CN108051801A - 一种基于微波与毫米波复合的高精度射频仿真系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于微波与毫米波复合的高精度射频仿真系统，导引头设备是射频仿真系统使用者。目标信号模拟器用于目标回波信号的产生和调制；阵列馈电分系统模拟辐射信号相对于被试导引头的电波到达角；计算机控制分系统通过光纤或者网线实现对目标信号模拟器、阵列馈电分系统、三轴转台分系统、导引头设备的指令控制；三轴转台分系统模拟导弹运动姿态；校准装置分系统实现对阵列馈电分系统的校准。本发明研制一种基于微波与毫米波复合的射频仿真系统，用于导引头设备的微波与毫米波交班试验；本发明通过系统分析角位置误差来源，从根源上消除或者修正误差，提高了基于微波与毫米波复合的射频仿真系统目标角位置精度。

Description

一种基于微波与毫米波复合的高精度射频仿真系统

技术领域

本发明涉及一种基于微波与毫米波复合的高精度射频仿真系统，属于射频仿真系统技术领域。

背景技术

精确制导武器在现代战争中的大量使用及其所取得的战果，表明了它在现代战争中举足轻重的地位，未来战场将出现各种高技术精确制导武器的激烈较量。精确制导武器的打击精度主要依赖于导引头的制导技术，对地强杂波背景下的目标探测，更多采用毫米波导引头，满足高精度探测和成像需求。

射频仿真系统可实现武器系统精确制导控制系统的半实物仿真，以及导引头及相关分机的性能测试，达到在实验室(暗室)条件下优化选择和检验精确制导控制系统参数，以及检验武器系统作战能力的目的。

射频仿真系统的仿真试验可以贯穿武器系统研制的全寿命周期，包括从武器系统型号研制的方案论证开始，到系统的设计、参数选择、技术攻关、分系统性能评定、系统对接和集成、系统总体性能评定、靶场试验及外场故障分析、型号设计鉴定及定型、作战使用的指导、以及型号设计改进等全过程。因此建设射频仿真系统实验室成为导引头研制阶段的一个重要组成部分。基于微波与毫米波复合的射频仿真系统实验室可以在室内对微波和毫米波段导引头不同模式下的静态指标测试，完成导引头微波和毫米波的交班试验；能够在实验室内通过软件计算目标和导弹相对运动学关系，控制产生微波和毫米波的主动雷达导引头目标回波信号和战场环境下的各种干扰。导引头接收目标回波，将目标信息传递给飞控系统，三轴转台模拟导弹运动姿态，通过软件实现全系统闭环半实物仿真实验。用内场射频仿真系统试验对武器系统进行各种试验与检验，与外场试验相比具有下列优势：1)试验效费比高；2)模拟的电磁环境逼真可控；3)保密性强；4)不受气候条件的限制和外界电磁信号干扰，重复性好；5)试验结果的处理实时性强；6)能进行多方面的性能测试，获取较为全面的数据；7)使用灵活方便。

发明内容

目的：为了克服传统外场试验中上述存在的不足，传统射频仿真系统频段的单一和角位置精度不高的问题，本发明提供一种基于微波与毫米波复合的高精度射频仿真系统。

技术方案：为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案为：

一种基于微波与毫米波复合的高精度射频仿真系统，包括：目标信号模拟器、阵列馈电分系统、计算机控制分系统、微波暗室、三轴转台分系统、校准装置分系统；导引头设备是射频仿真系统使用者。目标信号模拟器用于目标回波信号的产生和调制，目标信号模拟器的信号输出端与阵列馈电分系统精位控制通道的输入端相连；阵列馈电分系统实现目标回波信号的角位置模拟，接收并处理目标信号模拟器输出的目标回波信号后，通过三元组天线空馈辐射给微波暗室内导引头设备；计算机控制分系统通过光纤或者网线实现对目标信号模拟器、阵列馈电分系统、三轴转台分系统、导引头设备的指令控制；导引头设备架设在三轴转台上，三轴转台分系统模拟导弹运动姿态；校准系统是对系统中射频系统的性能进行标定(Alignment)、校准(Calibration)、演示(Demonstration)、测试和监视的工具性系统，它不参与仿真试验过程。它主要是对阵列天线进行位置校准、对阵列馈电分系统的电气性能参数进行校准。并可对射频仿真系统的目标位置精度进行校验或演示。射频仿真系统的主要功能是完成合成孔径雷达(SAR)景象匹配复合制导半实物射频仿真试验，并兼顾主动雷达寻的、被动雷达寻的半实物射频仿真试验需求，频段覆盖可达2GHz～18GHz，34GHz～37GHz，完成导引头微波和毫米波的交班试验。射频仿真系统可实现武器从中制导到末制导全程的制导控制系统的闭合回路半实物射频仿真试验，以及导引头相应的开环测试工作。

作为优选方案，所述目标信号模拟器产生与当前被试导引头以及目标特性相适应的模拟目标信号，还包括产生雷达干扰信号，所述雷达干扰信号包含各种样式的欺骗式干扰信号以及噪声压制式干扰信号，用以模拟自卫式电子干扰信号以及支援式电子干扰信号的态势。采用软件无线电技术结合大规模FPGA、高速AD/DA技术，也即DRFM(数字射频存储)+信号处理模块(包括软件)来构建。至少包括1个独立的主、被动复合微波目标模拟通道，1个独立的主、被动复合毫米波目标模拟通道和1个干扰通道。

作为优选方案，所述阵列馈电分系统模拟辐射信号相对于被试导引头的电波到达角，包括：精位控制通道、粗位控制通道，所述精位控制通道输出端分别与粗位控制通道，一部分粗位控制通道输出端依次与六自由度调整装置、微波辐射天线相连接，另一部分粗位控制通道输出端依次与六自由度调整装置、8mm上变频器、毫米波辐射天线相连接；所述微波辐射天线、毫米波辐射天线均设置在阵列球面阵上；所述8mm上变频器、六自由度调整装置和毫米波辐射天线构成毫米波辐射系统，六自由度调整装置和微波辐射天线构成微波辐射系统；所述阵列馈电分系统还包括8mm变频本振馈电单元，用于为各8mm上变频器提供本振信号。所述每三个微波辐射天线，微波辐射天线分别在阵列球面阵上呈等边三角形排列，分别组成三元组天线；所述阵列馈电分系统还包括：阵列控制计算机，用于对阵列馈电分系统的控制和对外接口联系。主要功能包括：实现对阵列馈电分系统的精位控制通道和粗位控制通道的控制，实现与计算机控制分系统的数据通信。阵列控制计算机采用cPCI板卡通过计算机总线下载数据的方式，下载所需要的精位控制、粗位控制数据，并与外部设备进行通信。

作为优选方案，所述精位控制通道包括：功率合成器、程控移相器、程控衰减器、线性功率放大器，所述功率合成器、程控移相器、程控衰减器、线性功率放大器依次连接；精位控制通道将输入的目标信号功分为A、B、C三支路，信号在A、B、C三支路中分别进行幅相控制，从而控制目标辐射信号在三元组中的角位置。精位控制通道是微波和毫米波复用，通过开关选择输出。

作为优选方案，所述粗位控制通道包括：A、B、C三支路粗位控制开关矩阵，所述控制开关矩阵的每个输出端口均与辐射天线相连，用于选通各三元组；粗位控制通道的输入端与精位控制通道的输出端的相连。粗位控制通道具有独立的微波和毫米波通道，输出分别于微波辐射辐射系统和毫米波辐射系统的输入端相连。

作为优选方案，所述微波辐射系统和毫米波辐射系统包括8mm上变频器、毫米波辐射天线、六自由度调整装置和微波辐射天线。用全站仪测试每个辐射天线物理位置，通过调整每个辐射天线(微波辐射天线或毫米波辐射天线)的六自由度调整装置，使辐射天线的安装位置与理论值之间的误差小于±2mm。用校准装置测试每个辐射天线电磁辐射信号的角度位置，通过调整每个辐射天线(微波辐射天线或毫米波辐射天线)的六自由度调整装置，使得每个辐射天线电磁辐射的角度误差小于0.2mrad。

作为优选方案，阵列球面阵是以三轴转台的回转中心为圆心，天线空馈辐射距离为半径建立的球面结构体。

作为优选方案：所述微波阵列的单元间距取40mrad，毫米波阵列的单元间距取20mrad。

作为优选方案：所述微波辐射天线为四脊圆锥喇叭天线，天线口径140mm。所述毫米波辐射天线为圆锥喇叭天线，天线口径60mm。

有益效果：本发明提供的一种基于微波与毫米波复合的高精度射频仿真系统，其优点如下：

(1)本发明是基于微波与毫米波复合的射频仿真系统，频段覆盖可2GHz～18GHz，34GHz～37GHz，可以实现导引头设备在微波和毫米波频段的射频仿真试验，还可以完成导引头设备的微波和毫米波交班试验；

(2)通过系统分析射频仿真系统目标角位置误差来源，从根源上消除或者修正误差，提高了基于微波与毫米波复合的射频仿真系统目标角位置精度；

(3)本发明将微波辐射天线及毫米波辐射天线同时安装于阵列球面阵上，通过8mm变频本振馈电单元和8mm上变频器把系统工作频率从8GHz～11GHz上变至34GHz～37GHz。

(3)本发明中微波暗室能够实现8mm波段的屏蔽性能：30GHz-40GHz：≥70dB，8mm波段的静区反射电平30GHz～40GHz：优于-50dB；使得射频仿真系统保密性强，不受气候条件的限制和外界电磁信号干扰，重复性好。

(4)本发明中，通过修正每个辐射天线的安装物理位置误差和电信号误差，从根源上消除或者修正误差，使得射频仿真系统的目标角位置精度满足高精度导引头设备试验需求；

附图说明

图1为本发明一种实施例的仿真系统结构示意图。

图2为基于微波辐射天线和毫米波辐射天线复合的阵列球面阵结构示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作更进一步的说明。

如图1所示，一种基于微波与毫米波复合的高精度射频仿真系统，包括：目标信号模拟器1、阵列馈电分系统2、计算机控制分系统3、微波暗室4、三轴转台分系统5、校准装置分系统11；架设于三轴转台上的被试导引头设备是射频仿真系统的使用者，所述目标信号模拟器1的输出端与阵列馈电分系统2精位控制通道7的输入端相连；所述被试导引头设备将激励信号通过信号接口适配器传输给目标信号模拟器1；所述阵列馈电分系统2接收目标信号模拟器1输出的目标回波信号，通过精位控制通道7和粗位控制通道8后，把目标回波信号通过微波辐射天线14或者毫米波辐射天线13辐射给三轴转台5上的被试导引头；微波辐射天线14和六自由度调整装置12安装在阵列球面阵6上，同理毫米波辐射天线13、8mm上变频器9、8mm变频本振馈电单元10和六自由度调整装置12安装在阵列球面阵6上，阵列球面阵6是以三轴转台的回转中心为圆心，天线空馈辐射距离为半径建立的球面结构体，用于安装微波辐射天线14与毫米波辐射天线13。所述计算机控制分系统3的数据传输端与目标信号模拟器1、阵列馈电分系统2、三轴转台分系统5、被试导引头设备的数据传输端相连。

实现过程具体为：

在射频仿真系统测试时，被试导引头设备架设于三轴转台上，由转台实现载导引头运动平台特性的模拟，被试导引头接收射频仿真测试系统辐射输出的目标信号、干扰信号、杂波信号和辐射源信号，并对上述信号进行处理，对被试导引头进行性能测试和试验。通过在射频仿真系统上输出试验战情所规定的目标、干扰及杂波信号，考核导引头在不同情况下对目标的截获、跟踪等动态性能以及闭环仿真等。在进行导引头仿真试验时目标信号模拟器通过馈线接收被试导引头输出的LPTx信号或者通过阵列馈电分系统的接收天线接收被试导引头辐射输出的信号，以该射频信号为基础，在其上叠加各种时间延迟、信号幅度变化、多普勒频率调制、杂波调制和干扰形成等，实现雷达目标回波信号、干扰信号和杂波信号等的模拟，调制信号的模式将按照雷达与目标之间的相对运动关系以及相对角度关系，计算目标的模型，实现目标信号的调制模拟。如果是模拟辐射源信号，目标信号模拟器将直接产生辐射信号的信号形式。射频信号源所输出的各种模拟信号通过阵列馈电分系统以当时实际的角度，向被试雷达辐射。阵列馈电分系统按照三元组合成信号连续角度辐射方式以及离散信号辐射方式向被试导引头设备输出目标、干扰及杂波信号。针对主动/被动探测点目标体制雷达试验时，阵列馈电分系统以三元组形式进行角度馈电控制，通过控制三元组三个辐射单元的幅度和相位，以精确的角度向被试雷达辐射信号。

基于微波与毫米波复合的射频仿真系统不是简单把微波射频仿真系统和毫米波射频仿真系统叠加在一起。需要从以下几个方面详细说明。

1)微波和毫米波辐射单元的单元间距。

首先，为了保证目标阵列三元组所辐射的模拟目标信号其角度位置具有唯一性(避免多值)，要求阵列单元之间的间距(通常以两相邻单元对于被试雷达的张角Ψ表示)应当满足以下的必要条件：

d₁ψ≤K'λ

式中：

ψ为目标阵列的单元间距(弧度)；

d1为被试天线的口面直径(米)；

λ为工作波长(米)；

K’为常数。

如果取K’＝1，则所得到的ψ值为三元组目标信号单值的必要条件,根据雷达的技术参数，d1<0.4m。可得到频率34GHz-37GHz时单元间距的必要条件为：

ψ≤22mrad

当频率2GHz-18GHz时单元间距的必要条件为：

ψ≤41.6mrad

所以微波阵列的单元间距取40mrad，毫米波阵列的单元间距取20mrad能覆盖单元间距要求。这样微波辐射天线和毫米波辐射天线方便在面阵上布局。

2)毫米波天线和微波天线的口径大小适合微波和毫米波复合安装在阵列结构支架上。

微波辐射天线为四脊圆锥喇叭天线，天线口径140mm。毫米波辐射天线为圆锥喇叭天线，天线口径60mm。

毫米波天线和微波天线在阵列球面阵上的安装结构，如图2所示：阵列球面阵6包括：阵列球面网架，阵列球面网架由微波辐射天线安装节点61、节点间连接杆件62组成、网架三角单元冷轧钢板63，网架三角单元冷轧钢板用于安装毫米波辐射天线，以及各类混合布置的天线安装构件。每三个微波辐射天线安装在阵列球面网架上组成一个等边三角形，即三元组天线，微波阵列有很多个这种等边三角形组成。每三个毫米波辐射天线安装在阵列三角单元冷轧钢板上组成一个等边三角形，即三元组天线，毫米波阵列有很多个这种等边三角形组成。图中标注s1为微波辐射天线单元间距，设置为40mrad，s2为毫米波辐射天线单元间距，设置为20mrad。

3)采用后置上变频的方式实现毫米波射频仿真

在毫米波射频仿真应用时，两个通道的微波粗位控制系统后，通过两路合成器合为一路馈入毫米波上变频组件，上变频到毫米波频段，通过毫米波辐射天线辐射出去。毫米波射频仿真采用后置上变频的方式可以使微波粗位控制的末级电缆长度适当加长(毫米波信号传输时电缆损耗较大，不满足天线输入端功率要求)，这样毫米波阵列可以在视场角方面做到国内最大。所以本系统是国内最大视场角的基于微波和毫米波复合的射频仿真系统。

对于基于微波与毫米波复合的高精度射频仿真系统试验室，试验距离为15米，屏蔽体体积：24m(长)×31m(宽)×22m(高)。微波天线面阵安装角度是50°×40°(2～18GHz)，另外通过面阵中心点垂直方向各有一条线阵(俯仰70°，单列)，水平方向布置九条线阵(九条线阵隔排布置，其中通过阵列中心的一条线阵范围为方位120°，其余为100°，每条线阵均为单列)。毫米波天线面阵安装角度范围为30°×15°(34～37GHz)。射频仿真系统微波和毫米波目标角位置精度测试数据如下表1所示。达到航天科技12所的雷达或导引头实验目标角位置精度要求。

表1

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出：对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (8)

1.一种基于微波与毫米波复合的高精度射频仿真系统，包括：目标信号模拟器、计算机控制分系统、微波暗室、三轴转台分系统，其特征在于：还包括：阵列馈电分系统，所述目标信号模拟器用于目标回波信号的产生和调制，目标信号模拟器的信号输出端与阵列馈电分系统的精位控制通道的输入端相连；阵列馈电分系统实现目标回波信号的角位置模拟，接收并处理目标信号模拟器输出的目标回波信号后，通过三元组天线空馈辐射给微波暗室内导引头设备；计算机控制分系统通过光纤或者网线实现对目标信号模拟器、阵列馈电分系统、三轴转台分系统、导引头设备的指令控制；导引头设备架设在三轴转台上，三轴转台分系统模拟导弹运动姿态。

2.根据权利要求1所述的一种基于微波与毫米波复合的高精度射频仿真系统，其特征在于：所述目标信号模拟器至少包括1个独立的主、被动复合微波目标模拟通道和1个独立的主、被动复合毫米波目标模拟通道，用于微波或者毫米波目标回波信号或者干扰信号的产生和调制。

3.根据权利要求1所述的一种基于微波与毫米波复合的高精度射频仿真系统，其特征在于：所述阵列馈电分系统包括：精位控制通道、粗位控制通道，所述精位控制通道输出端分别与粗位控制通道，一部分粗位控制通道输出端依次与六自由度调整装置、微波辐射天线相连接，另一部分粗位控制通道输出端依次与六自由度调整装置、8mm上变频器、毫米波辐射天线相连接；所述微波辐射天线、毫米波辐射天线均设置在阵列球面阵上；所述8mm上变频器、六自由度调整装置和毫米波辐射天线构成毫米波辐射系统，六自由度调整装置和微波辐射天线构成微波辐射系统；所述阵列馈电分系统还包括8mm变频本振馈电单元，用于为各8mm上变频器提供本振信号；所述每三个微波辐射天线，微波辐射天线分别在阵列球面阵上呈等边三角形排列，分别组成三元组天线；所述阵列馈电分系统还包括：阵列控制计算机，用于对阵列馈电分系统的控制和对外接口联系。

4.根据权利要求1所述的一种基于微波与毫米波复合的高精度射频仿真系统，其特征在于：所述精位控制通道包括：功率合成器、程控移相器、程控衰减器、线性功率放大器，所述功率合成器、程控移相器、程控衰减器、线性功率放大器依次连接；精位控制通道将输入的目标信号功分为A、B、C三支路，信号在A、B、C三支路中分别进行幅相控制，从而控制目标辐射信号在三元组中的角位置；精位控制通道是微波和毫米波复用，通过开关选择输出。

5.根据权利要求1所述的一种基于微波与毫米波复合的高精度射频仿真系统，其特征在于：所述粗位控制通道包括：A、B、C三支路粗位控制开关矩阵，所述控制开关矩阵的每个输出端口均与辐射天线相连，用于选通各三元组；粗位控制通道的输入端与精位控制通道的输出端的相连；粗位控制通道具有独立的微波和毫米波通道，输出分别于微波辐射辐射系统和毫米波辐射系统的输入端相连。

6.根据权利要求1所述的一种基于微波与毫米波复合的高精度射频仿真系统，其特征在于：阵列球面阵是以三轴转台的回转中心为圆心，天线空馈辐射距离为半径建立的球面结构体。

7.根据权利要求3所述的一种基于微波与毫米波复合的高精度射频仿真系统，其特征在于：所述微波阵列的单元间距取40mrad，毫米波阵列的单元间距取20mrad。

8.根据权利要求3所述的一种基于微波与毫米波复合的高精度射频仿真系统，其特征在于：所述微波辐射天线为四脊圆锥喇叭天线，天线口径140mm，所述毫米波辐射天线为圆锥喇叭天线，天线口径60mm。