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        相控陣?yán)走_(dá)天線諧波輻射發(fā)射測(cè)試技術(shù)研究

        2020-09-10 07:56:38周海軍石昕陽
        環(huán)境技術(shù) 2020年4期
        關(guān)鍵詞:輻射功率遠(yuǎn)場(chǎng)改進(jìn)型

        周海軍,石昕陽

        (1.海裝裝備技術(shù)合作中心,北京 100841; 2.武漢船舶通信研究所,武漢 430205)

        引言

        相控陣?yán)走_(dá)天線能夠控制每個(gè)陣元產(chǎn)生電磁波的相位與幅度,以此強(qiáng)化電磁波在制定方向上的強(qiáng)度,并壓制其他方向的幅度,從而實(shí)現(xiàn)電磁波束的方向發(fā)生改變。相控陣天線較之傳統(tǒng)天線具有無機(jī)械運(yùn)動(dòng)、陣元數(shù)量多、快速切換、抗干擾能力強(qiáng)等特點(diǎn),因而相控陣天線的研究和應(yīng)用越來越受到各軍事強(qiáng)國(guó)的重視[1]。

        相控陣天線的電性能參數(shù)主要包括:有效輻射功率、天線方向圖、電壓駐波比、增益和諧波雜散。其中,諧波雜散即諧波與亂真輻射發(fā)射測(cè)試是檢驗(yàn)相控陣天線陣面性能的一個(gè)最為關(guān)鍵的參數(shù)測(cè)試[2]。據(jù)報(bào)道,美國(guó)雷聲公司近日對(duì)即將安裝在“伯克III”驅(qū)逐艦“杰克盧卡斯”號(hào)上的SPY6(V)1型相控陣?yán)走_(dá)完成了微波暗室內(nèi)的近場(chǎng)測(cè)試,驗(yàn)證了多個(gè)工作頻率下,天線掃描到不同角度,不同工作模式下(如窄波瓣/寬波瓣、低副瓣、和差波束、多波束等)的天線方向圖、駐波、有效輻射功率,以判斷其性能是否達(dá)標(biāo)?;谖⒉ò凳业南嗫仃囂炀€球面遠(yuǎn)場(chǎng)測(cè)試系統(tǒng)如圖1所示。

        圖1 基于微波暗室的單探頭球面遠(yuǎn)場(chǎng)測(cè)試系統(tǒng)示意圖

        由于諧波發(fā)射為頻率是中心頻率發(fā)射整數(shù)倍的雜散輻射,諧波輻射發(fā)射量是相控陣天線性能的表征參數(shù)之一,也是相控陣天線電磁兼容性特征指標(biāo)之一。因此,諧波輻射發(fā)射測(cè)試屬于相控陣天線電磁兼容性測(cè)試范疇,而相控陣天線的一般工作在C波段或者X波段,同時(shí)其物理尺寸D一般較大,根據(jù)菲涅爾-弗朗和費(fèi)定理計(jì)算的遠(yuǎn)場(chǎng)條件R一般大于通用的微波暗室物理長(zhǎng)度,而相控陣?yán)走_(dá)天線諧波輻射發(fā)射測(cè)試需要滿足遠(yuǎn)場(chǎng)條件,因此,其相控陣天線陣面的諧波測(cè)試一般不在微波暗室內(nèi)測(cè)試。

        本文第一部分基于MIL-STD-461G-2015[3]與GJB 151B-2013[4]標(biāo)準(zhǔn),比較了CE106 天線端口傳導(dǎo)發(fā)射與RE103 天線諧波輻射發(fā)射的區(qū)別,給出了遠(yuǎn)場(chǎng)條件,并首次詳細(xì)推導(dǎo)了相控陣?yán)走_(dá)天線輻射發(fā)射的有效輻射功率公式,第二部分以某型相控陣?yán)走_(dá)為例,提出了一種相控陣?yán)走_(dá)天線諧波輻射發(fā)射改進(jìn)型現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試方法,第三部分對(duì)實(shí)測(cè)的相控陣?yán)走_(dá)天線的諧波輻射發(fā)射量指標(biāo)。最后,給出相關(guān)結(jié)論。

        1 相控陣天線諧波輻射發(fā)射測(cè)試的理論基礎(chǔ)

        1.1 天線端口傳導(dǎo)發(fā)射與天線諧波輻射發(fā)射的區(qū)別

        MIL-STD-461G-2015Requirements for the control of electromagnetic interference characteristics of subsystems and equipments以及GJB 151B-2013《軍用設(shè)備和分系統(tǒng)電磁發(fā)射和敏感度要求與測(cè)量》標(biāo)準(zhǔn),明確給出了關(guān)于發(fā)射機(jī)天線的發(fā)射測(cè)試項(xiàng)目,即CE106 10 kHz~40 GHz天線端口傳導(dǎo)發(fā)射與RE103 10 kHz~40 GHz天線諧波和亂真輸出輻射發(fā)射。其中,CE106測(cè)試項(xiàng)目不考慮任何與天線頻響特性相關(guān)的任何抑制,只考慮天線端口傳導(dǎo)直接耦合,不考慮天線系統(tǒng)特性的影響,適用于天線可拆卸的發(fā)射機(jī)。RE103測(cè)試項(xiàng)目對(duì)諧波和亂真輸出的輻射發(fā)射進(jìn)行控制,包括對(duì)天線輻射特性效應(yīng)的評(píng)估,適用于天線不可拆卸的發(fā)射機(jī)。相控陣?yán)走_(dá)屬于帶有固定不可拆卸相控陣天線的發(fā)射機(jī),因此,相控陣?yán)走_(dá)天線諧波和亂真輸出輻射發(fā)射遵循標(biāo)準(zhǔn)中的RE103的要求。前已有述,相控陣?yán)走_(dá)天線的RE103測(cè)試不滿足在微波暗室測(cè)量的條件,主要是遠(yuǎn)場(chǎng)條件受限所致。

        1.2 遠(yuǎn)場(chǎng)條件公式

        相控陣?yán)走_(dá)天線諧波輻射發(fā)射需要在遠(yuǎn)場(chǎng)條件下進(jìn)行[5]。最小遠(yuǎn)場(chǎng)測(cè)試距離按如下公式確定:

        當(dāng)相控陣?yán)走_(dá)天線發(fā)射中心頻率不高于1.24 GHz時(shí),按式(1)和(2)計(jì)算并取大者;

        當(dāng)相控陣?yán)走_(dá)天線發(fā)射中心頻率高于1.24 GHz時(shí),按式(3)和(4)計(jì)算。

        上述各式中:

        Rmin—發(fā)射天線與接收天線間的距離,即最小遠(yuǎn)場(chǎng)測(cè)試距離,m;

        D—發(fā)射天線的最大物理尺寸,m;

        d—接收天線的最大物理尺寸,m;

        λ—相控陣?yán)走_(dá)天線發(fā)射頻率的波長(zhǎng),m。

        1.3 諧波發(fā)射抑制度公式的詳細(xì)推導(dǎo)

        諧波發(fā)射抑制度可用來表征相控陣?yán)走_(dá)天線諧波輻射發(fā)射的電磁參數(shù)。從電磁兼容測(cè)試角度看,諧波抑制度可等效為實(shí)測(cè)諧波的有效輻射功率值(dBW)與實(shí)測(cè)基波有效輻射功率值(dBW)之差。由上述可知,諧波發(fā)射核心電磁參數(shù)應(yīng)為發(fā)射機(jī)有效輻射功率。

        發(fā)射機(jī)發(fā)射的有效輻射功率ERP也可以表示為:

        式中:

        相控陣天線輻射場(chǎng)強(qiáng)E可表示為:

        式中:

        EV/m—發(fā)射機(jī)Rm前方距離處的電場(chǎng)強(qiáng)度;

        R—發(fā)射機(jī)天線和接收天線間的距離。

        (6)式用對(duì)數(shù)表示,可變成為:

        即為:

        另一方面,從場(chǎng)強(qiáng)測(cè)量的角度來講,發(fā)射機(jī)R m前方距離處的電場(chǎng)強(qiáng)度還可表示為:

        式中:

        聯(lián)立公式(5)(8)(9)(10),可得:

        式中:

        2 相控陣?yán)走_(dá)天線諧波輻射發(fā)射改進(jìn)型現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試方法

        傳統(tǒng)微波暗室測(cè)量方法由于遠(yuǎn)場(chǎng)條件受限,不能滿足相控陣?yán)走_(dá)天線的天線諧波輻射發(fā)射測(cè)量的需求。本文提出了一種改進(jìn)型諧波輻射發(fā)射測(cè)試方法,如圖2所示。圖中,待測(cè)相控陣天線陣面安裝在外部聯(lián)調(diào)現(xiàn)場(chǎng)或開闊場(chǎng)中,已知性能參數(shù)的EMC接收天線組件(包括10 kHz~30 MHz單極振子天線、30~200 MHz雙錐天線、200 MHz~1 GHz對(duì)數(shù)周期天線、1~18 GHz雙脊喇叭天線、18~40 GHz角錐喇叭)與待測(cè)天線等高架設(shè)。兩天線分別由盡可能短的高性能射頻屏蔽線纜與發(fā)射機(jī)和EMI測(cè)量接收機(jī)可靠互聯(lián)。EMI接收機(jī)與自動(dòng)控制系統(tǒng)放置在屏蔽室1中,待測(cè)相控陣天線的發(fā)射機(jī)放置在屏蔽室2中。

        傳統(tǒng)方法對(duì)被測(cè)天線的物理尺寸和工作頻段要求不高,但是測(cè)試空間內(nèi)本底電磁環(huán)境較好,但較難獲取理想的諧波發(fā)射抑制度,而改進(jìn)型測(cè)量方法對(duì)被測(cè)天線的物理尺寸和工作頻段沒有特殊限制,且較易于滿足遠(yuǎn)場(chǎng)測(cè)試條件,在較小的分辨率帶寬條件下,即可獲取較理想的諧波發(fā)射抑制度。

        MIL-STD-461G-2015以 及ITU SM.329-2011[6]中規(guī)定的雜散域無用信號(hào)暗室測(cè)試方法中包含信號(hào)功率90 %的推薦的必要帶寬為:10~30 MHz頻段的帶寬為10 kHz,30 MHz~1 GHz頻段的 帶寬為100 kHz,1~40 GHz頻段的帶寬為1 MHz。在實(shí)際開闊場(chǎng)測(cè)試中,較高帶寬會(huì)導(dǎo)致測(cè)試不準(zhǔn)確,基波與諧波會(huì)被本底信號(hào)淹沒,因此本文推薦全頻段測(cè)試的必要帶寬為50 kHz或更低。在實(shí)際開闊場(chǎng)測(cè)試過程中,應(yīng)先對(duì)空間損耗和天線增益進(jìn)行修正,并且需要在相控陣天線方向圖的方位角和仰角上對(duì)諧波發(fā)射進(jìn)行搜索,以測(cè)量最大的諧波信號(hào)電平值。

        圖2 改進(jìn)型相控陣天線諧波輻射發(fā)射測(cè)試示意圖

        圖3 相控陣天線諧波輻射發(fā)射測(cè)量曲線(F=8.8 GHz,RBW=50 kHz)

        表1 相控陣天線諧波發(fā)射抑制測(cè)量數(shù)據(jù)一覽表

        3 案例分析

        本文以某型相控陣?yán)走_(dá)天線為例,其天線基本參數(shù)如下:天線陣面最大物理尺寸D為150 cm,發(fā)射信號(hào)中心頻率F為8.8 GHz,對(duì)應(yīng)工作波長(zhǎng)為3.41 cm,接收用的雙脊喇叭天線為最大物理尺寸d為24.2 cm。由公式(4)計(jì)算的最小遠(yuǎn)場(chǎng)測(cè)試距離R為88.99 m,本次諧波輻射發(fā)射測(cè)試實(shí)際選擇遠(yuǎn)場(chǎng)測(cè)試具體為100 m。

        圖3所示為基于改進(jìn)型現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試方法測(cè)試的相控陣天線諧波輻射發(fā)射測(cè)量曲線。圖中分析可知,最小分辨率帶寬設(shè)置為50 kHz,基波、二次諧波和三次諧波接收機(jī)實(shí)測(cè)讀數(shù)分別為3.93 dBm、-71.06 dBm和-82.44 dBm。校準(zhǔn)的接收天線因子在基波和二、三次諧波處分別為37.1 dB(1/m)、46.3 dB(1/m)、39.5 dB(1/m),由公式(12)和公式(13)計(jì)算的相控陣諧波抑制度,如表1所示。

        結(jié)果分析可知,10 kHz~40 GHz頻段內(nèi),該型相控陣?yán)走_(dá)天線的諧波輻射發(fā)射二次諧波抑制度約為65 dB,三次及高次諧波抑制度高于80 dB。側(cè)面也驗(yàn)證了改進(jìn)型諧波輻射發(fā)射抑制測(cè)試方法具有較好的工程可操作性與可行性。

        4 結(jié)論

        本文提出了一種基于開闊場(chǎng)的相控陣?yán)走_(dá)天線諧波輻射發(fā)射改進(jìn)型測(cè)試方法,構(gòu)建了相控陣?yán)走_(dá)天線諧波測(cè)試系統(tǒng),并以某型相控陣?yán)走_(dá)天線諧波輻射發(fā)射測(cè)試為例,驗(yàn)證了該方法在雷達(dá)天線有效輻射功率測(cè)定,分辨率帶寬設(shè)置等諧波輻射發(fā)射測(cè)試細(xì)節(jié)等方面,具有較強(qiáng)的工程可行性。

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