陣元失效條件下的陣列天線性能測(cè)試方法

王茂磊，張　達(dá)，肖勝紅，趙景斐

(1.北京衛(wèi)星導(dǎo)航中心，北京 100094；2.中科院上海天文臺(tái)，上海 200030)

陣元失效條件下的陣列天線性能測(cè)試方法

王茂磊1，2，張達(dá)1，肖勝紅1，趙景斐1

(1.北京衛(wèi)星導(dǎo)航中心，北京 100094；2.中科院上海天文臺(tái)，上海 200030)

摘要針對(duì)陣元失效條件下陣列天線性能測(cè)試的問(wèn)題，分析了陣元失效對(duì)陣列天線方向圖造成影響的機(jī)理，并給出了失效條件下方向圖的仿真結(jié)果。針對(duì)陣列天線的陣列形式及系統(tǒng)架構(gòu)，設(shè)計(jì)了一種陣元失效條件下陣列天線性能指標(biāo)的測(cè)試方法，并進(jìn)行了試驗(yàn)測(cè)試驗(yàn)證，試驗(yàn)結(jié)果表明了該方法的可行性和正確性。

關(guān)鍵詞陣列天線；陣元失效；測(cè)試方法

Methodfor Testing Array Antenna Performance in Presence of Element Failure

WANG Mao-lei1,2,ZHANG Da1,XIAO Sheng-hong1,ZHAO Jing-fei1

(1.BeijingSatelliteNavigationCenter,Beijing100094,China;

2.ShanghaiAstronomicalObservatory,Shanghai200030,China)

AbstractThe test of array antenna performance inpresence of element failure is discussed in the paper.The the effect of element failure on array antenna beam-pattern is analyzed,and the pattern simulation results in presence of element failure are provided.A new method of array antenna performance test in presence of element failure is given based on the array shape and system structure.The method is used in an array antenna test experiment and the results prove itsfeasibility and correctness.

Key wordsarray antenna;element failure;testing method

0引言

陣列天線是由許多相同的單元天線按一定規(guī)律排列組成的天線系統(tǒng)，通過(guò)控制各個(gè)單元天線的幅度、相位值可以在指定的方向上形成指向性的波束，實(shí)現(xiàn)對(duì)各通道信號(hào)的匯聚增強(qiáng)[1]。陣列天線通過(guò)電子掃描的工作方式來(lái)完成波束指向的變化，具有波束靈活捷變的特點(diǎn)，使得其在通信、雷達(dá)和測(cè)控等領(lǐng)域取得了廣泛的應(yīng)用。常用的陣列天線有模擬相控陣天線、數(shù)字多波束天線和自適應(yīng)抗干擾天線等形式。

為了提高陣列天線工作的可靠性，通常會(huì)對(duì)陣列天線的通道進(jìn)行冗余備份設(shè)計(jì)，使得少量陣元通道失效情況下，陣列天線的整體性能仍能滿足工作使用需求。但當(dāng)失效數(shù)目超過(guò)一定數(shù)量時(shí)，將會(huì)導(dǎo)致系統(tǒng)指標(biāo)嚴(yán)重惡化甚至降級(jí)。因此在進(jìn)行陣列天線的測(cè)試驗(yàn)收過(guò)程中應(yīng)當(dāng)進(jìn)行失效模式下的天線性能指標(biāo)測(cè)試。這是陣列天線區(qū)別于常規(guī)天線的特別之處[2]。

目前陣列天線性能測(cè)試方法的研究主要集中在陣列天線正常工作模式下，結(jié)合工程中對(duì)陣列天線冗余能力測(cè)試評(píng)估的需求，分析了陣元失效對(duì)陣列天線性能的影響，并提出了一種針對(duì)陣列天線失效模式下的性能測(cè)試方法，該方法能夠保證測(cè)試結(jié)果的遍歷性，同時(shí)簡(jiǎn)化了測(cè)試過(guò)程，具有較強(qiáng)的工程應(yīng)用價(jià)值。

1陣元失效分析

陣列天線不可避免的存在陣元失效的情況，陣元失效所造成的影響在很多方面類似于隨機(jī)誤差，它除了造成旁瓣抬高外，還會(huì)導(dǎo)致陣列天線的增益嚴(yán)重下降[3]。文獻(xiàn)[4]中對(duì)陣元失效場(chǎng)景下的陣列天線的場(chǎng)強(qiáng)波瓣分析如下：

陣元失效可用表征陣元是否損壞的隨機(jī)變量rn來(lái)描述。假定rn可取2個(gè)值：rn=1，表示陣元完好；rn=0表示陣元損壞，并設(shè)

(1)

式中，p可以理解為陣元失效概率。同時(shí)有以下公式成立：

(2)

理想和有誤差的場(chǎng)強(qiáng)波瓣分別為：

(3)

(4)

式中，

u=sinθcosφ-sinθ0cosφ0；

v=sinθsinφ-sinθ0sinφ0；

Jn=In(1+δn)exp(jΨn))；

在隨機(jī)相位誤差、位置誤差以及陣元失效并存的情況下，陣元的幅相分布可以描述為：

Jn=rnIn(1+δn)exp(jΨn)。

(5)

從而有，

(6)

(7)

需要特別指出的是，上面的近似式僅在隨機(jī)幅相誤差和位置誤差以及失效陣元數(shù)目不多的時(shí)候才能成立[5]。

以6×6規(guī)模的矩形平面陣為例，在10%通道(4個(gè)通道)失效情況下，利用Ansoft的電磁場(chǎng)仿真工具HFSS對(duì)陣列的場(chǎng)強(qiáng)波瓣性能進(jìn)行仿真分析，設(shè)置了4種隨機(jī)失效場(chǎng)景，如圖1所示。

圖1　4種失效場(chǎng)景

4個(gè)選中的陣元為失效單元；4種失效場(chǎng)景失效前后方向圖仿真結(jié)果如圖2所示，其中實(shí)線表示失效前方向圖，虛線表示失效后方向圖。

圖2　4種失效場(chǎng)景下場(chǎng)強(qiáng)波瓣仿真分析

仿真數(shù)據(jù)分析如表1所示。

表1　陣元失效場(chǎng)景下場(chǎng)強(qiáng)波瓣性能

從表1數(shù)據(jù)可以看出，在10%陣元通道(4個(gè)通道)失效情況下，歸一化電平最大約下降1 dB，同理論值相當(dāng)；波束的主副比和前后比略有變化：副瓣最大增高約3 dB，最大降低約2dB。陣元失效對(duì)陣列天線的場(chǎng)強(qiáng)波瓣性能造成了一定的影響，但這些變化并不影響陣列天線的正常使用[6]。

上述對(duì)陣列天線一定數(shù)目陣元失效情況下的場(chǎng)強(qiáng)波瓣性能進(jìn)行了分析，而在具體工程應(yīng)用中，更關(guān)心的是陣元失效對(duì)陣列天線性能指標(biāo)的影響[7]。陣元失效情況下的陣列天線性能指標(biāo)需要對(duì)陣列天線設(shè)置不同的失效場(chǎng)景，并分別在每種場(chǎng)景下對(duì)其性能指標(biāo)進(jìn)行測(cè)試評(píng)估，判斷其是否滿足工程應(yīng)用需求。

2陣元失效條件下的性能測(cè)試方案設(shè)計(jì)

陣元失效條件下性能指標(biāo)測(cè)試的主要目的是：通過(guò)對(duì)失效場(chǎng)景下陣列天線系統(tǒng)的性能指標(biāo)進(jìn)行測(cè)試，判斷其能否滿足工程使用需求，同時(shí)也對(duì)陣列天線系統(tǒng)的冗余備份能力進(jìn)行評(píng)估[8]。

對(duì)于陣元失效條件下的陣列天線系統(tǒng)測(cè)試主要問(wèn)題是遍歷性問(wèn)題，包括陣元失效模式的遍歷性和指標(biāo)測(cè)試的遍歷性兩部分。對(duì)2種遍歷性做如下分析：

② 除去陣元失效組合種類之外，一套陣列天線系統(tǒng)有大小十幾個(gè)甚至幾十個(gè)指標(biāo)，每種指標(biāo)又有多個(gè)測(cè)試步驟和測(cè)試程序，若每種失效組合種類都測(cè)試一遍，相當(dāng)于重新完成了一次測(cè)試，即使選取少數(shù)的陣元失效種類，其測(cè)試量也非常繁重。

從上述分析中可以看出，在一個(gè)規(guī)模較小的陣列條件下陣元失效模式的組合數(shù)量極大，因此如果對(duì)陣元失效模式下的陣列天線系統(tǒng)指標(biāo)直接進(jìn)行遍歷性測(cè)試，測(cè)試工作量幾乎不可能完成。為此需要設(shè)計(jì)有效可行的方法進(jìn)行測(cè)試。

對(duì)于問(wèn)題①可以先對(duì)問(wèn)題做如下分析，假定50陣列規(guī)模的陣列天線失效比例是10%，即5個(gè)，對(duì)于失效數(shù)目是1、2、3、4時(shí)不做考核，而是直接考核失效數(shù)目為5個(gè)情況，將不會(huì)對(duì)測(cè)試結(jié)果產(chǎn)生影響。其依據(jù)是失效數(shù)目為1、2、3、4時(shí)，其失效組合已經(jīng)包含在失效數(shù)目5個(gè)的組合情況中，這樣就可以大幅減少測(cè)試組合種類。其次，對(duì)于失效陣元數(shù)目為5個(gè)的情況按照陣列形式進(jìn)行針對(duì)性失效設(shè)計(jì)，具體做法是綜合陣列天線的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)、天線形式和工作方式等因素，有針對(duì)性設(shè)計(jì)幾種典型失效模式作為測(cè)試用失效組合，這樣既能夠真實(shí)地考核到各種可能的失效情況，使失效組合設(shè)計(jì)逼近于設(shè)備真實(shí)工作時(shí)的各種可能情況，又大幅度減少了失效組合種類。

對(duì)于問(wèn)題②同樣可以根據(jù)系統(tǒng)的應(yīng)用場(chǎng)合，選擇對(duì)系統(tǒng)應(yīng)用結(jié)果有直接影響的指標(biāo)進(jìn)行測(cè)試。如陣列天線的EIRP指標(biāo)以及與方向圖有關(guān)的指標(biāo)應(yīng)納入考核范圍，原因如下：EIRP若產(chǎn)生明顯降低意味著陣列天線系統(tǒng)發(fā)射功率的降低，會(huì)使接收端收到的信號(hào)電平降低，影響接收端的測(cè)量精度，并惡化系統(tǒng)指標(biāo)。方向圖類指標(biāo)也是如此，波束寬度、旁瓣電平和指向精度等指標(biāo)的變化，都會(huì)不同程度地影響系統(tǒng)的最終性能。測(cè)試指標(biāo)的選擇是根據(jù)具體的陣列天線應(yīng)用特點(diǎn)而設(shè)定的，對(duì)于其他應(yīng)用領(lǐng)域的陣列天線可根據(jù)自身的情況選擇合適的技術(shù)指標(biāo)。

通過(guò)上述分析，解決了陣元失效時(shí)的指標(biāo)不可測(cè)試問(wèn)題，同時(shí)又充分考慮到了各種典型的失效組合情況下的系統(tǒng)主要指標(biāo)變化情況，以下給出工程實(shí)例來(lái)驗(yàn)證方案的可行性。

3失效條件下的陣列天線性能測(cè)試試驗(yàn)

以一套25×25規(guī)模的平面發(fā)射陣列天線為例，根據(jù)上述提出的測(cè)試方法進(jìn)行失效模式下的天線性能測(cè)試試驗(yàn)，陣列天線布陣形式如圖3所示。

圖3　陣列天線布陣示意

如圖3所示，陣列天線為方形平面陣列，圖中的每個(gè)方格代表一個(gè)單元天線的安裝位置，按照從左到右、從上到下的順序進(jìn)行編號(hào)，則所有陣元均可以二維坐標(biāo)進(jìn)行定位，如左上角的第一個(gè)陣元可以定位為(1，1)，依次類推。每一個(gè)單元天線下面連接一個(gè)獨(dú)立的信號(hào)源，為單元天線提供激勵(lì)信號(hào)。每個(gè)獨(dú)立的信號(hào)源需要在配套的時(shí)頻信號(hào)、監(jiān)控信號(hào)、本振信號(hào)以及電源的輔助下才能正常工作，因此需要建立多種類、大規(guī)模的網(wǎng)絡(luò)單元才能滿足全陣通道的正常工作，這里采用了多級(jí)分路網(wǎng)絡(luò)單元的設(shè)計(jì)思想。

根據(jù)陣列天線系統(tǒng)的系統(tǒng)組成和工作原理，在實(shí)際使用過(guò)程中，最有可能導(dǎo)致陣元失效的主要因素分為2類：① 由于為信號(hào)源提供電源和配套信號(hào)的網(wǎng)絡(luò)分路單元故障，導(dǎo)致整行25個(gè)陣元同時(shí)失效；② 由于一體化發(fā)射組件在長(zhǎng)期的高熱、強(qiáng)電磁環(huán)境下工作時(shí)發(fā)生的故障，這類故障點(diǎn)較為隨機(jī)。綜合上述情況，設(shè)計(jì)2種基本故障模式，即整行失效和隨機(jī)失效，其中整行失效時(shí)，2行為50個(gè)陣元，3行為75個(gè)陣元，此時(shí)需要將第3行中的12個(gè)陣元設(shè)置為正常工作。在測(cè)試指標(biāo)選擇上，鑒于該陣列天線為發(fā)射天線，因此重點(diǎn)關(guān)注波束性能指標(biāo)、EIRP指標(biāo)以及波束指向精度指標(biāo)3大類。

至此，將該陣列天線在失效模式下的測(cè)試方案定義為在整行失效和隨機(jī)失效兩種模式下波束性能指標(biāo)、EIRP指標(biāo)以及天線相位中心指標(biāo)失效前后的對(duì)比情況。陣元失效模式設(shè)計(jì)表如表2所示。

表2　陣元失效模式設(shè)計(jì)表

在上述2種失效模式下分別測(cè)試如下指標(biāo)：① 波束性能測(cè)試；② EIRP能力測(cè)試；③ 波束指向精度測(cè)試。測(cè)試結(jié)果如表3、表4和表5所示。失效前后波束方向圖如圖4所示。

表3　陣元失效模式設(shè)計(jì)表

表4　陣元失效模式設(shè)計(jì)表

表5　陣元失效模式設(shè)計(jì)表

圖4　失效前后的波束方向圖

從測(cè)試結(jié)果可以發(fā)現(xiàn)，采用冗余設(shè)計(jì)思想的陣列天線系統(tǒng)失效模式下的性能指標(biāo)同正常模式下相比并無(wú)顯著下降或惡化，且滿足系統(tǒng)的指標(biāo)要求。

4結(jié)束語(yǔ)

提出了一種陣元失效條件下陣列天線性能指標(biāo)測(cè)試的方法，并通過(guò)試驗(yàn)測(cè)試進(jìn)行了驗(yàn)證。該方法根據(jù)陣列天線的布陣形式及系統(tǒng)架構(gòu)進(jìn)行了失效模式設(shè)計(jì)和測(cè)試指標(biāo)選取，從種類數(shù)量復(fù)雜的失效場(chǎng)景中挑選幾種典型代表性場(chǎng)景，從眾多性能指標(biāo)中挑選受失效影響敏感的指標(biāo)，進(jìn)而提煉出一種簡(jiǎn)化可實(shí)施的測(cè)試方法。試驗(yàn)結(jié)果證明，該測(cè)試方法具有完備性和準(zhǔn)確性，能夠通過(guò)幾種針對(duì)性的失效組合反映出陣元失效條件下的天線性能，為失效模式下陣列天線的指標(biāo)測(cè)試提供了可借鑒的經(jīng)驗(yàn)，具有較強(qiáng)的工程應(yīng)用價(jià)值。

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王茂磊男，(1979—)，工程師。主要研究方向：衛(wèi)星導(dǎo)航。

張達(dá)女，(1980—)，工程師。主要研究方向：衛(wèi)星導(dǎo)航。

作者簡(jiǎn)介

收稿日期：2015-05-19

中圖分類號(hào)TN911

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼A

文章編號(hào)1003-3106(2015)08-0054-04

doi:10.3969/j.issn.1003-3106.2015.08.15

2015 年無(wú)線電工程第45 卷第8 期53

引用格式：王茂磊，張達(dá)，肖勝紅，等.陣元失效條件下的陣列天線性能測(cè)試方法[J].無(wú)線電工程,2015,45(8):54-57.