某火控雷達天線內場平面近場測試系統的設計＊

陳啟水 黃萬年 蔣志勛

（海軍702廠 上海 200434）

1 引言

雷達是艦船的主要電子裝備，擔負著火力控制、導航、搜索警戒等多種任務。隨著服役時間的增長，使用頻繁，雷達故障率已逐步上升，維修保障任務也越來越重，做好這些雷達裝備的維修保障工作非常重要。這些雷達的天線安裝在艙室外，常年經受風吹雨淋日曬、鹽霧侵蝕、震動沖擊，難免出現銹蝕嚴重、性能下降、甚至結構變形等問題。在對這些天線進行全面修理時，需將天線拆回內場進行修理，如何確保內場能模擬真實的雷達電磁環境，對雷達天線性能進行全面測試，是對這些雷達天線進行維修急需解決的問題［1～3］。本文從某火控雷達天線內場平面近場測試系統設計方面進行一些探索研究。

2 天線平面近場測試方案

2.1 遠場測試原理

在低旁瓣天線測試中，天線口徑上的照射波平方律相位誤差致使天線所測旁瓣（主要是第一旁瓣）電平有一定的抬高，為使抬高的電平減小到允許的誤差范圍內，就要求遠場測試距離選定為

其中，Rf為遠場測試距離，單位m；Qd為距離歸一化系數，其按式（2）計算；Rfo為基準測試距離，滿足式（3）要求［4～5］，單位 m。

其中，SL1為第一旁瓣電平設計值，單位dB；Δ1為允許的第一旁瓣電平測試誤差正分貝數。

其中，D為天線的口徑，單位m；λ為波長，單位m。

由式（1）、式（2）可見，測試距離與所測第一旁瓣電平分貝數的平方成正比，與允許的第一旁瓣電平測試誤差正分貝數成反比。以Δ1＝1dB為例，旁瓣電平為－40dB時的測試距離是旁瓣電平－20dB時的4倍。

根據上述討論，由于低旁瓣測試要求，就導致較遠的測試距離，當然也就要求更高的質量測試場，而一般場地條件是不符合低旁瓣電平測試的，要把較遠距離周圍的雜散電平控制在所需要的電平之下的難度相當大。

眾所周知，滿足天線遠場測試的最小距離應滿足式（3）要求［5］，在低旁瓣天線測試時，當天線口徑為1m，對于χ波段，最小測試距離為67m。當Qd＝4，按式（1）計算其測試距離為268m，由目前的國內外微波暗室建造情況來看，暗室的長度還沒有超過50m的。建造一個幾百米，乃至上千米的大微波暗室，成本將非高昂，尺寸太大，也是不可能的。

因此，我們應找最佳的測試方法，也就是能在微波暗室內進行的天線平面近場測試或壓縮場測試。因此選擇天線平面近場測試的方案。

圖1 天線平面近場測試系統方框圖

2.2 平面近場測試原理

天線平面近掃描測試方法，是探頭距待測天線在較近的距離上（一般不超過10λ），應用小口徑探測器（通常用的是開口波導或偶極子）測得與天線口徑面相近似的近場幅相分布，應用近場分布與波數譜函數間的傅氏變換關系，求得波數譜函數［6］，而遠場方向圖就是波數譜函穩相點時的值。在測試中所要求的推算角度范圍總是有限的，所以在測試平面上測試近場可以用抽樣技術，抽樣間隔一般不大于λ／2［4］，但也不可小于λ／4。大于λ／2時推算范圍小，且在有效范圍之外會產生嚴重的推算錯誤。小于λ／4時，就如信號分析中產生的頻譜重疊的結果相似，也會產生較大的推算錯誤。

3 平面近場測試系統設計

3.1 系統組成

天線平面近場測試系統原理方框圖如圖1所示，它由下列三個分系統與探測器專用設備組成［9～11］。

3.1.1XYZ探測器坐標裝置

它是完成探測器按照程序指令進行運動的平面近場測試系統基本結構設備，它所決定的探測器位置精度是全系統運動至關重要的技術指標。該裝置可以實現探測器在XY平面上進行機械掃描（一維坐標步進或連續行進）。

3.1.2 探測器坐標裝置的驅動設備及探測器定位設備

它是與XYZ探測器坐標裝置相配合的電氣設備及定位設備。單純地要求機械坐標裝置結構上高精度是不合理的，但過度地放寬結構精度將導致整個系統設計失敗，激光設備的應用可對探測器位置精度精確測定，應用微機對近場數據進行修正［8］，從而可在很大程度上減輕探測器坐標裝置的結構精度的壓力，所以，它是實現展寬測試系統工作頻率和天線低旁瓣測試的關鍵設備。

3.1.3 近場參數自動測試與推算設備

它是接收測試近場幅相數據及發出自動化測試指令，完成系統現代測試的中心設備。

3.2 測試設備規模設計

根據被測天線的要求：被測低旁瓣天線口徑為3.6m×2m，對測試設備中的關鍵設備探測器坐標裝置進行設計。

3.2.1 有限掃描平面誤差

有限掃描平面誤差按式（4）計算設計，為了減小該誤差，探測器坐標裝置的最大掃描口徑應盡可能地比被測天線口徑要大。然而，過大掃描口徑的要求必須導致坐標裝置的增大，在現在工藝水平條件下必然導致結構精度要求過高與結構設計更加困難。所以掃描口徑的選擇應適中，以滿足推算遠場方向圖有足夠大的可信域半張角為設計標準。

其中，ΔL為有限掃描誤差；α為口徑照射系數；L為有限掃描平面邊長，單位m；A為待測天線物理面積，單位m2；χ為掃描平面邊緣電平與最大值相比下降的dB數；g（r）為遠場方向圖電平歸一化值的倒數；Qc為推算可信域半張角［7］。

可信域半張角Qc如圖2所示，其推算按式（5）。

其中，Zo為測試距離，單位m；d為被測天線口徑，單位m。

由于近區場測試距離比口徑場測試距離遠得多，所以，考慮近場測試設計平面時，要求測試距離Zo＝5λ，可信域半張角Qc＝45°，由此按式（5）可推算得到式（6）：

按式（6）計算：當天線水平方向口徑d為3.6m，λ為0.15m時，L為5.1m；當天線垂直方向口徑為2m 時，λ為0.15m時，L為3.5m。

圖2 可信域半張角Qc

3.2.2 設備功能的擴展能力

我們稱上述計算的L值為額定有限掃描平面口徑尺寸，實際設備所能達到的掃描平面坐標比額定值要大些，稱為最大掃描平面口徑尺寸Lmax。本設計中取功能擴展系數5.3m和3.7m，最大掃描平面口徑可達5.3m×3.7m。水平導軌8.4m，垂直導軌取4.8m。

3.3 系統主要性能指標

3.3.1XYZ探測器在XY軸系上的有效掃描范圍尺寸

微波暗室的設計為最大橫截面積尺寸（凈空）11m×6m，去掉屏蔽層和吸波材料占去的空間，暗室的橫截面為10.2m×5.2m，從而考慮XYZ探測器坐標裝置的最大有效掃描約為5.3m×3.7m，再考慮待測天線口徑應小于最大有效掃描平面，故確定最大可測天線口徑為3.6m×2.0m。

3.3.2 探測器位置精度

天線近場測試幅相數據是由探測器離散的各預定取樣點位置上取得的，然而，預定取樣點位置與實際取樣點位置，并不可能理想的吻合，這樣，由于探測器位置誤差將引起幅相測試誤差，特別是Z軸向的位置誤差將引起與工作頻率有關的嚴重的相位誤差，同一誤差值時所引起的相位誤差將正比于工作頻率［8］。由于我們設計的天線幅相分布都是緩變函數（超增益天線除外），所以在XY軸向上的誤差比Z軸向同一誤差值所引起的幅相誤差小得多，隨著天線口徑尺寸增大，取樣點位置的增多，XY軸向位置誤差的影響也將隨之減小。待測天線在平面近場測試中，探測器在Z軸向的位置誤差引起的旁瓣電平誤差可按式（7）求出：

其中，ΔSLL為允許的旁瓣電平誤差；SLL為以電壓為單位的旁瓣電平；△Zmax為Z軸向最大位置誤差，單位mm；λ為工作波長，單位mm。

例如：某天線工作頻率f＝2GHz（λ＝15mm），天線旁瓣電平SLL＝－40dB即gr＝100，若要求推算電平誤差△SLL為1dB時，所要求的探測器位置精度由式（7）可知：

相應X、Y軸系位置誤差可適當放寬為

由此可見，在有效掃描范圍5.3m×3.7m的平面上的如此高的精度要求是很苛刻的，所以，在設計XYZ探測器坐標裝置時，必須首先保證Z軸上的高精度設計，而且應配備激光定位設備，定位精度應比探測器坐標裝置的精度高出許多才有實用的意義。

3.3.3 近場幅相測試精度

影響近場測試幅相數據精度的因素很多［5］，諸如探測器對近場的擾勁，探測器與待測天線的互耦，微波暗室的多次反射，還有上述的探測器位置誤差等，然而，儀表測試誤差，往往是起決定性作用的因素。根據以往的近場測試，高穩定的信號源和高精度幅相接收設備是確保幅相測試精度的必備設備。可選用先進的近場測試儀表設備天線分析儀及矢網分析儀，動態范圍在60dB線性范圍的精度為

3.3.4 測試系統技術要求

本系統的測試和推算功能達到全自動化，主要有：

1）測器在X、Y軸向有掃描程序控制，行程大小控制，采樣間隔選擇與掃描速率選擇；非采樣狀態X、Y軸向最大掃描速度0.15m／s，采樣狀態X、Y軸向掃描速度為0.05m／s；

2）在程序控制的預定的采樣點上進行幅相值測試；

3）應用激光定位設備輸出的數據對采樣相位修正，給出修正后的相伴數據；

4）在微機上，由近場數據推算出遠場方向圖；或將近場幅相數據記錄，后期脫機計算。

3.3.5 探測器

探測器在近場測試中是很關鍵的［5］，其技術要求為：

1）探頭及其連接設備引起的場失真應不嚴重影響測試精度；

2）探頭的尺寸必須小到能足夠以測試出某一點的場；

3）探頭必須具有純度很高的線極化，以便測試場的任意極化分量；

4）探頭必須有輸出足夠大的信號電壓供精確測試之用；

5）帶寬內駐波SVWR≤1.5。

3.3.6 機械部分

1）平面掃描架有效掃描范圍。

平面掃描近場最大有效掃描范圍為5.3m×3.7m，水平軌道為8.4m，垂直軌道為4.8m，探頭伸縮≥300mm。根據公差理論計算，導軌及探頭的掃描精度為：

2）單向X軸向定位精度均方根誤差≤0.1mm；

3）單向Y軸向定位精度均方根誤差≤0.1mm；

4）單向Z軸向定位精度均方根誤差≤0.1 mm；

5）Z方向（有效掃描范圍內）綜合性均方根誤差≤0.35mm；

6）探頭坐標與待測天線（或待測物）之間距離采用手動，X、Y方向由微機控制。

3.3.7 配套設備

1）大功率電源一套；

2）步進電機；

3）伺服傳動部分（齒輪或齒條）；

4）測試控制部分：微機與接口，測試控制軟件。

3.3.8 地基要求

水平導軌（X軸向）的長為8.4m，其主導軌與副導軌之間的距離為1.5m，為了確保掃描的精度，要求有堅硬的水平的專用地基，在安裝天線平面掃描架的位置上，即9m×2m的暗室地面上，深挖1.5m，若有屏蔽，在深挖的坑道先進行屏蔽，再澆灌水泥和預埋件，便于將來固定粗導軌。

4 結語

本文針對某火控雷達天線的技術特點，有針對性地設計了該型雷達天線的內場平面近場測試系統。本文從天線平面近場測試原理、平面近場測試系統組成、系統主要性能指標等方面對該系統進行了全面的介紹。依據該設計方案建設系統后，可對該型雷達天線性能內場進行全面測試，可保證該型雷達天線的維修質量，同時，該設計方案也可為其他雷達天線的內場近場測試系統設計提供參考。

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