有源相控陣天線近場測試方法研究

方 鑫

(中國電子科技集團公司第三十八研究所，安徽 合肥 230088)

0 引 言

有源相控陣天線波束指向非常靈活，功能性強，抗干擾性好，在各種領(lǐng)域雷達系統(tǒng)上的應(yīng)用十分廣泛。天線測試是有源相控陣雷達設(shè)計中非常重要的組成部分。本文利用平面近場測試系統(tǒng)進行測試以及口面場進行反演，利用波控計算機進行補償，得出低副瓣有源相控陣天線的快速測試方法。

1 測試系統(tǒng)搭建

常用的無源天線測試方法有遠場測試、近場測試和緊縮場測試等[1]。近場測試系統(tǒng)通常在微波暗室中進行，不受外界環(huán)境的電磁干擾，而且可以全天候工作，不受天氣的影響。近場測試系統(tǒng)計算分析能力強大，采用孔徑合成的方法產(chǎn)生平面波，通過有效控制和修正相關(guān)誤差，得到天線口面的幅度相位信息，利用傅里葉變換即可獲得高精度的輻射天線遠場信息。

對于新一代天線測量技術(shù)而言， 平面近場測試是一種有代表性的測試方法[2]。近場與遠場是傅里葉變換關(guān)系，通過已知性能的探頭，在天線口面上掃描采集天線口面的近場幅度相位信息，再經(jīng)過快速傅里葉變換(FFT)轉(zhuǎn)換[3]即可獲得遠場方向圖。在獲得遠場幅度相位方向圖后，還可以采用反演變換重構(gòu)出口面近場幅度相位分布，進而可以實現(xiàn)對天線各項性能的診斷[4]。

天線發(fā)射狀態(tài)為脈沖模式，測試時需脈沖同步發(fā)射采集，圖1所示是微波暗室中天線的測試系統(tǒng)框圖。發(fā)射狀態(tài)時保證收發(fā)(TR)組件的飽和工作狀態(tài)，需要調(diào)整信號強度，必要時將發(fā)射鏈路接入功率放大器，保證電平值滿足要求。同時矢網(wǎng)接收端需要接入衰減器，保證器件、儀表不受損壞。

圖1 系統(tǒng)測試框圖

天線為接收狀態(tài)測試時，框圖如圖1所示，探頭發(fā)射信號為連續(xù)波。對于接收狀態(tài)的有源相控陣測試，為了避免TR組件中低噪放工作于飽和狀態(tài)，即要求處于線性工作狀態(tài)，在搭建系統(tǒng)時，通過調(diào)整矢網(wǎng)的輸出功率，使得系統(tǒng)工作于線性區(qū)，信噪比達到預(yù)期要求。

2 方向圖測試及補償

天線指標要求：工作頻率在Ku頻段；副瓣<-25 dB；波束指向<0.2°；掃描30°增益下降<1.5 dB。

有源相控陣天線方向圖測試方法如圖2所示。

圖2 方向圖測試流程

2.1 初測

測試某Ku波段天線，由波控將移相器和衰減器置0，通過探頭采集后數(shù)據(jù)處理得到測試結(jié)果如圖3所示，副瓣電平為-13 dB。將遠場方向圖通過FFT反演得到的口面場幅相分布如圖4和圖5所示，其幅度分布基本保持一致，偏離理論分布值較大。相位分布偏差在 ± 15°以內(nèi)，需要進一步的優(yōu)化調(diào)整。

圖3 未補償?shù)奶炀€方向圖

圖4 幅度分布

圖5 相位分布

2.2 反演補償

近場掃描設(shè)置中，根據(jù)陣面大小以及設(shè)置截斷角，對采樣間隔進行優(yōu)化，一般不大于單元間距。為了便于反演分析單元天線口面場的數(shù)據(jù)，使得采樣點位置覆蓋各天線單元的位置，因此在天線調(diào)平時，應(yīng)嚴格找準中心點，天線陣面與掃描平面嚴格平行。根據(jù)截斷角設(shè)置范圍，反演后的幅相分布與天線單元一一對應(yīng)。

根據(jù)理論幅度分布，計算出每個天線通道需要補償?shù)姆认辔徊钪?。通過波控系統(tǒng)來控制TR組件中衰減器的數(shù)值，使得各個天線單元通道的激勵幅度逼近理論幅度分布。幅度分布理論值為副瓣為-30 dB泰勒分布的量化值。衰減器的調(diào)整值=理論值-反演值。衰減器只能實現(xiàn)衰減功能，若存在單元需要提高幅度的情況，需要將各單元的幅度進行歸一化，在該單元不變的情況下，改變其他單元幅度。圖6為修正后各通道的幅度分布。

圖6 修正后幅度分布

相位修正需要移相器進行調(diào)整，移相器為6位移相器，步進值為5.625°。相位理論值應(yīng)全為0，同時盡量要求各單元相位在同一周期內(nèi)。因此通過移相器的修正，得到圖7的相位分布。

圖7 修正后相位分布

2.3 修正后測試

為了達到設(shè)計指標可能需要多次補償，且寬帶天線需要根據(jù)不同頻率分別進行補償。為了判斷幅度和相位是否需要進一步修正和改進，利用近場測試系統(tǒng)采樣測試了天線的法向方向圖以及掃描30°方向圖，圖8～圖9所示為天線法向和掃描30°的方向圖。其中副瓣均小于-25 dB，波束指向精度小于0.1°，掃描30°增益下降1.2 dB，滿足設(shè)計要求。

圖8 優(yōu)化后法向方向圖

圖9 優(yōu)化后掃描30°方向圖

3 結(jié)束語

介紹了有源相控陣天線近場測試的一種調(diào)試優(yōu)化方法，利用了口面場反演補償方法和TR組件幅度相位的多次優(yōu)化調(diào)整，將各個天線通道的幅相值逼近理論值，達到設(shè)計指標要求。測試了1組Ku頻段天線，證實了該方法簡單實用、可操作性強，為相控陣天線的設(shè)計提供了有效的檢驗途徑，縮短了研制周期，節(jié)約了研制成本。