機(jī)載天線方向圖外場測試技術(shù)研究

趙東濤， 徐宏宇

1.中國飛行試驗(yàn)研究院，陜西 西安 710089； 2.中國北方工業(yè)有限公司，北京 100053)

機(jī)載射頻天線裝機(jī)后，天線方向圖[1]不僅與天線自身有關(guān)，而且會(huì)受到其在機(jī)上安裝位置、機(jī)體形狀和蒙皮材料等多方面的影響，這些會(huì)使天線的方向圖發(fā)生不可忽視的畸變，導(dǎo)致天線的性能偏離預(yù)期效果。因此，只有準(zhǔn)確地得到機(jī)載天線方向圖的畸變特性，才能采取相應(yīng)的技術(shù)措施，以確保裝機(jī)天線性能參數(shù)滿足使用要求。裝機(jī)天線方向圖等參數(shù)的高精度測試，對(duì)于指導(dǎo)裝機(jī)天線的合理布局和畸變補(bǔ)償，以及提升飛機(jī)通信導(dǎo)航和雷達(dá)性能均具有重要的意義。

裝機(jī)天線由于飛機(jī)機(jī)體尺寸較大，對(duì)整機(jī)進(jìn)行天線測試的暗室靜區(qū)尺寸要求也過大，故外場測量是一種可替代的方法。外場測試過程中一般需要轉(zhuǎn)臺(tái)實(shí)現(xiàn)飛機(jī)和天線旋轉(zhuǎn)、移動(dòng)等操作，對(duì)轉(zhuǎn)臺(tái)的承重和尺寸要求都很高，因此，外場通常不旋轉(zhuǎn)飛機(jī)平臺(tái)，而是采用移動(dòng)配套輔助天線的方式進(jìn)行自動(dòng)化測試[2-15]。許多文獻(xiàn)中的測試方法能夠?qū)崿F(xiàn)天線方向圖外場自動(dòng)化測試，但未考慮天線在機(jī)上的安裝位置、機(jī)體形狀和蒙皮材料等多方面耦合后機(jī)體環(huán)境對(duì)測試結(jié)果的影響。

本文設(shè)計(jì)了一套裝機(jī)天線外場環(huán)境測試平臺(tái)，提出了一種裝機(jī)天線外場天線方向圖校準(zhǔn)方法，測試過程中不需要將飛機(jī)安置在測試轉(zhuǎn)臺(tái)上，在被測天線固定不動(dòng)的情況下，利用車載測試設(shè)備對(duì)裝機(jī)天線進(jìn)行移動(dòng)式測量，實(shí)現(xiàn)了裝機(jī)天線不同頻點(diǎn)的方向圖等參數(shù)的測量和校準(zhǔn)，本測試平臺(tái)及校準(zhǔn)方法具有高效率和高精度測試的優(yōu)點(diǎn)。

1 天線方向圖外場測試方法

根據(jù)天線方向圖的定義“一個(gè)圓心位于天線內(nèi)部、表面位于待測天線遠(yuǎn)場區(qū)的大球狀圖形，用于表征天線輻射的電磁場在空間的分布特征”，天線方向圖測量首先要滿足遠(yuǎn)場測試條件，如式(1)所示。

(1)

式中:R為輔助天線和待測天線之間的最小距離，單位為m；D為待測天線最大截面尺寸，單位為m；λ為最短波長，單位為m。

對(duì)于寬帶天線，當(dāng)天線口徑固定時(shí)，天線最高工作頻率決定了測試的最小距離。根據(jù)機(jī)載天線不同工作頻率天線的口徑，分別確定測試的最小距離。

外場測試通常采用高架測試方法，測試幾何關(guān)系如圖1所示，采用這種測試方法時(shí)，被測天線和輔助天線架設(shè)在一定高度，以此來減少地面和周圍環(huán)境產(chǎn)生的反射干擾。

圖1 高架遠(yuǎn)場測試幾何關(guān)系

圖1中，h為被測天線或輔助天線的中心高度；D為被測天線最大截面尺寸；R為輔助天線和被測天線之間的水平距離。

2 測試系統(tǒng)組成

機(jī)載天線外場測量系統(tǒng)由射頻網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)、天線定位系統(tǒng)和軟件控制系統(tǒng)3個(gè)基本系統(tǒng)組成，系統(tǒng)組成框圖如圖2所示。在主控系統(tǒng)控制下，射頻網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)、數(shù)據(jù)采集記錄系統(tǒng)和天線掃描對(duì)準(zhǔn)系統(tǒng)協(xié)調(diào)工作，共同完成機(jī)載天線外場測量任務(wù)。

圖2 機(jī)載天線方向圖測量系統(tǒng)組成示意圖

射頻網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)用于產(chǎn)生標(biāo)準(zhǔn)機(jī)載射頻信號(hào)，采用半實(shí)物模擬的方式，利用SystemVue仿真軟件，產(chǎn)生典型機(jī)載射頻傳感器所需的復(fù)雜波形數(shù)據(jù)，將波形數(shù)據(jù)下載到M8190A任意波形產(chǎn)生器，經(jīng)E8267D矢量信號(hào)發(fā)生器上變頻至載波頻率，然后對(duì)數(shù)據(jù)波形進(jìn)行播放產(chǎn)生射頻信號(hào)。產(chǎn)生的標(biāo)準(zhǔn)射頻信號(hào)利用矢量信號(hào)分析儀N9010A和示波器DSOZ504A對(duì)信號(hào)IQ調(diào)制器輸出信號(hào)平坦度和非線性相位失真進(jìn)行校準(zhǔn)。機(jī)載射頻信號(hào)生成半實(shí)物仿真系統(tǒng)方案示意圖如圖3所示。

圖3 機(jī)載射頻信號(hào)生成半實(shí)物仿真系統(tǒng)方案示意圖

方向圖測試過程中，輔助天線的最大輻射方向應(yīng)對(duì)準(zhǔn)被測天線。天線定位系統(tǒng)是天線測試系統(tǒng)的主要硬件裝置；輔助天線安裝在掃描架的滑軌上，由主控系統(tǒng)控制輔助天線在掃描架滑軌上移動(dòng)，采用全站儀測試輔助天線與被測天線之間的坐標(biāo)位置，完成輔助天線與被測天線之間相對(duì)位置關(guān)系的測量。

天線測試系統(tǒng)軟件作為整個(gè)測試系統(tǒng)所有任務(wù)功能的最終體現(xiàn)，是整個(gè)測試系統(tǒng)的控制中心和數(shù)據(jù)采集處理中心，系統(tǒng)軟件交互界面如圖4所示?？刂浦行耐ㄟ^主控計(jì)算機(jī)LAN接口控制射頻儀器輸出信號(hào)類型、頻率和幅度，控制輔助天線在掃描架上的運(yùn)動(dòng)參數(shù)(運(yùn)動(dòng)高度、運(yùn)動(dòng)速度和極化方式)，實(shí)現(xiàn)射頻儀器和輔助天線運(yùn)動(dòng)的協(xié)調(diào)工作。數(shù)據(jù)采集處理中心完成數(shù)據(jù)的同步采集記錄、處理和數(shù)據(jù)管理顯示功能。

圖4 軟件交互界面

3 外場測試流程

外場法測試原理如圖5所示。機(jī)載被測天線保持位置固定，輔助天線在地面隨牽引車以被測天線參考點(diǎn)為圓心做圓周運(yùn)動(dòng)；采用全站儀動(dòng)態(tài)跟蹤被測天線與輔助天線之間的距離和角度提供姿態(tài)信息，并確保被測天線與輔助天線之間的距離相同。通過這種方式來掌握被測天線與輔助天線之間的相對(duì)距離和角度之間的變化情況，記錄不同角度下待測天線接收到的相對(duì)場強(qiáng)大小，即可得到該截面內(nèi)的天線方向圖。

圖5 裝機(jī)天線測試示意圖

3.1 測試站點(diǎn)的可測試角度確定

外場天線測試過程中，方位向通過天線車的移動(dòng)來完成不同方位向方向圖的測試，俯仰向通過輔助天線在掃描架上移動(dòng)來完成不同俯仰向的方向圖測試。在選取好初始測試站點(diǎn)之后，后續(xù)測試站點(diǎn)都是通過天線車等角度間隔運(yùn)動(dòng)來完成的，針對(duì)每一個(gè)測試站點(diǎn)，利用全站儀檢測跟蹤輔助天線與被試天線之間所處位置關(guān)系，主控軟件可以根據(jù)全站儀跟蹤得到的位置信息計(jì)算出被測天線和輔助天線之間的角度和距離信息。

如果測試角度范圍從為θ1～θ2，測試方向圖的角度分辨率為Δ，則測天線方向圖所需要的角度總數(shù)n為

n=(θ2-θ1)/Δ

(2)

其中,待測試角度集合表示為

{θ1,θ1+Δ,θ1+2Δ,…,θ1+(n-1)Δ,θ2}

由于對(duì)每一個(gè)測試站點(diǎn)的可測試角度進(jìn)行測試得到的只是天線方向圖中的一部分，因此在最終測試完一個(gè)站點(diǎn)后，需要將在這個(gè)站點(diǎn)下測試的方向圖數(shù)據(jù)進(jìn)行拼合，整個(gè)測試過程中，分別在方位上和俯仰上通過全站儀的配合不斷調(diào)整測試站點(diǎn)位置完成掃描測試，最終得到完整的天線方向圖。

3.2 方位向天線方向圖測試

方位向測試依次分別在P1，P2，…，Pi，Pn點(diǎn)控制測試平臺(tái)按照設(shè)定頻點(diǎn)輸出射頻信號(hào)，機(jī)載射頻接收機(jī)采集記錄對(duì)應(yīng)頻點(diǎn)的信號(hào)，分別完成不同方位角上方向圖測試，方位測試示意圖如圖6所示。

圖6 裝機(jī)天線方位測試示意圖

3.3 俯仰向天線方向圖測試

俯仰向在P1，P2，…，Pi，Pn點(diǎn)再分別標(biāo)定出H、H1和H2高度，控制測試平臺(tái)按照設(shè)定頻點(diǎn)輸出射頻信號(hào)，機(jī)載射頻接收機(jī)采集記錄對(duì)應(yīng)頻點(diǎn)的信號(hào)，分別完成不同俯仰角上方向圖測試。H、H1和H2位置如圖7所示。

圖7 裝機(jī)天線俯仰測試示意圖

機(jī)載天線方向圖測試就是獲得天線口面輻射場的準(zhǔn)確S1(θ1)，S2(θ2)，…，Sn(θn)數(shù)據(jù)；通過這些數(shù)據(jù)，可得到描述天線方向圖，從方向圖中可得到主瓣寬度、半功率角、副瓣寬度、副瓣電平等參數(shù)，以便于分析天線性能。

4 測試過程中關(guān)鍵技術(shù)

4.1 高精度角度對(duì)準(zhǔn)方法

外場天線測試首先解決被測天線與輔助天線之間的對(duì)準(zhǔn)問題，對(duì)于電軸和光軸一致的天線，相位中心和天線物理中心近似重合，只需要保證被測天線與輔助天線的物理對(duì)準(zhǔn)即可。天線對(duì)準(zhǔn)可通過全站儀使輔助天線口面的法線方向指向被測天線的幾何中心，該位置可作為測試天線的零位方向，對(duì)準(zhǔn)后效果如圖8所示。需要說明的是，零點(diǎn)定位的準(zhǔn)確性與方向圖測試的精度有直接聯(lián)系。

圖8 天線對(duì)準(zhǔn)示意圖

測試過程中，在每一個(gè)方位測試點(diǎn)，根據(jù)輔助天線可測的角度信息，計(jì)算天線在不同測試角度相對(duì)零位的高度和俯仰角，其中高度和俯仰角一一對(duì)應(yīng)，將計(jì)算結(jié)果保存到Excel工作簿文件，然后調(diào)用串口控制命令，控制輔助天線按照Excel工作簿中的位置步進(jìn)掃描，完成一個(gè)方位角下的不同俯仰角測試，天線車移動(dòng)到下一個(gè)方位測試點(diǎn)，重復(fù)上述測試過程，并保存相應(yīng)的測試數(shù)據(jù)，直至完成所有的測試站點(diǎn)的測試工作，從而實(shí)現(xiàn)天線方向圖的高精度自動(dòng)化測試。

4.2 測試環(huán)境干擾消除

在外場進(jìn)行測量時(shí)，不可避免地會(huì)受到場地環(huán)境對(duì)測試精度的影響。當(dāng)測試場為開闊環(huán)境時(shí)，機(jī)載天線方向圖測量環(huán)境干擾影響主要是由地面帶來的，特別是被測天線在俯仰面方向圖上受地面的影響最大，如圖7所示。所以在測量時(shí)，為了消除地面干擾，首先采用時(shí)域測量技術(shù)獲得測量場地在時(shí)域反射特性，找到地面反射最強(qiáng)的對(duì)應(yīng)位置，然后可以采用鋪設(shè)吸波材料和時(shí)域門等手段降低來自地面反射波的影響。

如圖7中所示，主瓣達(dá)地點(diǎn)到標(biāo)準(zhǔn)天線口面的距離為γ=H·cos(ψ/2)，ψ為標(biāo)準(zhǔn)天線波束寬度。根據(jù)入射、反射的關(guān)系，判斷反射波能否直達(dá)機(jī)載天線端口。在波束主瓣達(dá)地點(diǎn)強(qiáng)反射區(qū)域布設(shè)吸波材料，同時(shí)，也在其他次強(qiáng)反射區(qū)域布施吸波材料。

4.3 距離補(bǔ)償方法

天線測試過程中，理論上測試車應(yīng)沿圓周運(yùn)動(dòng)，測試設(shè)備與被測天線間距離理論上保持不變。而實(shí)際測試過程中，測試車在行進(jìn)過程中，測試距離因圓周定位誤差呈動(dòng)態(tài)變化，輔助天線姿態(tài)因路面平整度和天線上下掃描出現(xiàn)變化，因此，需要對(duì)測試距離和天線姿態(tài)進(jìn)行修正。

測試過程中，假設(shè)天線對(duì)正位置距離為R0，接收信號(hào)幅度為Pr0(dB)；更換測試點(diǎn)位置后，距離為R1，接收信號(hào)幅度為Pr1(dB)。在不同的位置上，距離歸一化補(bǔ)償即為補(bǔ)償Rr0與Rr1間的差值為

(3)

在天線外場測試數(shù)據(jù)處理中，按照式(3)進(jìn)行距離歸一化補(bǔ)償。根據(jù)輔助天線的方向圖和姿態(tài)信息，對(duì)測量結(jié)果進(jìn)行進(jìn)一步修正。

5 試驗(yàn)結(jié)果與分析

在某外場試驗(yàn)場，對(duì)某型機(jī)載天線方向圖進(jìn)行測試，輔助天線與被測天線距離13.5 m，信號(hào)源工作頻點(diǎn)為10 GHz，幅度為0 dBm，機(jī)載天線方位向方向圖測試結(jié)果如圖9所示，俯仰-30°～15°范圍內(nèi)方向圖測試結(jié)果如圖10所示。

圖9 機(jī)載天線方位向方向圖測試結(jié)果

圖10 機(jī)載天線俯仰向方向圖測試結(jié)果

從圖9中可以看出，機(jī)載天線方位向方向圖測試結(jié)果與暗室天線方向圖對(duì)比，雖然測試結(jié)果與理想狀態(tài)有偏差，但經(jīng)過校正補(bǔ)償后的天線方向圖得到了明顯的改善。從圖10中可以看出，機(jī)載天線俯仰向15°以上受飛機(jī)機(jī)翼遮擋，使天線方向圖發(fā)生畸變，實(shí)際使用過程中，需要考慮到機(jī)翼對(duì)天線的遮擋效應(yīng)，同時(shí)，機(jī)載天線在安裝前可以通過合理的布局，來規(guī)避機(jī)體環(huán)境對(duì)天線輻射特性的影響，發(fā)揮天線的最大效能，達(dá)到天線最初的設(shè)計(jì)要求。

6 結(jié)束語

設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)了機(jī)載天線方向圖外場校準(zhǔn)系統(tǒng)，解決了天線方向圖測試受外場環(huán)境影響，以及天線不易轉(zhuǎn)動(dòng)或移動(dòng)限制的問題，在真實(shí)的使用環(huán)境下對(duì)裝機(jī)天線狀態(tài)進(jìn)行測試，實(shí)現(xiàn)測評(píng)數(shù)據(jù)基準(zhǔn)溯源。該方法可應(yīng)用于機(jī)載平臺(tái)上天線總體設(shè)計(jì)和天線集成驗(yàn)證，也可用于裝機(jī)天線性能外場快速測試和檢測，為裝備外場排故、維護(hù)保障提供支撐。