天線罩電性能遠場測試系統(tǒng)的研究與構建

張三愛

摘要：隨著電子設備自動測試技術的發(fā)展，自動測試技術已廣泛應用于各個行業(yè)，為完成天線罩電性能測試任務，經研究分析，需要建立天線罩電性能遠場測試系統(tǒng)。因此，天線罩測試系統(tǒng)的構建需要經多次論證、分析最終確立最優(yōu)化設計。

關鍵詞：全封閉微波暗室；天線罩電性能；測試系統(tǒng)；主反射區(qū)；暗室靜區(qū)

中圖分類號：TP274 文獻標識碼：A 文章編號：1009-2374（2013）11-0018-03

隨著自動測試技術的發(fā)展，機載加裝各類天線、雷達日益增多，大量的電性能測試任務需要完成，面對繁重測試任務和大量測試費用以及不斷延長的測試周期，故投資建設天線罩電性能測試系統(tǒng)，以減少測試經費、縮短試驗周期。

1 天線罩電性能遠場測試微波暗室的構建

1.1 發(fā)射支架高度與轉臺放置高度的設計及對測試的影響

1.1.1 天線罩測試架設離地面高度的設計依據公式（1）進行計算：

H——天線中心到地面的距離（m）

R——收/發(fā)天線之間的距離（m）

φ——發(fā)射天線方向圖主瓣最大值與第一個副瓣之間的夾角（rad）

一般天線安裝高度應大于或等于收發(fā)天線距離乘以天線副瓣的最小值與主波束夾角的乘積，避免第一副瓣在地面的反射波進入接收天線（即保證被測件完全處于暗室靜區(qū)內，較小，消除系統(tǒng)誤差），引起測試誤差。

1.1.2 天線發(fā)射支架的具體設計思路為天線罩發(fā)射支架是用于天線罩測試時進行信號發(fā)射或接收的支架，保證發(fā)射支架天線的相位中心與接收天線的相位中心一致。發(fā)射天線支架由水平、垂直及極化旋轉三自由度組成。發(fā)射支架分為5個部分：滑動機構、固定底盤、Y向支架、X向支架、極化旋轉等。滾動機構用來進行不同天線測試時的測試距離的改變，固定底盤為承重件，承受天線和儀器設備的重量，Y向支架主要用于實現高度尺寸，X向支架發(fā)射和接收距離微調節(jié)，極化旋轉主要用于試驗時的信號極化轉換。在天線罩測試時收發(fā)天線的測試距離的選擇應充分滿足天線罩遠場測試要求，距離計算公式：

式中：

R——收/發(fā)天線之間的距離（m）

D1——發(fā)射天線的口徑（m）

D2——接收天線的口徑（m）

λ——發(fā)射機的工作波長（m）

C——光速

f——測試時候的最低頻率點

按公式計算出收發(fā)天線的測試距離，調節(jié)收發(fā)天線水平方位，使得頻譜分析儀上接收到的信號最大，說明測試系統(tǒng)距離選擇完畢。

1.2 天線罩測試暗室的設計

天線罩測試暗室是一個全封閉微波暗室，信號的發(fā)射與接收在暗室內部完成，暗室的凈尺寸：28×14×14，該尺寸設計考慮到大尺寸天線罩的測試，長度確定因素依據被檢測天線罩尺寸和使用的最高頻率。這些因素確定平面波照射的遠場特點，為了滿足天線口面上電磁波的最大相位差不大于π/8，必須：R≥2D2/λ（2D發(fā)射接收天線口面相等）。一般待測天線到暗室后墻的距離約等于暗室寬度W的一半，發(fā)射天線距暗室前墻的距離R1約1m到W/2，暗室總長：L=2D2/λ+W/2+ R1；暗室的寬度和高度由材料允許的入射角決定?；騑=Rcotθ。要求入射角θ<60°。原因：（1）為了最有效應用吸波材料，當入射角

θ>60°時，吸波材料性能下降很大，直接影響暗室性能。（2）兼顧多頻段試驗，入射角θ與吸波材料L/λ的大小和斜入射性能相關?？紤]經濟和最佳電性能等選用長寬比例在2∶1～3∶1之間。（3）選用暗室高度等于寬度，交叉極化特性好同時減少信號損耗，測試大門應避開暗室主反射區(qū)。

1.3 吸波材料的選擇

角錐形泡沫吸波材料，其角錐或楔形結構使傳輸阻抗盡可能與周圍的空氣介質的阻抗接近。角錐長度與欲吸收的電磁波頻率有關。頻率愈低，則角錐長度愈大。通常應大于或等于最低吸收頻率的1/4波長。選用的吸波材料，具體的計算公式為（3）：

f——測試用最低頻率

c——光速度

L——吸波材料角錐高度

1.4 轉臺的選擇

對于天線罩電性能測試，模擬實際天線與罩子狀態(tài)，轉臺選用4自由度的三軸電機自動控制轉臺，通過自控系統(tǒng)進行測試精度定位。轉臺的4自由度對天線罩的方位、俯仰、橫滾以及前后的運轉，天線罩測試轉臺方位設置有可拆卸限位裝置，方便滿足測試要求。

1.5 儀器設備和測試系統(tǒng)的選擇

測試系統(tǒng)通過GPIB卡、電纜及測試軟件將頻譜分析儀、信號源、矢量網絡分析儀、天線罩測試臺、發(fā)射支架或轉臺、監(jiān)視器、對講電話等連接在一起構成，測試系統(tǒng)可完成天線罩的功率傳輸系數、方向圖、功率反射系數、波束偏移、插入相位延遲等多項性能指標測試。

2 測試系統(tǒng)的構建

2.1 測試軟件的設計

測試軟件包括轉臺、儀器控制和數據采集兩大部分：轉臺控制軟件可進行轉臺3個自由度控制，自由選擇轉角和轉動控制模式，可在控制界面上觀察信號傳輸的正確性，具體反饋跟蹤實際的轉角；儀器控制軟件將頻譜分析儀、信號源、矢量網絡分析儀、天線罩測試轉臺集成在一起，通過GPIB卡、光纜和軟件界面儀器設備的初始化設置，完成初始設置；數據采集軟件主要完成測試數據的采集和記錄，并且進行處理和保存，最終輸出。

2.2 儀器設備的集成

儀器設備的集成依據圖1所示的連接圖：

3 測試方法的選擇分析

3.1 功率傳輸系數

當天線罩和天線的位置確定后，功率傳輸系數|T|2用加罩天線方向圖主瓣功率最大值Ps（∝Es2）與加罩前天線方向圖主瓣功率最大值P0（∝E02）比值的百分比或分貝數標識，即：

|T|2（%）=（Ps/P0）×100%或|T|2 （dB）=10lg

（Ps/P0）（dB）

式中：

T——功率傳輸系數

Ps——有罩時接收機接收的功率值

P0——無罩時接收機接收的功率值

3.2 功率反射系數

功率反射系數即天線罩引起的反射功率與入射功率的比值。

R=（10S11有/10-10S11無/10）×100 %

式中：

R——功率傳輸系數

S11有——有罩時引起的反射功率值

S11無——無罩時接收機接收的功率

3.3 方向圖畸變

比較接收天線空臺和帶罩方向圖，判斷雷達罩的引入對天線方向圖引起的失真現象。記錄罩子與天線同步掃描的各采樣點上的和差信號，即可繪制出方向圖曲線。測試框圖如圖2。

3.4 波束偏移

不安裝天線罩，用矢量網絡分析儀測出接收天線的差信號，用求出的差信號和相對應的位置關系建立定標曲線；加上罩子后通過天線罩每一位置的差信號值查定標曲線從而得出瞄準誤差的值，然后建立天線罩每一個位置的瞄準誤差曲線。

3.5 插入相位延遲

天線罩的相位延遲是指穿過天線罩電磁波的相位相對于移去罩后電磁波在同一點的相位差。可用矢量網絡分析儀來測量。

4 天線罩工裝夾具的設計

天線罩形狀、大小不一，對轉臺來說不可能滿足所有天線罩的尺寸，這就需做大量工裝夾具，夾具的設計不但要滿足實際天線與罩子的轉動狀態(tài)，而且還要滿足轉臺和罩子間相對尺寸的變化。

5 數據分析及數據處理

按照每個測試項目要求及計算公式分別計算各俯仰、方位狀態(tài)下的測值，分析功率傳輸系數、功率反射系數、瞄準誤差、方向圖畸變等測試數據指標，是否符合技術要求。最終進行試驗合格性判定，判斷各項試驗數據是否滿足技術指標的要求

6 測試系統(tǒng)誤差分析

測試系統(tǒng)中引起測試誤差的因素：（1）測試系統(tǒng)設備不穩(wěn)定引起的；（2）測試方法及測試人為引起的；（3）測試系統(tǒng)中轉臺、夾具以及強反射體的裸露部分反射、繞射等引起的；（4）被測體外形尺寸、厚度、生產工藝等的合理性引起的；（5）測試暗室修建的合理性（測試距離、架設高度、吸波材料等）引起的；（6）軟件采集系統(tǒng)設置的合理性引起的等。

因此，天線罩測試系統(tǒng)的構建需要經多次論證、分析最終確立最優(yōu)化設計，兼顧各方面的要求，達到經濟、最佳電性能試驗的目的。

（責任編輯：周 瓊）