張金平，任 波，朱富國

(1. 南京電子技術(shù)研究所, 南京 210039； 2. 天線與微波技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 南京 210039)

?

·天饋伺系統(tǒng)·

基于陣元特性的相控陣方向圖建模測試研究

張金平1，2，任 波1，2，朱富國1

(1. 南京電子技術(shù)研究所, 南京 210039； 2. 天線與微波技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 南京 210039)

提出了一種基于陣元通道實(shí)測數(shù)據(jù)的相控陣天線半實(shí)物建模方法，并利用該方法實(shí)現(xiàn)對陣列天線方向圖的快速預(yù)測。該建模方法通過利用相控陣天線通道移相、衰減位態(tài)實(shí)測數(shù)據(jù)以及輻射陣元的陣中近場分布實(shí)測數(shù)據(jù)，并結(jié)合差分進(jìn)化算法及快速傅里葉算法構(gòu)建天線方向圖數(shù)字化模型，從而實(shí)現(xiàn)對天線不同波位方向圖的高精度建模及預(yù)測，大幅度簡化天線近場修正及測量驗(yàn)證時(shí)間。該方法建立的數(shù)字化模型，尤其適用于大型相控陣天線波束性能驗(yàn)證及波束重構(gòu)的工程實(shí)現(xiàn)。

相控陣天線；方向圖建模；波束重構(gòu)

0 引 言

傳統(tǒng)上對相控陣天線方向圖特性的評估一般通過近場校準(zhǔn)及測試驗(yàn)證來實(shí)現(xiàn)[1-2]。隨著相控陣天線口徑的不斷增大以及控制復(fù)雜程度的日益提高，尤其對于電大口徑的有源相控陣天線，近場修正及波束測試驗(yàn)證需要耗費(fèi)大量時(shí)間資源。此外，在相控陣天線實(shí)際應(yīng)用中，若天線需要結(jié)合雷達(dá)應(yīng)用進(jìn)行方向圖的動(dòng)態(tài)重構(gòu)、波束優(yōu)化或賦形，如果再進(jìn)行近場實(shí)際修正、測試和性能驗(yàn)證，往往效率低下，甚至可能因測試環(huán)境或測試設(shè)備受限而無法實(shí)現(xiàn)，此時(shí)，采用近場校準(zhǔn)及測試驗(yàn)證方法存在應(yīng)用上的局限。

利用相控陣天線先驗(yàn)測試數(shù)據(jù)，結(jié)合特定算法，則能在軟件層面隨應(yīng)用需求的變化，快速實(shí)現(xiàn)對陣列天線通道幅相的高精度優(yōu)化和配置調(diào)整。本文通過探討天線方向圖建模的各項(xiàng)組成因素，提出基于全位態(tài)遍歷與快速優(yōu)化算法相結(jié)合的半實(shí)物建模仿真方法。該方法利用天線校準(zhǔn)網(wǎng)絡(luò)，準(zhǔn)確錄取天線各收發(fā)通道衰減和移相位態(tài)特性作為相控陣路級先驗(yàn)數(shù)據(jù)，通過近場測試陣元輻射方向圖特性作為場級先驗(yàn)數(shù)據(jù)，同時(shí)結(jié)合差分進(jìn)化算法[3]及方向圖快速計(jì)算方法[4]，建立半實(shí)物仿真評價(jià)模型。根據(jù)波位需求計(jì)算最佳幅相控制位態(tài)，從而實(shí)現(xiàn)對大型相控陣天線的方向圖性能快速評估、預(yù)測和優(yōu)化調(diào)整，大幅度提高天線性能重構(gòu)的靈活性和準(zhǔn)確性。

1 數(shù)學(xué)模型

1.1 方向圖模型

考慮一維等間距直線陣列，如圖 1所示，全陣位于Ox軸上，包含N個(gè)陣元。若第n(n=0,1,2,…,N-1)號陣元激勵(lì)為Pn=Inexp(jφn)，其距離坐標(biāo)原點(diǎn)O的距離為dn=nd(d為陣元間距)，陣元方向圖為fn(θ)，則該直線陣的方向圖函數(shù)

(1)

圖1 等間距直線天線陣

若陣列由相同陣元組成，且不考慮陣元各自電環(huán)境差異，則式(1)可寫為

第二，規(guī)范單位開展成本核算的流程。首先，對單位開展各項(xiàng)工作的費(fèi)用成本進(jìn)行核算，判斷是否是必要的開支項(xiàng)目，并指出費(fèi)用的項(xiàng)目歸屬。其次，按照權(quán)責(zé)發(fā)生制將該月成本支出納入當(dāng)月的賬目，根據(jù)相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)對預(yù)先支出和分?jǐn)偟馁M(fèi)用進(jìn)行區(qū)分核算；再次，分配和收集各項(xiàng)成本費(fèi)用，保障各類費(fèi)用都能準(zhǔn)確計(jì)算。

利用CNKI數(shù)據(jù)庫的分析綜述，對于我國民居的植物文化研究體系的研究熱點(diǎn)，探索現(xiàn)狀存在的研究問題，在以后的社會研究方向做合理展望，總結(jié)出以下的研究方向：

(2)

式中：f(θ)為陣元因子；Cn(θ)為天線陣因子。當(dāng)N足夠大時(shí)，陣列輻射特性主要取決于陣因子。

由于實(shí)際情況下陣元在陣列中的位置環(huán)境上存在差異，為準(zhǔn)確獲得天線實(shí)際方向圖特性，對圖1所示的一維陣列，其陣元方向圖fn(θ)應(yīng)在式(1)內(nèi)進(jìn)行考慮。當(dāng)簡化為式(2)，則須將該一維陣列映射到近場區(qū)域，如圖1所示，此時(shí)，可在近場采樣點(diǎn)處構(gòu)建具有M個(gè)陣元、陣元距原點(diǎn)O′的距離為lm一維虛擬陣列，其虛擬陣元具有一致的方向圖特性，該陣列的方向圖函數(shù)可由式(2)簡寫為

(3)

畢淑敏在《提醒幸?！防镎f過：我們從小就習(xí)慣了在提醒中過日子，提醒注意跌倒、提醒注意路滑、提醒受騙上當(dāng)、提醒榮辱不驚……先哲們提醒了我們一萬零一次，卻從不提醒我們幸?！，F(xiàn)實(shí)生活中，我們的物質(zhì)生活越來越富裕，社會福利越來越好，可是幸福卻常常被人遺忘。回顧這一年來自己所經(jīng)歷的一切，真實(shí)地感受到幸福也需要被提醒。

1.2 通道模型

如采用式(3)，對已確定參數(shù)(如波束掃描角度、波束寬度等)的目標(biāo)波束，天線方向圖的測試或預(yù)測準(zhǔn)確性取決于基于實(shí)際陣列近場獲得的測試或預(yù)估虛擬陣元激勵(lì)Qm。對相控陣天線而言，近場采樣區(qū)虛擬陣元激勵(lì)Qm可寫為各實(shí)體陣元的空間輻射合成場，即

(4)

在確定天線模型下，針對波束在工程應(yīng)用中出現(xiàn)的動(dòng)態(tài)重構(gòu)、波束優(yōu)化或賦形要求，只需利用步驟1、2所得基礎(chǔ)數(shù)據(jù)重復(fù)步驟3～5即可。

虛擬陣元m的激勵(lì)Qm=Imexp(jφm)為各實(shí)體陣元在近場虛擬采樣點(diǎn)m處輻射場的矢量和。通過精確獲得式(3)中各參數(shù)，再通過虛擬近場可精確評估陣列方向圖。通常采樣距離lm可通過近場伺服系統(tǒng)精確保證，而虛擬陣元激勵(lì)Qm則進(jìn)行實(shí)際測試獲得。

(5)

此時(shí)，實(shí)體陣元通道n在各虛擬陣元處的總場Bn，表征為實(shí)體陣元通道n在當(dāng)前位態(tài)(通常為移相、衰減全零狀態(tài)，即基態(tài))下的通道基準(zhǔn)場值。對所需要的目標(biāo)天線波束，為獲得滿足該目標(biāo)賦形波束要求的最佳目標(biāo)通道特性P，須通過波束賦形優(yōu)化算法(如DE算法[3]，具有算法簡單、穩(wěn)健性高和強(qiáng)大的全局尋優(yōu)能力)和基于FFT的方向圖快速計(jì)算方法[4]，結(jié)合式(5)所測得的虛擬陣元場分布J，多次優(yōu)化后求得最佳值。該通道特性最佳值可轉(zhuǎn)化為滿足該波束特性要求所需的對應(yīng)通道的移相、衰減加權(quán)值。對每個(gè)實(shí)體陣元通道n，該加權(quán)值相對通道基準(zhǔn)態(tài)場值的偏移量為

(6)

HLSS360超大型水工型攪拌樓主要為大型水利水電工程施工服務(wù)，可滿足高強(qiáng)度、大容量碾壓混凝土的攪拌需求。該設(shè)備采用南方路機(jī)自主設(shè)計(jì)的JS7000/6000水工型強(qiáng)制式攪拌機(jī)，擁有多項(xiàng)自主創(chuàng)新技術(shù)；骨料樓內(nèi)二次風(fēng)冷新技術(shù)，配備片冰供應(yīng)系統(tǒng)，保證了混凝土嚴(yán)格的溫控要求；攪拌樓特別采用行業(yè)領(lǐng)先的微機(jī)控制系統(tǒng)，包括雙機(jī)同步控制、動(dòng)態(tài)仿真模擬、遠(yuǎn)程控制等新技術(shù)，生產(chǎn)過程全面實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化控制。該設(shè)備具有穩(wěn)定的工作性能、先進(jìn)的技術(shù)水平，生產(chǎn)效率高，為水電工程項(xiàng)目建設(shè)實(shí)現(xiàn)大規(guī)模機(jī)械化、信息化施工提供了必要的保證。

(Pn)實(shí)際=(αn)量化·Bn

(7)

由式(5)、式(6)可知，目標(biāo)天線波束特性的預(yù)估精度(指預(yù)測與實(shí)測的吻合度)，取決于近場測試及通道各位態(tài)特性的測試精度。虛擬陣元處空間場矩陣A通常受近場測試精度(包括架設(shè)平面度、探頭定位精度、測試過程中天線幅相漂移等)影響，而α受到通道移相衰減時(shí)的寄生調(diào)幅調(diào)相特性影響，當(dāng)通道態(tài)位測試足夠充分時(shí)，通道實(shí)際特性與目標(biāo)特性值之間的誤差將小于最小移相、衰減步進(jìn)。

2 建模與分析計(jì)算流程

為準(zhǔn)確建模并預(yù)估天線方向圖特性，基于式(5)、式(6)對矩陣參數(shù)的要求，可將建模、分析計(jì)算流程歸納為以下6個(gè)步驟：

由于相控陣天線存在移相、衰減量化特性，該偏移量值可通過遍歷錄取相控陣通道位態(tài)數(shù)據(jù)后獲得最接近值，由此計(jì)算得到的實(shí)際通道特性將逼近優(yōu)化后的目標(biāo)通道特性，即有

步驟1：利用陣面監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)遍歷錄取相控陣天線各通道位態(tài)數(shù)據(jù)。

及時(shí)進(jìn)行司法確認(rèn)，為調(diào)解提供法治保障。調(diào)解協(xié)議效力的司法確認(rèn)是當(dāng)前訴調(diào)銜接機(jī)制中的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，也是“楓橋經(jīng)驗(yàn)”實(shí)踐納入法治軌道的必然要求。全市法院著力規(guī)范和細(xì)化司法確認(rèn)程序，采取各種措施引導(dǎo)和保障當(dāng)事人及時(shí)向法院申請對調(diào)解協(xié)議的司法確認(rèn)，以增強(qiáng)調(diào)解協(xié)議的權(quán)威性和強(qiáng)制力。司法確認(rèn)工作既給選擇非訴途徑化解矛盾的當(dāng)事人吃了定心丸、為民間調(diào)解協(xié)議加了安全鎖，也為基層矛盾的自我化解構(gòu)筑了法治保障。

步驟3：根據(jù)目標(biāo)波位要求，利用步驟2數(shù)據(jù)，以實(shí)體陣列通道特性為變量，基于陣元近場分布進(jìn)行方向圖賦形優(yōu)化，得到目標(biāo)波位各實(shí)體通道的幅相分布P。

馬奈說：我厭惡一切不必要的東西，我們被這個(gè)行業(yè)的所有藝術(shù)小伎倆所帶壞。如何甩脫它們？誰能替我們找回一種清楚的、直接的畫法，而去掉那些裝飾呢？有一條真正的路就是直接往前走，不用擔(dān)心人們會說什么。

步驟4：利用步驟1所獲得的位態(tài)特性數(shù)據(jù)及步驟2獲得的通道基準(zhǔn)場值B，求得逼近步驟3所得到的P的最佳移相衰減位態(tài)組合，即生成各通道控制碼。

步驟5：根據(jù)步驟1、2、4所得數(shù)據(jù)，預(yù)測當(dāng)前波位空間方向圖特性。

一個(gè)特定的算法都必須具備自己的要素(數(shù)據(jù)對象的運(yùn)算和操作)以及五個(gè)基本特征(有窮性，確切性，輸入，輸出項(xiàng)及可行性)。

整個(gè)流程過程在圖 2中進(jìn)行了示意說明。在上述流程下，天線的建模精度已涵蓋路、場的各個(gè)環(huán)節(jié)，基于該模型構(gòu)建的虛擬天線陣面，可對天線的方向圖特性做出精確評估。理論上來說，其預(yù)測方向圖與實(shí)測方向圖將完全一致。

步驟2：采用近場測試方法，測試陣列各實(shí)體陣元通道在近場各位置上虛擬陣元處的場分布A，進(jìn)一步獲得的各實(shí)體陣元通道的基準(zhǔn)場值B以及各實(shí)體陣元到虛擬陣元的空間映射矩陣J。

圖2 波位建模及驗(yàn)證流程

由于天線建模采用了陣元實(shí)測數(shù)據(jù)，天線各波位的性能收斂僅取決于波位優(yōu)化算法收斂速度。相對于傳統(tǒng)近場測試校準(zhǔn)而言，可在軟件層面快速進(jìn)行大批量、多次波位迭代優(yōu)化及性能評估，而無須再進(jìn)行近場測試，從而節(jié)省大量相控陣近場校準(zhǔn)測試時(shí)間。此時(shí)，步驟6所進(jìn)行的近場波位測試僅用于性能驗(yàn)證，對各波位性能進(jìn)行抽樣測試即可。

步驟6：將天線各通道配置步驟4中獲得的目標(biāo)波位移相、衰減控制碼，進(jìn)行近場測量獲得相應(yīng)實(shí)測方向圖，可與步驟5預(yù)測結(jié)果比較，完成測量及模型預(yù)測-實(shí)測對比驗(yàn)證。

矩陣J包含M×N個(gè)陣元，表征了各實(shí)體陣元到虛擬陣元的空間映射關(guān)系，其可通過選通實(shí)體陣元通道n(其余通道處于關(guān)閉狀態(tài))在虛擬陣面m處測試對應(yīng)空間場Amn，之后對此時(shí)各虛擬陣元的總場Bn進(jìn)行歸一后獲得。即

3 實(shí)例分析

選取相控陣天線俯仰面接收方向圖特性進(jìn)行計(jì)算對比分析。該天線俯仰面為一直線陣，陣元數(shù)N=32，陣元間距d=0.693λ，采用6位數(shù)字移相、6位數(shù)字衰減器。其近場區(qū)域構(gòu)成的虛擬直線陣列M=77，陣元間距l(xiāng)=0.396λ。

根據(jù)模型建立流程，對各通道特性進(jìn)行了實(shí)際測量。圖3為利用步驟1測得的實(shí)體陣元各通道基準(zhǔn)位態(tài)時(shí)的通道幅度、相位特性。由實(shí)測結(jié)果可知該天線初始基態(tài)各通道間整體起伏較小，低于2.5 dB/40°，其反映出相控陣天線各陣元通道(含輻射單元、組件等)在初始未校準(zhǔn)狀態(tài)時(shí)有一定的差異。

圖3 實(shí)體陣元各通道基準(zhǔn)場值分布

針對不同波位要求，利用實(shí)體陣元各通道內(nèi)的數(shù)字移相、衰減器，將各通道幅度相位特性優(yōu)化逼近至目標(biāo)波位所需分布。該天線陣元通道的典型移相、衰減精度特性如圖 4所示，對每個(gè)通道分別進(jìn)行了衰減64態(tài)測試(衰減深度0～31.5 dB，理論衰減步進(jìn)0.5 dB，此時(shí)移相態(tài)為0)和移相64態(tài)測試(移相0～354.375°，理論移相步進(jìn)5.625°)并相對理論衰減、移相值歸一，從測試結(jié)果可知：衰減精度優(yōu)于±0.3 dB，在較小衰減深度時(shí)衰減引起的調(diào)相低于±2°；全位態(tài)下移相精度優(yōu)于±2°，移相引起的調(diào)幅低于±0.2 dB。較小的衰減移相調(diào)相調(diào)幅特性可簡化步驟1的測試工作量，即分別測試衰減特性和移相特性進(jìn)行組合，即可等效各類移相衰減組合特性，其引入的幅相誤差對方向圖的影響可近似忽略。

圖4 實(shí)際陣元通道典型衰減/移相位態(tài)精度

圖 5為基于各實(shí)體陣元在近場區(qū)域虛擬陣列處實(shí)際測量的歸一化場分布。由于各陣元處在的電環(huán)境差異，其空間場分布不完全一致，尤其是邊沿處陣元與陣中陣元差異更為明顯，其等效基準(zhǔn)場幅度起伏最大超過1 dB。在較高精度要求下，各陣元方向圖對空間合成的總方向圖特性影響不可忽略，須定量求得并在計(jì)算波束特性時(shí)加以考慮。

圖5 實(shí)體陣元近場幅度分布|Jmn|

結(jié)合圖2中的建模分析流程進(jìn)行實(shí)際波位驗(yàn)證。圖6～圖8分別示意了法向、掃描20°及波束展寬4.4倍等典型工況下的對比結(jié)果。從模型預(yù)測與近場實(shí)測方向圖結(jié)果統(tǒng)計(jì)來看，二者具有很高的一致性，特別在波束主能量及鄰近副瓣區(qū)域兩者非常吻合。由于建模誤差的存在，真實(shí)測試近場分布相對于模型預(yù)測近場分布而言，還存在小量的幅相誤差，在遠(yuǎn)區(qū)場值較小處二者方向圖有一定的差異。

圖6 法向預(yù)測與實(shí)測方向圖

圖7 掃描20°預(yù)測與實(shí)測方向圖

圖8 波束賦形狀態(tài)下(掃描-12.7°/波束展寬4.4倍)預(yù)測與實(shí)測方向圖

通過統(tǒng)計(jì)模型預(yù)測與實(shí)測方向圖主要參數(shù)，可定量評估二者的一致性。表 1列出了7種典型波束的模型預(yù)測及實(shí)測統(tǒng)計(jì)結(jié)果，通過建模并利用優(yōu)化算法使得預(yù)測波位特性與目標(biāo)波位要求一致(指向誤差低于1%，波束寬度展寬波位誤差低于1%、非展寬波位誤差最小)。再利用近場進(jìn)行實(shí)測驗(yàn)證，預(yù)測和實(shí)測結(jié)果相對波束寬度而言指向誤差低于1%，波束寬度誤差低于2%，副瓣電平在不進(jìn)行低副瓣加權(quán)時(shí)誤差不超過0.6 dB，加權(quán)到-20 dB后副瓣誤差不超過2 dB，模型預(yù)測與實(shí)測數(shù)據(jù)之間具有很高的吻合度，同時(shí)也表明了該天線半實(shí)物模型的準(zhǔn)確性。利用該模型可對任意波位要求進(jìn)行仿真優(yōu)化，其優(yōu)化結(jié)果具有可信的預(yù)測精度而無須再進(jìn)行實(shí)測驗(yàn)證，完全能滿足工程應(yīng)用所需的快速、準(zhǔn)確要求。

網(wǎng)上校務(wù)服務(wù)平臺為用戶提供便捷的“一站式”服務(wù)，其架構(gòu)基于開放式流程平臺建設(shè)（如圖2所示），開放式流程平臺在面向業(yè)務(wù)部門的管理系統(tǒng)和終端用戶界面之間增加了一層面向事項(xiàng)辦理業(yè)務(wù)的流程服務(wù)層，使學(xué)校各業(yè)務(wù)流程模型與各系統(tǒng)管理的數(shù)據(jù)模型實(shí)現(xiàn)融合對接，從而既能基于平臺開發(fā)建設(shè)服務(wù)流程，又能較為方便地整合各系統(tǒng)已涵蓋的服務(wù)，實(shí)現(xiàn)各業(yè)務(wù)長期的持續(xù)改進(jìn)與持續(xù)定制［5］。

表1 典型波位預(yù)測/實(shí)測特性對比

4 結(jié)束語

準(zhǔn)確修正并快速評估相控陣天線的波束特性是天線系統(tǒng)性能驗(yàn)證的重要環(huán)節(jié)。本文從相控陣天線空間方向圖構(gòu)成所包含的場、路特性出發(fā)，提出通過測試天線各陣元近場分布以及各通道移相衰減位態(tài)特性來獲得先驗(yàn)數(shù)據(jù)，同時(shí)結(jié)合優(yōu)化算法構(gòu)建虛擬陣列模型，從而實(shí)現(xiàn)快速波束優(yōu)化及對實(shí)際方向圖的預(yù)測。實(shí)測結(jié)果表明，通過該方向圖建模預(yù)測的波束特性與實(shí)測數(shù)據(jù)具有很高的一致性。該方法將不僅大幅度減少天線波束驗(yàn)證測試時(shí)間，同時(shí)可為工程應(yīng)用過程中的特性修正提供借鑒。

[1] MAILLOUX R J. 相控陣天線手冊[M]. 2版. 北京：電子工業(yè)出版社, 2007. MAILLOUX R L. Phased array antenna handbook[M]. 2nd ed. Beijing：Publishing house of electronics industry, 2007.

[2] 高 鐵，王金元. 大型有源相控陣校準(zhǔn)的MCM法及其誤差分析[J]. 微波學(xué)報(bào)，2002, 18(1): 6-10. GAO Tie，WANG Jinyuan. MCM of large active phased array calibration and tolerance analysis[J]. Journal of Microwaves, 2002, 18(1): 6-10.

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張金平 男，1982年生，博士，高級工程師。研究方向?yàn)橄嗫仃嚴(yán)走_(dá)天線技術(shù)。

任 波 男，1979年生，高級工程師。研究方向?yàn)橄嗫仃嚴(yán)走_(dá)天線技術(shù)。

朱富國 男，1986年生，博士，工程師。研究方向?yàn)橄嗫仃嚴(yán)走_(dá)天線技術(shù)。

A Study on Pattern Model of Phased Array Based on the Characteristics of Array Elements

ZHANG Jinping1,2，REN Bo1,2，ZHU Fuguo1

(1. Nanjing Research Institute of Electronics Technology, Nanjing 210039, China)(2. Science and Technology on Antenna and Microwave Laboratory, Nanjing 210039, China)

A method of predicting the radiation patterns of a phased array is proposed. The mathematical model has been developed with the measured RF behavior of each channel and near field of the array elements. Furthermore, program codes have been implemented based on the differential evoluation algorithm and fast fourier transform algorithm. To validate the method, several radiation patterns of a practical phased array have been calculated and measured. The comparison has shown small discrepancies between the predictation and measurement. Thus the propsoed method is appropriate for evaluating the far-field characteristics of a large-scale phased array while the calibration and test can be avoided. In addition, it is suitable for the pattern configuration of the phased array in practice.

phased array antenna; pattern model; reconfigurable pattern

10.16592/ j.cnki.1004-7859.2016.03.014

張金平 Email：nriet_zjp@163.com

2015-10-16

2015-12-18

TN911.7

A

1004-7859(2016)03-0065-05