毫米波雷達天線測試系統(tǒng)的研究

張寬負 張立佳

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毫米波雷達天線測試系統(tǒng)的研究

張寬負 張立佳

南京洛普股份有限公司，江蘇 南京 210061

天線測試是分析和設(shè)計天線的重要方式，因此精確的測量天線參數(shù)對了解天線的性能至關(guān)重要。的主要任務(wù)是天線的自動測試系統(tǒng)的設(shè)計。利用Labview實現(xiàn)天線自動測試系統(tǒng)的程序編程，以虛擬儀器技術(shù)和天線遠場測量技術(shù)為基礎(chǔ)，通過AV4036頻譜分析儀測量信號，通過雷達距離方程的計算得到所需的結(jié)果。首先對毫米波天線及天線測試的背景和國內(nèi)外研究現(xiàn)狀進行了解，研究天線遠場測試系統(tǒng)最小測試距離、測試場地等理論，推導(dǎo)雷達距離方程公式作為計算待測天線參數(shù)的理論基礎(chǔ)。

自動測試系統(tǒng)；雷達距離方程

引言

隨著軍事電子等技術(shù)的迅速發(fā)展，占有和利用頻率資源，形成新競爭態(tài)勢，雷達由著微波段向著毫米波段發(fā)展已經(jīng)成為必然趨勢。當前的毫米波的工作波段在1mm到10mm，毫米波從20世紀80年代之后備受關(guān)注并取得了突飛猛進的發(fā)展，其在雷達、電子對抗、導(dǎo)航和通信等領(lǐng)域，特別是在軍工領(lǐng)域的發(fā)展和應(yīng)用日益受到重視。天線作為雷達發(fā)射和接收信號的核心部件，其性能的優(yōu)劣直接影響到整個雷達系統(tǒng)的工作性能。

1 天線概述

天線是一種導(dǎo)行波與自由空間波之間的轉(zhuǎn)換器件或者換能器。即天線把在傳輸線上傳播的導(dǎo)行波，變換成在無界媒介中傳播的電磁波，或者進行相反的變換。無線電通信、廣播、電視、雷達、導(dǎo)航、電子對抗、遙感、射電天文等工程系統(tǒng)，都要使用天線發(fā)射或者接收電磁波來進行來完成信息傳遞工作。另外，在利用電磁波傳送能量時，也需要天線，盡管這時候傳播的僅僅是能量而非載有信息的信號。天線的互易定理指出，一般天線都具有可逆性，即同一副天線既可用作發(fā)射天線，也可用作接收天線。同一天線作為發(fā)射或接收的基本特性參數(shù)是相同的。想要評價一副天線性能的好壞，就要知道它的特性參數(shù)[1]。表征天線性能的主要參數(shù)有方向圖，增益，輸入阻抗，駐波比，極化方式等。天線的輸入阻抗：天線的輸入阻抗是天線饋電端輸入電壓與輸入電流的比值。輸入阻抗具有電阻分量和電抗分量[2]。天線與饋線的連接，最理想的情況是天線輸入阻抗是純電阻，并且等于饋線的特性阻抗。天線的匹配工作就是消除天線輸入阻抗中的電抗分量，使電阻分量盡可能地接近饋線的特性阻抗。天線的帶寬：無論是發(fā)射天線還是接收天線，它們總是在一定的頻率范圍內(nèi)工作的。通常，工作在中心頻率時天線所能輸送的功率最大，偏離中心頻率時期輸送的功率會減小。由于不同的工作領(lǐng)域所關(guān)注的天線參數(shù)有所不同，所以天線的帶寬有多種定義。通常的是指在天線的增益、方向性系數(shù)、輸入阻抗等各項電參數(shù)均滿足規(guī)定要求時，天線用作接收時向饋線輸送的功率下降為中心頻率處輸出功率的一半時所對應(yīng)的兩個頻率之差。也稱之為天線的頻帶寬度。天線方向性：天線所輻射的電磁波能量在空間上的分布，通常是不均勻的。天線的方向性參數(shù)是描述天線在輻射空間不同方向的不同特性。對應(yīng)發(fā)射天線，它在不同方向上輻射電磁波的能量不同，對于接收天線，它對來自空間不同方向、強度相同的電磁波相對接收的能力不同。天線的輻射方向圖是天線的輻射參量隨著空間方向變化的圖形表示。包括功率、場強、相位和極化等多個輻射參量中，通常人們最關(guān)心的是天線輻射能量的空間分布。所以，輻射方向圖一般的指的是功率通量密度的空間分布，有時也指場強的空間分布。

2 天線輻射場區(qū)的介紹

天線不斷向四周輻射信號能量，不同的距離處的能量、場強、波瓣圖是有區(qū)別的。經(jīng)研究按照離天線距離的遠近將場區(qū)分為電抗性的近場區(qū)（弧度球），輻射近場或菲涅耳區(qū)和輻射遠場或夫瑯和費區(qū)。其輻射波瓣圖如下：

圖1 天線輻射波瓣圖

從輻射波瓣圖可以看出，不同距離的波瓣圖有很大差別，那么測試時要得到完整的天線特性參數(shù)，選擇正確的輻射場區(qū)是非常重要的，直接影響測試的精度和準確度。場區(qū)的選擇成為天線測試的基礎(chǔ)必備條件，因而對天線測試場區(qū)的了解是十分必要的[3]。

3 毫米波雷達天線測試系統(tǒng)設(shè)計

毫米波測試的難點是由于頻率高，導(dǎo)致控件衰減和射頻電纜衰減大，普通的測試系統(tǒng)已經(jīng)無法滿足測試需求。目前測試儀器的頻率一般在50Hz，50Hz以上的測試儀器價格相對比較昂貴。若以簡單的使用高性能的儀表作為測試硬件，會大大的提高毫米波的測試成本。業(yè)界較為普遍的解決方案是采用混頻方案，即通過下混頻降低射頻電纜中傳輸?shù)男盘栴l率已減少傳輸損壞和減小噪聲對測試結(jié)果的影響。射頻電路原理是信號源輸出的信號先通過功率放大器將信號放大，然后經(jīng)過倍頻單元將信號頻率倍頻到測試信號頻率，經(jīng)過定向耦合器分成兩路。一路信號經(jīng)過變頻單元下混頻到中頻信號作為參考信號，另一路信號作為發(fā)射信號經(jīng)過發(fā)射天線。被測信號經(jīng)過倍頻和變頻單元將毫米波信號下混頻到中頻信號。射頻信號和參考信號經(jīng)過中頻分配單元后將信號傳輸給矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀進行數(shù)據(jù)采集。毫米波測試系統(tǒng)射頻電路示意框圖如下：

圖2 毫米波系統(tǒng)簡易框圖

毫米波測試系統(tǒng)軟件，是整個自動測試系統(tǒng)的核心部分。通過控制伺服系統(tǒng)和測試儀表，自動化的采集天線的遠場或者近場的幅度和相位數(shù)據(jù)。近場采集的平面數(shù)據(jù)、柱面數(shù)據(jù)或者球面數(shù)據(jù)，通過傅里葉變換計算出天線的遠場方向圖，進而獲得天線的各項性能參數(shù)。毫米波測試系統(tǒng)的軟件流程圖：

圖3 毫米波測試系統(tǒng)軟件簡易流程圖

圖4 軟件示例

圖5 軟件數(shù)據(jù)處理示例

4 結(jié)論

綜上所述，主要介紹了天線遠場測試技術(shù)的理論基礎(chǔ)。利用 Labview 編程語言，設(shè)計了一套性價比高、測試速度較快、測試精度較高的毫米波雷達天線的自動測試系統(tǒng)。測試系統(tǒng)完成了計算機控制儀器設(shè)備、數(shù)據(jù)的采集和處理等功能。選擇了合適的硬件搭建天線測試系統(tǒng)，從測試結(jié)果看，本文設(shè)計的毫米波天線測試系統(tǒng)是可行的，能夠滿足測試所要達到的要求。

[1]郝麗，趙偉，王坤.基于LabVIEW的一起控制教學(xué)示例[J].電氣電子教學(xué)學(xué)報，2012，34（4）；80-83.

[2]張磊.利用VISA控制儀器設(shè)備各種接口[J].電子測試，2008（10）：58-61.

[3]蔣新文，張寧，楊三序.基于虛擬儀器的測控系統(tǒng)[J].微計算機信息，2007（23）：30-32.

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1009-6434（2016）02-0068-02