(海軍航空大學 青島校區(qū)，山東 青島 266041)

0 引言

為了保持良好的氣動外形和電磁波透波特性[1]，戰(zhàn)斗機火控雷達一般在飛機頭部采用蛋卵形天線罩[2]。戰(zhàn)斗機在起飛、降落過程中天線罩可能受到沙粒、顆石的擊打，在飛行過程中也可能受到雨滴、冰雹甚至鳥類的撞擊。這些都會對雷達罩造成物理損傷，從而影響天線罩的電磁透波特性，進而影響火控雷達天線空間輻射特性，影響雷達的探測距離和目標測量精度[3-4]。

為了掌握物理損傷對雷達天線罩電磁特性的影響，需要對損傷后天線罩的透波特性進行測量，測量內容包括天線罩不同方向透波一致性測試、損傷部位透波特性測試等內容。由于機載火控雷達一般工作在X波段，典型工作頻率范圍為9～10 GHz，測試頻率范圍應該覆蓋機載火控雷達的典型工作頻率范圍。

1 透波性能測試方法

天線罩的透波特性可以通過透波率和插入相位移來描述[5-6]。

透波率也稱為功率傳輸系數[7]，定義為：電磁波通過天線罩后在遠場固定距離上的功率值Ps與天線罩不存在時同樣位置處功率值P0的比值，如式(1)所示。

(1)

插入相位移的定義為：電磁波通過天線罩后到達遠場固定距離上的相位變化量φs與天線罩不存在時電磁波到達同樣位置處相位變化量φ0之間的差值，如(2)所示。

IPD=φs-φ0

(2)

直接對天線罩透波率和插入相位移進行測量系統(tǒng)復雜[8]，測量步驟繁瑣[9]。為了提高天線罩透波特性測試效率，可以把發(fā)射天線和接收天線當作一個雙端口網絡，通過測量兩端口網絡的S參數中s21分量間接獲得透波率和插入相位移的值。

對于一個雙端口微波網絡來說，設a1和a2為兩個端口的入射信號，b1為1端口反射信號，b2為2端口反射信號。那么b1和b2可通過下面式子進行計算。

b1=s11·a1+s12·a2

(3)

b2=s22·a2+s21·a1

(4)

其中S參數4個分量的定義如下所示。

(5)

(6)

(7)

(8)

下面先來推導透波率與插入相位移與s21的關系表達式。在2端口無輸入即a2=0的情況下s21分量的值為：

(9)

根據透波率、插入相位移和S參數s21分量的定義，透波率、插入相位移的值可通過測量s21(或s12)得到。設天線罩不存在時S參數s21分量的值為(s21)0，存在天線罩時s21分量的值為(s21)s。那么透波率、插入相位移的值可以分別由下面兩式得到：

(10)

(11)

其中:ψ[·]為取相位運算。

根據式(10)和(11)天線罩的透波率和插入相位移可以通過兩次測量S參數的s21分量得到。而微波網絡S參數4個分量的測量可通過矢量網絡分析儀完成，矢量網絡分析儀可以對s21分量的幅度和相位進行計算并單獨顯示。并且由于矢量網絡分析儀具有記憶功能，它可以將當前測量值記錄在內存中，并與后續(xù)測量值進行加、減、乘、除等操作。因此在兩次測量S參s21分量的過程中，將無天線罩的s21分量(s21)0的值記錄在內存中，在測量存在天線罩s21分量(s21)s時，通過與內存值的加、減、乘、除等操作可以得到天線罩的透波率和插入相位移。通過比較天線罩存在條件下和無天線罩條件下s21分量幅度比值可以獲得天線罩引起的透波率，根據s21分量相位差值獲得插入相位移。

2 測試電路及測試設備

測量電路連接關系如圖1所示，測試電路由發(fā)射和接收兩個喇叭口天線、矢量網絡分析儀和連接射頻電纜組成。2個喇叭口天線通過射頻電纜分別與矢量網絡分析儀的端口1和端口2相連。喇叭口1連接網絡分析儀端口1為發(fā)射天線，喇叭口2連接網絡分析儀端口2為接收天線。

圖1 測量系統(tǒng)電路連接圖

在測試電路中矢量網絡分析儀是最重要的測試儀器，系統(tǒng)選用的型號為中電41所的矢網AV3672B(10 MHz～26.5 GHz)。AV3672B為Windows 7中文操作系統(tǒng)，兼?zhèn)溆⑽牟藛芜x項，具有頻響、單端口、響應隔離、全雙端口、TRL、電校準等多種校準方式。具有32個顯示窗口，每個窗口同時顯示8條軌跡。提供多達64個獨立測量通道，快速執(zhí)行復雜測試方案。具有對數幅度、線性幅度、駐波比、相位、群時延、Smith圓圖、極坐標等多種顯示格式。具有時域分析、頻率偏移測量、一體化脈沖測量、增益壓縮二維掃描測量、混頻器/變頻器測量、有源互調失真測量、毫米波擴頻等功能。重要的性能指標如表1所示。

表1 矢網AV3672B性能指標

需要注意的時，為了減小矢量網絡分析儀的測量誤差，使用矢量網絡分析儀測量之前需要對其進行校準，矢網AV3672B的校正方式如表2所示，在本系統(tǒng)中需要選擇全二端口校準方式，具體方法按照設備的提示步驟進行。

為了實現(xiàn)對天線罩不同部位透波特性進行測量，設計了天線罩傳動裝置，其結構和實物圖如圖2所示。通過傳動裝置天線罩可以實現(xiàn)前后平移、左右平移、上下升降和繞軸向的滾動。其中，前后平移和左右平移通過地面固定導軌實現(xiàn)，上下升降通過升降系統(tǒng)實現(xiàn)，繞軸向滾動通過橡皮輪實現(xiàn)。通過天線罩傳動裝置移動、升降和旋轉天線罩可以對空氣條件下和天線罩不同部位s21參數進行測量。

表2 算法運行時間比較

圖2 天線罩傳動裝置

在按照校準操作提示對矢量網絡分析儀進行校準后，對天線罩某一固定部位透波率和相位移測量的具體方法如下所述：

1)根據需要測量天線罩部位的位置特點，通過操作天線天線罩傳動裝置調整天線罩的高度和位置、固定好天線罩的擺放位置，再根據天線罩的位置和姿態(tài)固定好喇叭口的位置；

2)按照圖1測量電路連接關系將兩個喇叭口天線和矢量網絡分析儀的兩個端口連接正確，設置好矢量網絡分析儀的測試頻段范圍；

3)首先測量沒有天線罩時的s21分量，通過天線傳動裝置在天線軸向上的前后移動使天線罩不遮擋兩個喇叭口天線，即兩喇叭口天線只透過空氣直接相對；

4)由于s21分量幅度和相位不能顯示在同一坐標系中，透波率和相位移分開單獨測量，以測量透波率為例，測量對象選擇s21參數，顯示內容選擇幅度，等畫面曲線顯示穩(wěn)定后將結果保存到內存中；

5)通過天線罩傳動裝置前后移動和繞軸向轉動將天線罩測試部位恰好處于兩喇叭口天線中心連線上，再次測量s21參數，測量對象選擇s21參數，顯示內容選擇幅度，并將顯示結果設置為“實時數值/內存”(注意：如果測量插入相位移，顯示結果應該設置為“實時數值-內存”)，顯示結果如圖3所示。

圖3 9～10 GHz范圍內某型天線罩透波率測試值

此時，得到的結果就是設置頻率范圍內選定天線罩部位引起的透波率(或相位移)偏差。由圖3可以看出，由于天線罩的存在透波率隨頻率振蕩變化，趨勢為隨頻率增加而降低。

3 透波性能測試

3.1 天線罩損傷部位測試

雷達天線罩罩體收到外力撞擊引起形變甚至破損時，受損部位及周邊臨近區(qū)域的電磁波透波特性可能受到影響。為了獲取損傷對天線罩透波特性的影響，分別選取了天線罩完好區(qū)域、輕度受損和嚴重受損區(qū)域，如圖4所示。

圖4 不同損壞區(qū)域選擇位置

對3個區(qū)域不同點位的透波率和插入相位移分別進行了測量，3個不同損壞程度區(qū)域的測量結果如圖5所示。由測試結果可以看出損傷區(qū)域中心對透波率影響不大，微損和破損區(qū)域中心的透波率與良好區(qū)域的透波率相比沒有明顯變化，而損傷與良好區(qū)域的結合部分透波率有明顯下降，最大點下降了8 dB。另外，無論是在良好區(qū)域還是損傷區(qū)域，匯流條區(qū)域透波率明顯下降(圖5中“良好”曲線的8點和“破損”曲線的9點)。由圖5(b)可以看出，破損引起的插入相位移隨破損程度下降明顯，并且匯流條會減小插入相位移。

圖5 不同受損程度區(qū)域天線罩透波特性

3.2 方向一致性測試

為了測試天線罩物理損傷對天線輻射方向圖的影響，需要對天線罩透波特性的方向一致性進行測量[10]。方向一致性測試包括橫向和軸向兩個方向上損耗一致性測試，如圖6所示。

圖6 天線罩軸向和橫向測量位置

分別在橫向一圈360°范圍上等間隔選擇36個點(每間隔10°一個測試點)，而軸向上等間隔選擇20個點做為測試點，對透波率和插入相位移進行測量，結果如圖7所示。

由圖7(a)和圖7(b)可以看出，物理損傷對天線罩橫向一致性存在一定的影響，透波率和插入相位移都隨著橫向角度變化而變化，透波的變化范圍為-2.52～-1.03 dB，而插入相位移的變化范圍為6.68°～18.7°。

由圖7(c)和圖7(d)可以看出，在軸向上天線罩透波一致性也受到了破損的影響，透波率和插入相位移都隨測試點位置變化，其中透波率的變化范圍為-5.23～-0.88 dB，而插入相位移的變化范圍為96°～138°。

圖7 透波一致性測量

4 結束語

物理損傷會影響天線罩的透波特性，通過對天線罩不同位置透波率和插入相位移的測量可以得到物理損傷對天線罩透波特性的影響。為了降低天線罩透波率和插入相位移測量的難度，引入了通過測量S參數s21分量間接測量透波率和插入相位移的方法。測量結果表明，天線罩透波率隨電磁波頻率的增加振蕩下行，破損區(qū)域中心透波率和插入相位移變化較小，而破損區(qū)邊緣的透波率和插入相位移變化較為為明顯。而且物理損傷也影響了天線罩透波方向一致性，無論是橫向上還是軸向上天線罩透波率和插入相位移都有明顯的變化，插入相位移的隨方向變化尤為明顯。