天線罩相位誤差研究

李高生，徐弘光，曹群生

（1.中電科航空電子有限公司，成都 610000；2.南京航空航天大學 電子信息工程學院，南京 210016）

機翼天線罩內一般布置多個天線［1-3］，分別實現(xiàn)測向、定位與跟蹤等功能［4-6］。采用干涉儀測向時［7-9］，2個或多個天線的測向因為距離的原因，接收相位會產(chǎn)生一定的差值。由于天線-天線罩系統(tǒng)有天線罩的存在，不同天線處會產(chǎn)生不同的插入相位移，引入額外的相位誤差值，從而影響測向精度。

1 干涉儀測向

1.1 原理

干涉儀測向是通過測量不同波前天線接收信號的相位差，經(jīng)過處理獲取來波方向，比較2個天線之間的相位來獲得方向，因此稱為比相法［8］。最簡單的單基線相位干涉儀由2個信道組成，如圖1所示。

圖1 干涉儀測向原理Fig.1 Principle of interferometer direction finding

其中，天線視軸與平面波的夾角為θ，兩天線之間的距離為L，信號到達測向天線1和天線2，則兩天線由于距離L引起的信號相位差φA為［10］：

測量得到相位差φA后，若信號波長λ和天線之間距離L已知，則由式（1）可得輻射源信號到達方向θ為：

鑒相器無模糊的相位檢測范圍為［-π，π］，所以式（2）成立的條件為：-π≤φA≤π，θ≤0.5π。

對于固定天線，L是常量。式（1），（2）全微分，分析各項誤差的相互影響。

從式（4）看出，輻射源信號到達方向θ的誤差來源于信號相位差△φA和頻率不穩(wěn)定誤差△λ；在天線視軸方向（θ=0）的誤差最小。

1.2 仿真軟件FEKO驗證

使用仿真軟件FEKO驗證干涉儀測向原理的正確性，即采用2個不同位置的理想接收天線（如圖2所示）接收入射的平面波。FEKO中理想接收天線基于以下3個假設：不考慮天線阻抗匹配問題；理想接收天線是一個點源；不考慮理想接收天線之間的互耦效應。

圖2 FEKO理想接收天線示意Fig.2 Scheme of ideal receiving antenna in FEKO

仿真實例中，仿真頻率為1.654 GHz。入射平面波的θ在0°～60°間線性變化，采樣點數(shù)為16，φ=0°，幅值為1，相位0。設置了3個理想接收天線，編號分別為1，2，3，空間坐標分別為（0，0，0），（0.01，0，0），（0.02，0，0），如圖2所示。理想接收天線為source.ffe，source.ffe為9單元等間距泰勒分布直線陣生成的遠場文件［11-12］，9單元等間距泰勒分布直線陣方向如圖3所示。

如圖4所示，式（1）的計算結果作為理論值，仿真值由FEKO計算得到，橫坐標為平面波θ角，縱坐標為不同天線之間的相位差。圖4中分別給出了φA12和φA13理論和仿真值圖形，可以看出，兩者完全吻合，驗證了式（1）的正確性。

圖3 理想接收天線方向Fig.3 Direction of ideal receiving antenna

圖4 理論值和仿真值對比Fig.4 Comparison of simulated data and theoretical data

2 天線罩相位誤差

2.1 定義

圖5 天線罩及其天線位置分布Fig.5 Positions of radome and antenna

如圖5所示，考慮一個機翼天線罩內有6個天線，分別記為R1，R2，R3，R4，R5與R6。假設天線單元Ri、特定頻率f、極化p（垂直極化v或水平極化h）、俯仰角θ和方位角φ，此條件下的裸罩相位為PAi（f，p，θ，φ），加罩相位為PRi（f，p，θ，φ）；在天線罩系統(tǒng)仿真和測試中，加罩相位與裸罩相位的差值為插入相位移，記為DRi（f，p，θ，φ）。

假設有2個天線進行測向，則輻射源信號到達方向θ的計算公式（2）修改為：

由式（8）可以看出，天線罩的存在對內部天線測向產(chǎn)生了一定的影響，原因來自于不同位置的相位誤差，所以在機翼天線罩的設計中，應盡量減少天線罩不同位置的相位誤差值，下面將具體分析天線罩相位誤差產(chǎn)生的原因。

2.2 影響因素分析

圖6 天線罩相位誤差分析Fig.6 Analysis of radome phase error

由等效傳輸線理論分析可知［13-14］，相同入射角條件下，不同罩壁形式和厚度也會影響插入相位移大小。罩壁形式對應天線罩的罩壁設計，厚度對應天線罩的制作工藝水平，包括內、外蒙皮和芯層預成形工藝、組合固化工藝、粘結工藝、修磨工藝和噴漆工藝等。

綜上所述，天線罩相位誤差影響因素主要有3點：天線罩兩端曲率半徑的差異和外形曲面差異；天線罩罩壁結構的選擇；天線罩的制作工藝。

2.3 校正方法

2.3.1 方法介紹

如圖5所示，假設機翼天線罩內有n個天線，則天線罩相位誤差滿足：

式（10）中，C2n表示排列組合。下標限制條件i＜j是避免重復計入符號相反的相位誤差導致平均值為0，因為。天線罩相位誤差校正公式為：

2.3.2 實測結果與分析

根據(jù)天線罩性能指標要求，確定了滿足寬頻透波性能的A夾層結構天線罩，罩壁結構見表1。1，3層為玻璃布蒙皮，中間層為泡沫芯層。

表1 實測A夾層天線罩罩壁結構Table 1 Parameters of radome structure

由等效傳輸線理論分析可知，介質材料組成的天線罩主要矛盾來自于垂直極化，只要垂直極化能夠滿足，平行極化一般均能滿足，因此，著重測量了天線罩垂直極化情況。如圖5所示，待測天線為6個天線組成的天線陣列，測試頻段為2～18 GHz。為不失一般性，測試選取了位于邊緣的R6、次邊緣的R2、中間位置的R3與R4裸天線和加天線罩測試。整罩測試中［15］，EUT即為天線-天線罩系統(tǒng)。除平板測試的注意事項外［14］，還需要考慮以下因素：

1）天線罩測試中，天線罩支架使用吸波材料覆蓋，以減少由支架引起的電磁干擾。如圖7所示，支架為玻璃鋼材料，機械強度高，反射小，質量輕。

圖7 吸波材料覆蓋的天線罩支架Fig.7 Radome holder covered by wave-absorbing material

2）測試中，天線饋線應盡可能縮短，避免高頻信號衰減及干擾問題（如圖8所示）。

圖8 測試中的天線-天線罩系統(tǒng)Fig.8 Antenna-radome system under test

3）應盡量避免裝/取天線罩操作對天線位置和饋電系統(tǒng)的影響，確保裝/取操作前后天線位置和饋電系統(tǒng)不變。為評估操作的影響，可選擇特定測試條件（特定天線位置、頻率、極化）重復2～3次裝/取天線罩操作，分別得到2～3次透波率和插入相位移數(shù)據(jù)，如果各次所得數(shù)據(jù)一致（相差足夠小），則可判定該項操作引入的額外測量誤差可忽略。測試中選取了R2位置重復測量2～3次，通過數(shù)據(jù)比較，結果基本一致，排除了人工操作引入額外誤差的可能性。

為了查看相位誤差處理前后的差異，選擇了俯仰角θ=0°時的3個頻點數(shù)據(jù)進行觀察，分別為2，8，12 GHz。1個頻點有2個圖形，分別為校正前和校正后的相位誤差，具體參考式（6）和（11）。數(shù)據(jù)處理時，插入相位移須換算到主值范圍［-π，π］內。

由圖9可以得出以下幾點。

圖9 校正前后相位誤差Fig.9 Radome phase error before and after correction

1）校正后的相位誤差平均值為0°，大部分數(shù)值被約束在一個范圍內，如頻率2，8，12 GHz分別被約束在［-15°，15°］，［-20°，20°］，［-20°，20°］。由上述約束范圍可計算天線罩自身產(chǎn)生的測向誤差，進而和指標對比，進行天線罩罩壁的再設計或提高制作工藝。

2）假設L=0.1 m，則在8，12 GHz由天線罩相位誤差引起的到達角θ誤差分別為1.1937°和0.7958°，可見天線罩引起的測向誤差已不能忽略。

3）頻率為8，12 GHz的相位誤差圖中，R24，R34和R46在負的大角度時相位差值較大（未給出的其他頻點表現(xiàn)出了同樣的規(guī)律，高頻比較明顯），3條曲線均與4號天線有關。試驗中，對其進行了重復測量，結果沒有變化，排除了由測試操作問題引入錯誤的可能性。負的大角度測試狀態(tài)，天線罩曲率半徑較小端與接收天線的距離較天線罩曲率半徑較大端遠，入射角相對正的大角度測試狀態(tài)較大，相位變化比較劇烈。

3 結語

天線罩相位誤差是由天線罩指標引出的概念，結合測向原理，文中給出了其定義。同時通過理論分析與實物測量的結合給出了天線罩相位誤差影響因素：兩端曲率半徑差異、罩壁結構選擇和制作工藝。天線罩作為飛行器或艦載設備的部件，曲率半徑一般是固定的，所以約束天線罩相位誤差的2個重要方面為優(yōu)化罩壁結構和提高工藝水平。干涉儀測試中，天線罩相位誤差需要約束到一個范圍內，文中給出了校正方法，并通過實測進行了驗證。天線罩的存在會對測向引入一定的誤差，內部存在一個天線時可以用瞄準誤差或瞄準誤差率說明，存在多個天線時，會引入天線罩相位誤差，從而影響測向，此問題具有一定的研究意義。

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