相控陣天線駐波測(cè)試方法研究

劉舉　王永?！」燃映?/p>

摘? 要：天線輻射信號(hào)時(shí)，自身會(huì)存在一定大小的駐波，而相控陣天線的單元間還存在互耦效應(yīng)，使得天線的駐波增大，會(huì)對(duì)發(fā)射機(jī)功放組件造成一定的損壞，因此，在設(shè)計(jì)相控陣天線時(shí)，必須考慮駐波的大小及其影響。針對(duì)此問題提出了一種測(cè)試相控陣天線駐波大小的方法，將駐波分為自耦部分和互耦部分，分別進(jìn)行測(cè)試，并相加得到總的駐波，并與仿真結(jié)果進(jìn)行了對(duì)比驗(yàn)證，證明了測(cè)試方法的有效性。

關(guān)鍵詞：相控陣;駐波;互耦

中圖分類號(hào)：TN822? ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：2096-4706（2020）02-0074-04

Abstract：Antenna has standing wave when radiating signals，and there is mutual coupling between units of phased-array antenna，which increases the standing wave and does great harm to the power amplifiers of the transmitter. Therefore，the effects of standing wave need to be taken into consideration when designing a phased-array antenna. Based on the problem，a test method of standing wave in phased-array antenna is put forward. Standing wave can be divided into self coupling and mutual coupling，testing each of them and the total standing wave is obtained by adding. The results are compared with the simulation results，which proves the validity of the test method.

Keywords：phased-array;standing wave;mutual coupling

0? 引? 言

隨著相控陣技術(shù)的飛速發(fā)展，越來越多的雷達(dá)采用相控陣天線，其優(yōu)點(diǎn)是增益高、波束易于控制，在目標(biāo)搜索和跟蹤過程中起著至關(guān)重要的作用。在相控陣?yán)走_(dá)的性能指標(biāo)測(cè)試中，天線的性能測(cè)試是十分重要的內(nèi)容。由于相控陣天線的天線陣列間存在互耦效應(yīng)，在發(fā)射信號(hào)時(shí)，互耦效應(yīng)與天線自身的自耦效應(yīng)相疊加，使得天線的駐波增大，可能會(huì)對(duì)發(fā)射機(jī)的功放組件產(chǎn)生安全隱患[1]。因此，在測(cè)試相控陣天線性能時(shí)，必須考慮駐波的影響。

相控陣天線的單元數(shù)從幾十個(gè)到幾千個(gè)不等，為得到相控陣天線的駐波大小，通常的方法是測(cè)試相控陣天線中每個(gè)天線單元的駐波以及單元之間的互耦系數(shù)，而為得到單元間的互耦系數(shù)，又需要用矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀與兩待測(cè)天線單元連接，測(cè)試完畢后再更換天線單元[2]。此測(cè)試方法工作量大，效率低。

針對(duì)以上問題，筆者作為實(shí)驗(yàn)中心的研究人員提出了一種測(cè)試相控陣天線駐波的方法，通過測(cè)試單個(gè)天線單元的自耦功率和其余所有單元對(duì)其的互耦功率，得到總的駐波大小，將仿真結(jié)果與實(shí)際測(cè)試結(jié)果對(duì)比，驗(yàn)證了測(cè)試方法的有效性，此測(cè)試方法能有效提高測(cè)試效率，降低測(cè)試成本，有一定的參考價(jià)值。

1? 駐波測(cè)試方法

相控陣天線駐波的形成主要來自兩方面，一方面是天線自身特性，輸入的信號(hào)并不會(huì)完全輻射出去，少部分信號(hào)會(huì)反射至發(fā)射通道，該部分信號(hào)功率稱為自耦功率;另一方面是天線單元間存在的互耦效應(yīng)，某個(gè)天線單元周圍的單元輻射出的部分信號(hào)會(huì)耦合至該天線單元，使得駐波增大，該部分信號(hào)功率稱為互耦功率[3，4]。本文采用的駐波測(cè)試方法將天線自耦功率與互耦功率分開進(jìn)行測(cè)試，然后將兩者相加，得到總的反射功率，從而計(jì)算出總的駐波大小。

1.1? 自耦功率測(cè)試

在自耦功率的測(cè)試過程中，只需對(duì)單個(gè)天線單元進(jìn)行測(cè)試，此過程用到了矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀和定向耦合器，測(cè)試過程如圖1所示。

設(shè)置矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀的端口1輸出固定幅度的信號(hào)，通過定向耦合器接至天線單元，大部分信號(hào)通過天線單元輻射出去，少部分信號(hào)由于自耦效應(yīng)反射回去，通過定向耦合器接到矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀的端口2，則端口2測(cè)得的信號(hào)功率P0除以耦合系數(shù)γ就是從天線單元反射的信號(hào)功率，即天線接口處自耦功率P天線自耦功率可表示為：

1.2? 互耦功率測(cè)試

在相控陣天線中，各個(gè)天線單元之間均存在互耦效應(yīng)，以256陣元的相控陣天線為例，如果分別對(duì)每?jī)蓚€(gè)單元的互耦系數(shù)進(jìn)行測(cè)試，那么需要頻繁地拆接線，工作量大，且會(huì)導(dǎo)致電纜和接頭磨損較大。因此，采取一種簡(jiǎn)便的方法，即在斷開所測(cè)天線單元輸入的同時(shí)，直接測(cè)量其他天線單元互耦功率的疊加值，其測(cè)試過程如圖2所示。

首先斷開被測(cè)通道與天線單元的電纜，然后設(shè)置相控陣發(fā)射機(jī)被測(cè)通道斷開，其他通道開啟，被測(cè)通道的天線端口連接頻譜儀，最后打開信號(hào)源，讀取頻譜儀測(cè)得的功率值P1，設(shè)測(cè)試電纜的衰減值為β1?；ヱ钜鸬姆瓷涔β蔖天線互耦功率可表示為：

計(jì)算得到各通道的掃描饋電相位（即各通道的相位完全一致），其中，n=1，2，…，5，dy為行與行的間距，dx為列與列的間距，freq為輸入信號(hào)頻率，單位為GHz，θ和φ分別為方位掃描角度和俯仰掃描角度。

仿真得到天線陣在不同掃描角度的駐波。結(jié)果如圖3、圖4所示，其中橫坐標(biāo)為頻率，縱坐標(biāo)為駐波比。

從仿真結(jié)果分析可知，駐波在大部分頻點(diǎn)處都較小，只在部分頻點(diǎn)處較大，不同的天線單元對(duì)應(yīng)的駐波大小隨頻率的變化趨勢(shì)基本一致。

3? 實(shí)例驗(yàn)證

在測(cè)試過程中，選取了4個(gè)不同位置的天線單元，分別測(cè)試了在波束俯仰指向?yàn)?°、方位指向?yàn)?°和波束俯仰指向?yàn)?°、方位指向?yàn)?5°時(shí)的反射功率，并計(jì)算出相應(yīng)的駐波大小。測(cè)試結(jié)果如圖5、圖6所示，其中橫坐標(biāo)為頻率，縱坐標(biāo)為駐波比。

由測(cè)試結(jié)果可知，駐波在大部分頻點(diǎn)處都較小，只在部分頻點(diǎn)處較大，不同的天線單元對(duì)應(yīng)的駐波大小與頻率的變化趨勢(shì)基本一致。通過仿真分析和實(shí)例測(cè)試，驗(yàn)證了文中提出的測(cè)試方法的有效性。

4? 結(jié)? 論

通過將總反射功率拆分為自耦功率和互耦功率，分別測(cè)試其大小，將測(cè)得的結(jié)果相加，得到總的反射功率及駐波大小，然后將測(cè)試結(jié)果與仿真結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，表明該測(cè)試方法切實(shí)有效，能反映實(shí)際的駐波情況。相比于測(cè)量每組天線單元互耦系數(shù)的測(cè)試方法，文中所提測(cè)試方法工作量較小，測(cè)試效率較高，在相控陣天線的駐波測(cè)量與安全評(píng)估中有一定的參考價(jià)值。

參考文獻(xiàn)：

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[4] 張興偉.基于槽隙波導(dǎo)的低副瓣駐波天線設(shè)計(jì)方法研究 [J].電子設(shè)計(jì)工程，2018，26（22）：81-85.

作者簡(jiǎn)介：劉舉（1994-），男，漢族，湖北仙桃人，技術(shù)人員，助理工程師，學(xué)士學(xué)位，本科，研究方向：雷達(dá)對(duì)抗;王永海（1981-），男，漢族，甘肅阿克塞人，技術(shù)人員，工程師，學(xué)士學(xué)位，本科，研究方向：雷達(dá)對(duì)抗;谷加臣（1979-），男，漢族，山東巨野人，技術(shù)人員，工程師，學(xué)士學(xué)位，本科，研究方向：雷達(dá)對(duì)抗。