天線方向圖測(cè)試中測(cè)試場(chǎng)性能綜合評(píng)價(jià)方法的初步探討

余慶豐，賴宇昕

（中國(guó)人民解放軍總參謀部61764部隊(duì)，海南 三亞 572000）

0 引 言

天線方向圖是天線的輻射方向圖的簡(jiǎn)稱，是天線的輻射功率通量密度、場(chǎng)強(qiáng)、相位和極化等輻射參量隨空間方向變化的圖形表示。根據(jù)天線方向圖的圖形可確定天線的波瓣寬度、波束寬度、副瓣電平和方向系數(shù)等參數(shù)。方向圖測(cè)試是衛(wèi)星地面接收測(cè)控系統(tǒng)天線測(cè)試的重要內(nèi)容之一。

方向圖測(cè)試一般都采用高架天線測(cè)試場(chǎng)。該方法能有效抑制來(lái)自地面、環(huán)境等反射波對(duì)測(cè)量的影響，要求將發(fā)射天線架設(shè)在較高的塔上，一般為衛(wèi)星地面站的標(biāo)校塔，被測(cè)天線在衛(wèi)星地面站塔基上。為取得良好的方向圖測(cè)試結(jié)果，需要對(duì)測(cè)試場(chǎng)的性能做出適當(dāng)?shù)脑u(píng)價(jià)，以便發(fā)現(xiàn)測(cè)試場(chǎng)的不足和選擇合適的測(cè)試場(chǎng)。目前，測(cè)試場(chǎng)的評(píng)價(jià)手段比較欠缺，因而研究測(cè)試場(chǎng)性能綜合評(píng)價(jià)方法具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。

1 測(cè)試場(chǎng)的作用

天線測(cè)試場(chǎng)是測(cè)量或鑒定天線的場(chǎng)所，是天線方向圖測(cè)試不可或缺的組成部分[1]。測(cè)試場(chǎng)性能情況對(duì)天線方向圖測(cè)試產(chǎn)生重要影響，不符合條件的測(cè)試場(chǎng)可能導(dǎo)致天線方向圖測(cè)試不準(zhǔn)確，難以取得可靠的測(cè)試結(jié)論。

天線測(cè)試場(chǎng)主要?jiǎng)澐譃殡娍菇鼒?chǎng)區(qū)、輻射近場(chǎng)區(qū)和輻射遠(yuǎn)場(chǎng)區(qū)，如圖1所示。在輻射近場(chǎng)區(qū)，場(chǎng)的角分布與距離有關(guān)，天線各單元對(duì)觀察點(diǎn)的貢獻(xiàn)，其相對(duì)相位和相對(duì)幅度是離開(kāi)天線距離的函數(shù)；在輻射遠(yuǎn)場(chǎng)區(qū)，角分布與距離無(wú)關(guān)[2]。衛(wèi)星地面接收測(cè)控系統(tǒng)天線都工作于遠(yuǎn)場(chǎng)條件。因此，在遠(yuǎn)場(chǎng)條件下的天線方向圖測(cè)試才具有實(shí)際意義。

圖1 天線測(cè)試場(chǎng)的區(qū)域劃分

2 測(cè)試場(chǎng)性能綜合評(píng)價(jià)方法

2.1 基本假設(shè)

根據(jù)測(cè)試場(chǎng)在天線方向圖測(cè)試中主要影響因素的特點(diǎn)，有以下假設(shè)：

（1）天線接收面為平面，遮擋天線接收面任意部位的單位面積對(duì)天線方向圖測(cè)試的影響是一致的，忽略電磁波的衍射和天線在方向圖測(cè)試過(guò)程中的轉(zhuǎn)動(dòng)帶來(lái)的影響。

（2）測(cè)試路徑上的電磁環(huán)境是穩(wěn)定不變的。

（3）不考慮地球曲率的影響。

2.2 綜合評(píng)價(jià)模型

天線方向圖測(cè)試中測(cè)試場(chǎng)性能的影響因素較多，僅用單項(xiàng)指標(biāo)難以客觀地反映測(cè)試場(chǎng)性能情況，可將層次分析法運(yùn)用于測(cè)試場(chǎng)性能綜合評(píng)價(jià)中。以測(cè)試場(chǎng)性能綜合評(píng)價(jià)指數(shù)Q作為總指標(biāo)，以遠(yuǎn)場(chǎng)條件A1、系統(tǒng)內(nèi)干擾A2及系統(tǒng)外干擾A3作為一級(jí)指標(biāo)，以測(cè)試距離B1、發(fā)射天線架設(shè)高度B2、測(cè)試場(chǎng)遮擋B3及發(fā)射場(chǎng)電磁環(huán)境B4作為二級(jí)指標(biāo)，以各個(gè)標(biāo)校塔作為方案層，建立層次結(jié)構(gòu)分析模型，如圖2所示。

2.3 A-B單項(xiàng)評(píng)價(jià)參數(shù)

2.3.1 遠(yuǎn)場(chǎng)條件評(píng)價(jià)參數(shù)。如果測(cè)試距離達(dá)不到遠(yuǎn)場(chǎng)條件而處于近場(chǎng)環(huán)境中，直接測(cè)得的結(jié)果肯定會(huì)有不小的誤差，因?yàn)樵诮鼒?chǎng)區(qū)域，天線方向圖不但與角度有關(guān)，還與距離有關(guān)，不同的距離，其天線方向圖不同。為得到較為理想的待測(cè)天線遠(yuǎn)場(chǎng)方向圖參數(shù)，發(fā)射天線與被測(cè)天線之間的距離應(yīng)滿足[3]：

圖2 天線測(cè)試場(chǎng)性能綜合評(píng)價(jià)體系

其中，R為收、發(fā)天線之間的距離，D為待測(cè)天線的直徑，d為發(fā)射天線直徑，λ為工作波長(zhǎng)。

由于衛(wèi)星地面站天線測(cè)試中所用發(fā)射天線均為小口徑喇叭天線，因而d可忽略， （1）式可簡(jiǎn)化為：

由（2）式可知，隨著工作頻率的增長(zhǎng)，測(cè)試中所需的收、發(fā)天線之間的最小距離也在增大。同時(shí)，在指定測(cè)試頻率下，遠(yuǎn)場(chǎng)條件滿足一定距離即可，因而評(píng)價(jià)參數(shù)存在最大值為1，即：

其中，IA1為遠(yuǎn)場(chǎng)條件評(píng)價(jià)參數(shù)，IB1為測(cè)試距離評(píng)價(jià)參數(shù)，Ri為測(cè)試距離，Rmin為理論上應(yīng)滿足的最小測(cè)試距離。

2.3.2 系統(tǒng)內(nèi)干擾評(píng)價(jià)參數(shù)。

（1）發(fā)射天線架設(shè)高度評(píng)價(jià)參數(shù)。遠(yuǎn)場(chǎng)條件下，為減少地面反射引起的干擾，發(fā)射天線口面中心距離地面的高度h應(yīng)滿足[4]：

其中θ0.5為被測(cè)天線主波束半功率點(diǎn)寬度，θ0.5=

由（4）式可看出，隨著頻率的增高，測(cè)試距離隨之增大，但發(fā)射天線架設(shè)高度并不呈現(xiàn)線性增長(zhǎng)的關(guān)系，這是由于被測(cè)天線的半功率波束寬度θ0.5隨著頻率的增高而變窄。同時(shí)，在指定測(cè)試頻率下，發(fā)射天線架設(shè)高度滿足一定高度即可，因而評(píng)價(jià)參數(shù)存在最大值為1，即：

其中，IB2為發(fā)射天線架設(shè)高度評(píng)價(jià)參數(shù)，hi為測(cè)試距離，hmin為理論上應(yīng)滿足的最小發(fā)射天線架設(shè)高度。

（2）測(cè)試場(chǎng)遮擋評(píng)價(jià)參數(shù)。天線方向圖測(cè)試要求盡量在一個(gè)自由空間測(cè)試場(chǎng)，收、發(fā)天線之間存在一條無(wú)遮擋或低遮擋的測(cè)試路徑。這就要求測(cè)試場(chǎng)應(yīng)為開(kāi)闊的場(chǎng)地，避免出現(xiàn)大的障礙物遮擋。為定量分析測(cè)試場(chǎng)的遮擋情況，使接收天線對(duì)準(zhǔn)發(fā)射天線，在發(fā)射天線處設(shè)置望遠(yuǎn)鏡，觀察接收天線的遮擋情況，并拍下照片，進(jìn)行遮擋情況分析。接收天線的接收面被遮擋的面積越大，測(cè)試場(chǎng)的遮擋情況越差。當(dāng)遮擋的面積達(dá)到一定的比例時(shí)，測(cè)試得到的天線方向圖難以成形。因此，可定義測(cè)試場(chǎng)遮擋評(píng)價(jià)參數(shù)為：

其中，IB3為測(cè)試場(chǎng)遮擋評(píng)價(jià)參數(shù)，S遮為測(cè)試場(chǎng)遮擋面積，S收為接收天線接收面的面積。

（3）系統(tǒng)內(nèi)干擾評(píng)價(jià)參數(shù)。建立兩兩比較矩陣，結(jié)果見(jiàn)表1。

表1 兩兩比較矩陣A2-B

由表1可確定權(quán)重向量為（0.25 0.75）T，即：

結(jié)合（5）、 （6）式可得：

2.3.3 系統(tǒng)外干擾評(píng)價(jià)參數(shù)。為盡可能降低對(duì)測(cè)試的影響，提高測(cè)試精度，要求測(cè)試場(chǎng)不能有影響測(cè)試的電磁信號(hào)的干擾。電磁環(huán)境較為復(fù)雜，對(duì)天線方向圖測(cè)試產(chǎn)生影響的只是電磁環(huán)境中的特定頻率，對(duì)測(cè)試沒(méi)有影響的頻率無(wú)需考慮。

發(fā)射天線未發(fā)信號(hào)時(shí)，接收下變頻器輸出信號(hào)的底噪主要由信道噪聲和環(huán)境噪聲構(gòu)成。信道噪聲與信道設(shè)備有關(guān)，一般變化不大，因而接收下變頻器輸出信號(hào)的底噪間接反映了環(huán)境噪聲對(duì)測(cè)試的不利影響。同時(shí)，為取得歸一化結(jié)果，定義系統(tǒng)外干擾評(píng)價(jià)參數(shù)為：頻器底噪，包括信道噪聲和環(huán)境噪聲。環(huán)境噪聲影響越小，則IA3越趨向于1，反之則趨向于0。

2.4 綜合評(píng)價(jià)指數(shù)Q

在綜合多種評(píng)價(jià)指標(biāo)時(shí)，以權(quán)值反映不同評(píng)價(jià)因子對(duì)評(píng)價(jià)對(duì)象的重要程度[5-6]?？紤]到系統(tǒng)外干擾僅對(duì)特定頻率的測(cè)試有一定影響，而且通過(guò)提高發(fā)射功率，增加接收天線的衰減值，可達(dá)到抑制干擾的目的，因而將系統(tǒng)外干擾的權(quán)重定為最低；即使不滿足遠(yuǎn)場(chǎng)條件，也可通過(guò)一定的變化、運(yùn)算及修正，由近場(chǎng)測(cè)試、緊縮場(chǎng)測(cè)試等得到等效遠(yuǎn)場(chǎng)測(cè)試方向圖，因而將遠(yuǎn)場(chǎng)條件的權(quán)重定為中等；系統(tǒng)內(nèi)干擾主要由測(cè)試場(chǎng)設(shè)計(jì)條件決定，對(duì)各個(gè)測(cè)試頻率都有不同程度的影響，因而將系統(tǒng)內(nèi)干擾的權(quán)重定為最大。

建立兩兩比較矩陣，結(jié)果見(jiàn)表2。

表2 兩兩比較矩陣Q-A

其中，IA3為系統(tǒng)外干擾評(píng)價(jià)參數(shù)；IB4為電磁環(huán)境評(píng)價(jià)參數(shù)；δ天為天線對(duì)天時(shí)下變頻器底噪，主要由信道噪聲引起；δ測(cè)為天線方向圖測(cè)試條件下下變

由Matlab軟件可求得比較矩陣最大特征值λmax=3.0037，對(duì)應(yīng)的特征向量ω=（0.3288 0.9281 0.1747）T。將該特征向量歸一化，得到權(quán)重向量ω0=（0.2297 0.6483 0.1220）T。

為驗(yàn)證比較矩陣的可信度，進(jìn)行一致性檢驗(yàn)[5]：

計(jì)算一致性指標(biāo)為：

查找相應(yīng)的平均隨機(jī)一致性指標(biāo)R.I.，得到三階R.I.=0.52，計(jì)算一致性比率為：

由C.R.的值說(shuō)明比較矩陣的不一致程度是可接受的。因此，可確定歸一化權(quán)重向量ω0可用（見(jiàn)表3）。

表3 評(píng)價(jià)指標(biāo)Q權(quán)重

評(píng)價(jià)指數(shù)Q的計(jì)算公式為：

其中，IA1, IA2, IA3分別為遠(yuǎn)場(chǎng)條件、系統(tǒng)內(nèi)干擾和系統(tǒng)外干擾等一級(jí)指標(biāo)的單項(xiàng)評(píng)價(jià)參數(shù)。

綜合（3）、 （8）、 （9）、 （12）式可得：

3 測(cè) 試

3.1 測(cè)試場(chǎng)情況說(shuō)明

某衛(wèi)星地面測(cè)控站需要進(jìn)行天線方向圖測(cè)試，現(xiàn)有測(cè)試場(chǎng)1和測(cè)試場(chǎng)2。為在測(cè)試中取得良好的天線方向圖，需要選擇一個(gè)適當(dāng)?shù)臏y(cè)試場(chǎng)進(jìn)行天線方向圖測(cè)試。測(cè)試場(chǎng)的參數(shù)見(jiàn)表4。

表4 測(cè)試場(chǎng)的參數(shù)

3.2 測(cè)試場(chǎng)性能綜合評(píng)價(jià)方法

測(cè)試場(chǎng)在不同頻率下的評(píng)價(jià)情況有所不同。在某個(gè)頻點(diǎn)下，測(cè)試場(chǎng)1的綜合性能可能比測(cè)試場(chǎng)2優(yōu)；而在另一個(gè)頻點(diǎn)下，測(cè)試場(chǎng)1的綜合性能可能比測(cè)試場(chǎng)2劣。這主要是由于不同頻率的測(cè)試要求不同造成的。為體現(xiàn)這種差異，選取S波段、C波段及X波段中的三個(gè)頻點(diǎn)作為評(píng)價(jià)目標(biāo)進(jìn)行評(píng)價(jià)。不同頻率和不同測(cè)試場(chǎng)下底噪測(cè)試結(jié)果見(jiàn)表5。

表5 不同頻率和不同測(cè)試場(chǎng)下底噪測(cè)試結(jié)果 dBm

由（2）、 （4）式可求得理論最小測(cè)試距離和理論發(fā)射天線最小架設(shè)高度（見(jiàn)表6）。

將表4～表6的數(shù)據(jù)代入（13）式中，可求得天線方向圖測(cè)試中測(cè)試場(chǎng)性能綜合評(píng)價(jià)指數(shù)Q（見(jiàn)表7）。

表6 理論最小測(cè)試距離和理論發(fā)射天線最小架設(shè)高度

表7 天線方向圖測(cè)試中測(cè)試場(chǎng)性能綜合評(píng)價(jià)指數(shù)Q

3.3 評(píng)價(jià)情況分析與總結(jié)

由表7可知，測(cè)試場(chǎng)2在S波段、C波段及X波段中的綜合評(píng)價(jià)指數(shù)均比測(cè)試場(chǎng)1的綜合評(píng)價(jià)指數(shù)高。為更直觀地體現(xiàn)評(píng)價(jià)的可信度，分別在測(cè)試場(chǎng)1和測(cè)試場(chǎng)2中對(duì)測(cè)試頻點(diǎn)3GHz、10GHz進(jìn)行天線方向圖測(cè)試，結(jié)果如圖3～圖4所示。

由圖3可知，測(cè)試場(chǎng)1的3GHz天線方向圖測(cè)試結(jié)果明顯不如測(cè)試場(chǎng)2的測(cè)試結(jié)果；由圖4可知，測(cè)試場(chǎng)1的10GHz天線方向圖測(cè)試結(jié)果不成形，與測(cè)試場(chǎng)2的測(cè)試結(jié)果差距較為明顯。這表明評(píng)價(jià)指數(shù)與天線方向圖的效果一致性較好。參照實(shí)測(cè)天線方向圖結(jié)果，結(jié)合表7的評(píng)分情況，為綜合評(píng)價(jià)指數(shù)Q設(shè)計(jì)四級(jí)標(biāo)準(zhǔn)（見(jiàn)表8）。通過(guò)對(duì)綜合評(píng)價(jià)指數(shù)的進(jìn)一步分級(jí)，從整體上更為全面地了解和把握測(cè)試場(chǎng)性能情況。

圖3 在測(cè)試場(chǎng)1和測(cè)試場(chǎng)2中對(duì)3GHz進(jìn)行天線方向圖測(cè)試

圖4 在測(cè)試場(chǎng)1和測(cè)試場(chǎng)2中對(duì)10GHz進(jìn)行天線方向圖測(cè)試

表8 測(cè)試場(chǎng)性能綜合評(píng)價(jià)指數(shù)Q分類

根據(jù)表8的分類等級(jí)劃分，測(cè)試場(chǎng)1屬于C, D級(jí)，測(cè)試場(chǎng)2屬于A, B級(jí)，測(cè)試場(chǎng)2比測(cè)試場(chǎng)1的測(cè)試場(chǎng)性能更優(yōu)。

4 結(jié) 論

天線方向圖測(cè)試是衛(wèi)星地面接收測(cè)控系統(tǒng)天線測(cè)試的一項(xiàng)重要內(nèi)容。在進(jìn)行天線方向圖測(cè)試時(shí)，應(yīng)滿足一定的測(cè)試場(chǎng)條件。測(cè)試場(chǎng)性能決定天線方向圖測(cè)試效果的優(yōu)劣。為取得良好的天線方向圖測(cè)試結(jié)果，需要對(duì)測(cè)試場(chǎng)性能做出適當(dāng)?shù)脑u(píng)價(jià)，以便發(fā)現(xiàn)測(cè)試場(chǎng)的不足和選擇合適的測(cè)試場(chǎng)，但目前缺乏針對(duì)測(cè)試場(chǎng)的評(píng)價(jià)機(jī)制。針對(duì)測(cè)試場(chǎng)性能評(píng)價(jià)的需求，本文提出基于層次分析法的測(cè)試場(chǎng)性能綜合評(píng)價(jià)方法。通過(guò)對(duì)天線方向圖測(cè)試中測(cè)試場(chǎng)性能主要影響因素進(jìn)行分析，確定測(cè)試距離、發(fā)射天線架設(shè)高度、測(cè)試場(chǎng)遮擋面積及發(fā)射場(chǎng)電磁環(huán)境等關(guān)鍵指標(biāo)，建立層次結(jié)構(gòu)分析模型。根據(jù)各指標(biāo)參數(shù)的特點(diǎn)，研究各單項(xiàng)評(píng)價(jià)參數(shù)，結(jié)合歸一化權(quán)重值，生成測(cè)試場(chǎng)性能綜合評(píng)價(jià)指數(shù)，為天線方向圖測(cè)試中測(cè)試場(chǎng)性能做出綜合評(píng)價(jià)。根據(jù)綜合評(píng)價(jià)模型，分析測(cè)試場(chǎng)1和測(cè)試場(chǎng)2在天線方向圖測(cè)試中的性能表現(xiàn)。測(cè)試結(jié)果表明，評(píng)價(jià)指數(shù)與天線方向圖測(cè)試結(jié)果一致性較好，從而驗(yàn)證了評(píng)價(jià)方法的有效性。