梁小亮 史劍鋒 寧 敏 /

(上海飛機(jī)設(shè)計(jì)研究院，上海201210)

0 引言

天線作為飛機(jī)通信導(dǎo)航系統(tǒng)中電磁能量的發(fā)射和接收端口，最有可能形成相互的輻射干擾，即天線的能量發(fā)生相互耦合。而在飛機(jī)位置有限的機(jī)體結(jié)構(gòu)上，天線間的耦合情況相對(duì)較為嚴(yán)重[1-2]。天線隔離度是衡量天線之間電磁能量相互耦合的程度，是衡量系統(tǒng)電磁兼容性的一個(gè)關(guān)鍵指標(biāo)。為了更好地驗(yàn)證天線間的電磁兼容性，需要對(duì)天線間的隔離度進(jìn)行測(cè)試，這為天線布局優(yōu)化設(shè)計(jì)及設(shè)計(jì)驗(yàn)證提供了數(shù)據(jù)支持。理論上天線隔離度的影響因素較多[3]，主要包括發(fā)射天線和接收天線的電壓駐波比VSWR(voltage standing wave ratio)，發(fā)射系數(shù)ρ的相位差以及歸一化互阻抗Z12。但一般在實(shí)際工程測(cè)試中，天線端口和轉(zhuǎn)接口等并不是阻抗完全匹配，仍有反射波存在，不過(guò)通常默認(rèn)為所有轉(zhuǎn)接口都理想匹配，從而可以較為便捷地得到測(cè)試數(shù)據(jù)。天線隔離度測(cè)試方法一般有兩種，第一種方法分為兩步，首先是在不接入發(fā)射天線和接收天線的情況下，在測(cè)試系統(tǒng)功率放大器的輸出端插入衰減器，通過(guò)連接頻譜儀直接讀取接收端的功率，然后接入發(fā)射天線和接收天線，以同樣的發(fā)射功率進(jìn)行發(fā)射，讀取接收天線輸出端口的功率，兩者相差即可得到天線隔離度[4-5]。但是這種測(cè)試方法在實(shí)際測(cè)試操作中較為繁瑣，相對(duì)耗時(shí)也比較長(zhǎng)。第二種測(cè)試方法是通過(guò)定向耦合器的端口功率檢測(cè)，得到發(fā)射天線端口輸入功率和接收天線端口輸出功率，根據(jù)隔離度定義計(jì)算天線隔離度。

1 定向耦合器性能參數(shù)及其測(cè)試方法

定向耦合器在微波技術(shù)的各個(gè)領(lǐng)域中用途很廣泛，是一種具有方向性的功率耦合(分配)的微波元件，可以用于進(jìn)行功率檢測(cè)和分離。定向耦合器是一個(gè)四端口器件, 如圖1所示，當(dāng)電磁波從輸入端口(端口1)輸入時(shí)，除了有一部分能量直接從直通端口(端口2)輸出外，同時(shí)還有部分能量從耦合端口(端口3)輸出。當(dāng)各端口都接匹配負(fù)載時(shí)，若端口1加信號(hào)，則端口2、3有輸出，隔離端口(端口4)理論上是沒有輸出，但是在實(shí)際工程中，端口4一般都不是0。

定向耦合器的性能參數(shù)有工作頻段、耦合度、隔離度、方向性、插入損耗等。耦合度定義為，端口1輸入功率和端口3輸出功率之比，如式(1)所示：

(1)

其中，P1為定向耦合器端口1的輸入功率，單位為W；P3為端口1耦合到端口3的功率，單位為W，耦合度單位為dB。

主線插入損耗定義為端口1輸入功率和端口2輸出功率之比，如式(2)所示，

(2)

其中，P1為定向耦合器端口1的輸入功率，單位為W；P2為端口2輸出功率，單位為W，插入損耗單位為dB。

圖1 定向耦合器示意圖

定向耦合器為四端口網(wǎng)絡(luò)，其耦合度和插入損耗可以通過(guò)矢量網(wǎng)絡(luò)矢量分析儀測(cè)量散射參數(shù)S31和S21得到。散射參數(shù)Sij定義為，在j端口施加入射波電壓為Vj+時(shí)，端口i上的反射波電壓Vi-和Vj+的比值，如式(3)所示，此式成立的條件是除了j端口其他端口都必須匹配(即j端口外的其他端口入射波都為0)。

(3)

根據(jù)散射參數(shù)定義，可以得出耦合度C和主線插入損耗L采用矢網(wǎng)進(jìn)行測(cè)試時(shí)的計(jì)算方法[6]，如式(4)、(5)所示。

(5)

以測(cè)試定向耦合器的耦合度C為例，如圖2所示，可以通過(guò)測(cè)試耦合器的散射參數(shù)S31得到，首先對(duì)矢網(wǎng)的IN端口和OUT端口進(jìn)行開路、短路、50 Ω匹配進(jìn)行校準(zhǔn)，然后把定向耦合器的端口1和端口3分別接到矢網(wǎng)的IN端和OUT端，定向耦合器的端口2和端口4接50Ω匹配負(fù)載。得到S31以后，通過(guò)式(5)計(jì)算得出定向耦合器的主線插入損耗。同理，可以利用此方法計(jì)算定向耦合器的耦合度。理論上，定向耦合器的耦合度和主線插入損耗都是頻率的函數(shù)，但是實(shí)際工程中，在使用頻段內(nèi)定向耦合器的耦合度和主線插入損耗值隨著頻率變化非常微小，一般當(dāng)做常數(shù)處理。

圖2 定向耦合器耦合度測(cè)試 本期專題:民機(jī)計(jì)量與檢測(cè)

2 天線隔離度測(cè)試方法

天線隔離度定義為接收天線凈輸出功率與發(fā)射天線的凈輸入功率的比值[7]，如式(6)所示，Pt為在發(fā)射天線端的凈輸入功率，單位為W；Pr為在接收天線端的凈輸出功率，單位為W；D為收發(fā)天線之間的隔離度，單位為dB。一般工程中，Pt和Pr采用dBm為單位，則隔離度為兩者之差。

(6)

通過(guò)定向耦合器測(cè)試天線隔離度的測(cè)試原理如圖3所示。其工作原理是通過(guò)測(cè)試定向耦合器的耦合端口和隔離端口的功率值，計(jì)算出耦合器直通端口的輸出功率，即發(fā)射天線的輸入功率。同理，可以得到接收天線的輸出功率。

圖3 機(jī)載天線隔離度測(cè)試示意圖

根據(jù)式(1)、(2)，測(cè)試端口3和端口4的功率可以得出發(fā)射天線端口的凈發(fā)射功率，具體分析過(guò)程為：首先通過(guò)端口3的測(cè)試功率和定向耦合器的耦合度得出定向耦合器端口1的輸入功率，再減去插入損耗，得到端口2的輸出功率，由于端口4有測(cè)試值，表明端口2有反射存在，所以，在考慮線纜損耗情況下，發(fā)射天線的凈輸入功率可由式(7)計(jì)算得出。

(7)

其中，P13為連接發(fā)射天線的定向耦合器端口3的測(cè)量功率，單位為dBm；C1為定向耦合器的耦合度，單位為dB；L′為主線插入損耗，單位為dB；P14為連接發(fā)射天線的定向耦合器端口4的測(cè)量功率，單位為dBm；L1為定向耦合器到天線端口的連接電纜和轉(zhuǎn)接頭的損耗，單位為dB，L1按式(8)計(jì)算：

L1=L1a+LT1+L1b

(8)

其中，L1a為定向耦合器到轉(zhuǎn)接頭的測(cè)試電纜插入損耗，單位為dB；LT1為轉(zhuǎn)接頭的插入損耗，單位為dB；L1b為連接發(fā)射天線的專用電纜插入損耗，單位為dB。

接收天線輸出至定向耦合器的端口1，因此可以根據(jù)耦合度的定義由式(9)直接得到接收天線的凈輸出功率：

Pr=P23+C2+L2

(9)

其中，P23為連接接收天線的定向耦合器端口3的測(cè)量功率，單位為dBm；C2為定向耦合器的耦合度，單位為dB；L2為定向耦合器到天線端口的連接電纜和轉(zhuǎn)接頭的損耗，單位為dB；L2按式(10)計(jì)算如下：

L2=L2a+LT2+L2b

(10)

其中，L2a為接收天線到轉(zhuǎn)接頭的專用電纜的插入損耗，單位為dB；LT2為轉(zhuǎn)接頭的插入損耗，單位為dB；L2b為連接定向耦合器的測(cè)試電纜插入損耗，單位為dB。

將式(7)、(9)代入式(6)，可以得到發(fā)射天線和接收天線之間的隔離度為：

(11)

3 天線隔離度測(cè)試及結(jié)果

測(cè)試選取發(fā)射天線和接收天線為兩套機(jī)載甚高頻(VHF)天線，取典型的測(cè)試頻點(diǎn)120 MHz、130 MHz和135 MHz，信號(hào)源發(fā)射17 dBm信號(hào)，連接發(fā)射天線的定向耦合器的耦合度C1為50 dB，通過(guò)機(jī)身上部的甚高頻天線VHF2發(fā)射。機(jī)身下部的甚高頻天線VHF1連接定向耦合器的耦合度C2為40 dB，并對(duì)隔離端口功率進(jìn)行了檢測(cè)，發(fā)現(xiàn)其和環(huán)境噪聲處于同一電平等級(jí)，直通端口連接負(fù)載進(jìn)行吸收。

發(fā)射天線定向耦合器輸出端口與發(fā)射天線端口之間的測(cè)試射頻電纜為10 m，天線專用轉(zhuǎn)接電纜為1 m。接收天線定向耦合器接收端口與接收天線端口之間測(cè)試射頻電纜為8 m，天線專用轉(zhuǎn)接電纜為1 m。依據(jù)電纜插入損耗數(shù)值(優(yōu)質(zhì)射頻電纜的統(tǒng)計(jì)值)及考慮測(cè)試現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境條件，取測(cè)試射頻電纜插入損耗為0.07 dB/m，轉(zhuǎn)接頭插入損耗為0.1 dB，天線專用轉(zhuǎn)接電纜插入損耗0.1 dB/m。計(jì)算得出L1=0.9 dB，L2=0.76 dB。與發(fā)射天線連接的定向耦合器的主線插入損耗L′為0.01 dB。

為了保證試驗(yàn)數(shù)據(jù)的可靠性，每個(gè)頻點(diǎn)測(cè)試三次后取平均值作為隔離度計(jì)算結(jié)果。根據(jù)以上測(cè)試方法，計(jì)算出兩個(gè)甚高頻天線在三個(gè)頻點(diǎn)下的隔離度分別為56.48 dB、50.49 dB和52.25 dB。

4 結(jié)論

通過(guò)定向耦合器定義性能參數(shù)和天線隔離度定義，給出了天線隔離度測(cè)試方法，并在飛機(jī)上進(jìn)行了工程測(cè)試。測(cè)試結(jié)果表明，兩個(gè)VHF天線的隔離度滿足設(shè)計(jì)要求，天線占位設(shè)計(jì)合理。需要注意的是，測(cè)試過(guò)程中，應(yīng)該結(jié)合測(cè)試頻段和定向耦合器的耦合度等因素合理選擇定向耦合器的型號(hào)和規(guī)格。