共形阵列宽带波束形成设计与实现

共形阵列宽带波束形成设计与实现

贾振国;吴海洲

【摘要】针对大规模共形阵列波束形成问题,提出一种宽带信号数字波束形成方法,介绍了该方法的具体实现过程,该波束形成流程主要包括子阵内和子阵间波束形成2部分.由地平坐标系中目标位置推导出子阵视线坐标系目标来波方向后,对宽带数字波束形成方法进行理论推导:子阵内通过幅相加权、子阵间进行时延补偿和相位加权.通过软件仿真和原理样机试验,充分验证了该方法正确、可行.

【期刊名称】《无线电工程》

【年(卷),期】2017(047)009

【总页数】4页(P73-76)

【关键词】共形阵列;宽带信号;数字波束形成;幅相加权;时延补偿

【作者】贾振国;吴海洲

【作者单位】中国电子科技集团公司第五十四研究所,河北石家庄 050081;中国电子科技集团公司第五十四研究所,河北石家庄 050081

【正文语种】中文

【中图分类】TN821+.8

共形阵列天线具有宽角度扫描、可实现全空域覆盖[1]等优点，在现代通信系统中获得广泛应用[2]。波束形成技术作为相控阵系统的关键技术[3]，其形成方法及算法的设计尤为重要。

宽带大角度范围扫描共形阵列的波束形成[4]，若按传统窄带信号波束形成方式实

现[5]，带宽内频率偏差会导致波束形成指向的偏差，而信号瞬时带宽要受天线孔

径渡越时间的限制[6]。国内外已对宽带信号波束形成进行了大量的研究工作[7]，

主要集中在时延实现方法[8]及低副瓣算法[9]。信号时延补偿既可在时域实现[10]，也可在频域实现[11]。由于频率线性相位加权方法受到FFT点数的影响，时延精度受到很大限制，因此在时域采用数字延迟线和分数时延滤波器相结合的方法得到了更广泛的应用[12]。本文采用移相加时延补偿的方式实现宽带数字波束形成，对其实现过程及所需相位、时延补偿量给出完整理论推导过程，并通过软件仿真及样机试验对理论进行验证。

对于规模较大的共形阵列天线，将整个阵列划分为若干个子阵，小规模子阵受信号带宽和孔径渡越时间影响较小，可采用相位加权来补偿波程差，而子阵间需进行时延补偿。由于时延补偿占用硬件资源较大，相比于整个阵列使用时延补偿，可以减少硬件资源消耗。

采用子阵内相位加权、子阵间时延补偿进行宽带信号数字波束形成的流程如图1

所示。天线接收信号经过下变频、AD采样转化为数字信号，在数字域进行相位加权和时延补偿来抵消子阵内天线之间及子阵与子阵之间的波程差。

某大规模共形阵列由若干子阵组成，建立地平坐标系如图2所示，目标来波方向

为方位φ、俯仰θ，O′为任一子阵的几何中心。

假设子阵中心O′与坐标原点O连线的方位角为A，子阵相对于水平面倾角为E，

由地平坐标系O-xyz到子阵视线坐标系O′-x′y′z′的转换关系[13]为(不考虑坐标原

点的位移)：

将极坐标与直角坐标的转换关系代入式(1)可得：

因此，目标来波方向在子阵视线坐标系为：

式中，φ′和θ′分别表示目标来波方向在子阵视线坐标系中的方位角和俯仰角。

2.1 子阵内波束合成

子阵内的天线位置及其视线坐标系定义如图3所示，该子阵为等间距排列的8×8

方阵，已知单元间距，易得任一天线位置坐标。

假设t时刻坐标原点O′处接收到的信号为s(t)ej2πf0t，f0为信号s(t)的载波频率，fL为下变频的本振频率，则下变频后信号为s(t)ej2πf0te-j2πfLt=s(t)ej2π(f0-fL)t；若某单元位置为(xm,ym)，则该位置相对于原点的波程差为：

接收到的信号为：

下变频后为：

xm(t)=s(t+τm)ej2πf0(t+τm)e-j2πfLt= s(t+τm)ej2π(f0-fL)tej2πf0τm。

所有通道进行相位补偿，加权值为wm=e-j2πf0τm，补偿后信号变为：

可见，移相补偿后信号没有完全对齐，但由于子阵较小，孔径度越时间对其影响很小，可只做移相补偿后进行信号的叠加。子阵内波束合成后，相心在O′处。

2.2 子阵间波束合成

假设地平坐标系中任意2个子阵的相心分别位于和O2′。若进行子阵间的波束合成，所有子阵需要进行时延补偿。以坐标原点O为参考，若O点收到的信号为

s(t)ej2πf0t，则下变频后为s(t)ej2π(f0-fL)t，假设子阵中心坐标为(x1,y1,z1)，则

O与在来波方向的波程差为：

因此，收到信号为：

下变频后处信号为：

若直接进行时延补偿，延时τ1，则信号变为：

显然，由于各子阵的时延不同，处信号经过下变频和时延补偿后为s(t)ej2πf0te-

j2πfL(t-τ2)，由于τ1≠τ2，信号无法直接叠加。为使各子阵接收到的信号可以叠加，时延补偿前，需对式(10)做移相，相位加权值为e-j2πfLτ1，式(10)变为：

s(t+τ1)ej2πf0(t+τ1)e-j2πfLte-j2πfLτ1= s(t+τ1)ej2π(f0-fL)(t+τ1)。

对式(12)进行时延补偿：

同理，点处信号经过移相为：

再经过时延补偿为：

可见，式(13)和式(15)信号形式完全相同，可以进行信号的叠加合成。若下变频后信号为零中频，即f0=fL，则信号(t)和(t)的移相值为e-j2πf0τ1和e-j2πf0τ2，为以上推导过程的特例。

为了验证上述波束形成过程，在某原理样机上进行了试验验证，该样机为由若干子阵组成的共形阵列天线。在硬件实现过程中，子阵内相位加权通过复乘实现，子阵间时延补偿通过数字延迟线和分数延时滤波器实现，时延补偿采用基于对称结构的分数时延滤波器[14]，所有数字处理过程在FPGA[15]中实现[16-17]。

首先对波束指向方位-6.9°、俯仰13.6°(标校塔方向)的阵列天线波束形成方向图进行软件仿真，仿真归一化结果如图4所示，其中图4(a)为方位面方向图，图4(b)

为俯仰面方向图。阵列实测方向图如图5和图6所示。

在样机试验中，共形阵列在标校塔的方向形成接收波束，接收标校塔上信标发射的信号。然后接收波束在方位面和俯仰面进行扫描，利用频谱仪记录测试结果，图5为方位面方向图，图6为俯仰面方向图。

对比图4、图5和图6可知，样机测试与仿真结果基本一致，测试结果和仿真结

果的主旁瓣比、主栅瓣比差异很小(差异来源于天线及组件的一致性、电磁波的地

面反射、建筑物的折射等)。综上所述，通过软件仿真和样机试验充分验证了该宽

带信号数字波束形成方法正确可行。

本文以共形阵列天线的宽带信号数字波束形成过程为研究目标，以子阵内相位加权、子阵间时延补偿为研究思路，通过理论分析表明子阵间进行信号叠加时，不仅仅需要做时延补偿，同时也需要子阵间的相位补偿。需要注意的是，与子阵内相位加权值和接收信号载波频率有关不同，子阵间的相位补偿值与下变频本振频率有关。最后通过软件仿真及样机试验验证该实现方法，其过程对平面阵和共形阵的宽带信号