孙 军，高红友

（1.解放军91404部队，秦皇岛 066001；2.中国船舶重工集团公司第723研究所，扬州 225001）

0 引 言

射频仿真系统是雷达与电子对抗多功能试验系统的主要试验设备，为装备提供一个充斥着可知、可控电磁波的空间环境［13］。它具有条件可控、经济效益高、省时等优点，因而在国内外军事领域得到了越来越广泛的应用。射频仿真系统精度是以目标位置精度来表示的，而影响射频仿真系统目标精度的因素较多，包括信号通道中的移相器、衰减器、放大器、开关、近场效应误差等，而这些都与天线阵列馈电网络有关。天线阵列馈电网络作为射频仿真系统的重要组成部分，主要用于雷达目标、干扰和杂波等信号的辐射，实现雷达目标及背景信号的位置控制［4］。在实际应用中，馈电网络具有指标要求严苛、涉及器件繁多和结构复杂等特点［5］，这为设计带来了一定困难，同时也意味着设计思路灵活，即一个天线阵列馈电网络绝不拘泥于一种设计方案。基于此设计思想，本文依据某射频仿真系统指标要求对其馈电网络的方案进行探讨和分析，完成对其馈电网络的设计。

1 射频仿真系统

1.1 天线阵列

射频仿真系统中天线阵列通常采用三元组以及三元组和二元组结合的布局形式，通过六自由度夹具安装在大型金属球面圆盘的凹面上，球面的球心位于试验转台上被试设备的天线口面中心，保证球面上每个天线到球心的径向距离相等［67］。本文所探讨的天线阵列如图1所示，天线阵列结构形式为椭圆球面阵，曲率半径为30 m，天线单元共计211个，其中三元组天线单元构成的主天线阵列天线单元数为193个，单元间距为50 mrad，另外18个天线单元交叉分布在主天线阵列中间，与相近天线单元构成二元组形成水平密集阵，间距为25 mrad。

1.2 运行原理

通常射频仿真系统天线阵列采用三元组或二元组空间合成的工作方式，用于模拟产生雷达信号，并模拟各种信号平台相对被试设备的空间运动，即实现雷达信号在天线面阵上移动。雷达信号空间位置的控制主要分二部分：一是在三元组之间移动产生目标信号跳变，这种控制方式称为三元组粗位控制，简称粗控；二是通过控制一个三元组内的3个天线辐射信号的幅度，达到辐射信号中心在三元组内位置的移动，称为三元组精位控制，简称精控。因此空间信号位置的控制过程可分为精位控制和粗位控制［8］。粗控是通过阵列馈电网络内的开关矩阵来实现三元组之间的移动，过程是先将天线阵面上的A，B，C 3条支路所对应的天线单元按照一定的规范进行编号，再将所有的三元组所对应的编码存入控制计算机，在使用时选通某三元组控制相应的控制码，送给开关矩阵以选通三元组的A，B，C 3条支路，实现三元组之间的移动，达到目标粗控的目的。精控是通过球面阵上相邻3个天线构成的三元组，通过三元组辐射的信号模拟被试设备目标回波信号，辐射的信号对着球面阵的球心位置，合成的辐射信号中心与被试设备天线口面中心的连线可等效为设备与目标的视线路径，通过改变3个辐射信号相对的幅度和相位关系来实现目标信号在三元组内的位置在空间的移动［911］。

三元组模拟目标的位置精度是射频仿真系统精度的关键所在，而位置精度控制的具体硬件实现是通过馈电网络中粗控和精控来实现的，馈电网络设计的好坏也直接影响到各支路幅度、相位、噪声的一致性和稳定性，直接影响到射频仿真系统的精度。

在实际应用中，粗控和精控都是通过控制天线阵列馈电网络来实现，下节对馈电网络进行分析和设计。

2 馈电网络设计

馈电网络将射频源送来的信号进行放大、功率分配、幅相控制后，由开关矩阵送到相应的三元组或二元组天线上辐射出去，其馈电原理框图如图2所示。

2.1 精控

辐射位置的精控是利用幅相控制组合来实现的。幅相控制组合由放大器、衰减器、功分器、移相器和耦合器等微波有源和无源器件组成，如图3所示。

在馈电网络中需要实现6～18 GHz频段范围的精位控制，输入信号首先送给一分四功分器，功分器将每路信号分为4个支路，其中一个支路作为扩展使用，接匹配负载，其他3条支路分别连接3条馈电通道，即通道A、通道B、通道C，每条馈电通道包括移相器、程控衰减器、功率放大器和耦合器等器件，其中移相器和程控衰减器分别用于射频信号的相位和幅度调整，从而控制辐射中心在三元组或二元组内的精位调整，功率放大器是对支路中功率损耗的补偿和链路放大，耦合器输出2路，主信号送后端通道支路，1路作为监测。

2.2 粗控

在粗位控制中，开关矩阵设计是关键。本文研究的射频仿真天线阵列有336个三元组，由193个喇叭天线构成。其中A、B、C支路分别对应64、65和64个天线，剩余18个天线放入阵列中构成水平线阵，形成36个二元组，A、B、C各对应6个天线，因此A、B、C支路分别对应SP70T，SP71T，SP70T开关矩阵。在满足天线支路数量和减少开关种类的前提情况下，通常SP70T，SP71T和SP70T采用低支路开关组成的拓扑结构来实现，分层结构为2×6×6＝72，满足三支路的要求。采用SP2T和SP6T组成的三层开关矩阵来实现SP70T、SP71T，开关矩阵结构如图4所示。

系统要求开关矩阵隔离度大于60 dB，即各支路之间隔离度大于60 d B，这就要求最后一级开关隔离度必须大于60 d B，而开关矩阵是分层设计的，前两级开关可选用小隔离度开关，这样既改善了器件性能又降低了系统造价。

图2 通道馈电网络示意图

图3 精位控制组成原理图

2.3 分区

结合天线阵列组阵原理和喇叭天线布局，为便于系统调试、测试和故障定位、维修，对天线阵列进行分区，本文将天线阵列分为12个区，如图5所示。

图4 开关矩阵结构图

每个分区集中放置控制板和电源模块，简化了馈电的复杂度。

图5 天线阵列分区示意图

3 器件选择

根据上述的分区情况对器件进行布局，精位控制组合放于阵列下面利于操控，粗位控制各器件分布于天线阵列上。

按照系统的输入输出信号功率要求，微波馈电通道精位控制组合功率分配如图6所示。

图6中IL为插损，G为增益，N F为噪声系数，P－1为1 dB压缩点，所有器件频率范围为6～18 GHz。精位控制组合中移相器和程控衰减器为关键器件，容易受到外部环境影响。

本文选用的移相器相位精度为±10°，程控衰减器幅度步进最小可做到0.03 dB，动态范围为64 dB，参照文献［9］和［11］计算选用移相器和程控衰减器满足要求。为了进一步降低外部环境影响，保证系统性能指标，本文机箱选配恒温屏蔽机箱，并在机箱内壁粘贴吸波材料。

图6 精位控制功率分配图

在保证喇叭天线输入功率不小于10 dBm的要求下，对粗位控制组合各器件进行功率分配，如图7所示。

图7 粗位控制功率分配图

粗位控制馈电通道选用两级放大器，补偿通道的插损和信号的放大，放大器在通道的位置选择综合考虑了系统指标和预算，保证放大器输出信号要小于其P－1值，使其处于线性区，确保系统的线性度要求，与喇叭天线连接的SPDT选用机电开关，用于辐射信号的极化选择和降低损耗。考虑到射频电缆和器件的频率特性，在第一级放大器前端预留了一个均衡器的位置，最后根据实际联调情况确定具体均衡量。通过图7计算可知通道插损为44 dB，两级放大器的放大增益为52 dB，在输入信号功率为4 d Bm时，可输出信号功率为12 d Bm，大于10 dBm，满足指标要求。

4 结束语

本文设计的馈电网络满足了使用要求，但存在着不可避免的问题。由于馈电网络支路之间器件、电缆和走线方式的差异，使得每一支路的相移和插损各不相同，而当系统控制某一支路通道时，由于移相器和程控衰减器的器件特性在控制支路相位时会导致幅度变化，同样在控制幅度时相位也会变化，这种变化不是人为可预期的，必须加以修正和幅相标校。为尽可能降低幅相变化影响，通常射频电缆要现场配相，在做到每级电缆等长和降低器件使用量时，可将移相器换成IQ矢量调制器，同时对试验结果影响大的幅相组合做好优化设计。

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