基于陣列天線測試的遠(yuǎn)場條件分析

季一鈞，鄒 慧，朱玉權(quán)

(中國船舶重工集團(tuán)公司第七二三研究所，江蘇 揚州 225101)

0 引 言

隨著電子技術(shù)的飛速發(fā)展，現(xiàn)代電子戰(zhàn)設(shè)備以及戰(zhàn)術(shù)體系逐漸趨于高集成度、數(shù)字化形式。陣列天線作為一種電掃描天線(ESA)，相比于傳統(tǒng)的機械掃描天線，可靈活改變各通道單元的幅度、相位來實現(xiàn)波束賦形，具有掃描速度快、目標(biāo)數(shù)據(jù)率高、多目標(biāo)跟蹤能力強等優(yōu)點，滿足了現(xiàn)代電子戰(zhàn)通用性、一體化、綜合化的設(shè)計理念[1-2]。

陣列天線的多通道、數(shù)字化等特點在提供設(shè)計便利性的同時，也對其測試方法以及使用條件提出了更嚴(yán)格的限定。內(nèi)場測試環(huán)境往往會受到場地以及設(shè)施的影響，不可避免地帶來測量誤差。

本文通過對比陣列單元數(shù)、口徑大小以及測試距離之間的關(guān)系，分析了遠(yuǎn)場條件的選取對通道測試中單元采樣數(shù)據(jù)的幅相影響情況以及方向圖的增益、副瓣、主波束指向的影響情況。

1 遠(yuǎn)場條件分析及對單元通道數(shù)據(jù)的影響

陣列天線的核心為前端收發(fā)(TR)組件，全數(shù)字陣列天線的每個通道都對應(yīng)一個TR組件。為確保每個通道的一致性，避免由于通道的幅相差異導(dǎo)致方向圖的畸變，首先要對陣列的各個通道進(jìn)行校準(zhǔn)。目前，主流的通道校準(zhǔn)方式包括近場校準(zhǔn)測試、遠(yuǎn)場校準(zhǔn)測試。對于近場校準(zhǔn)測試，則需要1套完整的近場測試系統(tǒng)，主要是通過使用測試探頭在距離天線單元3～5個波長距離上對通道進(jìn)行幅相采集，并將數(shù)據(jù)制作成校準(zhǔn)表，當(dāng)陣列工作時可下發(fā)給波束控制系統(tǒng)，從而抵消通道誤差。而遠(yuǎn)場測試則相對容易實現(xiàn)，即通過采集遠(yuǎn)端輻射天線的信號，將各單元的數(shù)據(jù)對比參考通道，制作成校準(zhǔn)表。近場測試由于受測試環(huán)境影響小，具有更高的測試精度，但昂貴的購置成本也在一定程度上限制了此方法的廣泛推廣。當(dāng)采用遠(yuǎn)場校準(zhǔn)方式時，為了避免不必要的反射以及外界干擾信號對測試結(jié)果的影響，微波暗室是一個良好的選擇。

對于天線單元，其輻射場在近區(qū)主要以倏逝波的形式存在，隨著距離的增加，傳播場占據(jù)主要部分。以偶極子天線為例，其遠(yuǎn)場條件為kr≥5(其中k為對應(yīng)測試頻率點的波數(shù)，r為測試距離)[3]。

對于陣列天線這樣的口徑天線，為了滿足遠(yuǎn)場近似平面波的條件，普遍采用的遠(yuǎn)場最小測試距離為[4]：

(1)

式中：D為待測天線最大尺寸；λ為天線工作波長。

由公式(1)容易看出：陣列天線的遠(yuǎn)場距離大于單元天線的最小遠(yuǎn)場距離，因此，陣列天線遠(yuǎn)場條件一旦滿足，則單元天線的遠(yuǎn)場條件也能滿足；且最小作用距離隨陣列口徑的增加呈二次方增加。

天線增益可表示為[4]：

(2)

式中：A為天線口徑的有效面積，其值正比于天線的最大口徑D2。

因此，為了獲得更高的天線增益，必須增加天線口徑，同時也不可避免地增加遠(yuǎn)場最小測試距離。以10 GHz中心頻率為例，其1 m口徑的陣列天線，最小遠(yuǎn)場距離達(dá)到了67 m。因此，常規(guī)微波暗室很難滿足此條件。

圖1 陣列天線工作的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

以一維陣列為例，并在陣列中心建立直角坐標(biāo)系，則各個單元對應(yīng)的方向圖表示為：

An=cos2θn

(3)

圖2 天線單元幅度差隨的變化關(guān)系

(4)

圖3 天線單元相位差隨的變化關(guān)系

由上分析，若遠(yuǎn)場條件無法嚴(yán)格滿足，則需要對通道校準(zhǔn)數(shù)據(jù)進(jìn)行準(zhǔn)遠(yuǎn)場條件誤差校正。

2 遠(yuǎn)場條件選取對陣列方向圖的影響

為了驗證陣列天線或者相控陣電子戰(zhàn)設(shè)備的作戰(zhàn)性能，首先需要在內(nèi)場按照作戰(zhàn)工作模式對天線方向圖進(jìn)行測試。

對于全陣工作狀態(tài)，方位(俯仰)方向圖可由如下公式表示：

(5)

式中：θc為波控指向。

圖4 遠(yuǎn)場方向圖隨的變化關(guān)系

相控陣列的操作靈活性使得電子戰(zhàn)設(shè)備能夠按照指令進(jìn)行分子陣獨立工作，從而在保證設(shè)備性能的同時大大提高了工作數(shù)據(jù)率。對于左右均勻分陣的情況，波束控制取0°時，各子陣方向圖由圖5所示。

圖5 分子陣遠(yuǎn)場方向圖隨的變化關(guān)系

圖6 分子陣左右波束指向偏差

3 結(jié)束語

本文以一維陣列為例，分析了遠(yuǎn)場條件的選取對通道測試中單元數(shù)據(jù)的幅相影響情況以及方向圖的形狀、指向的影響情況。理想條件下假定測試距離無窮遠(yuǎn)，但實際情況會受到測試內(nèi)場條件的限值。

本文通過定量分析，推導(dǎo)了各通道數(shù)據(jù)的幅相誤差計算公式，并給出了幅相誤差隨遠(yuǎn)場條件變化的曲線圖，可用于相控陣天線遠(yuǎn)場通道校準(zhǔn)的幅相補償；推導(dǎo)了有限遠(yuǎn)情況下的遠(yuǎn)場方向圖，并分析了遠(yuǎn)場條件的選取對方向圖主、副瓣的影響；分子陣工作情況下波束指向畸變情況也進(jìn)行了具體討論。不合適的遠(yuǎn)場條件將會使得方向圖增益下降，副瓣抬高，子陣指向畸變嚴(yán)重。對應(yīng)于電子戰(zhàn)設(shè)備的作戰(zhàn)性能測試：陣列天線增益下降使得電子支援(ESM)靈敏度下降、電子干擾(ECM)的有效輻射功率下降；陣列天線副瓣抬高使得偵察目標(biāo)增批嚴(yán)重；子陣指向畸變使得多目標(biāo)跟蹤轉(zhuǎn)干擾效能下降。