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        相控陣雷達天線諧波輻射發(fā)射測試技術(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
        關鍵詞:輻射功率遠場改進型

        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

        相控陣雷達天線能夠控制每個陣元產(chǎn)生電磁波的相位與幅度,以此強化電磁波在制定方向上的強度,并壓制其他方向的幅度,從而實現(xiàn)電磁波束的方向發(fā)生改變。相控陣天線較之傳統(tǒng)天線具有無機械運動、陣元數(shù)量多、快速切換、抗干擾能力強等特點,因而相控陣天線的研究和應用越來越受到各軍事強國的重視[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)射測試是檢驗相控陣天線陣面性能的一個最為關鍵的參數(shù)測試[2]。據(jù)報道,美國雷聲公司近日對即將安裝在“伯克III”驅(qū)逐艦“杰克盧卡斯”號上的SPY6(V)1型相控陣雷達完成了微波暗室內(nèi)的近場測試,驗證了多個工作頻率下,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標。基于微波暗室的相控陣天線球面遠場測試系統(tǒng)如圖1所示。

        圖1 基于微波暗室的單探頭球面遠場測試系統(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之一。因此,諧波輻射發(fā)射測試屬于相控陣天線電磁兼容性測試范疇,而相控陣天線的一般工作在C波段或者X波段,同時其物理尺寸D一般較大,根據(jù)菲涅爾-弗朗和費定理計算的遠場條件R一般大于通用的微波暗室物理長度,而相控陣雷達天線諧波輻射發(fā)射測試需要滿足遠場條件,因此,其相控陣天線陣面的諧波測試一般不在微波暗室內(nèi)測試。

        本文第一部分基于MIL-STD-461G-2015[3]與GJB 151B-2013[4]標準,比較了CE106 天線端口傳導發(fā)射與RE103 天線諧波輻射發(fā)射的區(qū)別,給出了遠場條件,并首次詳細推導了相控陣雷達天線輻射發(fā)射的有效輻射功率公式,第二部分以某型相控陣雷達為例,提出了一種相控陣雷達天線諧波輻射發(fā)射改進型現(xiàn)場測試方法,第三部分對實測的相控陣雷達天線的諧波輻射發(fā)射量指標。最后,給出相關結(jié)論。

        1 相控陣天線諧波輻射發(fā)射測試的理論基礎

        1.1 天線端口傳導發(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《軍用設備和分系統(tǒng)電磁發(fā)射和敏感度要求與測量》標準,明確給出了關于發(fā)射機天線的發(fā)射測試項目,即CE106 10 kHz~40 GHz天線端口傳導發(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測試項目不考慮任何與天線頻響特性相關的任何抑制,只考慮天線端口傳導直接耦合,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。RE103測試項目對諧波和亂真輸出的輻射發(fā)射進行控制,包括對天線輻射特性效應的評估,適用于天線不可拆卸的發(fā)射機。相控陣雷達屬于帶有固定不可拆卸相控陣天線的發(fā)射機,因此,相控陣雷達天線諧波和亂真輸出輻射發(fā)射遵循標準中的RE103的要求。前已有述,相控陣雷達天線的RE103測試不滿足在微波暗室測量的條件,主要是遠場條件受限所致。

        1.2 遠場條件公式

        相控陣雷達天線諧波輻射發(fā)射需要在遠場條件下進行[5]。最小遠場測試距離按如下公式確定:

        當相控陣雷達天線發(fā)射中心頻率不高于1.24 GHz時,按式(1)和(2)計算并取大者;

        當相控陣雷達天線發(fā)射中心頻率高于1.24 GHz時,按式(3)和(4)計算。

        上述各式中:

        Rmin—發(fā)射天線與接收天線間的距離,即最小遠場測試距離,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—相控陣雷達天線發(fā)射頻率的波長,m。

        1.3 諧波發(fā)射抑制度公式的詳細推導

        諧波發(fā)射抑制度可用來表征相控陣雷達天線諧波輻射發(fā)射的電磁參數(shù)。從電磁兼容測試角度看,諧波抑制度可等效為實測諧波的有效輻射功率值(dBW)與實測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)應為發(fā)射機有效輻射功率。

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

        式中:

        相控陣天線輻射場強E可表示為:

        式中:

        EV/m—發(fā)射機Rm前方距離處的電場強度;

        R—發(fā)射機天線和接收天線間的距離。

        (6)式用對數(shù)表示,可變成為:

        即為:

        另一方面,從場強測量的角度來講,發(fā)射機R m前方距離處的電場強度還可表示為:

        式中:

        聯(lián)立公式(5)(8)(9)(10),可得:

        式中:

        2 相控陣雷達天線諧波輻射發(fā)射改進型現(xiàn)場測試方法

        傳統(tǒng)微波暗室測量方法由于遠場條件受限,不能滿足相控陣雷達天線的天線諧波輻射發(fā)射測量的需求。本文提出了一種改進型諧波輻射發(fā)射測試方法,如圖2所示。圖中,待測相控陣天線陣面安裝在外部聯(lián)調(diào)現(xiàn)場或開闊場中,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)與待測天線等高架設。兩天線分別由盡可能短的高性能射頻屏蔽線纜與發(fā)射機和EMI測量接收機可靠互聯(lián)。EMI接收機與自動控制系統(tǒng)放置在屏蔽室1中,待測相控陣天線的發(fā)射機放置在屏蔽室2中。

        傳統(tǒng)方法對被測天線的物理尺寸和工作頻段要求不高,但是測試空間內(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,而改進型測量方法對被測天線的物理尺寸和工作頻段沒有特殊限制,且較易于滿足遠場測試條件,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暗室測試方法中包含信號功率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。在實際開闊場測試中,較高帶寬會導致測試不準確,基波與諧波會被本底信號淹沒,因此本文推薦全頻段測試的必要帶寬為50 kHz或更低。在實際開闊場測試過程中,應先對空間損耗和天線增益進行修正,并且需要在相控陣天線方向圖的方位角和仰角上對諧波發(fā)射進行搜索,以測量最大的諧波信號電平值。

        圖2 改進型相控陣天線諧波輻射發(fā)射測試示意圖

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

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

        3 案例分析

        本文以某型相控陣雷達天線為例,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)射信號中心頻率F為8.8 GHz,對應工作波長為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)計算的最小遠場測試距離R為88.99 m,本次諧波輻射發(fā)射測試實際選擇遠場測試具體為100 m。

        圖3所示為基于改進型現(xiàn)場測試方法測試的相控陣天線諧波輻射發(fā)射測量曲線。圖中分析可知,最小分辨率帶寬設置為50 kHz,基波、二次諧波和三次諧波接收機實測讀數(shù)分別為3.93 dBm、-71.06 dBm和-82.44 dBm。校準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),該型相控陣雷達天線的諧波輻射發(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)面也驗證了改進型諧波輻射發(fā)射抑制測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的相控陣雷達天線諧波輻射發(fā)射改進型測試方法,構(gòu)建了相控陣雷達天線諧波測試系統(tǒng),并以某型相控陣雷達天線諧波輻射發(fā)射測試為例,驗證了該方法在雷達天線有效輻射功率測定,分辨率帶寬設置等諧波輻射發(fā)射測試細節(jié)等方面,具有較強的工程可行性。

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