可以控制信號的目標信號輻射中心在三元組內的相對位置移動，稱為精確位置控制，即精位控制。它是通過控制饋電系統中的程控幅度衰減器和程控相移來實現的。精位控制組合組成原理如圖2所示。

圖2 精位控制控制組合組成原理框圖

目標信號輻射中心的運動可以通過角閃爍方程來描述，因此，精位控制的理論依據就是角閃爍方角閃爍方程（幅度重心公式）。在角閃爍方程中，輻射中心相對基準方向的角度是以下兩個因素的函數：1）輻射源的角位置；2）坐標系原點上各個信號的相對幅度和相位。根據實際使用狀態，對角閃爍方程作小角度近似后，可得到用以描述目標信號輻射中心位置的常用方程組：

式中Ψ 為輻射中心的方位角，?為輻射中心的俯仰角，Ψ1、Ψ2、Ψ3為三元組三個天線的方位角坐標，?1、?2、?3為三元組三個天線的俯仰角坐標，E1，E2，E3為三個天線的發射信號幅度。

從該方程組可以看出，控制三個單元的幅度E1，E2，E3就能控制三個單元的合成輻射中心在三元組內的精確位置。為了便于計算和控制，振幅E1，E2和E3控制方式為：即三個幅度之和為常數（如為1），于是E1+E2+E3=1。這樣，在轉臺框架軸線交點處合成信號的幅度便與輻射中心的位置無關，僅僅取決于提供給陣列天線的目標信號功率大小。因此可進一步得出：

由以上公式可知，只要給出目標的方位角、俯仰角，就可以計算出目標在三元組三個天線輻射單元的輻射信號幅度，就可以精確地控制目標輻射信號在三元組中的位置。值得注意的是：角閃爍方程算法本身存在近場誤差，也是最主要的誤差來源，其次是幅相精度、暗室質量、寄生輻射等因素。為了提高目標精位置精度，通常還需通過進場效應修正算法進行誤差修正。

3.2 粗位控制原理

目標信號輻射中心在三元組之間的運動是通過控制陣列饋電系統中射頻開關矩陣的切換控制來實現的，稱為粗略位置控制，即粗位控制。單通道單支路粗位控制組合組成原理如圖3所示。

圖3 單通道單支路粗位控制組合組成原理框圖

目標信號輻射中心的粗位控制過程：首先將陣列天線上的A，B，C 三支路所對應的天線輻射單元分區編碼，然后將陣列天線上所有三元組所對應的編碼以表格形式存入陣列控制系統中，實際工作過程中，若要選通某三元組，就可從表格中讀出相應的三組控制碼編碼送給開關矩陣，即可選通該三元組的A，B，C 三支路，從而方便地實現目標在三元組之間的運動，達到粗位控制的目的。

4 饋電通道設計

4.1 饋電通道組成

寬帶多通道陣列饋電系統包括多個陣列饋電通道，其中每個饋電通道由寬帶精位控制組合、寬帶粗位控制組合、寬帶信號合成及末級功放組合、天線輻射單元等組成，能夠對目標位置進行合成，對各通道各個支路幅度、相位進行調整，可選擇通道，可確定三元組，實現三元組內的目標合成［10］。寬帶多通道陣列饋電系統組成原理如圖4 所示。

圖4 寬帶多通道陣列饋電系統饋電通道組成原理框圖

4.2 通道功率分配

所述寬帶多通道陣列饋電系統目標通道輸入功率為+10dBm，要求天線輻射單元的輸入功率≥10dBm。為了保證天線輻射單元的輸入功率，其饋電通道功率分配如圖5所示。

圖5 寬帶多通道陣列饋電系統饋電通道功率分配框圖

4.3 主要器件選型

精位控制組合的主要器件包括寬帶移相器、程控衰減器和放大器。其中，寬帶移相器和寬帶程控衰減器選擇GMIC公司的I/Q 矢量調制器7218和程控衰減器3468C，其頻段范圍均覆蓋2GHz～18GHz。寬帶放大器選擇Mini 公司的ZVA-183XS+放大器，其頻段范圍均覆蓋0.7GHz～18GHz。

粗位控制組合的主要器件為寬帶射頻開關和寬帶放大器，其中，寬帶射頻開關選擇GT 公司的SP4T 射頻開關R4D-69-0JJ 和GMC 公司的SP5T 射頻開關F9150W-70，寬帶放大器選擇Mini 公司的ZVA-183X-S+放大器。

信號合成及末級功放組合為寬帶合成器、寬帶放大器、寬帶極化開關，主要選擇NEL 公司的1GHz～18GHz四路合成器80118-4A和MINI公司的ZVA-183X-S+功率放大器，MSP2TA-18-12BM-S+機電開關。

天線輻射單元選擇1～18GHz寬帶四脊圓錐喇叭天線，具有超寬頻帶、雙極化等工作特性，天線增益5dBi～16dBi，極化隔離度≥20dB。

5 仿真驗證

根據寬帶多通道陣列饋電系統的饋電通道設計和器件選擇，采用美國是德公司（KEYSIGHT TECHNOLOGES）的SystemVue2015 建立了寬帶多通道陣列饋電系統目標饋電通道鏈路仿真模型。SystemVue 軟件是美國是德公司（KEYSIGHT TECHNOLOGES）開發的專注于電子系統級（ESL）的EDA 仿真環境，可以幫助無線通信和航天、國防電子領域的系統架構設計人員和算法開發人員在核心設計上進行技術創新；可為以信號處理為硬件平臺核心的射頻、數字信號處理和FPGA/FPGA/ASIC 電路的實現提供依據；可作為電子系統級設計和信號處理算法開發與實現的專用軟件，能夠完全取代通用的數字、模擬和數學運算軟件，并充分考慮各種射頻效應，大大減少物理層設計的開發驗證時間。

對于寬帶多通道陣列饋電系統目標饋電通道鏈路仿真，重點關注整個饋電通道的輸出功率、通道增益、噪聲系數、噪聲電平，動態范圍等指標、特別是目標饋電通道三個支路輸出功率、通道增益、噪聲系數、噪聲電平、動態范圍的一致性。

根據寬帶多通道陣列饋電系統的饋電通道的器件選擇，利用SystemVue2015 建立的寬帶多通道陣列饋電系統目標饋電通道鏈路仿真模型，并進行了仿真驗證。通過仿真驗證可知，目標饋電通道三個支路的輸出功率都可達11.3dBm，通道增益均小于5dB，噪聲系數均小于35dB，噪聲電平由于-75dBm（@1MHz 帶寬），動態范圍優于85dB（@1MHz帶寬）；可滿足系統技術指標要求。

在此基礎上，還利用SystemVue2015 對寬帶多通道陣列饋電系統目標饋電通道三個支路輸出功率、通道增益、噪聲系數、噪聲電平、動態范圍的一致性進行了重點仿真，饋電通道三支路的相關仿真結果如圖6～圖10所示。

圖6 輸出功率一致性仿真結果

圖7 通道增益一致性仿真結果

圖8 噪聲系數一致性仿真結果

圖9 噪聲電平一致性仿真結果

圖10 動態范圍一致性仿真結果

通過進一步仿真驗證可知，寬帶多通道陣列饋電系統目標饋電通道三個支路的輸出功率、通道增益、噪聲系數、噪聲電平、動態范圍的一致性均可滿足系統設計要求。

6 結語

通過上述仿真分析驗證可知，本文所述寬帶多通道陣列饋電系統陣列饋電通道三個支路的輸出功率、通道增益、噪聲系數、噪聲電平、動態范圍可滿足系統技術指標要求，饋電通道三個支路的輸出功率、通道增益、噪聲系數、噪聲電平、動態范圍的一致性均可滿足系統設計要求。證明了所述寬帶多通道陣列饋電系統饋電通道設計滿足內場輻射式射頻仿真試驗系統的技術要求，對內場輻射式射頻仿真試驗系統的寬帶多通道陣列饋電系統設計具有較好的指導意義和參考價值。