大型電掃相控陣?yán)走_(dá)的天線方向圖測(cè)試

王 侃，王 真

(1.南京電子技術(shù)研究所， 南京210039;2.天線與微波技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 南京210039)

0 引言

雷達(dá)是戰(zhàn)爭(zhēng)的產(chǎn)物，天線是雷達(dá)的重要組成部分，相控陣?yán)走_(dá)天線是由許多天線單元排列而成的定向天線。電掃相控陣通過(guò)改變天線單元的激勵(lì)相位來(lái)實(shí)現(xiàn)波束的快速捷變，可大幅提高雷達(dá)信息的獲取和更新速率。

由雷達(dá)方程可知，較大的天線口徑可獲得較高的天線增益，進(jìn)而滿足雷達(dá)更遠(yuǎn)作用距離的需求。大型電掃相控陣?yán)走_(dá)的天線口徑往往達(dá)幾十米、包含數(shù)千個(gè)甚至上萬(wàn)個(gè)天線單元。

相控陣天線在設(shè)計(jì)、生產(chǎn)、加工和總裝完成之后，必須對(duì)天線的輻射特性進(jìn)行測(cè)試以驗(yàn)證設(shè)計(jì)的正確性，從而確認(rèn)各項(xiàng)戰(zhàn)技指標(biāo)是否達(dá)到要求。該過(guò)程是整個(gè)雷達(dá)研制的重要環(huán)節(jié)之一。而天線方向圖是天線輻射特性的重要參數(shù)。

相控陣天線的方向圖測(cè)試主要有近場(chǎng)掃描測(cè)試、遠(yuǎn)場(chǎng)測(cè)試和中場(chǎng)測(cè)試三種［1］。

近場(chǎng)掃描測(cè)試［2］是用一個(gè)特性已知的輔助天線在距離待測(cè)天線數(shù)個(gè)波長(zhǎng)的掃描面上測(cè)量場(chǎng)的幅度和相位分布，再通過(guò)近/遠(yuǎn)場(chǎng)變換，確定待測(cè)天線方向圖的一種間接測(cè)試技術(shù)。近場(chǎng)掃描測(cè)試技術(shù)一般將掃描面取為平面、柱面或球面，并相應(yīng)的稱為平面、柱面或球面近場(chǎng)測(cè)試技術(shù)，通常需要在暗室內(nèi)進(jìn)行。對(duì)于大型雷達(dá)來(lái)說(shuō)，龐大的天線無(wú)法進(jìn)入暗室，在外場(chǎng)也難以構(gòu)建近場(chǎng)掃描測(cè)試系統(tǒng)。因此，近場(chǎng)掃描測(cè)試無(wú)法適用于大型相控陣?yán)走_(dá)天線方向圖的測(cè)試。

掃描方向圖是在中場(chǎng)［3］和遠(yuǎn)場(chǎng)測(cè)試過(guò)程中利用電掃相控陣波束捷變的特點(diǎn)而形成的一種近似方向圖，準(zhǔn)確地表征了天線的輻射特性，掃描方向圖的測(cè)試方便快捷，受干擾因素較少。本文將結(jié)合多個(gè)大型電掃相控陣?yán)走_(dá)的工程研制經(jīng)驗(yàn)，總結(jié)適合大型相控陣?yán)走_(dá)天線方向圖測(cè)試的高效方法。這些方法都已經(jīng)成功應(yīng)用，并得到了令人滿意的數(shù)據(jù)結(jié)果。

1 遠(yuǎn)場(chǎng)測(cè)試

天線方向圖表征了天線的遠(yuǎn)場(chǎng)輻射特性，一般認(rèn)為，當(dāng)距離大于Rmin=2D2/λ處的輻射特性即為遠(yuǎn)場(chǎng)特性，其中，D和λ分別代表天線的最大口徑尺寸和工作頻率，并將該區(qū)域稱為輻射遠(yuǎn)場(chǎng)區(qū)。

相控陣?yán)走_(dá)天線方向圖的遠(yuǎn)場(chǎng)測(cè)試是將輔助天線置于天線的輻射遠(yuǎn)場(chǎng)區(qū)。在測(cè)試接收或發(fā)射方向圖時(shí)，輔助天線分別發(fā)射或接收信號(hào)。理想的天線遠(yuǎn)場(chǎng)測(cè)試場(chǎng)是沒(méi)有的，對(duì)于大型相控陣?yán)走_(dá)來(lái)說(shuō)，為了盡量避免周圍地形地物的影響，較為真實(shí)地模擬自由空間，測(cè)試場(chǎng)需要合理規(guī)劃，并兼顧天線方向圖的性能、資金、可實(shí)現(xiàn)性等多種因素。

通常，天線方向圖的遠(yuǎn)場(chǎng)測(cè)試需要在固定波束指向后，以待測(cè)天線中心為圓心轉(zhuǎn)動(dòng)天線陣面或者輔助天線從而得到波束在某一切面上的方向圖。大型相控陣?yán)走_(dá)天線由于體積龐大，大多采用固定式結(jié)構(gòu)，天線無(wú)法轉(zhuǎn)動(dòng)。而天線的Rmin又在數(shù)千米以上，測(cè)試時(shí)只能將輔助天線置于熱氣球或飛艇上，使其圍繞天線做圓周運(yùn)動(dòng)，這種方式不僅成本高，效率低，而且測(cè)試精度較差。

掃描方向圖是一種近似方向圖，可準(zhǔn)確地反應(yīng)天線的輻射特性，而且可以充分利用相控陣天線波束快速捷變的特性提高測(cè)試效率和精度，如圖1所示。

圖1 相控陣天線的輻射特性分析示意圖

以接收方向圖測(cè)試為例，其測(cè)試原理如下。相控陣天線位于XOY平面內(nèi)，由N×M個(gè)天線單元組成，水平和垂直的單元間距分別為dx和dy。天線輻射遠(yuǎn)場(chǎng)區(qū)內(nèi)任意一點(diǎn)的場(chǎng)強(qiáng) E(θ，φ)可由方向圖乘積定理確定，即

式中:k為自由空間的傳播常數(shù);θ和φ分別為該點(diǎn)與Z軸和XOZ平面的夾角;Inm和Φnm分別為第nm個(gè)天線單元激勵(lì)電流的幅度和相位。式(1)中第一項(xiàng)f(θ，φ)是天線單元方向圖，第二項(xiàng)是陣因子。如果相控陣天線的波束指向?yàn)?θ'，φ')，根據(jù)相控陣原理，則

波束指向θ'=θ0，φ'=φ0，則在θ∈(-90°，90°)，φ=φ0切面上的天線方向圖為

比較式(4)和式(5)，簡(jiǎn)單的數(shù)學(xué)推導(dǎo)可以證明兩式中的陣因子是完全一致的。式(4)中，隨著θ的變化，單元方向圖f(θ0，φ0)也相應(yīng)變化;而式(5)中的單元方向圖f(θ0，φ0)保持不變。相控陣天線在設(shè)計(jì)時(shí)為了保證天線的大角度掃描性能，單元方向圖一般具備較寬的波束寬度。因此，式(5)在單元方向圖的波束寬度內(nèi)是可以表征式(4)的。

圖2所示為波束指向θ0=0、φ0=0時(shí)式(4)與式(5)所得方位面方向圖的比較。圖中的實(shí)線和虛線分別代表式(4)和式(5)的結(jié)果。單元方向圖f(θ，φ)=cos(θ)。兩種方向圖在 θ∈(-30°，30°)的區(qū)域內(nèi)非常吻合。波束寬度、第一副瓣等輻射特性完全一致。但在θ∈(-30°，30°)的區(qū)域之外，由于缺少單元方向圖的抑制作用，式(5)的副瓣要明顯高于式(4)。

圖2 天線方向圖與掃描方向圖的比較

式(4)和式(5)均未考慮在波束掃描過(guò)程中，單元互耦等其他因素對(duì)單元輻射特性造成的影響。即便如此，式(5)仍然具有參考意義和實(shí)際測(cè)試價(jià)值。由于在式(5)方向圖的測(cè)試過(guò)程中，波束指向要掃過(guò)某一切面，因此稱之為掃描方向圖。

如圖3所示，大型電掃相控陣?yán)走_(dá)架設(shè)于山體A上。在選擇遠(yuǎn)場(chǎng)測(cè)試場(chǎng)時(shí)，充分利用雷達(dá)所在位置的地理?xiàng)l件，在雷達(dá)前方距離超過(guò)Rmin的山體B上放置輔助天線。為了保證雷達(dá)的正常工作，輔助天線并未再架高。山體A、B之間有較深的溝壑，可有效避免多路徑效應(yīng)以及波束打地所造成的波瓣分裂等不利因素對(duì)測(cè)試精度的影響。

圖3 大型電掃相控陣?yán)走_(dá)天線的遠(yuǎn)場(chǎng)測(cè)試

2 中場(chǎng)測(cè)試

如前所述，距離超過(guò)Rmin為天線的輻射遠(yuǎn)場(chǎng)區(qū)，反之則稱為輻射近場(chǎng)區(qū)。在輻射近場(chǎng)區(qū)內(nèi)，將距離天線數(shù)十個(gè)波長(zhǎng)之外的區(qū)域稱為輻射中場(chǎng)區(qū)，在該區(qū)域中，對(duì)于單個(gè)天線單元來(lái)說(shuō)是輻射遠(yuǎn)場(chǎng)區(qū)，而對(duì)于整個(gè)相控陣天線來(lái)說(shuō)則仍是輻射近場(chǎng)區(qū)。

中場(chǎng)測(cè)試是將輔助天線置于天線的輻射中場(chǎng)區(qū)從而進(jìn)行天線方向圖的測(cè)試。文獻(xiàn)［4-5］總結(jié)中場(chǎng)測(cè)試和遠(yuǎn)場(chǎng)測(cè)試的區(qū)別在于:由于天線單元不是各向同性的輻射器，觀測(cè)點(diǎn)不是處于輻射遠(yuǎn)場(chǎng)區(qū)，因此，每個(gè)天線單元的幅度方向圖和相位方向圖在觀測(cè)點(diǎn)的疊加角度都不一樣，并且存在相位程差。而當(dāng)觀測(cè)點(diǎn)位于輻射遠(yuǎn)場(chǎng)區(qū)時(shí)，天線的單元方向圖基本在同一角度疊加，相位程差可以忽略不計(jì)。

中場(chǎng)測(cè)試的相位程差可以通過(guò)輔助天線和陣面之間的坐標(biāo)標(biāo)定計(jì)算出的實(shí)際幾何程差進(jìn)行扣除。為了提高測(cè)試精度，需要對(duì)天線單元的幅度和相位方向圖的差異進(jìn)行修正。如果修正非常困難，可以通過(guò)選擇適當(dāng)?shù)妮o助天線的位置［6］，使輔助天線相對(duì)于陣面每個(gè)天線單元的夾角變化在一個(gè)比較小的角度內(nèi)，在這個(gè)角度范圍內(nèi)天線單元方向圖變化不大，從而可以忽略方向圖的差異，使測(cè)試精度滿足要求。

由于被測(cè)天線和輔助天線均固定，因此所測(cè)方向圖是空間程差補(bǔ)償后的掃描方向圖。

如圖4所示，大型相控陣?yán)走_(dá)采用中場(chǎng)測(cè)試法測(cè)試天線方向圖。輔助天線放置于陣面前方的測(cè)試塔上。測(cè)試塔采用升降式。輔助天線與陣面的幾何位置關(guān)系經(jīng)過(guò)標(biāo)定。根據(jù)標(biāo)定結(jié)果計(jì)算空間程差并由系統(tǒng)進(jìn)行補(bǔ)償。輔助天線位于天線中心的(θ0，φ0)(大地坐標(biāo))方向上。方位方向圖測(cè)試時(shí)，波束的俯仰指向φ，固定于 φ0，方位指向 θ，從-60°掃描至 60°;俯仰方向圖測(cè)試時(shí)，波束的方位指向θ，固定于θ0，俯仰指向φ 從-2°掃描至60°。

圖4 大型電掃相控陣?yán)走_(dá)天線的中場(chǎng)測(cè)試

圖5和圖6為方位面和俯仰面的掃描方圖。對(duì)于副瓣低于-30 dB的波束性能，方位方向圖測(cè)試完全滿足測(cè)試需求。俯仰方向圖的測(cè)試精度稍差，但是對(duì)于0°～60°的區(qū)域，所得測(cè)試結(jié)果接近-30 dB。波束寬度也與理論設(shè)計(jì)非常吻合。

圖5 中場(chǎng)測(cè)試掃描方向圖(方位面)

圖6 中場(chǎng)測(cè)試掃描方向圖(俯仰面)

3 結(jié)束語(yǔ)

掃描方向圖是利用電掃相控陣波束捷變的特點(diǎn)而形成的方向圖。它準(zhǔn)確地表征了天線的輻射特性，是對(duì)天線方向圖很好的近似。掃描方向圖的測(cè)試方便快捷，受干擾因素較少。本文結(jié)合了多個(gè)大型相控陣?yán)走_(dá)的工程研制經(jīng)驗(yàn)，成功地將掃描方向圖測(cè)試應(yīng)用到了遠(yuǎn)場(chǎng)和中場(chǎng)測(cè)試中，提高了測(cè)試效率和精度，為大型電掃相控陣?yán)走_(dá)天線的方向圖測(cè)試提供了依據(jù)。

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