一種基于平面近場(chǎng)測(cè)量的線陣天線快速檢測(cè)方法研究

陳曉昕,石　磊,肖　鴻

(中國(guó)船舶重工集團(tuán)公司第七二四研究所,南京 211153)

一種基于平面近場(chǎng)測(cè)量的線陣天線快速檢測(cè)方法研究

陳曉昕,石磊,肖鴻

(中國(guó)船舶重工集團(tuán)公司第七二四研究所,南京 211153)

摘要：討論了平面近場(chǎng)測(cè)量中的參數(shù)設(shè)置,結(jié)合平面近場(chǎng)測(cè)量理論和陣列天線理論提出一種快速線陣天線檢測(cè)方法,實(shí)測(cè)表明此方法簡(jiǎn)單易行,可靠高效。

關(guān)鍵詞:相控陣?yán)走_(dá)；陣列天線；平面近場(chǎng)測(cè)量

0引言

隨著各種通信技術(shù)及相關(guān)軍事需求的發(fā)展,相控陣?yán)走_(dá)的應(yīng)用日益廣泛。有效作用距離遠(yuǎn)、多目標(biāo)跟蹤等功能決定了天線的孔徑越來(lái)越大。構(gòu)成天線陣列的單元越來(lái)越多。如何快速有效地檢測(cè)出一致性較差的陣元變得尤為重要。相比于傳統(tǒng)的遠(yuǎn)場(chǎng)天線性能測(cè)試,暗室近場(chǎng)測(cè)量因測(cè)試精度高、消除了遠(yuǎn)場(chǎng)尺寸的限制、測(cè)試環(huán)境可控、不受天氣因素影響、一次測(cè)量可以獲得天線完整的遠(yuǎn)場(chǎng)信息且能全天候工作等優(yōu)勢(shì)得以廣泛應(yīng)用。然而,近場(chǎng)測(cè)試最大的弊端在于一次測(cè)量耗時(shí)長(zhǎng),要全部測(cè)試完并計(jì)算后才能獲得最終結(jié)果。這對(duì)于構(gòu)成大規(guī)模天線陣陣元的遠(yuǎn)場(chǎng)性能檢測(cè)構(gòu)成了極大的障礙。本文以一維等間距線性天線陣為例結(jié)合平面近場(chǎng)測(cè)量理論、陣列天線理論等提出一種快速檢測(cè)方法,極大地提高了測(cè)試的時(shí)間效率。

1平面近場(chǎng)測(cè)量的基本原理

平面近場(chǎng)測(cè)量就是用一個(gè)特性已知的探頭在離開(kāi)待測(cè)天線幾個(gè)波長(zhǎng)(一般3～10個(gè)波長(zhǎng))的某一平面上進(jìn)行掃描,測(cè)量天線在該平面上電磁場(chǎng)的幅度和相位分布,再通過(guò)嚴(yán)格的數(shù)學(xué)變換來(lái)確定天線的遠(yuǎn)場(chǎng)特性。該方法的基本思想是把待測(cè)天線在空間建立的場(chǎng)展開(kāi)成平面波函數(shù)之和,展開(kāi)式的加權(quán)函數(shù)包含著遠(yuǎn)場(chǎng)圖的完整信息,根據(jù)近場(chǎng)測(cè)量數(shù)據(jù)算出加權(quán)函數(shù)(通過(guò)二維傅里葉變換實(shí)現(xiàn)),進(jìn)而確定天線的遠(yuǎn)場(chǎng)方向圖。

依據(jù)電磁場(chǎng)理論,在均勻、無(wú)源區(qū)域內(nèi),空間任意一個(gè)時(shí)諧電磁場(chǎng)都可以表示成沿各個(gè)不同方向傳播的一系列平面電磁波之和,其一般解為

(1)

(2)

假設(shè)在z=d的平面上(d為常數(shù))電場(chǎng)的橫向分量可以測(cè)量得到,其表達(dá)式為

(3)

2一種簡(jiǎn)易近遠(yuǎn)場(chǎng)變換方法

文獻(xiàn)[3]依據(jù)經(jīng)典電磁場(chǎng)理論的惠更斯-基爾霍夫原理、等效原理結(jié)合已經(jīng)成熟的陣列天線理論提出一種簡(jiǎn)單易行的近遠(yuǎn)場(chǎng)變換方法:

在平面近場(chǎng)測(cè)量中,一般以待測(cè)天線作為發(fā)射天線,即輻射體。假設(shè)此輻射體被一封閉表面包圍,根據(jù)惠更斯-基爾霍夫原理和等效原理,則天線的遠(yuǎn)區(qū)輻射場(chǎng)可看作是該封閉表面上的等效切向電磁場(chǎng)或等效表面電磁流產(chǎn)生的。如能測(cè)得這個(gè)表面上的切向電場(chǎng)或者說(shuō)是表面電流,即可獲得天線遠(yuǎn)場(chǎng)的電磁特性。

如圖1所示,假設(shè)此封閉面為S1+S2,其中S2是位于待測(cè)天線最大輻射方向上、平行于天線口徑面的一個(gè)有限面積的矩形平面。對(duì)于有一定方向性的天線來(lái)說(shuō),只要S2 選的足夠大,即可認(rèn)為待測(cè)天線在這個(gè)封閉面上激勵(lì)的電磁場(chǎng)或表面電磁流只在S2 部分存在,而在S1 部分可以忽略不計(jì)。結(jié)合平面近場(chǎng)測(cè)試?yán)碚?用測(cè)試探頭在S2上掃描取樣,從而獲得在確定采樣點(diǎn)上的表面電流或表面電磁流(取決于所用是電場(chǎng)探頭還是磁場(chǎng)探頭)。這相當(dāng)于在S2平面上以采樣點(diǎn)上的電流源為組陣單元排成了一部陣列天線,待測(cè)天線在空間任一點(diǎn)的遠(yuǎn)區(qū)輻射場(chǎng)等效為此陣列天線在空間任一點(diǎn)的遠(yuǎn)區(qū)輻射場(chǎng)。

圖1　包圍待測(cè)天線封閉面的示意圖

由此,可以很方便地應(yīng)用平面陣列天線輻射理論中的許多成熟結(jié)論,近遠(yuǎn)場(chǎng)變換已經(jīng)等效為根據(jù)確定的單元激勵(lì)和單元位置關(guān)系求解陣列天線輻射場(chǎng)。設(shè)掃描平面位于XOY平面,XY方向取樣間隔分別為dxdy,取樣點(diǎn)數(shù)為MN,則待測(cè)天線的遠(yuǎn)區(qū)輻射場(chǎng)方向圖函數(shù)可以表示為[2]

(4)

式中?mn分別為(m,n)取樣點(diǎn)處等效表面電流源的幅度和相位。

采用由成都市氣象局與成都市勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院合作建立的地基GPS/MET網(wǎng)所提供觀測(cè)資料,使用美國(guó)麻省理工學(xué)院實(shí)驗(yàn)室開(kāi)發(fā)的 GAMIT10.4 軟件對(duì)成都市地基 GPS/MET網(wǎng)的觀測(cè)資料進(jìn)行大氣總延遲量解算。同時(shí),綜合考慮本地站的位置特點(diǎn)以及對(duì)聯(lián)合解算時(shí)站點(diǎn)的遠(yuǎn)近要求,解算時(shí)加入長(zhǎng)基線IGS站兩個(gè),分別為北京房山站和上海站。本地地基GPS站采用的是大邑站、成都站、蒲江站、龍泉驛站以及金堂站,其中地基GPS站具體地理分布如圖2所示。本文主要以2008年9月23—26日發(fā)生降水較明顯的成都市區(qū)和蒲江縣為例進(jìn)行可降水量分析。

當(dāng)平面近場(chǎng)測(cè)試掃描的是一條直線時(shí),此陣列等效為一維直線陣,在φ=0的平面式(4)可簡(jiǎn)化為

(5)

3掃描配置設(shè)定

掃描配置設(shè)定包括如下內(nèi)容:測(cè)試探頭到天線口徑面的距離、掃描范圍、取樣間隔以及掃描方式。

一般掃描方式多選擇雙向連續(xù)掃描,但單向掃描可以克服雙向掃描的取樣位置偏差。對(duì)于測(cè)試精度要求很高以及高頻待測(cè)天線可采用單向連續(xù)掃描或步進(jìn)掃描方式。當(dāng)取樣步長(zhǎng)很小時(shí)還需適當(dāng)降低掃描速度以減少測(cè)試誤差。這里掃描范圍和取樣間隔的大小直接決定了測(cè)試的時(shí)間效率(測(cè)試時(shí)間和計(jì)算時(shí)間)。

由取樣Nyquist定理可知,取樣間隔應(yīng)小于頻帶范圍內(nèi)最小半波長(zhǎng)[1]。也有文獻(xiàn)提出若只關(guān)心有限角度范圍內(nèi)的特性,如窄波束天線,采樣間隔可以適當(dāng)增大,進(jìn)而節(jié)省測(cè)試及數(shù)據(jù)處理時(shí)間[1,3]。

設(shè)待測(cè)天線口徑長(zhǎng)度A,最大可信遠(yuǎn)場(chǎng)角θs(即最大可信角域?yàn)?-θs,θs)),天線口徑面與掃描面之間的距離D,掃描范圍L,如圖2 所示。它們之間的關(guān)系如下:

(6)

圖2　天線口徑掃描范圍的約束關(guān)系

為了保證測(cè)試精度,所選掃描面尺寸應(yīng)滿足如下關(guān)系式:

L≥A+2Dtanθs

(7)

這便是掃描范圍的選擇原則:L必須使確定遠(yuǎn)場(chǎng)方向圖的適用角域滿足實(shí)際要求,同時(shí)測(cè)量面的大小應(yīng)保證邊緣處的電平已經(jīng)足夠低。一般選擇測(cè)量面截?cái)嗵幍膱?chǎng)比中心部位的低30～40dB(超低副瓣天線則更低)。這要結(jié)合測(cè)量系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)范圍及所要求的預(yù)計(jì)遠(yuǎn)場(chǎng)方向圖的范圍和精度。實(shí)際測(cè)試過(guò)程中,多是兩種方式相結(jié)合選擇掃描范圍相對(duì)較小的一種。

這里D一般取3～10個(gè)波長(zhǎng)[1]。相同θs和取樣間隔條件下,D越大則掃描范圍越大測(cè)試時(shí)間越長(zhǎng),數(shù)據(jù)量越大進(jìn)而增加了計(jì)算時(shí)間。文獻(xiàn)[2]中提到陣列天線的平面近場(chǎng)測(cè)量D通常選2～3個(gè)波長(zhǎng),相應(yīng)的典型取樣間隔為λ/3。如果采用電大尺寸探頭,則測(cè)量距離需選擇的較大,而且在平面近場(chǎng)測(cè)量條件下僅能測(cè)量主瓣附近的波瓣特性。筆者實(shí)測(cè)經(jīng)驗(yàn):考慮到探頭與天線之間的互耦效應(yīng)以及測(cè)試時(shí)間,一般D選4～5個(gè)波長(zhǎng),取樣間距≤0.5 λmin。

4應(yīng)用

4.1　方法提出

對(duì)于應(yīng)用在大型陣列天線作為子陣的一維線性陣天線,更多被關(guān)心的是它在某個(gè)切面上的遠(yuǎn)場(chǎng)特性。為了快速有效地實(shí)現(xiàn)直線陣篩選,本文結(jié)合上文快速算法提出通過(guò)減小不關(guān)注方向的掃描范圍,提高取樣間隔的掃描方式縮短測(cè)試、計(jì)算時(shí)間。實(shí)測(cè)結(jié)果與預(yù)期相符。具體設(shè)置如下:

(1) 縮小掃描范圍

探頭到天線的距離選3～5個(gè)波長(zhǎng)。在所關(guān)心的沿線陣方向上,設(shè)定掃描范圍滿足公式(7)以及中心到邊緣能量降低30～40dB規(guī)則。垂直方向不嚴(yán)格遵從上述設(shè)定掃描范圍原則,縮小測(cè)試范圍。取樣間距在0.5λmin附近。在同等測(cè)試條件下測(cè)試各線性陣遠(yuǎn)場(chǎng)性能(系統(tǒng)測(cè)試誤差相同),節(jié)約測(cè)試時(shí)間。

(2) 進(jìn)一步縮短掃描時(shí)間

在測(cè)試條件允許的情況下,將測(cè)試探頭盡可能靠近被測(cè)天線。在正對(duì)構(gòu)成線性陣的天線單元處采集電磁場(chǎng)的幅相數(shù)據(jù),應(yīng)用公式(4)計(jì)算遠(yuǎn)場(chǎng)向圖。這種測(cè)試方法充分利用了陣列天線陣元間距≥1/2λ,并忽略了覆蓋范圍可信角θs直接對(duì)天線陣元口面進(jìn)行測(cè)試,從而縮短了測(cè)試時(shí)間。

4.2　實(shí)測(cè)檢驗(yàn)

(1) 傳統(tǒng)掃描范圍設(shè)置測(cè)試與單行線掃描測(cè)試結(jié)果比較

圖3給出了一個(gè)由8根72單元等間距直線陣構(gòu)成的天線面陣,在探頭距離為4.7λ時(shí),幾種不同掃描配置下獲得的遠(yuǎn)場(chǎng)方向圖(MIT專業(yè)軟件計(jì)算):滿足傳統(tǒng)掃描范圍、取樣間隔配置；滿足傳統(tǒng)掃描范圍設(shè)置,取樣間隔大于 0.5λ；沿直線陣方向掃描范圍滿足傳統(tǒng)設(shè)置取樣間隔大于0.5λ,僅掃描一行。由圖可見(jiàn),前兩種掃描方式的測(cè)試結(jié)果相當(dāng),1行線掃描副瓣略有起伏但已在40dB以下?？梢?jiàn),在測(cè)試精度要求不嚴(yán)格的情況下,適當(dāng)擴(kuò)大取樣間隔的條件下,僅對(duì)中間直線陣掃描一行,就足以表現(xiàn)整體特性,極大地縮短了測(cè)試時(shí)間。在保證外圍直線陣元不變即在同樣測(cè)試背景下,更換中心行直線陣,比較單行掃描結(jié)果即可實(shí)現(xiàn)直線陣篩選。

圖3　8根72單元直線陣構(gòu)成面陣沿線陣

(2) 簡(jiǎn)易近遠(yuǎn)場(chǎng)變換方法應(yīng)用

下文以一48單元等間距一維線陣天線為例,給出了傳統(tǒng)計(jì)算方法(MIT專業(yè)軟件計(jì)算)和簡(jiǎn)易近遠(yuǎn)場(chǎng)變換方法在幾種不同掃描配置下的計(jì)算結(jié)果比較。天線陣沿X軸放置,掃描平面位于XOY平面。幾種掃描設(shè)置見(jiàn)表1,其中近距離1行掃描模式中,探頭沿直線陣中心掃描在正對(duì)陣元位置采集數(shù)據(jù)。

表1　掃描范圍設(shè)置

表2給出了這幾種掃描方式實(shí)測(cè)時(shí)間,測(cè)試時(shí)間比約為3∶4∶9∶12。這里測(cè)試時(shí)間為一次測(cè)試的起止時(shí)間,因包括測(cè)試參數(shù)配置、系統(tǒng)啟動(dòng)和停止等,所以1行、5行、7行掃描耗時(shí)不是嚴(yán)格的1∶5∶7關(guān)系。

掃描分類探頭距離DX軸方向采樣點(diǎn)數(shù)采樣間隔極限角Y軸方向采樣點(diǎn)數(shù)采樣間隔極限角近距離1行掃描0.18λ480.79λ/10/1行掃描4.4λ920.48λ56°10/5行掃描4.4λ920.48λ56°50.48λ13°7行掃描4.4λ920.48λ56°70.48λ20°

表2　測(cè)試時(shí)間

表3給出了分別采用MIT專業(yè)軟件和文中公式(4)簡(jiǎn)易近遠(yuǎn)場(chǎng)變換計(jì)算的幾種掃描模式下天線方位面的遠(yuǎn)場(chǎng)參數(shù),可見(jiàn)兩種計(jì)算方法結(jié)果相當(dāng)。

掃描分類測(cè)試時(shí)間(min)近單元測(cè)試1.51行掃描2.05行掃描4.57行掃描6.0

表3　兩種計(jì)算方法結(jié)果比較

圖4給出了該一維線性陣天線在幾種不同掃描方式下方位面遠(yuǎn)場(chǎng)方向圖,采用公式(4)的簡(jiǎn)易近遠(yuǎn)場(chǎng)變換方式計(jì)算。由圖4結(jié)合表3可見(jiàn),在確保沿直線陣方向掃描范圍滿足傳統(tǒng)設(shè)置要求的前提下,1行掃描足以表征該直線陣性能。在測(cè)試精度要求不是很嚴(yán)格的情況下,進(jìn)一步縮小測(cè)試探頭和待測(cè)天線的距離直接對(duì)構(gòu)成直線陣的陣元采集數(shù)據(jù),在比較近場(chǎng)口面數(shù)據(jù)作陣元診斷的同時(shí)也可獲得該天線的遠(yuǎn)場(chǎng)性能,測(cè)試時(shí)間進(jìn)一步縮短。

圖4　采用簡(jiǎn)易近遠(yuǎn)場(chǎng)變換計(jì)算的遠(yuǎn)場(chǎng)方向圖

綜上所見(jiàn),在對(duì)大批量一維線性陣天線性能檢測(cè)時(shí),適當(dāng)減少掃描范圍,提高采樣間距,可以在一定誤差范圍內(nèi)快速測(cè)量該天線陣性能,極大地縮短測(cè)試時(shí)間,提高測(cè)試效率。對(duì)于其他類似模式的線性天線陣列,當(dāng)只關(guān)心某個(gè)方向上的遠(yuǎn)場(chǎng)性能時(shí),均可采取此種方法測(cè)試。需要說(shuō)明的是:近單元測(cè)試方法忽略了探頭本身電性能對(duì)測(cè)試結(jié)果的影響,以及可能未完全衰減為零的凋落波的影響,在精度要求不高的情況下可以使用,由其近場(chǎng)實(shí)測(cè)的幅相數(shù)據(jù)也可以發(fā)現(xiàn)異常陣元；在有一定測(cè)試精度要求的情況下,采用方式(1)模式,掃描一行,滿足近場(chǎng)測(cè)試對(duì)探頭距離要求的同時(shí)保證某一測(cè)試方向符合近場(chǎng)測(cè)試范圍的要求,也可快速有效地獲得線陣遠(yuǎn)場(chǎng)特性,實(shí)現(xiàn)子陣篩選功能。

5結(jié)束語(yǔ)

本文在平面近場(chǎng)測(cè)量理論的基礎(chǔ)上結(jié)合經(jīng)典電磁場(chǎng)理論和陣列天線理論,提出一種對(duì)一維線性天線陣性能的快速檢測(cè)方法。實(shí)測(cè)表明在所關(guān)注的有限角度范圍內(nèi),獲得的某個(gè)方向的方向圖與傳統(tǒng)平面近場(chǎng)測(cè)量結(jié)果相符,極大地縮短了測(cè)試時(shí)間,提高了測(cè)試的時(shí)間效率。

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[4]Dan Slater.Near-field antenna measurements[M].Artech House Publishers,1991.

A fast linear array antenna detection method based on

planar near-field measurement

CHEN Xiao-xin, SHI Lei, XIAO Hong

(No. 724 Research Institute of CSIC, Nanjing 211153)

Abstract:The parameter setting for the planar near-field measurement is discussed, and a fast linear array antenna detection method is proposed based on the theory of the planar near-field measurement and the array antenna. The test results indicate that this method is simple, reliable and highly efficient.

Keywords:phased array radar; array antenna; planar near-field measurement

中圖分類號(hào):TN821.8

文獻(xiàn)標(biāo)志碼:A

文章編號(hào):1009-0401(2015)04-0050-04

作者簡(jiǎn)介:陳曉昕(1974-),女,工程師,碩士,研究方向:天線測(cè)量；石磊(1983-),男,工程師,碩士,研究方向:天饋線設(shè)計(jì)；肖鴻(1984-),男,工程師,碩士,研究方向:天線系統(tǒng)設(shè)計(jì)。

收稿日期:2015-04-28；修回日期:2015-05-27