相控陣?yán)走_(dá)天線諧波輻射發(fā)射測試技術(shù)研究

周海軍，石昕陽

（1.海裝裝備技術(shù)合作中心,北京 100841； 2.武漢船舶通信研究所,武漢 430205）

引言

相控陣?yán)走_(dá)天線能夠控制每個陣元產(chǎn)生電磁波的相位與幅度，以此強(qiáng)化電磁波在制定方向上的強(qiáng)度，并壓制其他方向的幅度，從而實(shí)現(xiàn)電磁波束的方向發(fā)生改變。相控陣天線較之傳統(tǒng)天線具有無機(jī)械運(yùn)動、陣元數(shù)量多、快速切換、抗干擾能力強(qiáng)等特點(diǎn)，因而相控陣天線的研究和應(yīng)用越來越受到各軍事強(qiáng)國的重視[1]。

相控陣天線的電性能參數(shù)主要包括：有效輻射功率、天線方向圖、電壓駐波比、增益和諧波雜散。其中，諧波雜散即諧波與亂真輻射發(fā)射測試是檢驗相控陣天線陣面性能的一個最為關(guān)鍵的參數(shù)測試[2]。據(jù)報道，美國雷聲公司近日對即將安裝在“伯克III”驅(qū)逐艦“杰克盧卡斯”號上的SPY6（V）1型相控陣?yán)走_(dá)完成了微波暗室內(nèi)的近場測試，驗證了多個工作頻率下，天線掃描到不同角度，不同工作模式下（如窄波瓣/寬波瓣、低副瓣、和差波束、多波束等）的天線方向圖、駐波、有效輻射功率，以判斷其性能是否達(dá)標(biāo)。基于微波暗室的相控陣天線球面遠(yuǎn)場測試系統(tǒng)如圖1所示。

圖1 基于微波暗室的單探頭球面遠(yuǎn)場測試系統(tǒng)示意圖

由于諧波發(fā)射為頻率是中心頻率發(fā)射整數(shù)倍的雜散輻射，諧波輻射發(fā)射量是相控陣天線性能的表征參數(shù)之一，也是相控陣天線電磁兼容性特征指標(biāo)之一。因此，諧波輻射發(fā)射測試屬于相控陣天線電磁兼容性測試范疇，而相控陣天線的一般工作在C波段或者X波段，同時其物理尺寸D一般較大，根據(jù)菲涅爾-弗朗和費(fèi)定理計算的遠(yuǎn)場條件R一般大于通用的微波暗室物理長度，而相控陣?yán)走_(dá)天線諧波輻射發(fā)射測試需要滿足遠(yuǎn)場條件，因此，其相控陣天線陣面的諧波測試一般不在微波暗室內(nèi)測試。

本文第一部分基于MIL-STD-461G-2015[3]與GJB 151B-2013[4]標(biāo)準(zhǔn)，比較了CE106 天線端口傳導(dǎo)發(fā)射與RE103 天線諧波輻射發(fā)射的區(qū)別，給出了遠(yuǎn)場條件，并首次詳細(xì)推導(dǎo)了相控陣?yán)走_(dá)天線輻射發(fā)射的有效輻射功率公式，第二部分以某型相控陣?yán)走_(dá)為例，提出了一種相控陣?yán)走_(dá)天線諧波輻射發(fā)射改進(jìn)型現(xiàn)場測試方法，第三部分對實(shí)測的相控陣?yán)走_(dá)天線的諧波輻射發(fā)射量指標(biāo)。最后，給出相關(guān)結(jié)論。

1 相控陣天線諧波輻射發(fā)射測試的理論基礎(chǔ)

1.1 天線端口傳導(dǎo)發(fā)射與天線諧波輻射發(fā)射的區(qū)別

MIL-STD-461G-2015Requirements for the control of electromagnetic interference characteristics of subsystems and equipments以及GJB 151B-2013《軍用設(shè)備和分系統(tǒng)電磁發(fā)射和敏感度要求與測量》標(biāo)準(zhǔn)，明確給出了關(guān)于發(fā)射機(jī)天線的發(fā)射測試項目，即CE106 10 kHz～40 GHz天線端口傳導(dǎo)發(fā)射與RE103 10 kHz～40 GHz天線諧波和亂真輸出輻射發(fā)射。其中，CE106測試項目不考慮任何與天線頻響特性相關(guān)的任何抑制，只考慮天線端口傳導(dǎo)直接耦合，不考慮天線系統(tǒng)特性的影響，適用于天線可拆卸的發(fā)射機(jī)。RE103測試項目對諧波和亂真輸出的輻射發(fā)射進(jìn)行控制，包括對天線輻射特性效應(yīng)的評估，適用于天線不可拆卸的發(fā)射機(jī)。相控陣?yán)走_(dá)屬于帶有固定不可拆卸相控陣天線的發(fā)射機(jī)，因此，相控陣?yán)走_(dá)天線諧波和亂真輸出輻射發(fā)射遵循標(biāo)準(zhǔn)中的RE103的要求。前已有述，相控陣?yán)走_(dá)天線的RE103測試不滿足在微波暗室測量的條件，主要是遠(yuǎn)場條件受限所致。

1.2 遠(yuǎn)場條件公式

相控陣?yán)走_(dá)天線諧波輻射發(fā)射需要在遠(yuǎn)場條件下進(jìn)行[5]。最小遠(yuǎn)場測試距離按如下公式確定：

當(dāng)相控陣?yán)走_(dá)天線發(fā)射中心頻率不高于1.24 GHz時，按式（1）和（2）計算并取大者；

當(dāng)相控陣?yán)走_(dá)天線發(fā)射中心頻率高于1.24 GHz時，按式（3）和（4）計算。

上述各式中：

Rmin—發(fā)射天線與接收天線間的距離，即最小遠(yuǎn)場測試距離，m；

D—發(fā)射天線的最大物理尺寸，m；

d—接收天線的最大物理尺寸，m；

λ—相控陣?yán)走_(dá)天線發(fā)射頻率的波長，m。

1.3 諧波發(fā)射抑制度公式的詳細(xì)推導(dǎo)

諧波發(fā)射抑制度可用來表征相控陣?yán)走_(dá)天線諧波輻射發(fā)射的電磁參數(shù)。從電磁兼容測試角度看，諧波抑制度可等效為實(shí)測諧波的有效輻射功率值（dBW）與實(shí)測基波有效輻射功率值（dBW）之差。由上述可知，諧波發(fā)射核心電磁參數(shù)應(yīng)為發(fā)射機(jī)有效輻射功率。

發(fā)射機(jī)發(fā)射的有效輻射功率ERP也可以表示為：

式中：

相控陣天線輻射場強(qiáng)E可表示為：

式中：

EV/m—發(fā)射機(jī)Rm前方距離處的電場強(qiáng)度；

R—發(fā)射機(jī)天線和接收天線間的距離。

（6）式用對數(shù)表示，可變成為：

即為：

另一方面，從場強(qiáng)測量的角度來講，發(fā)射機(jī)R m前方距離處的電場強(qiáng)度還可表示為：

式中：

聯(lián)立公式（5）（8）（9）（10），可得：

式中：

2 相控陣?yán)走_(dá)天線諧波輻射發(fā)射改進(jìn)型現(xiàn)場測試方法

傳統(tǒng)微波暗室測量方法由于遠(yuǎn)場條件受限，不能滿足相控陣?yán)走_(dá)天線的天線諧波輻射發(fā)射測量的需求。本文提出了一種改進(jìn)型諧波輻射發(fā)射測試方法，如圖2所示。圖中，待測相控陣天線陣面安裝在外部聯(lián)調(diào)現(xiàn)場或開闊場中，已知性能參數(shù)的EMC接收天線組件（包括10 kHz～30 MHz單極振子天線、30～200 MHz雙錐天線、200 MHz～1 GHz對數(shù)周期天線、1～18 GHz雙脊喇叭天線、18～40 GHz角錐喇叭）與待測天線等高架設(shè)。兩天線分別由盡可能短的高性能射頻屏蔽線纜與發(fā)射機(jī)和EMI測量接收機(jī)可靠互聯(lián)。EMI接收機(jī)與自動控制系統(tǒng)放置在屏蔽室1中，待測相控陣天線的發(fā)射機(jī)放置在屏蔽室2中。

傳統(tǒng)方法對被測天線的物理尺寸和工作頻段要求不高，但是測試空間內(nèi)本底電磁環(huán)境較好，但較難獲取理想的諧波發(fā)射抑制度，而改進(jìn)型測量方法對被測天線的物理尺寸和工作頻段沒有特殊限制，且較易于滿足遠(yuǎn)場測試條件，在較小的分辨率帶寬條件下，即可獲取較理想的諧波發(fā)射抑制度。

MIL-STD-461G-2015以 及ITU SM.329-2011[6]中規(guī)定的雜散域無用信號暗室測試方法中包含信號功率90 %的推薦的必要帶寬為：10～30 MHz頻段的帶寬為10 kHz，30 MHz～1 GHz頻段的 帶寬為100 kHz，1～40 GHz頻段的帶寬為1 MHz。在實(shí)際開闊場測試中，較高帶寬會導(dǎo)致測試不準(zhǔn)確，基波與諧波會被本底信號淹沒，因此本文推薦全頻段測試的必要帶寬為50 kHz或更低。在實(shí)際開闊場測試過程中，應(yīng)先對空間損耗和天線增益進(jìn)行修正，并且需要在相控陣天線方向圖的方位角和仰角上對諧波發(fā)射進(jìn)行搜索，以測量最大的諧波信號電平值。

圖2 改進(jìn)型相控陣天線諧波輻射發(fā)射測試示意圖

圖3 相控陣天線諧波輻射發(fā)射測量曲線（F=8.8 GHz，RBW=50 kHz）

表1 相控陣天線諧波發(fā)射抑制測量數(shù)據(jù)一覽表

3 案例分析

本文以某型相控陣?yán)走_(dá)天線為例，其天線基本參數(shù)如下：天線陣面最大物理尺寸D為150 cm，發(fā)射信號中心頻率F為8.8 GHz，對應(yīng)工作波長為3.41 cm，接收用的雙脊喇叭天線為最大物理尺寸d為24.2 cm。由公式（4）計算的最小遠(yuǎn)場測試距離R為88.99 m，本次諧波輻射發(fā)射測試實(shí)際選擇遠(yuǎn)場測試具體為100 m。

圖3所示為基于改進(jìn)型現(xiàn)場測試方法測試的相控陣天線諧波輻射發(fā)射測量曲線。圖中分析可知，最小分辨率帶寬設(shè)置為50 kHz，基波、二次諧波和三次諧波接收機(jī)實(shí)測讀數(shù)分別為3.93 dBm、-71.06 dBm和-82.44 dBm。校準(zhǔn)的接收天線因子在基波和二、三次諧波處分別為37.1 dB（1/m）、46.3 dB（1/m）、39.5 dB（1/m），由公式（12）和公式（13）計算的相控陣諧波抑制度，如表1所示。

結(jié)果分析可知，10 kHz～40 GHz頻段內(nèi)，該型相控陣?yán)走_(dá)天線的諧波輻射發(fā)射二次諧波抑制度約為65 dB，三次及高次諧波抑制度高于80 dB。側(cè)面也驗證了改進(jìn)型諧波輻射發(fā)射抑制測試方法具有較好的工程可操作性與可行性。

4 結(jié)論

本文提出了一種基于開闊場的相控陣?yán)走_(dá)天線諧波輻射發(fā)射改進(jìn)型測試方法，構(gòu)建了相控陣?yán)走_(dá)天線諧波測試系統(tǒng)，并以某型相控陣?yán)走_(dá)天線諧波輻射發(fā)射測試為例，驗證了該方法在雷達(dá)天線有效輻射功率測定，分辨率帶寬設(shè)置等諧波輻射發(fā)射測試細(xì)節(jié)等方面，具有較強(qiáng)的工程可行性。