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摘要：有源数字相控阵天线测试项目多、任务量大。要结合数字相控阵天线的不同组成部分，阐述数字相控阵天线的性能测试步骤与方法，运用数字相控阵天线性能测试原理，基于Web技术开发有源数字相控阵天线状态监测与性能测试评估平台，开展多波束相控阵天线在线监测与性能评估，实现便捷、高效的数字相控阵天线性能测试，满足相控阵天线测试要求。

关键词：数字相控阵天线；性能；测试

引言

数字相控阵天线是涉及多学科的军工产品，其研发设计、服役各阶段的技术性极强。考虑到数字相控阵天线可能受到环境、载荷等作用而产生性能波动，为此需实时监测数字相控阵天线的阵面状态，设计开发相控阵天线状态监测与性能测试平台，开展T/R组件互联状态性能测试、天线阵面状态监测与性能测试、多波束相控阵天线角跟踪性能测试等，从而为后续性能补偿提供依据和参考。

1 数字相控阵天线概

1.1 数字相控阵天线基本原理

数字相控阵天线包括天线阵、馈电网络、波束控制器，其工作原理主要是通过控制阵列天线中辐射单元的馈电相位，计算出各个移相器的相移量，控制馈电网络完成移相过程，补偿同一信号到达不同阵元而出现的时间差，使此时天线阵的输出同相叠加达到最大，从而来改变方向图形状。利用控制相位改变天线方向图最大值的指向，达到波束扫描和跟踪的目的。

1.2 数字相控阵天线设计

数字相控阵天线设计主要包括以下内容：（1）相控阵 天线辐射阵面设计。天线辐射阵面大多由不同辐射单元依照不同阵列进行分布，如椭圆阵列、三角阵列、矩形阵列等这些天线阵元数多且间距小；（2）相控阵 天线馈电网络设计。在确定接收天线馈电网络选型、印制板基材的前提下，进行接收馈电网络设计，通常采用不等功率的功率分配网络获取低副瓣相控阵天线，从而较好地保证较高精度的幅相分布。并可以采用聚四氟乙烯微带电路，设计天线子阵提取电路。最后，采用Gupta分析和综合法进行微带线的分析，通过大量计算、仿真、实验对微带线进行不连续性的补偿；（3）相控阵天线TR组件设计。TR组件是数字相控阵天线的关键核心，设计中要充分考虑集成电路数量、功率、接收噪声系数、幅相控制数度等因素，进行TR组件的芯片设计，结合功能需求内置高功率放大器、低噪声放大器、可调增益的放大器等；并基于个性化应用需求，可以设置预功放电路以满足高峰值功率要求。在未来TR组件的设计中，可以基于GaN、SiGe的设计工艺进行设计，达到所需的输出功率，并通过适应性的滤波处理满足要求。另外，设计过程中要减小相位和幅度，对整个天线阵列进行加权，确保天线的幅度和相位误差在可控范围以内；（4）相控阵天线波控器设计。天线波控器包括通信控制模块、计算模块、驱动模块，用于处理波束指向指令，对其进行辐射阵面幅度、相位计算和控制，获取天线阵面幅度、相位分布状态，通过适当转换生成所需的波束指向和波束形状。

另外，数字相控阵天线设计还应进行移相器量化误差分析，相邻两个波束指向之间的相位差为波束跃度，基于节约成本的角度考虑采用虚5位的虚位技术，并对其进行仿真计算，得出结果并加以显示。

1.3 数字相控阵天线电性能测试

数字相控阵天线（Digital Phased Array， DPA）是一种高度先进的天线系统，它通过电子方式控制天线波束的方向，无需机械转动。这种天线在 、通信和导航系统中有着广泛的应用，尤其是在军事和航空领域。电性能测试是确保数字相控阵天线能够按照预期工作的关键步骤。在进行数字相控阵天线的电性能测试时，需要考虑以下几个系统的交互和集成：

1.硬件平台：

射频前端：包括发射/接收模块、功率放大器、低噪声放大器等。

相位控制模块：负责调整每个天线元素的相位，以实现波束指向的控制。

信号处理模块：包括数字信号处理器（DSP）、模数/数模转换器（ADC/DAC）等。

电源管理：确保所有模块得到适当的电源供应。

2.软件平台：

控制软件：用于控制硬件平台，执行波束形成、指向和跟踪算法。

数据处理软件：分析从天线接收到的信号，执行必要的信号处理任务。

仿真软件：在测试之前，使用仿真软件来预测天线的性能，帮助优化设计。

3.人机交互界面：

显控软件：提供一个直观的界面，让操作人员可以轻松地监控和控制天线的状态。

用户输入：允许操作人员输入命令，如波束指向、频率调整等。

实时反馈：显示实时数据，如波束形状、接收信号强度指示（RSSI）、故障诊断信息等。

为了有效地测试数字相控阵天线的电性能，需要采取以下步骤：

设计测试计划：根据天线的预期用途和性能要求，制定详细的测试计划。

搭建测试环境：构建一个模拟实际操作环境的测试场景，包括干扰源、目标反射特性等。

硬件调试：确保所有硬件组件都正确安装并按照规格运行。

软件配置：加载和配置控制软件、数据处理软件和仿真软件，确保它们能够正确地与硬件平台交互。

基线测试：在已知条件下进行初始测试，以建立性能基线。

性能测试：进行全面的性能测试，包括但不限于波束宽度、方向性、增益、副瓣电平、动态范围等。

系统集成测试：验证硬件、软件和人机交互界面是否能够无缝协同工作。

数据分析：分析测试结果，与预期性能和设计目标进行比较。

故障排除和优化：根据测试结果进行必要的调整和优化，以确保天线系统达到最佳性能。

通过将信号转换为二进制数码，获取数字相控阵天线的波束扫描和波束赋形，利用计算机对天线的方位和仰角信息进行采集，准确反映出 天线方位和仰角位置。同时，还需在采码测试中获取组件相关参数，采码测试相关原理如下图所示。

2 数字相控阵天线状态监测与性能测试平台开发分析

平面阵有一定的行列间距，构建平面阵结构并生成相应的坐标系，在考虑阵列单元的镜像作用的前提下，计算阵列方向图。在单元天线方向图设计之中，因其是宽波束，可以根据相控阵天线水平面扫描、俯仰面波束赋形的要求，对水平面和俯仰面的方向图进行设计。考虑到数字相控阵工作频率较广、测试任务量多、流程复杂，为此需建立数字相控阵多任务状态监测与性能测试系统，进行硬件设计和软件设计。

2.1 平台基础架构

数字相控阵天线状态监测与性能测试平台采用Java分布式技术构建，主要包括远程方法调用技术和企业级技术，在Java生态环境中应用相对成熟的Spring生态框架进行开发，系统平台整体基础架构分为三个层级，即表示层、服务层、基础层。具体来说包括以下内容：表示层在平台的上端，是通过前端界面直接与用户进行交互，将获取的用户参数发送给服务端，计算后再将结果返回用户。服务层是该基础架构的核心，封装了软件的主要核心业务逻辑，部署于平台的服务器端能够对数据进行业务分发和计算，并与基础层的数据库和第三方软件进行数据交互。基础层主要包括数据库和第三方软件，部署于平台的服务器端，与用户隔绝，主要是为服务层提供数据读写、软件调用等功能。

2.2 各个子模块集成

2.2.1 平台底层数据库

平台运行中会产生各种用户信息数据、T/R组件数据、天线阵面数据等，该模块主要包括有：（1）用户信息数据库。用于存储软件平台的用户信息，如用户账号、密码、邮箱、账户状态等数据；（2）T/R组件数据库。主要是存储软件平台中T/R组件互联状态，对其相关性能进行监测和评估；（3）天线阵面数据库。利用天线阵面数据库中的应变传感器，实时采集软件平台中天线阵面相关数据，如编号、原始波长、实时波长、增益、波瓣宽度、零深等，对天线阵面状态进行在线监测和评估[1]。

2.2.2 公共数据管理模块

为规范各模块之间的数据交互，要对平台内的数据交互用公共数据管理模块进行统一封装。平台内该模块内的数据主要有底层软件路径参数、用户信息等，通过将平台公共数据进行抽取与封装，较好地屏蔽了用户与平台底层业务逻辑，实现对所有数据的统一规范处理，明显提升系统平台的安全性与可维护性。

2.2.3 模块间交互

在上述功能模块设计后，要对各个模块之间交互流程进行设计，定义各功能模块与公共基础模块的交互流程。具体流程为：用户端输入参数数据，平台公共数据管理模块统一处理用户传来的数据，再交由底层数据库进行存储；最后功能模块将所需的数据进行调取和计算，再将计算结果返回底层数据库，便于用户查看。该部分如图2所示。

2.3 软件系统开发

数字相控阵天线性能测试系统软件开发主要围绕采码、校准、方向图测试等步骤展开，依循windows程序设计标准，对天线所有组件完成采码测试。

考虑到各模块应用的实际需求，不同模块的应用软件及对应的开发语言主要有：T/R组件性能分析模块采用HFSS应用软件、Python二次开发脚本语言；天线阵面状态监测采用MATLAB应用软件、Matlab语言；前端项目开发采用WebStorm应用软件、Java Script语言；后端项目开发采用IntelliJ IDEA应用软件、Java开发语言。

3 数字相控阵天线性能测试案例应用

3.1 T/R组件互联状态性能测试

结合某型号T/R组件互联工艺，输入相应参数，计算其信号传输性能，筛选出相应的关键参数并对其进行优化。

具体来说，在互联性能评估过程中，系统可以进行互联性能计算，将结果显示到相关界面，用户可根据自身实际查看单频率互联性能和区间频率互联性能。在得悉当前参数对应的互联结构信号传输性能后，对关键参数进行筛选。在结构优化设计环节，由系统根据关键结构参数进行优化设计，完成参数设置，并将结构优化结果显示于界面。在互联质量评估阶段，由阵面状态在线监测与性能评估模块向用户提供互联质量评估功能，辅助用户进一步评估优化设计前后的互联状态[2]。

3.2 天线阵面状态监测与性能测试

对服役状态的数字相控阵天线，要对其阵面状态进行监测和评估，通过接收阵面上布设好的传感器数据，实现阵面状态的在线监测任务。

具体来说，在基础参数设置环节，要对相关基础参数进行合理设置，包括系统参数、天线阵面的物性参数、传感器解调仪通信参数、传感器基准点设置参数、天线电性能计算参数等；在传感器数据获取环节，要在输入参数之后，开启与传感器的远程通信，系统会自动跳转至传感器数据读取界面，并将读取数据显示到界面上，通过形貌重构计算实现对天线阵面的实时重构。在形貌重构计算环节，系统自动跳转至阵面状态监测界面，便于用户了解阵元分布位移情况；并根据阵元位移信息重构获取三维阵面状态图，直观展示天线阵面状态，得知当前天线的电性能信息。最后，系统可以提供历史数据查询功能，用户可以根据自己的需求进行自主查询，了解特定传感器的实时数据或某一时间节点的数据、全部传感器的数据，再将数据导出并存储。

3.3多波束相控阵天线角跟踪性能测试

多波束相控阵天线用于波束对目标的自跟踪，其波束指向精度是极其关键的指标。在阵列天线技术和数字信号处理技术的依托下，若干个辐射元阵列通过对阵列信号的加权处理，形成自适应波束、子阵级和差多波束等，生成所需的振幅和相位。并为获取高质量的波束，需要调整波束校准误差，包括天线安装误差、幅相误差、通道一致性校准误差、量化误差等，受囿于波束滑动、波束穿越的影响，要控制多通道辐射或接收信号的误差，把握其动态角跟踪性能的测试误差范围与数据精度，保证通道间幅相的一致性。

在多波束相控阵天线跟踪性能测试中，主要基于以下原理和方法：（1）单脉冲和差测角原理。主要是利用若干独立的接收支路同步接收目标信号的回波信号，通过阵元接收的数据加权形成和差波束，相控阵天线利用和差波束的幅相信息计算得知目标方位角、俯仰角，实现对目标的精准跟踪；（2）波束滑动角跟踪。考虑到跟踪目标可能处于低仰角、过顶、阵面切换等位置，难免会造成天线波束滑动角跟踪的误差。为此，需要对多波束相控阵天线的角跟踪性能进行测试；（3）波束穿越角跟踪。鉴于多波束相控阵天线追踪不同目标过程，可能会因目标信号进入接收波束的旁瓣或主瓣，而引发交叉穿越的干扰。为此，要对多波束天线角跟踪性能进行测试[3]。

另外，还要对信号频率变化对角跟踪性能的影响进行仿真分析，考虑信号频率变化会对角跟踪性能产生较大影响，为了实现信号补偿，将宽频带信号划分为若干个窄频带部分，使窄频带内系统频率具有一致性，再对其进行分段跟踪处理和仿真分析。如图3所示。

4 小结

综上所述，数字相控阵天线性能测试包括远场方向图测试和近场方向图测试，在优化测试环境、仪表设备、软件设计的前提下，搭建基于Web软件开发技术的相控阵天线状态监测及性能评估平台，采用一定方法和步骤对数字相控阵天线进行性能测试，如采码、校准、方向图测试等，根据不同要求和资源选择合理可行的测试项目和测试方法，获悉数字相控阵天线幅度相位数据，提高相控阵天线性能测试的准确度。

参考文献：

[1]张银，王强，夏喜龙.一种相控阵二次 波速指向修正方法[J] 与对抗，2021，41（03）：15-18

[2]代睿等.一种相控阵 阵面自动校准方法与研究[J]现代导航，2021，12（06）：459-461

作者简介：王媛，1988.12，女，汉，江苏扬州人，本科，中级工程师，目前从事雷达天线集成调试方面的工作。