牛戴楠，馮　波，吳鴻鵠(中國(guó)船舶重工集團(tuán)公司第七二四研究所，南京211153)

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TR組件幅相修正及互換性研究

牛戴楠，馮波，吳鴻鵠
(中國(guó)船舶重工集團(tuán)公司第七二四研究所，南京211153)

摘要:通過在不同幅相誤差下對(duì)接收方向圖的測(cè)試，得出了通道間幅相誤差對(duì)接收方向圖各項(xiàng)指標(biāo)的影響，提出了一種TR組件的修正方法，在不降低方向圖各項(xiàng)指標(biāo)的前提下使得TR組件可以任意替換。

關(guān)鍵詞:TR組件;幅相誤差;互換性;波束指向;數(shù)字波束形成

0　引言

相控陣?yán)走_(dá)的誕生使得雷達(dá)波束形成更加靈活、波束掃描速度更加快速。相比傳統(tǒng)雷達(dá)，相控陣天線讓發(fā)射功率在空間進(jìn)行合成。大功率發(fā)射機(jī)不再是雷達(dá)威力提升的瓶頸，而數(shù)字波束形成后的波束指向精度和副瓣電平成為相控陣天線中新的難點(diǎn)。由于相控陣?yán)走_(dá)中天線單元通常都是直接與TR組件連接，所以TR組件各通道的幅相誤差成為影響相控陣指標(biāo)的關(guān)鍵因素［1］。

解決TR組件通道間幅相誤差的通常辦法是對(duì)組件進(jìn)行修正，使得系統(tǒng)中各通道的幅相誤差盡可能小。目前，對(duì)系統(tǒng)中收發(fā)通道校正的方法是:通過設(shè)計(jì)和調(diào)試，讓發(fā)射或接收支路的每一級(jí)部件的幅相誤差均保持在一個(gè)合理的范圍內(nèi)，然后通過遠(yuǎn)場(chǎng)或近場(chǎng)的方式校正整個(gè)收發(fā)通道。這種方式帶來的影響是:為了保證組件的互換不會(huì)影響最終的系統(tǒng)指標(biāo)，使得收發(fā)通道上每級(jí)部件的幅相誤差必須保持在一個(gè)很窄的范圍，增大了設(shè)計(jì)和調(diào)試難度［2］。

1　系統(tǒng)架構(gòu)及幅相誤差的影響

1.1系統(tǒng)架構(gòu)及工作原理

由于通道間的幅相誤差對(duì)接收通道和發(fā)射通道的影響是相同的，所以本文僅以接收通道來說明。系統(tǒng)框圖如圖1所示。

系統(tǒng)分為4個(gè)構(gòu)成部分:天線單元、前端模擬收發(fā)組件、數(shù)字收發(fā)組件和數(shù)字波束形成。每個(gè)部分都為分離單元模塊，當(dāng)其中一個(gè)組件損壞，隨時(shí)可以更換，降低了因修理或更換帶來的附加成本。對(duì)于接收通道來說，信號(hào)由天線單元進(jìn)入，經(jīng)前端模擬收發(fā)組件進(jìn)行放大合成后到數(shù)字收發(fā)組件。數(shù)字收發(fā)組件將輸入的模擬信號(hào)進(jìn)行數(shù)字量化后轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)，然后將各通道量化后的數(shù)字信號(hào)打包，通過光纖發(fā)送到DBF單元，進(jìn)行數(shù)字波束合成。

圖1　接收單元系統(tǒng)框圖

1.2通道幅相誤差的影響

在本系統(tǒng)中，接收通道間的幅相誤差由3個(gè)不一致性引入:一是天線單元的不一致性，二是前端模擬收發(fā)組件中的低噪放、限幅器、移相器、功分器、混頻器等器件的不一致性，三是數(shù)字收發(fā)組件中的濾波器、ADC采樣電路的不一致性。多級(jí)器件的串聯(lián)可致使每部分微小的幅相差累加，導(dǎo)致最終形成的每個(gè)通道間的數(shù)字信號(hào)具有較大的幅相差。

通道間的幅相誤差導(dǎo)致合成后波束方向圖的副瓣電平抬高，波束指向偏離預(yù)定位置，從而影響測(cè)向精度。陣列中存在幅相誤差的通道所對(duì)應(yīng)的天線單元由面陣邊緣向面陣中心靠近時(shí)，波束的指向誤差會(huì)逐漸增大，波束的副瓣電平也會(huì)越來越高。雖然相控陣?yán)走_(dá)在出廠前會(huì)進(jìn)行工廠級(jí)校正，并且在雷達(dá)的生命周期內(nèi)也會(huì)進(jìn)行陣地級(jí)校正，但是在很多情況下，受限于使用環(huán)境，陣地級(jí)校正并不是隨時(shí)都能進(jìn)行。隨著相控陣天線中元器件的老化，或是惡劣環(huán)境對(duì)組件單元的影響，更換備件將成為必然。戰(zhàn)略儲(chǔ)備備件的更換不能影響系統(tǒng)指標(biāo)，從而提出了TR組件的互換性。

2　TR組件的互換性

從圖1中可以看出，本系統(tǒng)采用分離單元構(gòu)成。天線單元為無源器件，制作材料和制作工藝可以將天線單元的幅相誤差限定在一個(gè)比較窄的范圍內(nèi);前端模擬收發(fā)組件由于串聯(lián)級(jí)數(shù)少，使用器件寡，通過調(diào)試也能將其幅相誤差限定在一個(gè)較小的范圍;數(shù)字收發(fā)組件集成度高、信號(hào)路徑串聯(lián)級(jí)數(shù)多，各通道間幅相誤差較大。當(dāng)天線面陣校正完成后，各收發(fā)通道間幅度和相位誤差均在一個(gè)很小的范圍內(nèi)波動(dòng)，此時(shí)認(rèn)為各通道間的幅相是一致的。當(dāng)交換前端模擬收發(fā)組件后，由于面陣校正時(shí)校正系數(shù)已經(jīng)補(bǔ)償了前端模擬收發(fā)組件的幅相誤差，交換后有較大可能性出現(xiàn)極端情況，即需要正補(bǔ)償?shù)那岸四M收發(fā)組件對(duì)應(yīng)了負(fù)補(bǔ)償?shù)姆嘈拚禂?shù)，這樣就造成了通道間幅相誤差的進(jìn)一步擴(kuò)大。當(dāng)交換數(shù)字收發(fā)組件時(shí)，由于數(shù)字收發(fā)組件對(duì)應(yīng)的前端模擬收發(fā)組件改變，對(duì)應(yīng)的幅相修正系數(shù)不再正確，從而使得通道間幅相誤差擴(kuò)大。

對(duì)于校正完成后的相控陣天線，由前端模擬收發(fā)組件或數(shù)字收發(fā)組件的交換，導(dǎo)致了收發(fā)通道間幅相誤差擴(kuò)大，較大的幅相誤差使得合成后的波束主瓣降低、副瓣增大、指向出現(xiàn)偏差，從而影響系統(tǒng)測(cè)向、測(cè)距精度，降低技、戰(zhàn)術(shù)指標(biāo)，嚴(yán)重時(shí)導(dǎo)致系統(tǒng)完全無法使用。本文提出了二次校正的方法，以解決組件互換性的問題，第一次修正為數(shù)字收發(fā)組件的修正，第二次修正為接收面陣的修正。

2.1互換原理

第一次修正將所有數(shù)字收發(fā)組件的各通道幅相修為一致。也就是說，采用母件，對(duì)每個(gè)數(shù)字收發(fā)組件進(jìn)行幅相修正，確保修正后每個(gè)數(shù)字收發(fā)組件接收通道間的絕對(duì)幅度和相位都一致，然后將各頻點(diǎn)對(duì)應(yīng)的修正系數(shù)存儲(chǔ)在數(shù)字收發(fā)組件中的存儲(chǔ)芯片內(nèi)。數(shù)字收發(fā)組件中的控制邏輯可以根據(jù)不同的使用頻點(diǎn)、不同通道自動(dòng)加載對(duì)應(yīng)頻點(diǎn)的幅相修正系數(shù)，使得數(shù)字收發(fā)組件在整個(gè)工作頻帶內(nèi)各通道間的幅度和相位均一致。圖2(a)為數(shù)字收發(fā)組件幅度修正后4個(gè)組件32個(gè)通道間的幅度一致性關(guān)系圖，圖2(b)為數(shù)字收發(fā)組件幅度修正后4個(gè)組件32個(gè)通道間的相位一致性關(guān)系圖。

從圖2和圖3中可看出數(shù)字收發(fā)組件在修正后32個(gè)通道的幅度誤差為0.04dB，相位誤差為0.16°，可以認(rèn)為4個(gè)數(shù)字收發(fā)組件的幅度和相位是基本一致。

將修正后的數(shù)字收發(fā)組件裝到面陣上后，采集信號(hào)各通道間的幅相關(guān)系如圖3(a)所示，此時(shí)對(duì)系統(tǒng)而言僅完成了第一次幅相修正，即組件級(jí)幅相修正。

圖2　數(shù)字收發(fā)組件32通道幅相一致性

圖3　組件交換前幅相關(guān)系

從圖3(a)中可以看出，面陣在未修正前通道間的幅度誤差為3.34 dB，相位誤差為128.5°。在數(shù)字收發(fā)組件修正完成的基礎(chǔ)上對(duì)接收面陣進(jìn)行幅相校正，修正后通道間的幅相誤差如圖3(b)所示，通道間的幅度誤差為0.07 dB，相位誤差為0.5°。第二次修正將整個(gè)接收系統(tǒng)的所有通道的幅相修為一致。

當(dāng)?shù)诙涡拚瓿珊螅瑪?shù)字收發(fā)組件將天線面陣上所有前端模擬收發(fā)組件對(duì)應(yīng)的修正系數(shù)存儲(chǔ)到存儲(chǔ)器中，當(dāng)前端模擬收發(fā)組件交換時(shí)，數(shù)字收發(fā)組件加載對(duì)應(yīng)的幅相修正系數(shù)，即可保證天線面陣各通道間的幅相一致。

2.2組件互換對(duì)幅相誤差的影響

由于對(duì)面整個(gè)面陣通道來說，對(duì)接收系統(tǒng)指標(biāo)影響最大的是中間的通道，所以交換處于中間的數(shù)字收發(fā)組件后再測(cè)試幅相一致性。交換后的幅相關(guān)系如圖4所示。

圖4　組件交換后幅相關(guān)系

對(duì)比圖3(a)和圖4(a)，組件交換后在未加載面陣修正系數(shù)前，幅度誤差和相位誤差的變化并不大。由此可推論，數(shù)字收發(fā)組件的交換并不會(huì)引入較大的幅相誤差。從圖4(b)可看出，組件交換后幅度誤差為0.65 dB，相位誤差為5.6°，證明了數(shù)字組件的交換引入的幅相誤差在可接收范圍內(nèi)。

2.3組件互換對(duì)方向圖的影響

接收通道的幅相誤差最終表現(xiàn)為對(duì)接收方向圖各項(xiàng)指標(biāo)的影響。如果數(shù)字收發(fā)組件的交換對(duì)接收方向圖的指標(biāo)沒有影響，則證明二次校正的方式是正確的。圖5為組件修正后面陣未校正前的接收方向圖。圖6為面陣修正后接收和差波束方向圖。圖7為組件交換后接收和差波束方向圖。

圖5　面陣修正前接收方向圖

圖6　面陣修正后組件交換前接收方向圖

圖7　組件交換后接收方向圖

表1　和波束指標(biāo)對(duì)比

表2　差波束指標(biāo)對(duì)比

3　結(jié)束語(yǔ)

通過實(shí)際測(cè)試，對(duì)比表1的測(cè)試數(shù)據(jù)，面陣在校正前與面陣校正后和波束的主副比有較大差距;而面陣修正后，數(shù)字收發(fā)組件的交換對(duì)和波束各項(xiàng)指標(biāo)基本沒有影響。通過表2的數(shù)據(jù)對(duì)比說明，面陣在修正前與修正后零深的變化不大，均滿足本系統(tǒng)指標(biāo);但是對(duì)差波束的波束指向，修正前與修正后具有較大的差距，修正前指標(biāo)很差，修正后指標(biāo)得到較大改善;在經(jīng)過修正的面陣中交換數(shù)字收發(fā)組件，無論差波束的指向還是零深，實(shí)際變化不大，均能滿足系統(tǒng)指標(biāo)。由此可證明，本文提出的對(duì)TR組件的二次修正是可行的，這種修正方式完全能滿足因組件的互換而不影響系統(tǒng)指標(biāo)的要求。

參考文獻(xiàn):

［1］Merrill I Skolnik.雷達(dá)手冊(cè)［M］.南京電子技術(shù)研究所譯.3版.北京:電子工業(yè)出版社，2010.

［2］張光義.相控陣?yán)走_(dá)原理［M］.北京:國(guó)防工業(yè)出版社，2009.

Research on amplitude-phase correction and interchangeability of TR modules

NIU Dai-nan，F(xiàn)ENG Bo，WU Hong-hu
(No.724 Research Institute of CSIC，Nanjing 211153)

Abstract:The effects of the amplitude-phase errors between the channels on the patterns received are discussed through testing the patterns under different amplitude-phase errors.An amplitudephase correction method is proposed，which makes the TR modules interchangeable on the premise that each index of the patterns is not reduced.

Keywords:TR module; amplitude-phase error; interchangeability; beam direction; DBF

文章編號(hào):1009－0401(2015)01－0024－05

文獻(xiàn)標(biāo)志碼:A

中圖分類號(hào):TN957

作者簡(jiǎn)介:牛戴楠(1982-)，男，工程師，碩士，研究方向:高速電路設(shè)計(jì)及信號(hào)處理;馮波(1979-)，男，工程師，碩士，研究方向:雷達(dá)發(fā)射組件;吳鴻鵠(1987-)，男，工程師，碩士，研究方向:高速電路設(shè)計(jì)及信號(hào)處理。

收稿日期:2014-12-04;修回日期:2015-01-12