某火控雷達(dá)天線內(nèi)場平面近場測試系統(tǒng)的設(shè)計(jì)＊

陳啟水 黃萬年 蔣志勛

（海軍702廠 上海 200434）

1 引言

雷達(dá)是艦船的主要電子裝備，擔(dān)負(fù)著火力控制、導(dǎo)航、搜索警戒等多種任務(wù)。隨著服役時(shí)間的增長，使用頻繁，雷達(dá)故障率已逐步上升，維修保障任務(wù)也越來越重，做好這些雷達(dá)裝備的維修保障工作非常重要。這些雷達(dá)的天線安裝在艙室外，常年經(jīng)受風(fēng)吹雨淋日曬、鹽霧侵蝕、震動(dòng)沖擊，難免出現(xiàn)銹蝕嚴(yán)重、性能下降、甚至結(jié)構(gòu)變形等問題。在對(duì)這些天線進(jìn)行全面修理時(shí)，需將天線拆回內(nèi)場進(jìn)行修理，如何確保內(nèi)場能模擬真實(shí)的雷達(dá)電磁環(huán)境，對(duì)雷達(dá)天線性能進(jìn)行全面測試，是對(duì)這些雷達(dá)天線進(jìn)行維修急需解決的問題［1～3］。本文從某火控雷達(dá)天線內(nèi)場平面近場測試系統(tǒng)設(shè)計(jì)方面進(jìn)行一些探索研究。

2 天線平面近場測試方案

2.1 遠(yuǎn)場測試原理

在低旁瓣天線測試中，天線口徑上的照射波平方律相位誤差致使天線所測旁瓣（主要是第一旁瓣）電平有一定的抬高，為使抬高的電平減小到允許的誤差范圍內(nèi)，就要求遠(yuǎn)場測試距離選定為

其中，Rf為遠(yuǎn)場測試距離，單位m；Qd為距離歸一化系數(shù)，其按式（2）計(jì)算；Rfo為基準(zhǔn)測試距離，滿足式（3）要求［4～5］，單位 m。

其中，SL1為第一旁瓣電平設(shè)計(jì)值，單位dB；Δ1為允許的第一旁瓣電平測試誤差正分貝數(shù)。

其中，D為天線的口徑，單位m；λ為波長，單位m。

由式（1）、式（2）可見，測試距離與所測第一旁瓣電平分貝數(shù)的平方成正比，與允許的第一旁瓣電平測試誤差正分貝數(shù)成反比。以Δ1＝1dB為例，旁瓣電平為－40dB時(shí)的測試距離是旁瓣電平－20dB時(shí)的4倍。

根據(jù)上述討論，由于低旁瓣測試要求，就導(dǎo)致較遠(yuǎn)的測試距離，當(dāng)然也就要求更高的質(zhì)量測試場，而一般場地條件是不符合低旁瓣電平測試的，要把較遠(yuǎn)距離周圍的雜散電平控制在所需要的電平之下的難度相當(dāng)大。

眾所周知，滿足天線遠(yuǎn)場測試的最小距離應(yīng)滿足式（3）要求［5］，在低旁瓣天線測試時(shí)，當(dāng)天線口徑為1m，對(duì)于χ波段，最小測試距離為67m。當(dāng)Qd＝4，按式（1）計(jì)算其測試距離為268m，由目前的國內(nèi)外微波暗室建造情況來看，暗室的長度還沒有超過50m的。建造一個(gè)幾百米，乃至上千米的大微波暗室，成本將非高昂，尺寸太大，也是不可能的。

因此，我們應(yīng)找最佳的測試方法，也就是能在微波暗室內(nèi)進(jìn)行的天線平面近場測試或壓縮場測試。因此選擇天線平面近場測試的方案。

圖1 天線平面近場測試系統(tǒng)方框圖

2.2 平面近場測試原理

天線平面近掃描測試方法，是探頭距待測天線在較近的距離上（一般不超過10λ），應(yīng)用小口徑探測器（通常用的是開口波導(dǎo)或偶極子）測得與天線口徑面相近似的近場幅相分布，應(yīng)用近場分布與波數(shù)譜函數(shù)間的傅氏變換關(guān)系，求得波數(shù)譜函數(shù)［6］，而遠(yuǎn)場方向圖就是波數(shù)譜函穩(wěn)相點(diǎn)時(shí)的值。在測試中所要求的推算角度范圍總是有限的，所以在測試平面上測試近場可以用抽樣技術(shù)，抽樣間隔一般不大于λ／2［4］，但也不可小于λ／4。大于λ／2時(shí)推算范圍小，且在有效范圍之外會(huì)產(chǎn)生嚴(yán)重的推算錯(cuò)誤。小于λ／4時(shí)，就如信號(hào)分析中產(chǎn)生的頻譜重疊的結(jié)果相似，也會(huì)產(chǎn)生較大的推算錯(cuò)誤。

3 平面近場測試系統(tǒng)設(shè)計(jì)

3.1 系統(tǒng)組成

天線平面近場測試系統(tǒng)原理方框圖如圖1所示，它由下列三個(gè)分系統(tǒng)與探測器專用設(shè)備組成［9～11］。

3.1.1XYZ探測器坐標(biāo)裝置

它是完成探測器按照程序指令進(jìn)行運(yùn)動(dòng)的平面近場測試系統(tǒng)基本結(jié)構(gòu)設(shè)備，它所決定的探測器位置精度是全系統(tǒng)運(yùn)動(dòng)至關(guān)重要的技術(shù)指標(biāo)。該裝置可以實(shí)現(xiàn)探測器在XY平面上進(jìn)行機(jī)械掃描（一維坐標(biāo)步進(jìn)或連續(xù)行進(jìn)）。

3.1.2 探測器坐標(biāo)裝置的驅(qū)動(dòng)設(shè)備及探測器定位設(shè)備

它是與XYZ探測器坐標(biāo)裝置相配合的電氣設(shè)備及定位設(shè)備。單純地要求機(jī)械坐標(biāo)裝置結(jié)構(gòu)上高精度是不合理的，但過度地放寬結(jié)構(gòu)精度將導(dǎo)致整個(gè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)失敗，激光設(shè)備的應(yīng)用可對(duì)探測器位置精度精確測定，應(yīng)用微機(jī)對(duì)近場數(shù)據(jù)進(jìn)行修正［8］，從而可在很大程度上減輕探測器坐標(biāo)裝置的結(jié)構(gòu)精度的壓力，所以，它是實(shí)現(xiàn)展寬測試系統(tǒng)工作頻率和天線低旁瓣測試的關(guān)鍵設(shè)備。

3.1.3 近場參數(shù)自動(dòng)測試與推算設(shè)備

它是接收測試近場幅相數(shù)據(jù)及發(fā)出自動(dòng)化測試指令，完成系統(tǒng)現(xiàn)代測試的中心設(shè)備。

3.2 測試設(shè)備規(guī)模設(shè)計(jì)

根據(jù)被測天線的要求：被測低旁瓣天線口徑為3.6m×2m，對(duì)測試設(shè)備中的關(guān)鍵設(shè)備探測器坐標(biāo)裝置進(jìn)行設(shè)計(jì)。

3.2.1 有限掃描平面誤差

有限掃描平面誤差按式（4）計(jì)算設(shè)計(jì)，為了減小該誤差，探測器坐標(biāo)裝置的最大掃描口徑應(yīng)盡可能地比被測天線口徑要大。然而，過大掃描口徑的要求必須導(dǎo)致坐標(biāo)裝置的增大，在現(xiàn)在工藝水平條件下必然導(dǎo)致結(jié)構(gòu)精度要求過高與結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)更加困難。所以掃描口徑的選擇應(yīng)適中，以滿足推算遠(yuǎn)場方向圖有足夠大的可信域半張角為設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)。

其中，ΔL為有限掃描誤差；α為口徑照射系數(shù)；L為有限掃描平面邊長，單位m；A為待測天線物理面積，單位m2；χ為掃描平面邊緣電平與最大值相比下降的dB數(shù)；g（r）為遠(yuǎn)場方向圖電平歸一化值的倒數(shù)；Qc為推算可信域半張角［7］。

可信域半張角Qc如圖2所示，其推算按式（5）。

其中，Zo為測試距離，單位m；d為被測天線口徑，單位m。

由于近區(qū)場測試距離比口徑場測試距離遠(yuǎn)得多，所以，考慮近場測試設(shè)計(jì)平面時(shí)，要求測試距離Zo＝5λ，可信域半張角Qc＝45°，由此按式（5）可推算得到式（6）：

按式（6）計(jì)算：當(dāng)天線水平方向口徑d為3.6m，λ為0.15m時(shí)，L為5.1m；當(dāng)天線垂直方向口徑為2m 時(shí)，λ為0.15m時(shí)，L為3.5m。

圖2 可信域半張角Qc

3.2.2 設(shè)備功能的擴(kuò)展能力

我們稱上述計(jì)算的L值為額定有限掃描平面口徑尺寸，實(shí)際設(shè)備所能達(dá)到的掃描平面坐標(biāo)比額定值要大些，稱為最大掃描平面口徑尺寸Lmax。本設(shè)計(jì)中取功能擴(kuò)展系數(shù)5.3m和3.7m，最大掃描平面口徑可達(dá)5.3m×3.7m。水平導(dǎo)軌8.4m，垂直導(dǎo)軌取4.8m。

3.3 系統(tǒng)主要性能指標(biāo)

3.3.1XYZ探測器在XY軸系上的有效掃描范圍尺寸

微波暗室的設(shè)計(jì)為最大橫截面積尺寸（凈空）11m×6m，去掉屏蔽層和吸波材料占去的空間，暗室的橫截面為10.2m×5.2m，從而考慮XYZ探測器坐標(biāo)裝置的最大有效掃描約為5.3m×3.7m，再考慮待測天線口徑應(yīng)小于最大有效掃描平面，故確定最大可測天線口徑為3.6m×2.0m。

3.3.2 探測器位置精度

天線近場測試幅相數(shù)據(jù)是由探測器離散的各預(yù)定取樣點(diǎn)位置上取得的，然而，預(yù)定取樣點(diǎn)位置與實(shí)際取樣點(diǎn)位置，并不可能理想的吻合，這樣，由于探測器位置誤差將引起幅相測試誤差，特別是Z軸向的位置誤差將引起與工作頻率有關(guān)的嚴(yán)重的相位誤差，同一誤差值時(shí)所引起的相位誤差將正比于工作頻率［8］。由于我們設(shè)計(jì)的天線幅相分布都是緩變函數(shù)（超增益天線除外），所以在XY軸向上的誤差比Z軸向同一誤差值所引起的幅相誤差小得多，隨著天線口徑尺寸增大，取樣點(diǎn)位置的增多，XY軸向位置誤差的影響也將隨之減小。待測天線在平面近場測試中，探測器在Z軸向的位置誤差引起的旁瓣電平誤差可按式（7）求出：

其中，ΔSLL為允許的旁瓣電平誤差；SLL為以電壓為單位的旁瓣電平；△Zmax為Z軸向最大位置誤差，單位mm；λ為工作波長，單位mm。

例如：某天線工作頻率f＝2GHz（λ＝15mm），天線旁瓣電平SLL＝－40dB即gr＝100，若要求推算電平誤差△SLL為1dB時(shí)，所要求的探測器位置精度由式（7）可知：

相應(yīng)X、Y軸系位置誤差可適當(dāng)放寬為

由此可見，在有效掃描范圍5.3m×3.7m的平面上的如此高的精度要求是很苛刻的，所以，在設(shè)計(jì)XYZ探測器坐標(biāo)裝置時(shí)，必須首先保證Z軸上的高精度設(shè)計(jì)，而且應(yīng)配備激光定位設(shè)備，定位精度應(yīng)比探測器坐標(biāo)裝置的精度高出許多才有實(shí)用的意義。

3.3.3 近場幅相測試精度

影響近場測試幅相數(shù)據(jù)精度的因素很多［5］，諸如探測器對(duì)近場的擾勁，探測器與待測天線的互耦，微波暗室的多次反射，還有上述的探測器位置誤差等，然而，儀表測試誤差，往往是起決定性作用的因素。根據(jù)以往的近場測試，高穩(wěn)定的信號(hào)源和高精度幅相接收設(shè)備是確保幅相測試精度的必備設(shè)備?？蛇x用先進(jìn)的近場測試儀表設(shè)備天線分析儀及矢網(wǎng)分析儀，動(dòng)態(tài)范圍在60dB線性范圍的精度為

3.3.4 測試系統(tǒng)技術(shù)要求

本系統(tǒng)的測試和推算功能達(dá)到全自動(dòng)化，主要有：

1）測器在X、Y軸向有掃描程序控制，行程大小控制，采樣間隔選擇與掃描速率選擇；非采樣狀態(tài)X、Y軸向最大掃描速度0.15m／s，采樣狀態(tài)X、Y軸向掃描速度為0.05m／s；

2）在程序控制的預(yù)定的采樣點(diǎn)上進(jìn)行幅相值測試；

3）應(yīng)用激光定位設(shè)備輸出的數(shù)據(jù)對(duì)采樣相位修正，給出修正后的相伴數(shù)據(jù)；

4）在微機(jī)上，由近場數(shù)據(jù)推算出遠(yuǎn)場方向圖；或?qū)⒔鼒龇鄶?shù)據(jù)記錄，后期脫機(jī)計(jì)算。

3.3.5 探測器

探測器在近場測試中是很關(guān)鍵的［5］，其技術(shù)要求為：

1）探頭及其連接設(shè)備引起的場失真應(yīng)不嚴(yán)重影響測試精度；

2）探頭的尺寸必須小到能足夠以測試出某一點(diǎn)的場；

3）探頭必須具有純度很高的線極化，以便測試場的任意極化分量；

4）探頭必須有輸出足夠大的信號(hào)電壓供精確測試之用；

5）帶寬內(nèi)駐波SVWR≤1.5。

3.3.6 機(jī)械部分

1）平面掃描架有效掃描范圍。

平面掃描近場最大有效掃描范圍為5.3m×3.7m，水平軌道為8.4m，垂直軌道為4.8m，探頭伸縮≥300mm。根據(jù)公差理論計(jì)算，導(dǎo)軌及探頭的掃描精度為：

2）單向X軸向定位精度均方根誤差≤0.1mm；

3）單向Y軸向定位精度均方根誤差≤0.1mm；

4）單向Z軸向定位精度均方根誤差≤0.1 mm；

5）Z方向（有效掃描范圍內(nèi)）綜合性均方根誤差≤0.35mm；

6）探頭坐標(biāo)與待測天線（或待測物）之間距離采用手動(dòng)，X、Y方向由微機(jī)控制。

3.3.7 配套設(shè)備

1）大功率電源一套；

2）步進(jìn)電機(jī)；

3）伺服傳動(dòng)部分（齒輪或齒條）；

4）測試控制部分：微機(jī)與接口，測試控制軟件。

3.3.8 地基要求

水平導(dǎo)軌（X軸向）的長為8.4m，其主導(dǎo)軌與副導(dǎo)軌之間的距離為1.5m，為了確保掃描的精度，要求有堅(jiān)硬的水平的專用地基，在安裝天線平面掃描架的位置上，即9m×2m的暗室地面上，深挖1.5m，若有屏蔽，在深挖的坑道先進(jìn)行屏蔽，再澆灌水泥和預(yù)埋件，便于將來固定粗導(dǎo)軌。

4 結(jié)語

本文針對(duì)某火控雷達(dá)天線的技術(shù)特點(diǎn)，有針對(duì)性地設(shè)計(jì)了該型雷達(dá)天線的內(nèi)場平面近場測試系統(tǒng)。本文從天線平面近場測試原理、平面近場測試系統(tǒng)組成、系統(tǒng)主要性能指標(biāo)等方面對(duì)該系統(tǒng)進(jìn)行了全面的介紹。依據(jù)該設(shè)計(jì)方案建設(shè)系統(tǒng)后，可對(duì)該型雷達(dá)天線性能內(nèi)場進(jìn)行全面測試，可保證該型雷達(dá)天線的維修質(zhì)量，同時(shí)，該設(shè)計(jì)方案也可為其他雷達(dá)天線的內(nèi)場近場測試系統(tǒng)設(shè)計(jì)提供參考。

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