王　海，韓國棟，張領(lǐng)飛，武　偉

(中國電子科技集團公司第五十四研究所，河北 石家莊 050081)

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一種相控陣天線小面陣波束評估方法

王海，韓國棟，張領(lǐng)飛，武偉

(中國電子科技集團公司第五十四研究所，河北 石家莊 050081)

摘要：大規(guī)模相控陣天線的綜合問題是相控陣天線領(lǐng)域的技術(shù)難點，引入了一種實物測試與理論推導(dǎo)相結(jié)合的評估方法，通過分析小型陣列的方向圖特性以評估大型陣列輻射性能。選取合適的小面陣規(guī)模，對陣中單元的方向圖指標(biāo)進(jìn)行分析，通過仿真和測試的方法得到小型陣列的方向圖特性，并借此通過理論推導(dǎo)的方法對大型陣列的輻射模式進(jìn)行分析，快速便捷地得出其輻射特性。提出了小面陣試驗應(yīng)具備的硬件條件及測試方法，通過實物樣機進(jìn)行了測試驗證。

關(guān)鍵詞：相控陣天線；方向圖；小面陣試驗

0引言

在通信、雷達(dá)等系統(tǒng)，相控陣天線性能受天線單元性能的影響較大，單元的波束性能嚴(yán)重影響陣面的掃描特性。為評估陣面的波束性能，國內(nèi)外學(xué)者研究了多種方法[1]。一般分為以下幾種方式：① 全波仿真法[2]，這非常依賴于計算機的性能。② 實物測試，有利于對實際的陣面性能全面了解，但這成本太高，一旦設(shè)計出現(xiàn)偏差，將會帶來大的損失[3]。③ 小樣機測試法，將一定規(guī)模的小面陣和饋電網(wǎng)絡(luò)、有源器件加工測試，可大幅降低前面所述對大型陣面加工的難度，但仍會增加對有源器件和模塊的依賴，制作復(fù)雜，成本較高[4]。

為避免上述技術(shù)中的不足，本文提出一種只制作無源小面陣，即只有天線單元，不需要饋電網(wǎng)絡(luò)、有源射頻器件等設(shè)備，通過單元測試與理論推導(dǎo)相結(jié)合的方式即可快速準(zhǔn)確地得出大型陣列波束性能的方法[5]，該方法具有成本低，高效率，不受元器件限制等優(yōu)點，具有很高的工程應(yīng)用價值[6]。

1小面陣波束評估步驟

利用一種單元形式和單元排布、間距與大型陣面相同的小面陣，測試小面陣中每個單元的波瓣形狀，利用陣因子原理對測試所得的單元波瓣進(jìn)行合成，通過評估小面陣的波束性能推算大型陣面的波束性能[7-8]。該方法在顯著減少測試復(fù)雜度的同時，提高了相控陣天線整機驗證的速度，在小樣本情況下可獲得很好的波束測評效果。

1.1硬件平臺建設(shè)

首先將小面陣設(shè)計好，并加工完成，在沒有整個陣面饋電網(wǎng)絡(luò)的情況，利用天線的遠(yuǎn)場測試條件，逐一測試陣面中每一個單元的波瓣圖[9]，測試框圖如圖1所示，其中，發(fā)射喇叭連接信號源的輸出端，作為信號激勵，待測天線架設(shè)在轉(zhuǎn)臺上，對信號進(jìn)行接收，并通過計算機控制轉(zhuǎn)臺轉(zhuǎn)動，以測試方向圖，接收的信號連接至頻譜儀[10]，測試范圍可以按照設(shè)計的要求自由選定，可根據(jù)測試范圍，對單元的相位進(jìn)行補償[11]，如圖2 。

圖1　測試框圖

圖2　單元波瓣相位補償

在測試過程中，其余單元接負(fù)載，待測單元將接收的信號經(jīng)過放大器后收到矢網(wǎng)中，并通過計算機將測試結(jié)果保存下來，里面含有波瓣的角度、幅度和相位信息。

假定，第(n,m)個單元在測試角度(Φ1,Φ2)內(nèi)的電場信號為：

Enm=AnmejΦnm，

1.2波束評估方法

在采集天線單元波瓣特性的過程中，需要借助天線轉(zhuǎn)臺的幫助方可將大部分空間中的波瓣幅相特性采集到，由于每一個單元相對于轉(zhuǎn)臺轉(zhuǎn)軸軸線的相對位置不同，如圖2所示，因此在采集的相位特性的基礎(chǔ)上還需要彌補其帶來的相位差。在陣列中心的單元距離饋源的位置始終保持不變，為L，而其余的單元則會隨著轉(zhuǎn)臺的轉(zhuǎn)動角度的變化，距離饋源的位置發(fā)生一定的偏移，這個偏移對于符合遠(yuǎn)場條件的幅度信息影響不大，但是對于單元的相位會產(chǎn)生較大的影響[12]。

分為2種情況討論，即根據(jù)在陣面轉(zhuǎn)動到不同區(qū)域的相位關(guān)系不同，既定轉(zhuǎn)動區(qū)域分為I區(qū)和II區(qū)。

在I區(qū)，假定觀察第(i,j)個單元，當(dāng)小面陣正對饋源時，其到饋源的距離為S，當(dāng)陣列轉(zhuǎn)到一定角度θ″時，其對應(yīng)的距離應(yīng)該為：

此時該單元與中心單元的相位差可以表示為：

在Ⅱ區(qū)，由于陣面轉(zhuǎn)動角度的關(guān)系，單元對應(yīng)的距離為：

該單元與中心單元的相位差同樣可以表示為：

故相對于中心單元，第(n,m)個單元的電場表達(dá)式即為：

Enm=A00ej(Φ00-ΔΦnm)，

式中，A00為中心單元的幅度向量，Φ00為中心單元的相位向量。

通過以上方法對整個小面陣中所有的單元進(jìn)行方向圖測試，并按照上述進(jìn)行補償。此時小面陣的波束合成方向圖即可表示為：

如果要觀察小面陣波束合成以后的掃描性能，只要在上述表達(dá)式中加入一定的相位關(guān)系即可。

上述過程即得出了小面陣的波束性能，觀察該波束即可評估出最終陣面的波束性能，只要觀察波束掃描以后的性能下降情況，以及是否會出現(xiàn)掃描盲點等。

2試驗驗證

為了充分評估天線單元以及天線陣列的特性，考慮在無源饋電時，各個分系統(tǒng)的性能，對整體陣面進(jìn)行初步的性能評估，擬采用小面陣實驗的方法進(jìn)行綜合驗證。

2.1樣機加工

采用的陣面規(guī)模為4×16的一維相掃波導(dǎo)陣列，如圖3所示。該波導(dǎo)陣面為所要設(shè)計的相控陣陣面的1/6，原陣面總規(guī)模為12×32的單元排布。在該試驗件中，天線單元每行按照傾斜排列，并帶有饋電網(wǎng)絡(luò)，接口關(guān)系均為非標(biāo)雙通道扁波導(dǎo)形式。

圖3　小面陣4×16試驗件

2.2波束測試

按照上節(jié)的方法進(jìn)行單元波束性能測試，在測試中，首先選取待測陣中單元，將不測試單元的后端連接負(fù)載。測試環(huán)境為暗室，信號由發(fā)射喇叭發(fā)射待測極化的信號，并設(shè)置頻率，由待測單元接收信號，測試實物圖如圖 4所示。

圖 4　測試實物圖

2.3結(jié)果對比

由于天線轉(zhuǎn)臺為方位面轉(zhuǎn)動，將天線陣面豎起，此時單元垂直極化的電場分量平行地面，而發(fā)射喇叭的擺放同樣滿足電場分量平行于地面，測試的是垂直極化的主極化分量。從測試結(jié)果看，天線單元的波瓣方向圖與仿真值吻合得較好，波束指向的偏移也在預(yù)期的范圍之內(nèi)，即小于10°，在不同頻點的波束圖如圖 5所示。

圖5　單元的方向圖

根據(jù)前面測試的單元方向圖，以陣中單元為單元因子，帶入到陣列的合成中，得出了陣面合成以后的方向圖?？紤]到陣列合成后性能，現(xiàn)將天線單元的方向圖進(jìn)行提取，并將其帶入到陣面中，分析天線陣面的波束性能，整陣波束如圖6和圖7所示。

圖 6　陣列法向歸一化方向圖

圖7　陣列掃描后歸一化方向圖(掃描20°)

從測試結(jié)果與理論結(jié)合的仿真結(jié)果看，與仿真的結(jié)果吻合度較高，說明了研究方法的可信性，為后續(xù)類似的研究提供了有效的手段。

3結(jié)束語

為獲取大型相控陣天線的輻射特性通常需要在大型測試場，并輔以大量的設(shè)備以及電磁兼容性較好的外部條件，這對于成本開銷具有較高的要求。為了降低其測試成本，并獲得較高的數(shù)據(jù)參考性，本文提出了一種利用小面陣的天線特性獲得大型陣面輻射特性的方法，并就其中細(xì)節(jié)進(jìn)行了探討，最后給出了其所需的技術(shù)條件和要求，對于實際工程應(yīng)用具有較高的參考價值。

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An Evaluation Method of Small-scale Array Beam of Phased Array Antenna

WANG Hai,HAN Guo-dong,ZHANG Ling-fei,WU Wei

(The 54th Research Institute of CETC,Shijiazhuang Hebei 050081,China)

Abstract：The synthesis of large scale phased array antenna is a difficulty in phased array antenna field.An evaluation method of combining physical test with theoretical derivation is introduced to evaluate the radiation performance of large-scale array by analyzing the pattern characteristics of small-scale arrays.This paper selects the suitable small-scale array,analyzes the pattern specifications of array elements,and obtains the pattern characteristics of small-scale array by using simulation and test method.The radiation mode of large-scale array is analyzed by using theoretical derivation method to obtain hardily its radiation characteristics.The hardware requirement and test solution for small-scale array test are proposed.The test verification is performed with prototype.

Key words：phased array antenna;pattern;small-scale array test

中圖分類號：TN82

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

文章編號：1003-3114(2016)03-66-4

作者簡介：王海(1975—)，男，高級工程師，主要研究方向：微波暗室與天線測量。韓國棟(1980—)，男，博士后，高級工程師，主要研究方向：天線及電磁場。

收稿日期：2016-02-25

doi:10.3969/j.issn.1003-3114.2016.03.18

引用格式：王海，韓國棟，張領(lǐng)飛，等.一種相控陣天線小面陣波束評估方法[J].無線電通信技術(shù),2016,42(3):66-69.