唐 龍

（桂林長海發(fā)展有限責任公司，廣西 桂林 541001）

1 概 述

寬帶DBF 測向設(shè)備采用測頻測向一體化設(shè)計，集成數(shù)字測頻、數(shù)字測向和信號分選功能。數(shù)字波束形成技術(shù)（DBF）是以對多路陣列天線信號進行合適數(shù)字幅相加權(quán)來實現(xiàn)波束形成的技術(shù)，充分利用多路陣列天線所獲得的信號空間信息，可以獲得超出普通單元天線的性能，通過數(shù)字信號處理技術(shù)使合成波束獲得超分辨率和低旁瓣的性能，同時具備目標跟蹤、波束掃描以及自動抗干擾能力[1]。

2 寬帶DBF 測向設(shè)備組成及工作原理

寬帶DBF 測向設(shè)備主要由非均勻接收天線陣列、16 通道高靈敏度幅相一致性接收通道、校正/自檢源和多波束處理模塊組成。圖1 為設(shè)備組成框圖。

圖1 寬帶DBF 測向設(shè)備組成框圖

非均勻接收天線陣列完成對空域射頻信號的接收。幅相一致性接收通道對接收到的信號進行限幅、放大和下變頻，將射頻信號變頻成中頻信號。多波束測向處理模塊包括數(shù)字波束形成單元、高精度測向單元、校正單元、PDW 參數(shù)編碼和接口控制模塊。數(shù)字波束形成單元通過并行數(shù)據(jù)處理和相關(guān)數(shù)學計算，實現(xiàn)對接收天線陣元信號與合適的權(quán)矢量相乘，按照一定約束條件得到最佳矢量控制信號，以產(chǎn)生所需要指向的合成波束。高精度測向單元通過噪聲抑制和空間譜估計測向法對入射信號到達角度作精確測量。校正單元完成對天線方向圖和接收通道幅相一致性校準。PDW參數(shù)編碼主要完成對形成波束作信號載波頻率、脈寬、到達時間和幅度的測量，結(jié)合到達角生成PDW 參數(shù)。接口控制模塊主要完成本振、校正源和衰減器等控制，完成與顯控計算機之間通信。

3 影響DBF 測向設(shè)備通道一致性的因素

數(shù)字波束形成技術(shù)中控制波束指向的數(shù)字幅相加權(quán)都是在基帶形成的，為了保證寬帶DBF 測向設(shè)備中基帶處理時各通道陣元信號的幅相特性與在天線陣列輸出端的幅相特性相同，需要保證各陣元接收變頻通道的頻率特性相同，但是因為工藝和器件差異影響，測向設(shè)備接收通道的幅相特性基本不能達到理想一致性要求，這對寬帶DBF 測向設(shè)備數(shù)字波束合成有著很大的影響[2]。

寬帶DBF 測向設(shè)備中由于不同天線陣元、限幅器、濾波器、放大變頻通道、高速ADC 等器件一致性的影響，不同接收通道會出現(xiàn)幅度帶內(nèi)起伏和相位失配誤差；即使在通道設(shè)計時優(yōu)先選取同一批次的元器件和高穩(wěn)定性的低損穩(wěn)相電纜，仍不能滿足多通道幅度/相位完全一致的要求；此外，天線陣元之間的互耦效應(yīng)，也會造成互耦誤差。因此，必須通過校正手段去除大部分通道幅度/相位誤差[3]。

4 多通道校正方法及工程實現(xiàn)

4.1 多通道幅相誤差校正實現(xiàn)方法

系統(tǒng)校正主要有兩種校正方式：外場輻射校正和微波通道校正，其中微波通道校正需要結(jié)合天線方向圖校正。通過內(nèi)置校正源并結(jié)合幅度/相位誤差定時或?qū)崟r控制技術(shù)對測向通道幅度/相位誤差一致性檢測校正，能夠補償環(huán)境條件變化或者器件性能變化而引起的幅度/相位誤差，可以保證寬帶DBF 測向設(shè)備在不同條件下都具有較高的測向精度[4]。

寬帶DBF 測向設(shè)備包含16 個陣元通道，我們可以理解成16 個陣元通道分別對應(yīng)16 個不同濾波器，各陣元通道信號通過不同的通道進入數(shù)字波束形成單元，等效于經(jīng)過不同的濾波器傳遞函數(shù)，這16 個濾波器傳遞函數(shù)為：

通過測試出不同通道之間的相對關(guān)系，就可以將要進行波束形成的信號通過校正方法形成一個有效平面波。采用內(nèi)部校正的方式將校正信號從功分網(wǎng)絡(luò)饋入接收前端，經(jīng)過模數(shù)轉(zhuǎn)換與正交插值后獲得幅相校準系數(shù)，實現(xiàn)在測向與波束形成時進行多通道幅相校準。第k個頻率步進校準信號的頻域表示為s(fk)，第i個通道接收的信號為：

不失一般性，以第1 個通道接收的數(shù)據(jù)為參考，那么第i個通道和第1 個通道之間的差異用復(fù)數(shù)除法可以得到：

其中，Bi(fk)是第i個通道的幅相校準系數(shù)。

4.2 多通道幅相誤差校正流程

假設(shè)第i（i=1，…，16）個天線陣元相對參考陣元在校正時的幅相不一致值為Ai，而接收通道內(nèi)校準時幅相不一致值為Bi，定義內(nèi)外場校正系數(shù)為：

通常天線陣元在使用壽命期間，Ci可以認為是一常數(shù)。因為測向設(shè)備使用環(huán)境條件變化或者器件性能變化，可以根據(jù)幅度/相位誤差定時或?qū)崟r控制技術(shù)進行通道一致性內(nèi)校正。內(nèi)校正以其中一個通道為參考通道，經(jīng)過多波束處理模塊中模數(shù)轉(zhuǎn)換與正交插值后獲得校正基帶復(fù)信號，計算其他通道和該通道之間的幅相誤差值。假設(shè)第i個通道內(nèi)校正時某頻點得到的幅相不一致值變?yōu)锽i，則此頻率點天線陣元的幅相不一致性值相應(yīng)變?yōu)椋?/p>

該通道校正方法工程實現(xiàn)簡單，可行性高，通過測試出的多通道幅相校正數(shù)值，按照頻率值為地址的方式存儲在FPGA 內(nèi)部，供波束形成模塊調(diào)用并修正導(dǎo)向矢量。

圖2 通道校正前后實部/虛部效果對比

各通道校正前后實部/虛部效果對比如圖2 所示，校正前實部和虛部多通道間存在幅度和延遲差異，校正后實部和虛部多通道間的幅度和延遲差異均被補償?shù)簟?/p>

5 工程樣機測試結(jié)果

以測試X 波段頻率范圍為例，本設(shè)計中寬帶DBF測向設(shè)備在實驗室條件下，成功實現(xiàn)各項指標，測頻精度小于0.5 MHz，測向精度小于0.5°，具有信號分選、數(shù)據(jù)存儲和回放功能。

6 結(jié) 論

通過分析寬帶DBF 測向設(shè)備工作原理和通道幅相一致性的影響因素，提出了一種基于外場輻射校正和內(nèi)場微波通道校正相結(jié)合的多通道校正方法。這種多通道校正方法可行性高，工程實現(xiàn)簡單。