大型固定式米波有源相控陣天線方向圖測(cè)試方法

臧永東，張立新，金謀平，胡善祥，2（.中國(guó)電子科技集團(tuán)公司第三十八研究所；2.孔徑陣列和空間探測(cè)安徽省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，合肥 230088）

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大型固定式米波有源相控陣天線方向圖測(cè)試方法

臧永東1，張立新1，金謀平1，胡善祥1，2
（1.中國(guó)電子科技集團(tuán)公司第三十八研究所；2.孔徑陣列和空間探測(cè)安徽省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，合肥 230088）

摘 要：闡述了地面反射場(chǎng)法、波束掃描法、聚焦法的原理，給出了這三種方法相結(jié)合在固定式米波陣列天線的方向圖測(cè)試中的應(yīng)用實(shí)例，結(jié)果表明，該方法具有較高的測(cè)試精度，適合大型固定式米波陣列天線的方向圖測(cè)試。

關(guān)鍵詞：地面反射場(chǎng)法；波束掃描法；聚焦法；方向圖測(cè)試

0　引言

天線測(cè)試是天線系統(tǒng)工程研制的重要環(huán)節(jié)之一，測(cè)試方法的選擇是天線測(cè)試的核心問(wèn)題，其決定了測(cè)試場(chǎng)地的選擇、天線架設(shè)高度等。米波天線陣列頻段低、尺寸、重量大，一般室內(nèi)近場(chǎng)暗室無(wú)法滿足測(cè)試要求，通常選擇室外遠(yuǎn)場(chǎng)測(cè)試。室外遠(yuǎn)場(chǎng)測(cè)試方法包括等高場(chǎng)法、斜距場(chǎng)法等近似自由空間測(cè)試方法及地面反射場(chǎng)法［1］。近似自由空間測(cè)試方法的關(guān)鍵是控制地面反射場(chǎng)的影響，地面反射場(chǎng)法利用直射場(chǎng)與地面反射場(chǎng)的干涉方向圖的第一瓣的最大值指向天線陣列口面中心，在天線陣列口面近似得到等幅同相入射場(chǎng)。

大型米波陣列天線的重量大，難架高，輔助天線波瓣寬，近似自由空間測(cè)試方法很難完全抑制地面反射波的影響，副瓣電平的測(cè)試精度不高；地面反射場(chǎng)法將天線陣列和輔助天線低架設(shè)在地面附近，在測(cè)試距離、場(chǎng)地的不平坦度、開(kāi)闊度和周圍無(wú)遮擋物等條件滿足要求的條件下，調(diào)整架設(shè)高度，在天線陣列口面上形成滿足測(cè)試精度要求的近似等幅同相的入射場(chǎng)，比較適合大型米波陣列天線。

固定式大型米波陣列天線難以架設(shè)在測(cè)試轉(zhuǎn)臺(tái)上。對(duì)相控陣來(lái)說(shuō)，可利用相控陣波束掃描靈活的優(yōu)點(diǎn)，采用波束掃描法進(jìn)行波瓣測(cè)試。

大型米波陣列天線的遠(yuǎn)場(chǎng)距離可能很大，一般需要幾百米，甚至數(shù)公里，標(biāo)準(zhǔn)的外場(chǎng)遠(yuǎn)場(chǎng)測(cè)試方法對(duì)測(cè)試場(chǎng)地尺寸的要求太高，給測(cè)試場(chǎng)地的選擇帶來(lái)困難。采用聚焦法測(cè)試相控陣方向圖，測(cè)試距離可以縮小到天線陣列口徑最大尺寸的幾倍［2］。聚焦法通過(guò)補(bǔ)償有限距離引起的口徑相位差，使聚焦區(qū)測(cè)試的方向圖等效為遠(yuǎn)場(chǎng)方向圖。

1　測(cè)試方法基本原理

1.1地面反射場(chǎng)法

地面反射場(chǎng)法將待測(cè)天線陣列和輔助天線低架在地面附近，在測(cè)試距離、場(chǎng)地的不平坦度、開(kāi)闊度和周圍無(wú)遮擋物等條件滿足要求的條件下，利用直射場(chǎng)和地面反射場(chǎng)的干涉方向圖的第一個(gè)瓣照射待測(cè)天線陣列，在待測(cè)天線口面上形成滿足測(cè)試精度要求的近似等幅同相的入射場(chǎng)。待測(cè)天線與輔助天線的幾何關(guān)系如圖1所示，0.25dB邊緣錐削幅度要求待測(cè)天線架高h(yuǎn)r≥3.3 D 。如果待測(cè)天線架高困難，通常要求hr≥2 D ，對(duì)應(yīng)邊緣錐削幅度1dB以下；輔助發(fā)射天線架高h(yuǎn)t=λR 4 hr時(shí)，干涉波瓣第一個(gè)最大值照射待測(cè)天線口面中心［1］。

1.2波束掃描法

陣列天線波束掃描的基本原理是陣列波瓣在正弦空間的平移［3］［4］，但在角度空間，這種平移不是恒增益的。一方面，掃描狀態(tài)下波束展寬導(dǎo)致陣列增益以cosθ變化；另一方面，不同掃描狀態(tài)下陣中的有源單元方向圖也發(fā)生變化。上述原因?qū)е略摲椒y(cè)試的遠(yuǎn)場(chǎng)波瓣僅在主瓣附近區(qū)域與實(shí)際遠(yuǎn)場(chǎng)波瓣一致，遠(yuǎn)區(qū)副瓣有一定的誤差。

波束掃描法的示意圖如圖2所示，將輔助天線固定于陣列天線前方的方位及俯仰角度為（α0，β0）的測(cè)試點(diǎn)，利用波束形成系統(tǒng)將陣列天線的主瓣最大值對(duì)準(zhǔn)該輔助天線，控制天線波束在方位向-θ～+θ范圍內(nèi)以步進(jìn)dθ掃描，記錄掃描角θi對(duì)應(yīng)的信號(hào)幅度Ai，即可得到波束指向角為（α0，β0）的方位面遠(yuǎn)場(chǎng)波瓣。以同樣的方法控制天線波束在俯仰向掃描，即可得到波束指向角為（α0，β0）的俯仰面遠(yuǎn)場(chǎng)波瓣。

1.3聚焦法

聚焦法的基本原理是通過(guò)補(bǔ)償有限距離引起的口徑相位差使相控陣各單元到聚焦點(diǎn)，即輔助天線架設(shè)點(diǎn)的相位差等于掃描角對(duì)應(yīng)的程差相位。這樣，聚焦點(diǎn)的方向圖等效于遠(yuǎn)場(chǎng)方向圖。如圖3所示，輔助天線架設(shè)在陣面前方，與陣面中心的距離為R。以陣面中心為原點(diǎn)，陣面為x-y平面，建立三維直角坐標(biāo)系，輔助天線的坐標(biāo)記為（xp， yp， zp），則輔助天線中心至第i 個(gè)天線單元中心的距離為

式中（xi， yi，zi）為第i個(gè)單元的中心坐標(biāo)。

對(duì)于直達(dá)波，各單元的補(bǔ)償相位為

式中?si為第i個(gè)單元的掃描程差相位。

對(duì)于設(shè)計(jì)理想的地面反射場(chǎng)，反射和直射路徑差近似等于λ/2［1］，為常數(shù)，因此僅針對(duì)直射波進(jìn)行聚焦相位補(bǔ)償即可滿足相位誤差要求。

2　實(shí)測(cè)結(jié)果與討論

結(jié)合地面反射場(chǎng)法、波束掃描法、聚焦法對(duì)現(xiàn)有的一個(gè)口徑尺寸12m×13.5m，單元數(shù)12×10的固定式米波陣列天線的方向圖進(jìn)行了測(cè)試，輔助天線架設(shè)在陣列的中場(chǎng)區(qū)，得到的方位和俯仰方向圖分別如圖4、圖5所示。便于比較，圖中給出了對(duì)應(yīng)的理論方向圖?？梢钥闯觯诜轿环较驁D的主瓣區(qū)附近，測(cè)試值與理論值良好吻合，在大角度區(qū)域，該方法引入一定的測(cè)試誤差；俯仰方向圖的主瓣和上半空間副瓣的測(cè)試值與理論值良好吻合，下半空間副瓣受地面反射波影響較大。這些結(jié)果表明該方法具有較高的測(cè)試精度。

3　結(jié)語(yǔ)

本文闡述了地面反射場(chǎng)法、波束掃描法、聚焦法的原理，采用這三種方法相結(jié)合對(duì)現(xiàn)有的一個(gè)大型固定式米波陣列天線的方向圖進(jìn)行了測(cè)試，結(jié)果表明，該方法具有較高的測(cè)試精度，適合大型固定式米波陣列天線的方向圖測(cè)試。

參考文獻(xiàn)：

［1］ 毛乃宏，俱心德等.天線測(cè)量手冊(cè)［M］.北京：國(guó)防工業(yè)出版社，1987.

［2］WANG Chao-Chi， WANG Chun-yang， ZHANG Jing-wei， et al. Focusing Technology of Phased Ar ray Antenna［C］，2nd International Symposium on Test and Measurement，1997.

［3］束咸榮，何炳發(fā)，高鐵.相控陣?yán)走_(dá)天線［M］.國(guó)防工業(yè)出版社，2007.

［4］（美）美洛克斯等著.相控陣天線手冊(cè)（第二版）［M］.電子工業(yè)出版社，2006.

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2016.13.257

作者簡(jiǎn)介：臧永東，男，工程師，研究方向：天線設(shè)計(jì)、相控陣天線系統(tǒng)等。