劉小飛，郭先松，康永飛，孫 磊

(1. 南京電子技術(shù)研究所, 南京 210039； 2. 天線與微波技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 南京 210039)(3. 成都亞光微波電路與系統(tǒng)研究所， 成都 610051)

?

·天饋伺系統(tǒng)·

通用陣列天線性能測(cè)試平臺(tái)

劉小飛1，2，郭先松1，2，康永飛3，孫 磊1

(1. 南京電子技術(shù)研究所, 南京 210039； 2. 天線與微波技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 南京 210039)(3. 成都亞光微波電路與系統(tǒng)研究所， 成都 610051)

相控陣天線成為現(xiàn)代雷達(dá)的一個(gè)至關(guān)重要的關(guān)鍵技術(shù)和發(fā)展方向，而對(duì)相控陣天線的創(chuàng)新研究需求迫切，研制周期要求緊張，因此，開發(fā)一種通用的陣列天線性能測(cè)試平臺(tái)對(duì)相控陣天線的研制具有高效的促進(jìn)作用。文中首先論述陣列天線測(cè)試平臺(tái)研制的必要性，繼而介紹一種基于混頻模式的適用于V波段、P波段、L頻段的超寬帶陣列天線測(cè)試平臺(tái)，實(shí)際工程應(yīng)用顯示該超寬帶測(cè)試平臺(tái)大幅度提高了相控陣天線的測(cè)試評(píng)估效率，有效地促進(jìn)了相關(guān)工程項(xiàng)目和創(chuàng)新課題的研究進(jìn)展。

相控陣天線；寬帶移相器；端射天線；有源網(wǎng)絡(luò)

0 引 言

現(xiàn)代機(jī)載相控陣?yán)走_(dá)[1]的相控陣天線設(shè)計(jì)涉及超寬帶相控陣天線和端射陣天線兩個(gè)關(guān)鍵技術(shù)問(wèn)題。對(duì)于超寬帶相控陣天線[2-3]，要求具有覆蓋倍頻程級(jí)的超寬帶特性。另一方面，新一代機(jī)載探測(cè)系統(tǒng)要求的陣面規(guī)模較龐大，期望在保證寬帶寬角的掃描特性之下，能實(shí)現(xiàn)小型化、低剖面、集成化等適裝性結(jié)構(gòu)要求。因此，在實(shí)際設(shè)計(jì)過(guò)程當(dāng)中，需要探索新型的超寬帶天線形式，對(duì)新型超寬帶天線的輻射形式、工藝實(shí)現(xiàn)、性能特性進(jìn)行反復(fù)研究、驗(yàn)證、評(píng)估。從而對(duì)測(cè)試驗(yàn)證過(guò)程的效率、準(zhǔn)確性和功能提出了新要求：現(xiàn)有測(cè)試、調(diào)試方式多針對(duì)小規(guī)模子陣級(jí)別的輻射天線進(jìn)行配置，新型超寬帶相控陣天線要求覆蓋多個(gè)倍頻程級(jí)工作范圍，高頻段的波束掃描要求決定了天線陣的單元間距較小，而低頻段驗(yàn)證的準(zhǔn)確性又要求小面陣的口徑很大，從而使得此時(shí)驗(yàn)證小面陣的單元規(guī)模數(shù)較大。采用傳統(tǒng)的耦合法測(cè)試小面陣有源駐波的效率極為低下[4]，準(zhǔn)確性差，且需要測(cè)試人員在測(cè)試過(guò)程中不斷插拔接頭，以10×10單元為例，需要插拔接頭2×(10×10)2=20 000次，測(cè)試時(shí)間200 h，且需后續(xù)計(jì)算處理。因此，為了提高超寬帶天線關(guān)鍵技術(shù)研究驗(yàn)證周期，提高效率和準(zhǔn)確度，迫切需要超寬帶測(cè)試驗(yàn)證平臺(tái)的建立(建立平臺(tái)后，10×10單元小面陣全陣測(cè)試時(shí)間縮小到8 h以內(nèi)，并能實(shí)時(shí)獲得測(cè)試結(jié)果)。其次，由于超寬帶小面陣單元規(guī)模數(shù)較大，均為密布形式，進(jìn)行方向圖、波束掃描特性驗(yàn)證測(cè)試時(shí)，需要與陣面規(guī)模匹配的饋電網(wǎng)絡(luò)、移相衰減通道、波束控制等模塊，目前，在相應(yīng)超寬帶頻段無(wú)此類測(cè)試設(shè)備，因此，需盡快建立適應(yīng)于超寬帶天線小面陣測(cè)試驗(yàn)證的平臺(tái)，滿足超寬帶天線研究、驗(yàn)證、評(píng)估的需要，以支撐雷達(dá)總體方案的論證。

對(duì)于端射陣天線[5-6]，是目前機(jī)載、球載及其他特殊平臺(tái)雷達(dá)探測(cè)的熱點(diǎn)研究方向。未來(lái)多種形式的預(yù)警機(jī)、無(wú)人機(jī)、傳感器飛機(jī)平臺(tái)上相控陣天線的適裝性和口徑利用研究對(duì)端射陣天線提出了緊迫的需求。端射天線技術(shù)決定了未來(lái)部分機(jī)載雷達(dá)的工作形態(tài)和總體方案，需要加緊研究進(jìn)度，以支撐論證決策。

傳統(tǒng)相控陣?yán)走_(dá)天線多采用口面天線作為陣列的輻射單元的側(cè)射陣，其輻射方向垂直于陣列平面。天線的增益越高，所需要的陣列的口徑面積就越大。因此，高增益的相控陣?yán)走_(dá)的口徑面積就相當(dāng)巨大，并且一般位置固定。相比較于口徑天線陣列，端射陣正是能夠滿足上述需求的一種陣列。由于端射陣最大輻射方向指向單元排列的軸向而不是法向，因此，在最大輻射方向上沒(méi)有與方向性系數(shù)成正比例的口徑尺寸，適合應(yīng)用在需要較小風(fēng)阻、較低安裝高度的場(chǎng)合，特別是在各種高速移動(dòng)載體。端射天線的研究、驗(yàn)證、評(píng)估同樣對(duì)測(cè)試平臺(tái)提出了不同于傳統(tǒng)天線測(cè)試的要求：第一、端射天線特殊的輻射機(jī)制決定了天線陣中的輻射單元之間的耦合和信號(hào)傳輸與傳統(tǒng)天線相異，采用傳統(tǒng)的耦合法測(cè)試其有源駐波特性有可能與真實(shí)耦合特性不符，需在天線實(shí)際工作情況和環(huán)境下進(jìn)行有源駐波測(cè)試和評(píng)估，這就需要建立相應(yīng)規(guī)模的單通道幅度相位可控制網(wǎng)絡(luò)平臺(tái)，為端射天線的測(cè)試和評(píng)估提供條件。第二、對(duì)端射天線的輻射波瓣的評(píng)估是端射天線研究中至關(guān)重要的核心內(nèi)容，目前的測(cè)試條件無(wú)法進(jìn)行方向圖性能驗(yàn)證，迫切需要建立一個(gè)測(cè)試平臺(tái)，滿足256點(diǎn)規(guī)模端射陣面的波束測(cè)試，對(duì)端射陣技術(shù)進(jìn)行全面驗(yàn)證評(píng)估，充分釋放該領(lǐng)域研究的技術(shù)風(fēng)險(xiǎn)。

基于上述的必要性，本文開發(fā)一種通用的相控陣天線網(wǎng)絡(luò)測(cè)試平臺(tái)，為了實(shí)現(xiàn)通用的特點(diǎn)，系統(tǒng)的帶寬必須是能夠覆蓋多個(gè)頻段的超寬帶系統(tǒng)。本文第1節(jié)介紹超寬帶實(shí)現(xiàn)的兩種方案，針對(duì)不同方案進(jìn)行了對(duì)比論述；第2節(jié)介紹所選擇的方案的實(shí)施及測(cè)試工作流程；第3節(jié)在總結(jié)中指出實(shí)際工程應(yīng)用顯示該超寬帶測(cè)試平臺(tái)大幅度提高了相控陣天線的測(cè)試評(píng)估效率，有效地促進(jìn)了相關(guān)工程項(xiàng)目和創(chuàng)新課題的研究進(jìn)展。

1 超寬帶相控陣天線測(cè)試平臺(tái)

1.1 寬帶方案

寬帶方案采用傳統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)方案，即通道中的器件、模塊均采用與平臺(tái)工作帶寬一致的寬帶器件，包括功分網(wǎng)絡(luò)、移相器、衰減器、定向耦合器等。其特點(diǎn)是鏈路簡(jiǎn)單直觀，設(shè)備量小，但是對(duì)器件的寬帶特性要求特別高。方案采用的原理框圖如圖1所示，圖中主要的模塊包括16路移相衰減、電源控制分配模塊、總功分網(wǎng)絡(luò)模塊以及256路信號(hào)輸出電纜。

寬帶方案中實(shí)現(xiàn)的難點(diǎn)是寬帶移相器，成為寬帶方案的制約因素。同時(shí)，由于多倍頻程的超寬帶要求使得寬帶方案中的寬帶功分網(wǎng)絡(luò)的級(jí)數(shù)很多，所需的體積龐大。解決器件與超寬帶特性之間的矛盾的方法之一就是進(jìn)行帶內(nèi)分頻，即將超寬帶頻段按照一定的規(guī)則劃分為多個(gè)頻段，在保證特定使用需求的基礎(chǔ)上，合理劃分頻段使得每個(gè)頻段的器件均能滿足測(cè)試需求。同時(shí)，采用分頻方式帶來(lái)相應(yīng)的成本問(wèn)題。劃分的頻段越多，實(shí)際通道數(shù)越多，從而使得器件的使用量成倍增加，同時(shí)，需在輸入分路端和輸出合路處加入開關(guān)切換。

1.2 混頻方案

混頻方案采用在高頻路進(jìn)行移相衰減的方法，避免了鏈路中嚴(yán)格的寬帶器件和模塊的需求，其實(shí)現(xiàn)形式如圖2所示。該種方案具有兩種工作模式：一種為波束模式，即由頻率源產(chǎn)生混頻信號(hào)fb+(fl-fh)。經(jīng)全陣面網(wǎng)絡(luò)后輸出到天線端，從而形成波束，天線掃描時(shí)，由移相器實(shí)現(xiàn)相位步進(jìn)控制。另一種為駐波測(cè)試模式和通道校準(zhǔn)模式，此時(shí)混頻信號(hào)fb+(fl-fh)由外部輸入的工作頻段f1-fh和頻率源產(chǎn)生的中頻fb混頻而得。

混頻方案很好地避免了方案中實(shí)現(xiàn)的難點(diǎn)，采用上混頻的方式將前端的工作頻率提高到fb+(fl-fh)。此時(shí)，雖然同樣實(shí)現(xiàn)fl-fh的絕對(duì)帶寬，但其相對(duì)帶寬縮小，從而使得器件的實(shí)現(xiàn)難度大幅縮小，同時(shí)，功放網(wǎng)絡(luò)的體積也可大幅減小。

方案鏈路中通道間包含1分16功分器、放大器、濾波器、衰減器、移相器等多種模塊，以及較長(zhǎng)的測(cè)試電纜。為確保通道間的一致性，需要保證各模塊的一致性要求，電纜進(jìn)行等幅等相分配。

圖2 混頻方案原理框圖

方案采用的是先將信號(hào)進(jìn)行上變頻，再將信號(hào)下變頻還原輸出。在此過(guò)程中，利用混頻器的特性，將移相器作為窄帶應(yīng)用，改變下變頻RF通道相位來(lái)改變IF輸出信號(hào)的相位。該過(guò)程存在的問(wèn)題在于如果混頻器Lo～RF隔離度不夠，會(huì)造成混頻輸出信號(hào)泄漏到Lo端，會(huì)再次進(jìn)行混頻輸出，再次混頻輸出的無(wú)用信號(hào)有可能又落在有用信號(hào)內(nèi)，因此，此處需要上變頻的Lo～RF隔離度盡量大；其二，上變頻后的放大器不能讓上變頻輸出信號(hào)雜散惡化太多，即放大器的OIP3盡量高；第三，混頻器都存在上變信號(hào)和下變信號(hào)，下變信號(hào)和本振信號(hào)與有用信號(hào)頻率太近，若不進(jìn)行抑制處理，無(wú)用信號(hào)會(huì)在下變頻時(shí)嚴(yán)重干擾最終的信號(hào)還原。因此，此處要求進(jìn)行上變信號(hào)的帶通處理，在Lo處的抑制要求35 dB以上或者更佳。

2 基于混頻方案的超寬帶天線測(cè)試平臺(tái)應(yīng)用

我們開發(fā)的基于混頻方案的超寬帶相控陣天線測(cè)試平臺(tái)如圖3所示，由1個(gè)頻率源機(jī)箱和16個(gè)通道機(jī)箱組成。

頻率源機(jī)箱中包含了圖3中所示的頻率源模塊、1∶2功分器、混頻器、二切一開關(guān)、濾波器、1∶16功分器以及控制分配單元等。頻率源機(jī)箱主要功能為：1)將輸入信號(hào)fl-fh與fb(內(nèi)部頻率產(chǎn)生)進(jìn)行上變頻得fb+(fl-fh)，再通過(guò)放大濾波等處理，經(jīng)過(guò)1分16功分器給16個(gè)通道機(jī)箱提供下變頻本振信號(hào)； 2)內(nèi)部產(chǎn)生的fb，通過(guò)二功分、濾波等處理后經(jīng)1分16功分器給16個(gè)通道機(jī)箱提供下變頻射頻信號(hào)； 3)內(nèi)部產(chǎn)生跳頻信號(hào)fb+(fl-fh)，通過(guò)內(nèi)部一分二開關(guān)與上變頻所得信號(hào)進(jìn)行選擇使用； 4)接收16個(gè)通道機(jī)箱的耦合信號(hào)，并通過(guò)單刀16擲開關(guān)輸出，檢測(cè)16個(gè)通道機(jī)箱各通道是否輸出正常； 5)包含總控制電路以及16個(gè)通道機(jī)箱的分配控制單元。

圖3 超寬帶相控陣天線測(cè)試平臺(tái)

通道機(jī)箱中包含了圖3中所示的16路fb信號(hào)功分器、16路fb+(fl-fh)信號(hào)功分器、16路混頻器、移相器、衰減器、定性耦合器和1∶32開關(guān)。通道機(jī)箱的主要功能包括： 1)16個(gè)移相、下變頻、衰減以及雙定向耦合通道； 2)每個(gè)通道都使用頻率源機(jī)箱提供的fb+(fl-fh)和fb信號(hào)進(jìn)行下變頻還原fl-fh，在過(guò)程中進(jìn)行調(diào)幅、調(diào)相功能，再通過(guò)放大等措施保證通道輸出功率要求； 3)每個(gè)通道都有兩個(gè)耦合信號(hào)，通過(guò)單刀32擲開關(guān)最終送入到頻率源機(jī)箱，再由頻率源機(jī)箱上的相應(yīng)接口輸出； 4)包含控制模塊，為通道機(jī)箱中16個(gè)通道提供移相器、衰減器、開關(guān)、放大器等提供電源和控制電平。

利用該平臺(tái)，可以快速有效的評(píng)估待測(cè)天線陣面的基本性能，包括天線的無(wú)源駐波，有源掃描駐波，陣中單元方向圖，陣列方向圖，收發(fā)波瓣特性，等等。工作過(guò)程中根據(jù)測(cè)試項(xiàng)目的不同，控制不同的測(cè)試模式。比如在測(cè)試某點(diǎn)駐波時(shí)，首先，斷開該點(diǎn)到天線的測(cè)試電纜，將平臺(tái)鏈路的輸出開關(guān)打到該點(diǎn)定向耦合器的隔離口，控制矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀歸一化S11參數(shù)；然后，接上與天線之間的電纜，即可讀出該點(diǎn)在頻段內(nèi)的駐波，通過(guò)對(duì)軟件的循環(huán)控制，可以實(shí)現(xiàn)全掃描空域自動(dòng)完成測(cè)試。

2.1 有源駐波測(cè)試

掃描駐波測(cè)試框圖如圖4所示。

圖4 掃描駐波測(cè)試方法

掃描駐波測(cè)試時(shí)，測(cè)試網(wǎng)絡(luò)作為陣列天線的有源網(wǎng)絡(luò)，控制天線輸入信號(hào)的幅度相位，以達(dá)到天線有源掃描的真實(shí)狀態(tài)，移相器和衰減器的控制量即為天線修調(diào)和掃描時(shí)所需的相位幅度的控制量。此時(shí)，對(duì)某個(gè)待測(cè)天線單元端口的全反射信號(hào)和正常工作時(shí)的反射信號(hào)進(jìn)行處理，既可以得到陣列天線的有源掃描駐波。其測(cè)試步驟如下：

1)波控對(duì)每一路輸入的相位幅度控制均為0碼時(shí)，測(cè)試每一待測(cè)端口的輸入鏈路的幅度相位，并記錄數(shù)據(jù)；

2)測(cè)試包含有定向耦合器的一路移相器輸出端口的相位幅度，并結(jié)合1)中記錄的各路幅度相位數(shù)據(jù)，對(duì)所有路的相位幅度配平；

3)將移相器輸出端的除待測(cè)路的其他各路與陣面對(duì)應(yīng)天線單元連接，而待測(cè)試單元中包含耦合器的該路斷開，耦合器負(fù)載端接矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀，并對(duì)此時(shí)進(jìn)行歸一化，此時(shí)矢網(wǎng)測(cè)量打?yàn)镾12的VSWR(2口接功分，1口接耦合器的負(fù)載端)；

4)將耦合器輸出端接待測(cè)天線單元，此時(shí)矢網(wǎng)顯示的數(shù)據(jù)即為天線有源駐波，波控控制波束掃描，分別測(cè)試天線不同掃描角度的掃描駐波，使用計(jì)算機(jī)進(jìn)行采樣和記錄。

2.2 方向圖測(cè)試

方向圖測(cè)試框圖如圖5所示。

圖5 方向圖測(cè)試框圖

方向圖測(cè)試時(shí)，測(cè)試網(wǎng)絡(luò)的工作狀態(tài)與駐波測(cè)試時(shí)的工作狀態(tài)類似，相位配平后進(jìn)行天線的掃描、加權(quán)狀態(tài)控制。輸入信號(hào)由矢網(wǎng)1端口給出，經(jīng)過(guò)測(cè)試網(wǎng)絡(luò)分配，調(diào)幅調(diào)相后送至天線陣面，與駐波測(cè)試不同的是矢網(wǎng)2端口是和標(biāo)準(zhǔn)喇叭天線連接的。測(cè)試步驟如下：

1)在波控對(duì)每一路輸入的相位幅度控制均為0碼時(shí)，測(cè)試每一路端口的幅度相位，并記錄數(shù)據(jù)，對(duì)所有路的相位幅度配平；

2)通過(guò)控制計(jì)算機(jī)對(duì)測(cè)試網(wǎng)絡(luò)的狀態(tài)、相移和衰減進(jìn)行控制，使天線陣面工作在指定波段、制定掃描角度、制定加權(quán)的工作狀態(tài)；

3)在控制軟件上對(duì)矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀和伺服控制系統(tǒng)的工作參數(shù)進(jìn)行配置，使矢網(wǎng)1端口發(fā)射相應(yīng)的激勵(lì)射頻信號(hào)，伺服工作于一定的采樣范圍和位置，并配合發(fā)射和位移；

4)信號(hào)通過(guò)標(biāo)準(zhǔn)喇叭天線接收到矢網(wǎng)2端口，并在控制計(jì)算機(jī)中記錄存儲(chǔ)測(cè)試的天線近場(chǎng)數(shù)據(jù)；

5)對(duì)近場(chǎng)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，獲取天線的方向圖性能。

3 結(jié)束語(yǔ)

相控陣天線成為現(xiàn)代雷達(dá)的一個(gè)至關(guān)重要的關(guān)鍵技術(shù)和發(fā)展方向，而對(duì)相控陣天線的創(chuàng)新研究需求迫切，研制周期要求緊張，因此，開發(fā)一種通用的相控陣天線性能測(cè)試平臺(tái)對(duì)相控陣天線的研制具有高效的促進(jìn)作用。本文論述了相控陣天線測(cè)試平臺(tái)研制的必要性，介紹了一種基于混頻模式的適用于V波段、P波段、L頻段的超寬帶陣列天線測(cè)試平臺(tái)，實(shí)際工程應(yīng)用顯示該超寬帶平臺(tái)大幅度提高了相控陣天線的測(cè)試評(píng)估效率，有效地促進(jìn)了相關(guān)工程項(xiàng)目和創(chuàng)新課題的研究進(jìn)展。

[1] 張光義, 趙玉潔. 相控陣?yán)走_(dá)技術(shù)[M]. 北京: 電子工業(yè)出版社, 2006. ZHANG Guangyi, ZHAO Yujie. Phased array radar technology[M]. Beijing: Publishing House of Electronics Industry, 2006.

[2] HOLTER H, CHIO T H, SCHAUBERT D H. Experimental results of 144-element dual-polarized endfire tapered-slot phased arrays[J]. IEEE Transactions on Antennas and Propagation, 2000(48): 1707-1718.

[3] REMEZ J, SEGAL A, SHANSI R. Dual-polarized wide-band widescan multi-beam antenna system from tapered slot-line elements array[J]. IEEE Antennas Wireless Propagation Letter, 2005(4): 293-296.

[4] 束咸榮, 何炳發(fā), 高 鐵. 相控陣?yán)走_(dá)天線[M]. 北京:國(guó)防工業(yè)出版社, 2007. SHU Xianrong, HE Bingfa, GAOTie. Phased array radar antennas[M]. Beijing: National Defence Industry Press, 2007.

[5] LEE J J, LIVINGSTION S W. Wideband end-fire array[R]. US patent. 5894288.

[6] WATRMAN T G. Horizontally polarized endfire array[R]. US patent. 6812893B2.

劉小飛 男，1981年生，博士，高級(jí)工程師。研究方向?yàn)橄嗫仃囂炀€與微波技術(shù)。

郭先松 男，1974年生，研究員級(jí)高級(jí)工程師。研究方向?yàn)槌瑢拵嗫仃囂炀€設(shè)計(jì)、波導(dǎo)縫隙陣列天線設(shè)計(jì)等。

康永飛 男，1982年生，高級(jí)工程師。研究方向?yàn)槲⒉ê撩撞ㄆ骷拖到y(tǒng)研究工作。

孫 磊 男，1974年生，研究員級(jí)高級(jí)工程師。研究方向?yàn)槔走_(dá)天線電訊研究工作。

General Platform for Measurement of Array Antenna

LIU Xiaofei1,2，GUO Xiansong1,2，KANG Yongfei3，SUN Lei1

(1. Nanjing Research Institute of Electronics Technology, Nanjing 210039, China)(2. Science and Technology on Antenna and Microwave Laboratory, Nanjing 210039, China)(3. Chengdu YaGuang Microwave Circuit and System Institute, Chengdu 610051, China)

The phased array antenna becomes an important development area and key technique. The research requirement on phased array antenna is urgent and the developing period is frequently short. Therefore a general platform for Measurement of phased array antenna is required to promote the research on the phased array antenna. In this paper, the necessity of the measurement platform is analyzed, and then an ultra-wideband platform based on the mode of mixing frequency is introduced for V-band, P-band and L-band. The application of the platform indicates that it improves the efficiency of the research on the phased arrays. Thereby it promotes the related projects and creative proposal in this field.

phased array antenna; wideband phase shifter; end-fire antenna; active network

10.16592/ j.cnki.1004-7859.2016.03.013

劉小飛 Email：287419209@qq.com

2015-10-16

2015-12-18

TN911.7

A

1004-7859(2016)03-0061-04