張志華,陳 輝,秦順友,宋迎東

(中國電子科技集團公司第五十四研究所,河北石家莊050081)

0 引言

天線相位中心定義為天線輻射電磁波的輻射源中心(即等效源點),或描述為天線遠區(qū)輻射場的等相位面與通過天線的平面相交曲線的曲率中心。相位中心不僅是天線的重要電參數(shù)之一,而且其應用亦很廣泛。例如在導航定位系統(tǒng)中,觀測值都是以接收機天線相位中心位置為準的,相位中心的測定誤差直接影響系統(tǒng)測距精度;又如在反射面天線系統(tǒng)中,要精確測量饋源喇叭相位中心的位置,保證天線饋源相位中心安裝在反射面天線的焦點上,避免散焦引起的增益損失。因此可見,研究天線相位中心的確定方法,不僅具有重要的學術價值,而且具有重要的工程應用價值。

1 饋源喇叭相位中心測量方法

1.1 相位方向圖的測量原理

天線相位中心定義為天線輻射電磁波等效的輻射中心,通過測量天線相位方向圖就可以確定天線相位中心的位置,矢量網(wǎng)絡分析儀測量相位方向圖的原理方框圖如圖1所示。

圖1 饋源喇叭相位方向圖測

天線相位方向圖測量就是測量待測喇叭遠場區(qū)球面上的相位。相位是一個相對量,不論在什么情況下,都是將待測信號與基準信號比較得相對相位值。圖1所示,為方便調(diào)試應將待測喇叭安裝在具有垂直水平可調(diào)的天線測試轉(zhuǎn)臺裝置上,使天線幾何中心與轉(zhuǎn)臺旋轉(zhuǎn)中心最大限度地重合,并且使發(fā)射天線與待測喇叭等高,軸向?qū)?測試距離滿足遠場測試距離條件,即 R≥2D2/λ(D為待測喇叭口徑,λ為工作波長)。相位方向圖測量的原理方法是：按照圖1所示,建立測試系統(tǒng),首先將待測喇叭和發(fā)射天線對準,調(diào)整矢量網(wǎng)絡分析儀為相位測試模式,對系統(tǒng)進行直通定標;然后在天線主波束范圍內(nèi)轉(zhuǎn)動待測喇叭,矢量網(wǎng)絡分析儀實時測量天線的相位方向圖。

1.2 相位中心的確定方法

利用實測的天線相位方向圖,如何確定相位中心的位置呢?如果在測量角度范圍內(nèi),測量的相位方向圖近似為一條直線,即測量角度范圍內(nèi),測量的相位相等,那么在旋轉(zhuǎn)過程中天線相位中心的位置是恒定不變的,即在主波束內(nèi)相位是一常數(shù),此時天線相位中心與轉(zhuǎn)臺旋轉(zhuǎn)中心完全重合。測量出待測喇叭口面至轉(zhuǎn)臺旋轉(zhuǎn)中心的距離,就可確定待測喇叭相位中心的位置。如果在天線主波束范圍內(nèi),測量的相位方向圖特性不是等相位,則存在8種偏離相位中心的情況,如圖2所示。

圖2 相位中心坐標

在圖2中,O點表示天線相位中心與轉(zhuǎn)臺中心重合,y軸為待測喇叭與發(fā)射天線軸線方向,稱為縱向方向;x軸為垂直于待測喇叭與發(fā)射天線的軸線,稱為橫向方向。2點和3點表示相位中心位于y軸上,4點和5點表示待測喇叭相位中心位于x軸上,6點和8點表天線相位中心在第1和第2象限,7點和9點表示天線相位中心在第3和第4象限。如果測量的相位方向圖如圖3所示,說明饋源喇叭相位中心與轉(zhuǎn)臺旋轉(zhuǎn)中心存在縱向偏移,即在y軸上存在偏移。圖3中的曲線2是從待測喇叭向發(fā)射天線方向看去,天線相位中心超前于轉(zhuǎn)臺的旋轉(zhuǎn)中心所繪出的理想曲線,當出現(xiàn)這種情況時,為正確快速地找到相位中心,只需將待測喇叭往后移少許的距離,然后用矢量網(wǎng)絡分析儀測試移動后的相位方向圖,如若所測相位方向圖看上去趨于一條直線,則說明天線相位中心與轉(zhuǎn)臺旋轉(zhuǎn)中心已經(jīng)重合;若所測相位方向圖仍與圖3中曲線2的形狀相似,則說明需繼續(xù)向后移一定的距離,直到所測相位方向圖趨于一條直線為止。如若進一步移動后,所測相位方向圖與圖3中曲線3相似,則說明移動的距離太多了,天線相位中心已滯后與轉(zhuǎn)臺的旋轉(zhuǎn)中心了,這時需進一步地向前微調(diào)待測喇叭,直到所測相位方向圖整體趨于一條直線。也就是找到了待測饋源喇叭的相位中心位置。其余幾種偏離情況的調(diào)整方法同上,圖4是饋源喇叭相位中心與轉(zhuǎn)臺旋轉(zhuǎn)中心存在橫向偏移的情況;圖5是饋源相位中心位于圖2中第1、第2象限的情況;如圖6所示,饋源相位中心位于圖2中第3、第4象限的情況。據(jù)圖判斷出饋源天線偏離轉(zhuǎn)臺旋轉(zhuǎn)中心的那一方后,只需反復地朝著反方向調(diào)整,直到測量的相位方向圖為等相位線,此時相位中心與轉(zhuǎn)臺中心重合。

圖3 饋源喇叭相位中心縱向偏離轉(zhuǎn)臺中心

圖4 饋源喇叭相位中心橫向偏離轉(zhuǎn)臺中心

圖5 饋源喇叭相位中心位于第1、2象限

圖6 饋源喇叭相位中心位于第3、4象限

由以上分析可知：通過測試的方法確定天線相位中心是一項復雜的工作,且工作量很大。下面簡述用實測相位方向圖快速確定相位中心的簡單方法。

1.3 由實測相位方向圖確定相位中心

如圖7所示,是天線相位中心偏離轉(zhuǎn)臺旋轉(zhuǎn)中心的一個通用解析圖,在 ΔAOO′中,利用余弦定理可得：

在ΔAOC中,利用余弦定理可得：

在ΔAOB中,利用余弦定理可得：

圖7 天線相位中心的確定

式中 ：r1=r+λ ψ1/2π,r2=r+λ ψ2/2π;

R—發(fā)射天線到轉(zhuǎn)臺旋轉(zhuǎn)中心的距離;

θ—相位中心偏移a與軸線R的夾角;

r—發(fā)射天線到相位中心的距離;

a—相位中心與轉(zhuǎn)臺旋轉(zhuǎn)中心的距離;

θ0—待測饋源喇叭的轉(zhuǎn)動角度;

ψ1、ψ2—相位差 ;

λ—工作波長。

聯(lián)立方程組式(1)、式(2)、式(3)在MATLAB中可以求解出r、a和θ。由此可確定天線相位中心在坐標系中的調(diào)整量,依此移動饋源,從而實現(xiàn)快速調(diào)整天線相位中心與轉(zhuǎn)臺旋轉(zhuǎn)中心重合。

2 工程測量實例

以2個相同的C波段饋源喇叭作為測試設備,按照圖1所示的測試原理圖架設天線。圖8(a)所示,給出了測試頻率為4 GHz,轉(zhuǎn)動范圍±20°的相位方向圖。由測量的相位方向圖,利用式(1)、式(2)和式(3),在MATLAB中計算出待測喇叭移動位移量為x=0 mm;y=116.37 mm;然后直接將待測喇叭調(diào)整到此位置,測量待測喇叭相位方向圖如圖8(b)所示,顯然,在測試誤差允許的范圍內(nèi),相位曲線是等相位線,轉(zhuǎn)臺旋轉(zhuǎn)中心即為待測喇叭的相位中心。實踐證明：利用實測的相位方向圖計算的調(diào)整量是很精確的,由此可以快速地測定饋源的相位中心。

圖8 工程測量實例

3 測試誤差分析

天線的相位中心是通過測量天線相位方向圖而確定的,天線相位測量誤差將引起天線相位中心的測量誤差。引起相位測量的主要誤差源有：矢量網(wǎng)絡分析儀引起的相位測量誤差;系統(tǒng)失配引起的相位測量誤差;信號源不穩(wěn)定引起的相位測量誤差;電纜擺動引起的相位測量誤差;有限測量距離引起的相位測量誤差等。假設這些誤差是相互獨立的,則相位測量的均方根誤差估算如表1所示。

表1 相位測量的均方根誤差

則相位測量誤差引起的相位中心測量的誤差Δl為：

當測試頻率為4 GHz,相位測量誤差引起的相位中心測量誤差為±1.69 mm。

4 結束語

在高精度測量中,天線相位中心的確定是非常重要的。該文簡述了利用矢量網(wǎng)絡分析儀可測量饋源喇叭相位方向圖的方法,提出了利用實測的相位方向圖,快速計算出待測喇叭位置的調(diào)整量,從而快速確定相位中心的位置方法。實踐證明：該方法是切實可行的,在工程測試中值得推廣和應用。

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