有源相控陣天線遠(yuǎn)場測試系統(tǒng)設(shè)計

鄔家旺， 冉黎林

(中國空空導(dǎo)彈研究院，河南 洛陽 471009)

近年來，隨著小型化、低成本收發(fā)(TR)模塊的快速發(fā)展，相控陣天線已開始應(yīng)用到更廣泛的領(lǐng)域。相比防空、預(yù)警等大型雷達(dá)系統(tǒng)，小型雷達(dá)系統(tǒng)具有自己的新特點，如體積小、頻率高、數(shù)量大等，這就對產(chǎn)品測試領(lǐng)域提出了新的挑戰(zhàn)。本文針對小型有源相控陣天線，開展輻射特性校準(zhǔn)與測試技術(shù)研究。

傳統(tǒng)無源天線使用的輻射特性測試技術(shù)發(fā)展了一個多世紀(jì)，其中開始應(yīng)用于相控陣天線的測試技術(shù)也發(fā)展了幾十年，目前成熟的測試技術(shù)主要有：近場、遠(yuǎn)場以及緊縮場三大類，三類測試系統(tǒng)有各自的特點。近場測試的優(yōu)點是不需要構(gòu)建大型微波暗室，可以很好地實現(xiàn)全天候測試，采集的數(shù)據(jù)信息量大，通過計算分析即可得到方向圖等輻射特性參數(shù)；其缺點也非常明顯，主要有對天線測試探頭的位置和移動精度需求較高導(dǎo)致測試系統(tǒng)設(shè)計復(fù)雜、數(shù)據(jù)采集量大且需要經(jīng)過大量計算才能得到輻射特性參數(shù)、測試結(jié)果不直觀等。遠(yuǎn)場測試系統(tǒng)具有測試快捷方便、測試數(shù)據(jù)直觀、長期穩(wěn)定性高、造價適中等優(yōu)點，主要缺點是其微波暗室占地面積較大[1-3]。緊縮場是一種變相的遠(yuǎn)場測試系統(tǒng)，采用高精度反射面和饋源在較小的空間內(nèi)模擬出遠(yuǎn)場測試條件，其優(yōu)點是對場地需求相對較小，但存在造價昂貴、后期維護(hù)保養(yǎng)復(fù)雜、測試結(jié)果不直觀等缺點。

分析被測對象的測試需求，主要有產(chǎn)品體積小、質(zhì)量輕，對轉(zhuǎn)臺負(fù)載量需求不高，有利于高精度轉(zhuǎn)臺設(shè)計；產(chǎn)品測試項目多、占機時間長，需選擇最為方便快捷的測試方法；產(chǎn)品交付數(shù)量大，需要測試系統(tǒng)長期穩(wěn)定可靠運行，且維護(hù)保養(yǎng)方便。綜合考慮以上各因素，本設(shè)計選擇了最為合適的遠(yuǎn)場測試系統(tǒng)方案。本文重點對微波暗室尺寸設(shè)計、高精密轉(zhuǎn)臺精度分析、幅度相位校準(zhǔn)算法，以及波束指向誤差補償技術(shù)等方面開展了詳細(xì)研究。

1 硬件總體設(shè)計方案

有源相控陣天線遠(yuǎn)場測試系統(tǒng)主要用來測量和分析相控陣天線輻射特性的各項參數(shù)，具有測量靈敏度高、動態(tài)范圍大、測量誤差小、抗干擾能力強和天線原始數(shù)據(jù)采集速度快等特點，具有一次性掃描測量就可獲得多頻點、多通道天線數(shù)據(jù)的能力。

有源相控陣天線遠(yuǎn)場測試系統(tǒng)主要包含微波暗室、接收轉(zhuǎn)臺、發(fā)射掃描架、測控單元、電源系統(tǒng)、通用儀器(矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀、信號源、功率計、頻譜分析儀)等[4-5]，如圖1所示。

測試系統(tǒng)各部分的主要功能如下。

① 微波暗室：為被測產(chǎn)品提供近似無回波環(huán)境和電磁屏蔽。

② 接收轉(zhuǎn)臺：為被測有源相控陣天線產(chǎn)品提供安裝平臺，為被測產(chǎn)品提供高精度的俯仰、方位、橫滾、前后移動四維運動，其中前后移動為手動，其余三維運動為程控狀態(tài)。

圖1 測試系統(tǒng)硬件組成框圖

③ 發(fā)射掃描架：為標(biāo)準(zhǔn)增益喇叭天線提供安裝平臺，并具有高精度的旋轉(zhuǎn)、水平、垂直三維運動，均為程控狀態(tài)。

④ 測控單元：為整個測試系統(tǒng)的核心部分，主要由計算機及通信單元、波控測試盒、水冷系統(tǒng)等組成，完成整個測試系統(tǒng)的控制、通信、數(shù)據(jù)處理、校準(zhǔn)數(shù)據(jù)燒寫等功能。

⑤ 電源系統(tǒng)：為被測有源相控陣天線提供工作所需的多路低壓直流電源和一路大功率直流電源。

⑥ 通用儀器：主要包含矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀、信號源、功率計、頻譜分析儀等，其中矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀測量被測天線產(chǎn)品的多路接收信號，并輸出射頻激勵及參考激勵信號；信號源為標(biāo)準(zhǔn)喇叭天線提供射頻激勵信號；功率計用于采集被測產(chǎn)品的發(fā)射功率，工作于脈沖雷達(dá)模式；頻譜分析儀用于測量產(chǎn)品的接收有源增益及G/T值。

測試系統(tǒng)總體技術(shù)指標(biāo)如下。

① 被測對象：有源相控陣天線；

② 工作狀態(tài)：發(fā)射和接收兩種狀態(tài)；

③ 工作頻段：適用于X等多個波段；

④ 系統(tǒng)動態(tài)范圍：≥60 dB；

⑤ 測量通道數(shù)：多通道測量，同時測量通道數(shù)≥3；

⑥ 靜區(qū)范圍：≥Φ1.2 m ×1 m；

⑦ 靜區(qū)反射電平：≤-50 dB；

⑧ 射頻屏蔽效能：≥70 dB。

硬件方面，本文選取微波暗室和接收轉(zhuǎn)臺進(jìn)行較為詳細(xì)的設(shè)計論述。

2 微波暗室

微波暗室的尺寸主要依據(jù)遠(yuǎn)場條件進(jìn)行選擇。不同的用途對所需微波暗室的大小有不同要求。本設(shè)計選用的是最常用的矩形微波暗室形式，其示意圖如圖2所示。

圖2 矩形微波暗室示意圖

通常確定微波暗室尺寸大小的基本因素是被測產(chǎn)品的尺寸(如天線口徑)和使用的頻率，這些因素確定了平面波照射的遠(yuǎn)場特點[6]。

(1) 天線收發(fā)距離R的確定。

考慮入射波前相位曲率，天線口面上電磁波的最大相位差不大于22.5°，則天線收發(fā)距離應(yīng)滿足

R≥2D2/λ

(1)

式中：D為接收天線口徑；λ為最高工作頻率波長。

(2) 暗室長度L和寬度(高度)W的確定。

待測天線到暗室后墻的距離約等于暗室寬度W的一半，標(biāo)準(zhǔn)喇叭天線距離暗室前墻的距離R1約為1～2 m或者W/2的距離，因此暗室的總長度為

(2)

暗室的寬度和高度由材料允許的入射角決定，參照圖2，其計算公式為

(3)

為了有效地應(yīng)用吸波材料和兼顧到寬頻段工作，一般入射角θ<60°，θ與L/λ和斜入射的性能有關(guān)。在設(shè)計矩形微波暗室時，如果經(jīng)費、場地等條件允許，其長寬比例一般在1.1:1～1.5:1的范圍內(nèi)，這樣可以減小電磁波的入射角，借以提高微波暗室的低頻性能。

對于本測試系統(tǒng)，由于其最高工作于K頻段，根據(jù)吸波材料特性，入射角θ取50°，經(jīng)式(3)計算得到W，代入式(2)，其中R1取2 m，計算得到暗室長度L。

3 接收轉(zhuǎn)臺

接收轉(zhuǎn)臺是一套精密程控機電設(shè)備，包括測試轉(zhuǎn)臺以及其控制系統(tǒng)等，被測件通過固定架安裝在測試轉(zhuǎn)臺上，具有方位旋轉(zhuǎn)、俯仰、極化功能。

根據(jù)技術(shù)要求指標(biāo)，本轉(zhuǎn)臺在傳統(tǒng)轉(zhuǎn)臺的設(shè)計思想上進(jìn)行了部分改進(jìn)，重點是解決系統(tǒng)的輕量化和穩(wěn)定性問題。它具備傳統(tǒng)測試系統(tǒng)的優(yōu)點，同時通過結(jié)構(gòu)、選材、控制系統(tǒng)的改進(jìn)與優(yōu)化，在保證系統(tǒng)實用性、穩(wěn)定性、可靠性的同時，滿足產(chǎn)品測試的使用需求[7-8]。

接收轉(zhuǎn)臺總體效果如圖3所示。

圖3 接收轉(zhuǎn)臺

接收轉(zhuǎn)臺設(shè)計復(fù)雜，以方位軸為例，進(jìn)行精度分析計算，其主要結(jié)構(gòu)如圖4所示。

圖4 接收轉(zhuǎn)臺方位軸剖面圖

(1) 結(jié)構(gòu)組成。

接收轉(zhuǎn)臺的方位軸部件由轉(zhuǎn)臺基座、蝸桿軸系、蝸輪軸系、圓光柵位置反饋系統(tǒng)和伺服電機組成。轉(zhuǎn)臺基座鑄造后經(jīng)過人工時效精密加工而成。蝸輪軸系采用THK精密交叉滾子軸承作為支撐組件。交叉滾子軸承與普通軸承相比具有極高的剛性，且其在實現(xiàn)高剛性的同時，旋轉(zhuǎn)精度也比較高。交叉滾子軸承的應(yīng)用對方位主軸實現(xiàn)高旋轉(zhuǎn)精度、高剛性提供了有力的保障。

(2) 工作原理。

伺服電機驅(qū)動蝸桿旋轉(zhuǎn)，蝸桿驅(qū)動蝸輪軸系旋轉(zhuǎn)，定位精度由裝在蝸輪軸系上的圓光柵位置反饋系統(tǒng)保證。

(3) 精度分析。

影響轉(zhuǎn)臺精度的因素很多，分布于轉(zhuǎn)臺傳動系統(tǒng)的各組成環(huán)節(jié)，包括伺服電動機、編碼器、蝸輪蝸桿傳動精度、軸承精度、零部件的精度和剛度等。伺服電動機的影響主要是電機控制精度；編碼器的影響主要是分辨率的誤差；蝸輪蝸桿傳動的誤差主要是蝸輪蝸桿的加工誤差、蝸桿軸的扭轉(zhuǎn)變形、蝸輪蝸桿的裝配誤差(主要表現(xiàn)為回差)和蝸桿的螺距誤差等。

本設(shè)計方位軸選用0.0025°的圓光柵，安裝在傳動鏈的終端。

蝸桿傳動比初選i=58。

交流伺服電機(三菱HC-SFS201)的位置檢測器編碼器分辨率為δ1(參數(shù)為131072 p/rev)，角度分辨率定義為δ2，電機經(jīng)過蝸桿傳動以后的控制精度為δ3，計算公式為

δ2=360/δ1

(4)

δ3=δ2/i

(5)

代入數(shù)值計算得δ2=0.002746°，δ3=0.0000473°。

方位軸控制精度δ3遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于圓光柵分辨率0.0025°，方位軸控制系統(tǒng)可實現(xiàn)0.01°的定位精度要求。

4 軟件總體設(shè)計方案

本系統(tǒng)軟件根據(jù)功能劃分為兩大部分：實時測量模塊和數(shù)據(jù)分析模塊，其中實時測量模塊主要任務(wù)是控制電子測量儀器以及機械設(shè)備，配合完成天線輻射/接收數(shù)據(jù)的自動化采集，并將采集的數(shù)據(jù)保存供數(shù)據(jù)分析模塊使用；數(shù)據(jù)分析模塊的主要任務(wù)是調(diào)用實時測量模塊得到的數(shù)據(jù)，根據(jù)用戶操作通過提取、插值、搜索等方法得到所需天線參數(shù)，并通過調(diào)用顯示控件進(jìn)行二維三維方向圖的顯示，并以操作按鈕、菜單等方式滿足用戶交互操作需求。

采用模塊化的設(shè)計思想，整個軟件根據(jù)功能劃分為五大模塊：系統(tǒng)配置模塊、測量配置模塊、數(shù)據(jù)采集模塊、數(shù)據(jù)處理模塊和圖形顯示模塊，如圖5所示。

圖5 軟件功能模塊

產(chǎn)品的測試項目主要包含電源功耗和電流、幅度相位校準(zhǔn)、方向圖測試、波束指向精度補償測試、發(fā)射EIRP測試、接收有源總增益測試、接收G/T值測試等，本文以幅度相位校準(zhǔn)和波束指向精度補償為例進(jìn)行較為詳細(xì)的論述。

5 幅度相位校準(zhǔn)

根據(jù)被測有源相控陣天線的產(chǎn)品特點，本設(shè)計采用的是單通道遠(yuǎn)場幅相校準(zhǔn)法進(jìn)行測試。該校準(zhǔn)方法的主要工作原理是：將被測產(chǎn)品放置在微波暗室內(nèi)，且滿足遠(yuǎn)場測試條件，通過波控系統(tǒng)逐個控制每個陣列單元處于發(fā)射或者接收工作狀態(tài)，矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀采集輔助天線或者產(chǎn)品接收到的初始幅相信息，將測量得到的初始幅相信息與理想狀態(tài)的幅相分布信息進(jìn)行差值計算，即可得到天線陣列各通道的幅相補償信息。同時可根據(jù)所需的不同加權(quán)狀態(tài)下的理想幅相分布，計算得到相應(yīng)狀態(tài)下的幅相補償信息。

以單通道發(fā)射校準(zhǔn)為例，其原理框圖如圖6所示[9-10]。

圖6 遠(yuǎn)場發(fā)射校準(zhǔn)原理框圖

單通道遠(yuǎn)場發(fā)射校準(zhǔn)測試時，測試信號由各發(fā)射通道的天線單元向空間輻射，經(jīng)無線信道傳輸后由測試設(shè)備接收(矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀的接收機)。

以M×N平面陣列天線為例，使用信號源輸出的點頻信號作為激勵，經(jīng)過TR組件及接收機等變換處理后，得到的第n路信號為[11]

Xn(t)=a(1+δn)exp{j[ωd(t)+φ(t)+φn+ψn]}

(6)

補償?shù)哪康氖鞘筙n(t)成為所需要的理想分布信號。以N路中的任意一路作為基準(zhǔn)，從中取出測試信號的相位和幅度，與基準(zhǔn)作比較，即可得到補償系數(shù)。理想幅度分布可以從陣面幅度分布圖中得到，理想相位分布為

φn,m=-(n-1)Us-(m-1)Vs

(7)

式中：

(8)

(9)

式中：n、m為天線單元在陣列中的位置；ψs為錐角，即離軸角度；φs為方位角度；dx、dy為該天線單元距離0號基準(zhǔn)天線單元的距離。

(1) 幅度補償系數(shù)的取得。

(10)

(2) 幅度補償系數(shù)的驗證。

(11)

將殘差與預(yù)定殘差門限進(jìn)行比較，如需要刷新，則進(jìn)行迭代，直至滿足預(yù)定殘差門限要求。

(3) 相位補償系數(shù)的取得。

(12)

使相位修正為理想相位，其中以0號天線單元的相位作為基準(zhǔn)。

(4) 相位補償系數(shù)的驗證。

(13)

將殘差與預(yù)定殘差門限相比較，如果需要刷新，則迭代處理，直至滿足預(yù)定殘差門限要求。

6 波束指向精度補償

波束指向精度是有源相控陣天線的關(guān)鍵指標(biāo)，也是最難滿足的指標(biāo)之一，它直接影響相控陣?yán)走_(dá)的制導(dǎo)精度和搜索跟蹤能力。將有源相控陣天線的波束指向定義為差波束零點所指的方向，而相控陣天線的波束指向誤差是指波控指向角和波束實際指向角度的偏差[12-13]。

影響波束指向誤差的因素主要包含陣元位置裝配誤差、TR模塊幅相控制誤差、有源駐波與單元互耦影響等。實現(xiàn)波束指向補償?shù)姆椒ㄓ欣碚撗a償法、實測補償法等，本系統(tǒng)的有源相控陣天線采用的是實測補償法，下文對該補償方法進(jìn)行論述[14-16]。

坐標(biāo)定義及陣面示意圖如7所示，相控陣天線在YOZ平面內(nèi)，X軸為彈軸方向；θ定義為空間矢量與X軸的夾角；φ定義為空間矢量在YZ面的投影與Y軸的夾角。

圖7 坐標(biāo)系定義

全陣分為4個象限，進(jìn)行如下定義：

u=sinθcosφ

(14)

v=sinθsinφ

(15)

對于任意掃描角度(θ0，φ0)上測量得到的差通道與和通道信號之比分別為SY、SZ，則可以計算誤差項Δu和Δv為

(16)

(17)

式中：Ku、Kv分別為u、v方向的差波束斜率。

因此，任意掃描角度上陣元步進(jìn)移相量可修正為

Δφy=-kΔy(u0-Δu)

(18)

Δφz=-kΔz(v0-Δv)

(19)

式中：Δy、Δz為陣列在y向和z向的單元間距；k為步進(jìn)移相量比例系數(shù)。

7 系統(tǒng)實施效果

針對本文重點研究的幅度相位校準(zhǔn)和波束指向精度補償，進(jìn)行實施效果展示和分析。

圖8和圖9分別為接收校準(zhǔn)相位測試的初始值和二次迭代結(jié)果。由圖8和圖9可知：① 產(chǎn)品各通道初始相位值分布離散；② 二次迭代后相位值移相到均值附近，誤差≤8°，滿足測試需求。

圖8 接收校準(zhǔn)相位分布圖(初始值)

圖9 接收校準(zhǔn)相位分布圖(二次迭代后)

圖10和圖11分別是補償前、補償后的波束指向誤差測試結(jié)果。由圖10和圖11可知：① 測試系統(tǒng)波束離軸角度范圍為(-60°，60°)，角度間隔為2.5°；② 測試系統(tǒng)可以同時顯示多個頻點的測量結(jié)果(本論文展示的為4頻點，可根據(jù)實際需求調(diào)整)；③ 波束指向誤差測試項目的補償效果明顯，補償前指向誤差絕對值≤1×δ((°)/(°))，補償后指向誤差絕對值≤0.5×δ((°)/(°))，滿足指向誤差補償需求(其中δ為誤差系數(shù))。

圖10 波束指向誤差測試結(jié)果(補償前)

圖11 波束指向誤差測試結(jié)果(補償后)

8 結(jié)束語

筆者針對某型有源相控陣天線的特點，設(shè)計了遠(yuǎn)場測試系統(tǒng)，實現(xiàn)了該型產(chǎn)品輻射特性校準(zhǔn)與測試。測試系統(tǒng)驗收后運行穩(wěn)定，為某型產(chǎn)品的順利交付提供了有力保障，同時測試系統(tǒng)的設(shè)計思路具有較高的推廣價值。