CN105259544B - 有源相控阵雷达t/r组件幅相测试系统 - Google Patents

有源相控阵雷达t/r组件幅相测试系统 Download PDF

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Abstract

本发明提出的一种有源相控阵雷达T/R组件幅相测试系统，旨在提供一种高效率、高可靠、高测试精度的幅相测试系统。本发明通过下述技术方案予以实现：N个T/R组件通过两路测试馈电功分网络连接天线定向耦合器；在两路首、末端测试馈电功分网络之间设有电连接频率综合器、前级功放、和差器、和路接收机的测试转换模块；测试开始时，终端进入发射T测试或接收R测试模式，向频率综合器发出测试指令，频率综合器输出测试起始和测试脉冲信号，依据测试脉冲在每一个节拍产生一个相同的测试激励信号；波控器基于正交编码的规则控制各路移相器，对测试激励信号分别进行正交相位调制，调制后的信号进入信号处理器，完成所有T/R组件的幅度和相位测试。

Description

有源相控阵雷达T/R组件幅相测试系统
技术领域
本发明涉及一种有源相控阵雷达T/R组件幅相测试系统。
背景技术
在现代雷达技术中，有源相控阵雷达占有十分重要的地位，在民用和国防领域的应用也日渐广泛。随着高功率固态功率器件及单片微波集成电路的不断发展，每个相控阵雷达天线单元通道中可以设置固态T/R组件，成为有源相控阵雷达天线。与常规雷达相比，有源相控阵雷达具有探测距离远、抗干扰能力强、无惯性波束扫描、可靠性高、可维性强、可编程波束赋形以及离散孔径功率空间合成等诸多优点，在功率口径积、抗干扰、多目标跟踪及可靠性等方面具有传统机械扫描雷达无可比拟的优势。
T/R组件是有源相控阵雷达的核心部件，通常一部雷达少则有几十，多则上百甚至成千上万个T/R组件。作为有源相控阵雷达天线中最重要的部件，T/R组件能够控制发射与接收信号的幅度和相位，完成雷达的波束赋形和波束扫描，一旦出现故障将会直接影响雷达天线的性能指标。在进行维修保障时，若使用传统的方法对T/R组件进行性能检测和故障定位，需要使用包括合成信号源、峰值功率计、矢量网络分析仪等在内的多种仪器对组件进行逐一测试。由于一部相控阵雷达T/R组件数目众多，这种方法需人工反复操作多次，工作量大，耗时长，效率低，并且在长时间的测量过程中，测试仪器和被测组件都会产生参数漂移，致使测试结果的准确性降低。因此，设计一种能够快速、准确地对T/R组件进行故障鉴别和诊断的自动测试系统，对于降低维修保障人员的工作强度，提高雷达维修时的工作效率是非常必要的。
在有源相控阵雷达中，T/R组件的幅相一致性水平是雷达性能的一个重要指标。T/R组件的幅相一致性可以分为T(发射)支路幅相一致性与R(接收)支路幅相一致性，前者主要针对发射链路间发射功率和相移值的一致性，而后者则主要针对接收链路间的增益和相移值的一致性。T/R组件间T支路和R支路的幅度与相位不一致将会直接导致雷达发射波束与接收波束指向偏移、副瓣电平抬高和天线增益降低，最终影响雷达的战技性能，严重的情况甚至致使雷达失效。正因为此，在有源相控阵雷达的工程实践当中，必须具备T/R组件幅相测试的有效手段，一方面需要及时诊断并隔离阵面中存在故障的T/R组件，以便于评估雷达的工作性能和提高系统的可维性，另一方面则需以幅相测试结果为基础，通过调整波控器布相对T/R组件实施校正，以确保T/R组件的幅相一致性水平，使雷达工作在最佳状态。
传统的T/R组件幅相测试方法称为开关矩阵法，其基本原理就是采用开关矩阵逐一选通待测的T/R组件，实现T或R支路的幅相测试。综合来看，这种方法存在以下不足：首先，不论是T支路还是R支路测试，每次测试只能针对一个T/R组件进行，不仅耦合的测试响应幅度小，易受噪声干扰，影响测量精度，且测试效率较低，特别是对大型有源相控阵雷达，因T/R组件数量大，对测试效率的制约就越明显。其次，T/R组件数量越多，所需的开关矩阵就越庞大，而每次测试又只能针对一个T/R组件进行，使得开关矩阵的使用频度也大大增加，这都将降低测试系统的可靠性与稳定性。此外，每次测试只能允许一路被测T/R组件正常工作，必须关闭其它的T/R组件，如果测试过程中某些T/R组件失效不能关闭，很可能严重影响当前测试的测试结果。
发明内容
本发明的目的是针对现有技术存在的不足之处，旨在提供一种高效率、高可靠、高测试精度，基于正交码的有源相控阵雷达T/R组件幅相测试系统。
本发明的上述目的可以通过以下措施来达到：一种有源相控阵雷达T/R组件幅相测试系统，包括分别电连接于N个T/R组件的发射馈电功分网络、接收馈电功分网络、波控器、和差器、和路接收机、信号处理器和终端，其中，首端发射馈电功分网络和末端发射馈电功分网络通过前级功放分为两路电连接T/R组件，首端接收馈电功分网络和末端接收馈电功分网络分为两路分别连接和差器，其特征在于：N个T/R组件通过两路测试馈电功分网络连接天线定向耦合器；在两路首、末端测试馈电功分网络之间设有电连接频率综合器、前级功放、和差器、和路接收机的测试转换模块；测试开始时，终端进入发射T测试或接收R测试模式，向频率综合器发出测试指令，频率综合器输出测试起始和测试脉冲信号，依据测试脉冲在每一个节拍产生一个相同的测试激励信号；测试激励信号在T测试模式下，经由测试转换模块、前级功放和发射馈电功分网络馈送至所有T/R组件，波控器基于正交编码的规则控制各路移相器，对测试激励信号分别进行正交相位调制，调制后的信号经天线定向耦合器、测试馈电功分网络、测试转换模块与和路接收机，进入信号处理器；在R测试模式下，测试激励信号经由测试转换模块、测试馈电功分网络和天线定向耦合器馈送至所有T/R组件，同样，波控器基于正交编码的规则控制各路移相器，对测试激励信号分别进行正交相位调制，调制后的信号经接收馈电功分网络、和差器、测试转换模块与和路接收机，最终进入信号处理器按测试脉冲的节拍循环2m次后，完成所有T/R组件的幅度和相位测试。
本发明相比于现有技术开关矩阵，其显著优势在于：
1)测试效率高。本发明各T/R组件依据正交编码的规则对输入的测试激励信号分别进行正交相位调制，在信号处理器采用数字正交解调的方式实现对各T/R组件和通道测试响应软分离，按测试脉冲的节拍循环2m次后一次性即可完成所有T/R组件的幅度和相位测试，其测试效率高，且随着T/R组件数量的增大，优势更明显。
2)电路简单。本发明测试转换模块在T测试和R测试模式下仅需控制K3、K4两个内置开关即可完成全部T/R组件的幅相测试，系统测试可靠性高。
3)测试精度高。本发明在T测试和R测试模式下，全部T/R组件均正常工作，信号处理器依据测试脉冲的节拍循环2m次数字正交解调后，获得的单个T/R组件通道测试响应是2m个测试节拍响应的累积，信噪比强，可以有效确保组件的幅相测量精度。
4)硬件开销较小。本发明除新增加1个测试转换模块、N个天线定向耦合器及1套测试馈电功分网络外，硬件上基本复用被测雷达正常工作时的硬件体系，不仅可以广泛适应于各类有源相控阵雷达T/R组件的幅相自动化测试任务，同时以此为基础可进一步实现T/R组件幅相的标校，失效和性能下降的T/R组件的快速定位(或隔离)，从而有效缩短维护保障时间，确保雷达工作在最佳状态。
附图说明
为便于阐述，下面以一维有源相控阵雷达为例展开描述。
图1是本发明有源相控阵雷达T/R组件幅相测试系统的电路原理框图。
图2是图1中频率综合器产生的测试时序图。
图3是图1 T测试模式下的测试信号流图。
图4是图1 R测试模式下的测试信号流图。
图5是图1信号处理器对各T/R组件测试响应的数字正交解调与幅相运算原理框图。
具体实施方式
参阅图1。在以下描述的实施案例中，有源相控阵雷达T/R组件幅相测试系统由测试转换模块、天线定向耦合器、测试馈电功分网络及频率综合器、波控器、前级功放、发射与接收馈电功分网络、T/R组件、和差器、和路接收机、信号处理器、终端等分机组成。除前三个部件为新增硬件开销外，其它分机基本复用被测雷达正常工作时的硬件体系。其中，定向耦合器集成于各雷达天线单元，可实现T测试与R测试时测试馈电功分网络的复用，即T测试模式下，用于将各T/R组件T支路的输出信号耦合至测试馈电功分网络；R测试模式下，用于将频率综合器经测试转换模块提供的测试激励信号耦合至各T/R组件的R支路。波控器连接频率综合器和所有T/R组件，按照频率综合器产生的测试时序，一方面控制各T/R组件中，由开关K1电连接发射馈电功分网络、接收低噪放、移相器和开关K2电连接接收馈电功分网络、发射功放、衰减器组成的开关网络，形成T测试和R测试所需的测试通道；另一方面控制各T/R组件内置的移相器按正交编码的规则移相，完成测试激励信号的正交调制。测试转换模块是系统工作的中转核心，连接频率综合器、前级功放、波控器、测试馈电功分网络、和差器与和路接收机。测试过程中，测试转换模块将按照频率综合器产生的测试时序，控制测试转换模块内部电连接频率综合器、前级功放、环形器的开关K3()和电连接和路接收机、和差器、固定衰减器的开关K4，既为频率综合器产生的测试激励信号输入提供通道，也为T测试模式下，天线定向耦合器获得的各T/R组件T支路输出的耦合分量，经测试馈电功分网络输出至和路接收机提供通道。在R测试模式下，各T/R组件R支路的输出经接收馈电功分网络、和差器输出至和路接收机提供通道。频率综合器是系统工作的控制核心，连接测试转换模块和波控器，主要负责产生测试时序，并按节拍生成测试激励信号。测试时序包括测试起始和测试脉冲。前级功放连接于测试转换模块和发射馈电功分网络之间，主要完成T测试时放大测试转换模块转发的测试激励信号。被测对象T/R组件连接天线单元、定向耦合器与测试、发射、接收馈电功分网络进行幅相测试，通过开关K1和开关K2为T测试和R测试时的输入输出信号流提供通道；同时，通过移相器对输入的测试激励信号流实现正交编码。和差器连接测试转换模块和接收馈电功分网络，主要完成R测试时雷达天线阵面和差(和、方位差、俯仰差)接收波束的形成，并将和波束经测试转换模块送至和路接收机。和路接收机连接于测试转换模块与信号处理器之间，主要为和波束提供接收通道，完成混频、低噪声放大和中频滤波处理，随后将处理形成的和中频模拟信号送入信号处理器处理。信号处理器连接于和路接收机与终端之间，主要完成T测试和R测试模式下模拟中频信号的A/D转换、数字下变频DDC、抽取以及数字正交解调，并最终分离出各T/R组件的通道测试响应，进而获得各T/R组件的幅度与相位参数。终端为执行T/R组件幅相自动测试提供人机界面，向频率综合器发送T测试或R测试的控制命令信号，并将信号处理器的测试结果以图表的形式直观显示。
T/R组件幅相测试的基本原理如下：
终端发出T测试或R测试命令至频率综合器，后者在收到命令后，即产生测试时序，输出测试起始、测试脉冲信号以及按测试脉冲节拍生成的测试激励信号，并将测试激励信号经馈电网络输出至每一个T/R组件。各T/R组件在波控器的控制下，通过内置移相器完成对测试激励信号的正交调制，即按照测试脉冲的节拍，每一个节拍移相器均按正交编码的规则使输入的测试激励信号移相+90°或-90°，表征为ci(t)＝e±j90°，其中i＝1～N，表示第i个T/R组件。照此模式循环2m个节拍，每个T/R组件均可生成一组长度为2m的正交相位偏移序列。假设第i个T/R组件的幅相函数为，其中ai为幅度值，φi为相位值，xi(t)在测试周期内保持恒定，则每一个测试脉冲节拍和路接收机将输出N个T/R组件累积的T支路或R支路测试响应之和，即：
其中，SΣ(t)表示和中频信号，ni是第i个T/R组件内部噪声。
和路接收机输出的和中频模拟信号送入信号处理器，经A/D转换，DDC数字下变频，抽取器抽取(减少需要处理的数据量)和数字正交解调后,即可分离出每一路T/R组件的通道测试响应，并解算出相应T/R组件的幅度与相位参数。从物理意义的角度来说，正交解调为正交调制的逆过程。具体来说，提取单个T/R组件幅相测试响应的过程等效于和中频信号SΣ(t)与各T/R组件对应的相位偏移序列的复共轭序列进行相关处理。如式(2)所示，第i个T/R组件的测试响应可表征为：
其中，为测试响应的幅度值，为测试响应的相位值。
参阅图2。频率综合器是T/R组件幅相测试系统的控制核心。它接收终端发出的测试指令时，启动测试程序，自动产生所需的测试时序，并按测试脉冲的节拍生成测试激励信号，测试时序包括测试起始和测试脉冲信号，且T测试和R测试模式下测试时序相同。这里，测试起始为一个触发脉冲信号，相邻脉冲信号之间代表一个用t表征的完整测试周期，即首个脉冲信号表示测试任务启动，第二个脉冲信号表示测试任务终结。测试脉冲与雷达正常工作时的PRF信号类同，按照基于正交码的T/R组件幅相测试基本原理，在时长为t的测试周期内，共需产生2m个测试脉冲，m取2m≥N的最小自然数，N为T/R组件数量，其首个脉冲在测试起始信号的下降沿触发。测试激励信号是整个T/R组件幅相测试系统的关键，流经测试链路的各分机，它在测试脉冲的下降沿触发，信号形式既可以采用单载频信号，也可以采用线性调频信号(图示激励信号形式为单载频信号)。
参阅图3。T测试模式下的测试信号将沿图3中加粗虚线方向由频率综合器最终进入信号处理器。图中，长短虚线框部分为测试转换模块的组成框图，测试转换模块由2个单刀双掷开关K3和K4、1个环形器、一个固定衰减器和一个1：4功分器组成，为防止接收机饱和，1：4功分器通过开关K4与和路接收机完成四个象限正交调制测试信号的汇合后，沿环形器、固定衰减器输出正交调制测试信号，对正交调制测试信号进行衰减，最终进入信号处理器。T测试开始时，频率综合器负责产生所需的测试时序(包括测试起始和测试脉冲信号)，按测试脉冲的节拍生成测试激励信号。在测试脉冲节拍的控制下，测试转换模块将开关K3与前级功放连通，使测试激励信号流入前级功放，经功率放大后通过发射馈电功分网络进入每一个T/R组件。同样，在测试脉冲节拍的控制下，波控器控制T/R组件中的开关K1和K2，通过图1所示与发射支路连接的移相器和衰减器，对输入的测试激励信号进行正交调制，待调制完成后，各T/R组件的测试信号沿衰减器、开关K2、发射功放、T/R内部环形器、天线定向耦合器和测试馈电功分网络进入测试转换模块的1：4功分器。此处，1：4功分器4路输入表征雷达天线阵面A、B、C、D四个象限所有T/R组件的正交调制测试信号。
参阅图4。与T测试模式下的测试信号流图相对应，R测试模式下测试信号将沿图4中的加粗虚线方向由频率综合器最终进入信号处理器。R测试开始时，频率综合器产生所需的测试时序，按测试起始和测试脉冲信号的节拍生成测试激励信号。在测试脉冲节拍的控制下，测试转换模块连通开关K3与环形器，将测试激励信号流入1：4功分器，1：4等功分后经测试馈电功分网络、天线定向耦合器进入每一个T/R组件。同样，在测试脉冲节拍的控制下，波控器控制T/R组件中的开关K1和K2连接图1所示移相器和衰减器与接收支路，此时测试激励信号沿T/R内部环形器、接收低噪声放大器、开关K1后进入移相器对输入的测试激励信号进行正交调制。待调制完成后，各T/R组件的测试信号沿衰减器、开关K2、接收馈电功分网络进入和差器。和差器将完成天线阵面A、B、C、D四个象限所有T/R组件的正交调制测试信号的和、方位差、俯仰差三路信号的合成，并将和路信号经开关K4、和路接收机，最终进入信号处理器。
参阅图5。信号处理器由A/D转换器、数字下变频器DDC、抽取器、幅相计算器及N路数字正交解调支路组成，其中，A/D转换器完成对和路接收机输入的和路测试信号的模数变换，DDC通过A/D转换器，将提取的高速数字信号流中所需信号，下变频为零中频数字信号；为降低数据速率和数据量，达到常规信号处理器件(如DSP)处理能力的要求，介于DDC与数字正交解调支路间的抽取器对数字零中频信号进行抽取。数字正交解调支路包括乘法器、加法器、存储器和输出器几个部件。
设SΣ(n)为所有T/R组件的测试响应和，即和路测试信号经A/D、DDC、抽取器之后成为一个数字波形，其中n＝1～2m，表示第n个测试节拍。Ci(n)为前述正交移相因子ci(t)＝e±j90°相对应的数字正交相位偏移因子，其中i＝1～N，表示第i个T/R组件；n＝1～2m，表示第n个测试节拍。这里，Ci(n)取值为二进制码“1”或“-1”，即第n个测试节拍与第(n-1)个测试节拍间移相量差值为0°时，取值为“1”，而移相量差值为180°时，取值为“-1”。照此模式循环2m个测试节拍，则每个T/R组件均可生成一组长度为2m的数字正交相位偏移序列{Ci(1),Ci(2),Ci(3),L,Ci(2m)}。因此，数字正交解调的过程可以表征为：
式中，SΣ(n)·Ci(n)每一次相乘、叠加和存储的过程都在测试脉冲信号节拍的控制下进行；Xi(n)为2m个测试脉冲节拍后数字正交解调支路的输出，其中包含了T测试或R测试模式下第i个T/R组件的幅相信息，受测试起始信号的控制，每一节拍输出一次至幅相计算器。
幅相计算器是T/R组件幅相测试的最后一个环节，其任务是从Xi(n)中提取出该T/R组件T支路或R支路的幅相信息。按照基于正交码的T/R组件幅相测试基本原理，不仅一次性即可完成所有N个T/R组件T支路或R支路幅相信息的提取，同时将此数据与出厂前T/R组件的幅相测试数据进行比较，还可以评估当前雷达T/R组件幅相值的波动水平，并以此为依据，通过调整波控器布相对T/R组件的幅相进行修正，确保T/R组件的幅相一致性水平以及雷达的测量精度。

Claims (10)

1.一种有源相控阵雷达T/R组件幅相测试系统，包括分别电连接于N个T/R组件的发射馈电功分网络、接收馈电功分网络、波控器、和差器、和路接收机、信号处理器和终端，其中，首端发射馈电功分网络和末端发射馈电功分网络通过前级功放分为两路电连接T/R组件，首端接收馈电功分网络和末端接收馈电功分网络分为两路分别连接和差器，其特征在于：N个T/R组件通过两路测试馈电功分网络连接天线定向耦合器；在两路首、末端测试馈电功分网络之间设有电连接频率综合器、前级功放、和差器、和路接收机的测试转换模块；测试开始时，终端进入发射T测试或接收R测试模式，向频率综合器发出测试指令，频率综合器输出测试起始和测试脉冲信号，依据测试脉冲在每一个节拍产生一个相同的测试激励信号；测试激励信号在T测试模式下，经由测试转换模块、前级功放和发射馈电功分网络馈送至所有T/R组件，波控器基于正交编码的规则控制各路移相器，对测试激励信号分别进行正交相位调制，调制后的信号经天线定向耦合器、测试馈电功分网络、测试转换模块与和路接收机，进入信号处理器；在R测试模式下，测试激励信号经由测试转换模块、测试馈电功分网络和天线定向耦合器馈送至所有T/R组件，同样，波控器基于正交编码的规则控制各路移相器，对测试激励信号分别进行正交相位调制，调制后的信号经接收馈电功分网络、和差器、测试转换模块与和路接收机，最终进入信号处理器；按测试脉冲的节拍循环2m次后，完成所有T/R组件的幅度和相位测试，其中，m取2m≥N的最小自然数。
2.根据权利要求1所述的有源相控阵雷达T/R组件幅相测试系统，其特征在于：波控器连接频率综合器和所有T/R组件，按照频率综合器产生的测试时序，一方面控制各T/R组件中，由开关K1电连接发射馈电功分网络、接收低噪放、移相器和开关K2电连接接收馈电功分网络、发射功放、衰减器组成的开关网络，形成T测试和R测试所需的测试通道；另一方面控制各T/R组件内置的移相器按正交编码的规则移相，完成测试激励信号的正交调制。
3.根据权利要求1所述有源相控阵雷达T/R组件幅相测试系统，其特征在于：测试转换模块作为系统工作的中转核心，连接频率综合器、前级功放、波控器、测试馈电功分网络、和差器与和路接收机。
4.根据权利要求1所述的有源相控阵雷达T/R组件幅相测试系统，其特征在于：测试转换模块将按照频率综合器产生的测试时序，控制测试转换模块内部电连接频率综合器、前级功放、环形器的开关K3和电连接和路接收机、和差器、固定衰减器的开关K4，既为频率综合器产生的测试激励信号输入提供通道，也为T测试模式下，天线定向耦合器获得的各T/R组件T支路输出的耦合分量，经测试馈电功分网络输出至和路接收机提供通道。
5.根据权利要求1所述的有源相控阵雷达T/R组件幅相测试系统，其特征在于：在R测试模式下，各T/R组件R支路的输出经接收馈电功分网络、和差器输出至和路接收机提供通道。
6.根据权利要求1所述的有源相控阵雷达T/R组件幅相测试系统，其特征在于：频率综合器作为系统工作的控制核心，连接测试转换模块和波控器产生测试时序，并按节拍生成测试激励信号。
7.根据权利要求1所述的有源相控阵雷达T/R组件幅相测试系统，其特征在于：和差器连接测试转换模块和接收馈电功分网络，完成R测试时雷达天线阵面和差接收波束的形成，并将和波束经测试转换模块送至和路接收机。
8.根据权利要求1所述的有源相控阵雷达T/R组件幅相测试系统，其特征在于：和路接收机连接于测试转换模块与信号处理器之间，为和波束提供接收通道，完成混频、低噪声放大和中频滤波处理，将处理形成的和中频模拟信号送入信号处理器处理。
9.根据权利要求1所述的有源相控阵雷达T/R组件幅相测试系统，其特征在于：信号处理器连接于和路接收机与终端之间，完成T测试和R测试模式下模拟中频信号的A/D转换、数字下变频DDC、抽取以及数字正交解调，分离出各T/R组件的通道测试响应，获取各T/R组件的幅度与相位参数。
10.根据权利要求1所述的有源相控阵雷达T/R组件幅相测试系统，其特征在于：测试转换模块由2个单刀双掷开关K3和K4、1个环形器、一个固定衰减器和一个1：4功分器组成，为防止接收机饱和，1：4功分器通过开关K4与和路接收机完成四个象限正交调制测试信号的汇合后，沿环形器、固定衰减器输出正交调制测试信号，对正交调制测试信号进行衰减，最终进入信号处理器。
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