CN112947119B - 一种射频半实物仿真数字化阵列实施系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及射频天线阵列技术领域，公开了一种射频半实物仿真数字化阵列实施系统及方法，该方法采用的实施系统，包括：信号模拟单元、信号调理单元、天线阵列辐射单元，所述信号模拟单元由工作站、基带产生模块、上变频模块组成，所述信号调理单元由功率放大器、极化控制开关组成，所述天线阵列辐射单元由多个喇叭天线组成，所述接口包括：单元之间接口、单元内部接口。本发明避免了大量微波器件的使用消耗，避免了建设复杂昂贵的馈电通道网络，有效的提高系统复杂信号环境构建能力，增强了系统使用的灵活性。有效的压缩建设成本，还可为面目标模拟提供一种新的方法途径，亦可以推广应用于其他射频仿真系统中。

Description

一种射频半实物仿真数字化阵列实施系统及方法

技术领域

本发明涉及射频天线阵列技术领域，尤其涉及一种射频半实物仿真数字化阵列实施系统及方法。

背景技术

射频半实物仿真系统：把数学模型、物理效应模型与实际的系统联系在一起组成的仿真系统，用于开展仿真试验或进行相关研究。

天线阵列：主要由射频馈电通道、控制计算机和球面天线阵组成，工作时，射频通道在控制计算机控制下将射频信号按一定的幅度和相位馈送到天线阵列各个辐射单元，模拟雷达等目标在方位角和俯仰角的连续运动。

三元组：仿真系统所模拟的目标信号是以天线阵列上相邻的三个单元的合成信号来表示，此三个单元按等边三角形排列，构成一个子阵列，称之为三元组。

射频半实物仿真以其重复性好、样本量大、组织成本低等优势，在电子信息装备仿真领域得到了广泛的运用。射频半实物仿真系统一般由仿真主控、信号模拟器、天线阵列等部分组成，其中，天线阵列主要用于完成目标运动特性模拟和生成复杂信号环境，是射频半实物仿真系统的核心组成部分，天线阵列主要由馈电通道和辐射单元阵面两大部分组成，馈电通道用于接收信号模拟器输出的射频脉冲信号，并对信号的幅度、相位进行调制，通过开关矩阵输送到位于阵面上指定的辐射单元。由于天线阵列馈电通道在同一时间只能对一个脉冲的幅度相位进行调制，因此只能在时间域上对脉冲信号进行排序采用依次输出的方法，通常一路馈电通道对应一个辐射源信号的模拟能力，若模拟多个辐射源，会导致在同一时刻出现多个不同辐射源信号重叠，只能保留其中一个脉冲而对其他脉冲采取丢失处理，进而影响信号模拟的完整性和逼真度。因此，馈电通道的数量规模决定了天线阵列能够模拟目标的数量和射频信号环境的复杂度。传统天线阵列馈电通道每一路通常包括接口单元、精控单元、粗控单元以及末端合成单元等部分，由大量的移相器、衰减器、功率放大器、电子开关矩阵等射频器件组成，如图1所示，单路馈电通道造价昂贵。若单纯通过增加馈电通道数量规模来提高天线阵列信号模拟能力存在两个方面的问题：第一，性价比低，一个中等规模的天线阵列单个馈电通道造价近几百万人民币，每增加一个目标模拟能力需建设一路新的馈电通道，而通常复杂信号环境的模拟需模拟几十个甚至上百个目标辐射源，显然简单增加馈电通道的数量效益太低，可行性差；第二，工程实现难度大，馈电通道由大量的射频器件组成，一路典型的馈电通道通常包括几百个射频器件，安装于数十个机柜中，然而，为了确保系统电性能指标，馈电通道必须安装于靠近天线阵列的位置，安装空间有限，难以满足大量馈电通道的安装需求，且如此多射频器件在有限空间集成，其电磁兼容性也很难得到保证。

为了提高射频半实物仿真天线阵列复杂信号环境模拟能力，本发明提出一种新的馈电通道设计方法，该方法突破传统馈电通道设计思想，采用全新的“信号模拟器+馈电通道”一体化设计理念，对馈电通道组成结构进行设计优化，在可控的建设成本下，实现了天线阵列多目标、高密度电磁环境模拟能力，相比现有馈电通道设计技术，技术性能得到显著提高。

目前，射频半实物仿真天线阵列馈电通道采用移相器、衰减器、功率放大器、电子开关矩阵等大量射频器件，将信号模拟器产生的单路信号传输至位于天线阵列上的辐射单元，可满足相对简单电磁信号环境的模拟需求，对于复杂电磁信号模拟尚无有效方法。与本发明相关的现有技术方案

通过三元组方式是目前射频半实物仿真天线阵列馈电通道通常采用的方法，该方法通过馈电通道将信号模拟器生成的信号传输到微波暗室内，馈电通道中需采用大量的移相器、衰减器、电子开关、放大器等微波器件，结构复杂、造价高昂，且由于是单链路通过开关网络的馈电方式，一个通道同时只能实现一个目标的模拟，无法完成高复杂度的信号环境构建。

发明内容

为克服现有技术的不足，本发明提供一种射频半实物仿真数字化阵列实施系统及方法。

为实现上述发明目的，本发明采用如下技术方案：

一种射频半实物仿真数字化阵列实施系统，包括：信号模拟单元、信号调理单元、天线阵列辐射单元，

所述信号模拟单元由工作站、基带产生模块、上变频模块组成，其中，工作站根据信号辐射位置需要解算幅度、相位等参数信息，并将参数通过PCIe总线传输给基带产生模块；基带产生模块根据接收到的信号参数产生基带信号，并对信号的幅度、相位进行调制；

所述信号调理单元由功率放大器、极化控制开关组成，其中，功率放大器用于对信号模拟单元输出的射频信号功率进行放大；极化控制开关可根据需要控制信号输出的极化形式；

所述天线阵列辐射单元由多个喇叭天线组成，喇叭天线安装于球面框架上，用于将射频信号辐射至微波暗室内；

所述接口包括：单元之间接口、单元内部接口、

所述单元之间接口，

(1)信号模拟单元与信号调理单元之间接口，采用标准SMA接口；

(2)信号调理单元与天线阵列辐射单元之间接口，采用标准SMA接口；

所述单元内部接口，

(1)信号模拟单元内部接口，工作站与基带产生模块之间采用标准CPCI接口，基带产生模块与上变频模块之间采用标准SMA接口；

信号解算模块与中频生成模块之间采用标准PCIe接口，中频生成模块与射频生成模块之间采用标准SMA接口；

(2)天线阵列馈电通道单元内部接口，天线阵列馈电通道单元中各功率放大器、电子开关等射频器件之间采用标准SMA接口。

一种射频半实物仿真数字化阵列实施方法，采用在天线阵列辐射单元处直接布设信号模拟器的方式，在数字域完成信号的幅度相位调制，实现在阵列上的目标模拟：其步骤如下：

(1)首先对各辐射单元的幅度E₀、相位Φ₀初值进行标校，得到幅相初值表；

(2)根据幅相初值表制作幅相修正表，具体方法为：统计各辐射单元幅度初值的最小值E_min，依次为基准计算其他各辐射单元的幅度修正值；以Φ_std为相位基准值计算各辐射单元的相位修正值。计算方法如下：

ΔE_ij＝E_ij0-E_jmin

ΔΦ_ij＝Φ_ij0-Φ_jstd

式中：

——ΔE_ij为第i个辐射单元第j个频点的幅度修正值；

——E_ij0为第i个辐射单元第j个频点的幅度初值；

——E_jmin为第j个频点各辐射单元幅度初值最小值；

——ΔΦ_ij为第i个辐射单元第j个频点的相位修正值；

——Φ_ij0为第i个辐射单元第j个频点的相位初值；

——Φ_jstd为第j个频点各辐射单元相位基准值；

根据上述计算，得到各辐射单元不同频率下的幅相修正值；

(3)根据目标在天线阵列上的模拟位置确定所在三元组，按照幅度重心原理计算三元组各辐射单元幅度控制值,计算如下：

E₂＝θ_e

其中，

为俯仰角，θ_e为方位角；

(4)将天线阵列目标位置模拟需调整的幅度根据天线编号整合到幅相修正表中，并将该表保存于信号模拟单元本地存储，由信号模拟单元基带产生模块根据幅相修正数据在数字域对信号进行调制。

(5)当一个三元组内同一时刻有多个目标信号模拟需求时，由信号模拟单元在时域上对信号进行叠加生成，并按照各信号的幅度相位调制需求进行调制，可在天线阵列一个三元组内同时实现多个目标信号的模拟，该方法可用于面目标的模拟。

由于采用如上所述的技术方案，本发明具有如下优越性：

本发明突破传统射频半实物仿真系统天线阵列馈电方式，改变信号的馈电方式，采用在天线阵列辐射单元处直接布设的信号模拟器，在数字域完成信号的幅度相位调制，进行射频仿真数字化阵列幅相校准及目标位置模拟，避免大量微波器件的使用消耗，有效提高系统的复杂信号环境构建能力，并增强了系统使用的灵活性。

本发明避免建设复杂昂贵的馈电通道网络，采用先进的数字化信号模拟技术，将信号模拟器直接布设于天线阵列辐射单元处，将信号模拟器生成的信号直接馈入天线阵列辐射单元，通过在数字基带对信号进行幅度、相位调制，完成目标角位置模拟。该方法通过优化系统结构，将大幅提高系统模拟复杂信号环境的能力，同时，由于缩短了信号模拟器到天线阵列辐射单元的信号传输距离，将对信号的信噪比有明显改善。本发明射频仿真数字化阵列所构建的系统，数字化程度高、性能先进、效费比高。

本发明的应用相比传统天线阵列馈电通道可以有效压缩建设成本，并可大幅提升天线阵列复杂环境构建能力，还可为面目标模拟提供一种新的方法途径；本发明亦可以推广应用于其他射频仿真系统中。

附图说明

图1传统天线阵列单路馈电通道组成框图；

图2射频半实物仿真数字化阵列系统结构组成示意图；

图3射频半实物仿真数字化阵列系统布局示意图。

具体实现方式

如图2、3所示，一种射频半实物仿真数字化阵列实施系统，包括：信号模拟单元、信号调理单元、天线阵列辐射单元，其中，信号模拟单元由基带处理模块和射频链路模块等部分组成，主要用于模拟生成多通道信号，并可在数字域对信号幅度、相位进行调制；信号调理单元由极化控制开关、放大器等部分组成，主要用于对信号功率进行放大并控制信号的极化；天线阵列辐射单元由多个喇叭天线组成，主要用于将信号模拟单元产生的信号辐射至微波暗室内。系统结构组成如图2所示。布局方面，相较于传统系统将信号模拟单元通过庞大的馈电网络传输至天线阵列辐射单元，本发明无需建设馈电网络，而直接将信号模拟单元的输出接至天线阵列辐射单元，在简化系统结构的同时，提高了系统的综合性能，布局图如图3所示。

(一)信号模拟单元

信号模拟单元主要由工作站、基带产生模块、上变频模块组成。其中，工作站根据信号辐射位置需要解算幅度、相位等参数信息，并将参数通过PCIe总线传输给基带产生模块；基带产生模块根据接收到的信号参数产生基带信号，并对信号的幅度、相位进行调制。

(二)信号调理单元

信号调理单元主要由功率放大器、极化控制开关组成。其中，功率放大器主要用于对信号模拟单元输出的射频信号功率进行放大；极化控制开关可根据需要控制信号输出的极化形式。

(三)天线阵列辐射单元

天线阵列辐射单元由多个喇叭天线组成，喇叭天线安装于球面框架上，主要用于将射频信号辐射至微波暗室内。

接口方案包括：

1.单元之间接口

(1)信号模拟单元与信号调理单元之间接口

采用标准SMA接口。

(2)信号调理单元与天线阵列辐射单元之间接口

采用标准SMA接口。

2单元内部接口

(1)信号模拟单元内部接口

工作站与基带产生模块之间采用标准CPCI接口，基带产生模块与上变频模块之间采用标准SMA接口

信号解算模块与中频生成模块之间采用标准PCIe接口，中频生成模块与射频生成模块之间采用标准SMA接口。

(2)天线阵列馈电通道单元内部接口

天线阵列馈电通道单元中各功率放大器、电子开关等射频器件之间采用标准SMA接口。

一种射频半实物仿真数字化阵列实施方法，在阵列上的目标模拟：具体实现按照下述步骤：

(1)首先对各辐射单元的幅度E₀、相位Φ₀初值进行标校，得到幅相初值表；

(2)根据幅相初值表制作幅相修正表，具体方法为：统计各辐射单元幅度初值的最小值E_min，依次为基准计算其他各辐射单元的幅度修正值；以Φ_std为相位基准值计算各辐射单元的相位修正值。计算方法如下：

ΔE_ij＝E_ij0-E_jmin

ΔΦ_ij＝Φ_ij0-Φ_jstd

式中：

——ΔE_ij为第i个辐射单元第j个频点的幅度修正值；

——E_ij0为第i个辐射单元第j个频点的幅度初值；

——E_jmin为第j个频点各辐射单元幅度初值最小值；

——ΔΦ_ij为第i个辐射单元第j个频点的相位修正值；

——Φ_ij0为第i个辐射单元第j个频点的相位初值；

——Φ_jstd为第j个频点各辐射单元相位基准值；

根据上述计算方法得到各辐射单元不同频率下的幅相修正表，如表1所示。

表1幅相修正表

(3)根据目标在天线阵列上的模拟位置确定所在三元组，按照幅度重心原理计算三元组各辐射单元幅度控制值，计算公式如下：

E₂＝θ_e

其中，

为俯仰角，θ_e为方位角。

(4)将天线阵列目标位置模拟需调整的幅度根据天线编号整合到幅相修正表中，并将该表保存于信号模拟单元本地存储，由信号模拟单元基带产生模块根据幅相修正数据在数字域对信号进行调制。

(5)当一个三元组内同一时刻有多个目标信号模拟需求时，由信号模拟单元在时域上对信号进行叠加生成，并按照各信号的幅度相位调制需求进行调制，可在天线阵列一个三元组内同时实现多个目标信号的模拟，该方法可用于面目标的模拟。

Claims (1)

1.一种射频半实物仿真数字化阵列实施方法，其特征是：采用的射频半实物仿真数字化阵列实施系统，包括：信号模拟单元、信号调理单元、天线阵列辐射单元，所述信号模拟单元由工作站、基带产生模块、上变频模块组成，其中，工作站根据信号辐射位置需要解算幅度、相位的参数信息，并将参数通过PCIe总线传输给基带产生模块；基带产生模块根据接收到的信号参数产生基带信号，并对信号的幅度、相位进行调制；

所述信号调理单元由功率放大器、极化控制开关组成，其中，功率放大器用于对信号模拟单元输出的射频信号功率进行放大；极化控制开关根据需要控制信号输出的极化形式；

所述天线阵列辐射单元由多个喇叭天线组成，喇叭天线安装于球面框架上，用于将射频信号辐射至微波暗室内；

接口包括：单元之间接口、单元内部接口、所述单元之间接口；

(1)信号模拟单元与信号调理单元之间接口，采用标准SMA接口；

(2)信号调理单元与天线阵列辐射单元之间接口，采用标准SMA接口；

采用的单元内部接口包括：

(1)信号模拟单元内部接口，工作站与基带产生模块之间采用标准CPCI接口，基带产生模块与上变频模块之间采用标准SMA接口；

信号解算模块与中频生成模块之间采用标准PCIe接口，中频生成模块与射频生成模块之间采用标准SMA接口；

(2)天线阵列馈电通道单元内部接口，天线阵列馈电通道单元中各功率放大器、电子开关的射频器件之间采用标准SMA接口；

具体实施方法，采用在天线阵列辐射单元处直接布设信号模拟器的方式，在数字域完成信号的幅度相位调制，实现在阵列上的目标模拟：其具体步骤如下：

(1)首先对各辐射单元的幅度E₀、相位Φ₀初值进行标校，得到幅相初值表；

(2)根据幅相初值表制作幅相修正表，具体方法为：统计各辐射单元幅度初值的最小值E_min，以此为基准计算其他各辐射单元的幅度修正值；以Φ_std为相位基准值计算各辐射单元的相位修正值；计算方法如下：

ΔE_ij＝E_ij0-E_jmin

ΔΦ_ij＝Φ_ij0-Φ_jstd

式中：

——ΔE_ij为第i个辐射单元第j个频点的幅度修正值；

——E_ij0为第i个辐射单元第j个频点的幅度初值；

——E_jmin为第j个频点各辐射单元幅度初值最小值；

——ΔΦ_ij为第i个辐射单元第j个频点的相位修正值；

——Φ_ij0为第i个辐射单元第j个频点的相位初值；

——Φ_jstd为第j个频点各辐射单元相位基准值；

根据上述计算，得到各辐射单元不同频率下的幅相修正值；

(3)根据目标在天线阵列上的模拟位置确定所在三元组，按照幅度重心原理计算三元组各辐射单元幅度控制值,计算如下：

E₂＝θ_e

其中，

为俯仰角，θ_e为方位角；

(4)将天线阵列目标位置模拟需调整的幅度根据天线编号整合到幅相修正表中，并将该表保存于信号模拟单元本地存储，由信号模拟单元基带产生模块根据幅相修正数据在数字域对信号进行调制；

(5)当一个三元组内同一时刻有多个目标信号模拟需求时，由信号模拟单元在时域上对信号进行叠加生成，并按照各信号的幅度相位调制需求进行调制，在天线阵列一个三元组内同时实现多个目标信号的模拟，该方法适用于面目标的模拟。

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