天線罩相位一致性的測(cè)試方法研究

李秀英 崔東雷 張 恒 丁洪利

0 引言

天線罩作為天線的電磁窗口[1-3]，一方面提供保證結(jié)構(gòu)、溫度和空氣動(dòng)力特征，另一方面最優(yōu)程度減小罩體對(duì)雷達(dá)天線的電性能參數(shù)影響，包括透波、瞄準(zhǔn)誤差等。對(duì)采用多天線單元的天線陣列，因?yàn)槎鄠€(gè)單元天線的天線陣列間存在距離的原因，接收相位會(huì)產(chǎn)生一定的差值，并且因?yàn)榻橘|(zhì)天線罩的存在，會(huì)帶來多余的誤差相位值。將天線罩-天線陣列一體化對(duì)相位影響的關(guān)聯(lián)性，提出相位一致性的量度進(jìn)行衡量。并用其來衡量天線罩對(duì)測(cè)向精度的影響。共形天線陣列是陣列天線和載體高度融合在一起來保證載體的氣動(dòng)布局[4]。是在天線陣列相位變化的基礎(chǔ)上，反映的是載體厚度變化不均勻而對(duì)天線陣產(chǎn)生的附加相位變化量。

文章研究分析采用多個(gè)單元天線的天線罩-天線陣列包括共形天線陣的相位一致性的測(cè)試方法及系統(tǒng)構(gòu)建，利用測(cè)試數(shù)據(jù)對(duì)相位一致性進(jìn)行計(jì)算分析，給出計(jì)算公式，對(duì)測(cè)試過程中的誤差分析，并給出目前的研究結(jié)論，對(duì)相位一致性影響因素的關(guān)聯(lián)性。并進(jìn)一步提出測(cè)試計(jì)算的相位一致性可以反映設(shè)計(jì)制造的天線罩的優(yōu)劣。

1 相位一致性數(shù)據(jù)處理

天線陣列方向圖是由陣列單元數(shù)目、間距、分布形式、幅度和相位決定的。一般用兩個(gè)特定正交極化的輻射分量的幅度和相位來完整地描述輻射方向圖。天線罩-天線陣列的相位一致性是由相位方向圖計(jì)算得出。

1.1 天線罩-天線陣列的相位一致性

某一天線陣列由n個(gè)天線單元，若天線單元A1的相位為P1A（f，w，θ，σ），帶罩時(shí)A1相位為P1R（f，w，θ，σ），式中f為對(duì)應(yīng)測(cè)試的頻率，w為天線單元對(duì)應(yīng)的位置，θ測(cè)試時(shí)對(duì)應(yīng)的天線罩和天線單元的方位角，σ測(cè)試時(shí)對(duì)應(yīng)的天線罩和天線單元的俯仰角。

D1R（f，w，θ，σ）為A1天線單元帶罩與不帶罩時(shí)的相位差值，也稱為該天線單元的插入相位延遲IPD（Insert Phase Delay）。

將各天線單元對(duì)應(yīng)的IPD兩兩相減得到兩兩位置的相位差。

此相位差φijR（f，w，θ，σ）僅反映天線罩對(duì)兩兩天線相位引入的誤差，而不能夠反映天線罩對(duì)整個(gè)天線陣列的相位誤差。

對(duì)于有n個(gè)天線單元的天線陣則兩兩位置的相位差與相位差平均值的差值定義為天線罩-天線陣列的相位一致性。

其中φaveR（f，w，θ，σ）定義為陣列天線中天線單元相位差的平均值。

1.2 共形天線陣列相位一致性

采用固定法測(cè)試相位一致性時(shí)，即天線陣列單元固定不隨著單元移動(dòng)到與電軸對(duì)準(zhǔn)。取兩相鄰天線的相位方向圖之差：

其中為ΔΦsp補(bǔ)償空間相位，采用移動(dòng)天線單元對(duì)準(zhǔn)測(cè)試時(shí)，ΔΦsp=0。

對(duì)于固定單元法，在遠(yuǎn)場(chǎng)距離較小或基線長(zhǎng)度較大的情況下，由于各個(gè)天線單元的偏心距離較大，會(huì)引入較大的偏心相位誤差，需要進(jìn)行偏心相位校準(zhǔn)測(cè)試。測(cè)試各個(gè)單元的相位方向圖Φj（θ，σ）（j表示被測(cè)端口號(hào)），針對(duì)不同的極化、頻點(diǎn)，與基準(zhǔn)單元i作比較得到相位差異：

按照0°方向進(jìn)行歸一：

在一定角度、頻率下統(tǒng)計(jì)均方根。

1.3 基線解相位模糊

陣列天線的陣元之間的距離L稱為基線，當(dāng)L≤λ/2（λ為入射信號(hào)的波長(zhǎng)），測(cè)試時(shí)的陣列天線單元間接收的是相位值能夠反映實(shí)際相位差，相位差值落在[-π，π]。否則可能會(huì)落在[-π，π]以外引起“相位模糊”。

解相位模糊的過程可利用長(zhǎng)短基線和虛擬基線結(jié)合的方法，圖1為長(zhǎng)短基線解相位模糊原理圖。

圖1長(zhǎng)短基線解相位模糊原理圖

測(cè)試得到的相位差為φ1、φ2，因?yàn)樗驭?為非模糊值，φ2為模糊值。

由于基線：

根據(jù)式9和10將粗值φ2*和精確值φ2'匹配可得到唯一精確相位差值。

當(dāng)天線單元工作于較高頻段時(shí)，波長(zhǎng)較小，采用多基線解相位模糊會(huì)出現(xiàn)基線間距太小而無法布置的問題，此時(shí)可使用長(zhǎng)短基線系統(tǒng)構(gòu)造的虛擬基線作為虛擬短基線，來完成解相位模糊，圖2為虛擬基線解相位模糊原理圖。

圖2虛擬基線解相位模糊原理圖

如圖2所示天線單元排列情況，A1'為A1關(guān)于A0對(duì)稱的虛擬鏡像單元天線。

以A0為參考單元，A1A0和A1A2的相位差為φ01和φ02，此為模糊值。

根據(jù)φ01構(gòu)造關(guān)于A0對(duì)稱的虛擬單元A1'的相位差φ01'。以A2為參考單元，以φ02和φ01'計(jì)算的A2A1'相位差φ21'。

以A0、A1'、A2構(gòu)建長(zhǎng)短基線系統(tǒng)，根據(jù)上述長(zhǎng)短基線解相位模糊。

2 測(cè)試與應(yīng)用

2.1 遠(yuǎn)場(chǎng)測(cè)試系統(tǒng)

2.1.1 系統(tǒng)組成

微波暗室遠(yuǎn)場(chǎng)測(cè)試系統(tǒng)主要由微波暗室、信號(hào)源、矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀、信號(hào)收發(fā)設(shè)備、目標(biāo)支架及轉(zhuǎn)臺(tái)、轉(zhuǎn)臺(tái)驅(qū)動(dòng)控制器、接收天線等組成，如圖3所示。陣列天線-天線罩的測(cè)試示意圖如圖4所示。

圖3遠(yuǎn)場(chǎng)測(cè)試系統(tǒng)組成框圖

圖4陣列天線-天線罩測(cè)試示意圖

2.1.2 測(cè)試方案

天線采用固定位置法測(cè)試，以減少位置移動(dòng)、裝/卸電纜線與天線罩帶來的測(cè)量誤差。即將被測(cè)天線架設(shè)在轉(zhuǎn)臺(tái)中心，測(cè)試過程中保持各個(gè)天線位置不變，并對(duì)測(cè)試數(shù)據(jù)進(jìn)行空間相位及轉(zhuǎn)臺(tái)偏心校準(zhǔn)，即扣除空間相位并消除轉(zhuǎn)臺(tái)偏心引入的相位誤差。在天線單元之間增加合適的吸波材料來減少天線之間的耦合等干擾。

2.2 測(cè)試說明

相位信息的測(cè)試說明

（1）選用矢網(wǎng)須設(shè)置為比值模式（S21，B/R1等）。

（2）外界信號(hào)源時(shí)用耦合器耦合一路信號(hào)用作參考，或者在接收端架設(shè)一固定的輔助天線接收信號(hào)作為參考。

（3）外接信號(hào)源時(shí)用10Mhz連接信號(hào)源與矢網(wǎng)，進(jìn)行鎖頻同步，防止偏頻。

2.3 部分指標(biāo)要求

以一寬頻帶天線罩測(cè)試為例，安裝方式如上圖4所示，在測(cè)試過程中為了盡量避免裝/卸天線罩與電纜線導(dǎo)致的測(cè)量誤差，應(yīng)選擇在一固定狀態(tài)下重復(fù)幾次測(cè)量，通過比較數(shù)據(jù)能夠基本一致，則可基本忽略人工操作引入的額外誤差。本次試驗(yàn)部分指標(biāo)要求為：

（1）方位掃描范圍：±45°。

（2）俯仰掃描范圍：0°～30°。

（3）相位一致性：優(yōu)于±15°。

（4）頻率跨越多個(gè)波段，見表1。

表1試驗(yàn)頻率一覽表

3 測(cè)量結(jié)果及分析

3.1 相位一致性的測(cè)量分析

由于篇幅有限，不能一一列出兩兩位置天線單元的相位的相位一致性。選取了兩邊緣天線U14，邊緣相鄰天線U12和中間天線U23的相位一致性的變化曲線。如圖5～9所示。

圖5 0°俯仰角U14相位一致性

圖6 0°俯仰角U23相位一致性

根據(jù)相位一致性定義，圖5～圖9分別給出了方位±45°，俯仰0°～30°，頻率2 GHz、6 GHz、10 GHz下，天線單元1～4、天線單元2-3、天線單元1-2對(duì)應(yīng)的天線罩的相位一致性結(jié)果。

由圖總結(jié)可知，頻率越高，天線的相位不一致性也會(huì)增大；天線的相位不一致性也會(huì)隨著俯仰角的增大而減?。魂嚵袉卧炀€距離越近，相位不一致性越大。由實(shí)際測(cè)試分析可知頻率越高，天線罩的電厚度尺寸變大，微小的工藝偏差帶來的相位不一致性會(huì)比低頻率帶來更大的變化；俯仰角增大，入射波入射天線罩的曲率減小；陣列單元天線間的耦合仍是不可忽略的影響相位一致性的因素，本次測(cè)試結(jié)果是合理的。

圖7 0°俯仰角U12相位一致性

圖8 15°俯仰角U12相位一致性

圖9 30°俯仰角U12相位一致性

3.2 相位一致性的測(cè)量誤差分析

根據(jù)測(cè)試相位方向圖計(jì)算相位一致性的遠(yuǎn)場(chǎng)法測(cè)試系統(tǒng)的基本原理、測(cè)試物理模型及測(cè)試環(huán)境，能夠在相位一致性正確測(cè)量計(jì)算的基礎(chǔ)上，另外有以下幾個(gè)方面還需要考慮改善，才能保證測(cè)試過程中誤差的減?。?/p>

進(jìn)行遠(yuǎn)場(chǎng)測(cè)量的相位方向圖，必須滿足遠(yuǎn)場(chǎng)測(cè)量的條件，如果不能滿足遠(yuǎn)場(chǎng)測(cè)試條件，在待測(cè)天線口面上將產(chǎn)生平方律相位偏差。

測(cè)量場(chǎng)地及環(huán)境反射也將影響測(cè)相的精度，根據(jù)反射波和直射波差90°計(jì)算，如果由此引入的誤差小于1°，平均反射電平應(yīng)為-40dB；引入0.2°的誤差，平均反射電平應(yīng)為-55dB。所以在相位方向圖測(cè)試過程中應(yīng)選擇在高質(zhì)量且穩(wěn)定的微波暗室，減少不必要的干涉，影響相位一致性的計(jì)算。

在測(cè)試過程中，隨著轉(zhuǎn)臺(tái)的轉(zhuǎn)動(dòng)，微波電纜將發(fā)生位移和變形，造成2°左右的誤差，測(cè)試時(shí)需要選擇高品質(zhì)穩(wěn)相電纜。同時(shí)因?yàn)檗D(zhuǎn)臺(tái)轉(zhuǎn)動(dòng)的誤差為隨機(jī)的，會(huì)導(dǎo)致天線罩和天線陣列轉(zhuǎn)動(dòng)過程引起不同的相移，增大一致性誤差。

網(wǎng)絡(luò)分析儀產(chǎn)生的頻率漂移等隨機(jī)誤差，需要選用精度較高的測(cè)量設(shè)備，并縮短測(cè)量的時(shí)間。

系統(tǒng)的信噪比也是引起相位誤差的一個(gè)因素，為了防止噪聲對(duì)相位測(cè)量產(chǎn)生的影響，增大相位一致性，測(cè)量時(shí)系統(tǒng)得有較高的信噪比。

4 結(jié)論

在滿足測(cè)試條件的微波暗室內(nèi)對(duì)一寬頻帶天線罩進(jìn)行了測(cè)試，總結(jié)了天線罩的相位一致性的測(cè)試方法，對(duì)相位一致性的概念進(jìn)行了完善，并利用測(cè)試數(shù)據(jù)給出了相應(yīng)的公式計(jì)算。通過研究分析總結(jié)天線罩-天線陣列的相位一致性的影響因素包含有：

（1）陣列天線單元間的互耦引起的相位誤差。

（2）天線罩覆蓋天線陣列時(shí)兩端的曲率半徑的差異或稱為外形曲面差異。

3）天線罩設(shè)計(jì)時(shí)對(duì)罩壁結(jié)構(gòu)的選擇，根據(jù)相位一致性指標(biāo)要求可以考慮，頻率跨度是否采用變厚度設(shè)計(jì)。

（4）天線罩的制作工藝。

（5）介質(zhì)材料等的均勻度。

本工作也為后續(xù)天線罩設(shè)計(jì)、指導(dǎo)天線罩加工提供了參考依據(jù)。