一種基于平面近場測量的線陣天線快速檢測方法研究

陳曉昕,石　磊,肖　鴻

(中國船舶重工集團公司第七二四研究所,南京 211153)

一種基于平面近場測量的線陣天線快速檢測方法研究

陳曉昕,石磊,肖鴻

(中國船舶重工集團公司第七二四研究所,南京 211153)

摘要：討論了平面近場測量中的參數設置,結合平面近場測量理論和陣列天線理論提出一種快速線陣天線檢測方法,實測表明此方法簡單易行,可靠高效。

關鍵詞:相控陣雷達；陣列天線；平面近場測量

0引言

隨著各種通信技術及相關軍事需求的發展,相控陣雷達的應用日益廣泛。有效作用距離遠、多目標跟蹤等功能決定了天線的孔徑越來越大。構成天線陣列的單元越來越多。如何快速有效地檢測出一致性較差的陣元變得尤為重要。相比于傳統的遠場天線性能測試,暗室近場測量因測試精度高、消除了遠場尺寸的限制、測試環境可控、不受天氣因素影響、一次測量可以獲得天線完整的遠場信息且能全天候工作等優勢得以廣泛應用。然而,近場測試最大的弊端在于一次測量耗時長,要全部測試完并計算后才能獲得最終結果。這對于構成大規模天線陣陣元的遠場性能檢測構成了極大的障礙。本文以一維等間距線性天線陣為例結合平面近場測量理論、陣列天線理論等提出一種快速檢測方法,極大地提高了測試的時間效率。

1平面近場測量的基本原理

平面近場測量就是用一個特性已知的探頭在離開待測天線幾個波長(一般3～10個波長)的某一平面上進行掃描,測量天線在該平面上電磁場的幅度和相位分布,再通過嚴格的數學變換來確定天線的遠場特性。該方法的基本思想是把待測天線在空間建立的場展開成平面波函數之和,展開式的加權函數包含著遠場圖的完整信息,根據近場測量數據算出加權函數(通過二維傅里葉變換實現),進而確定天線的遠場方向圖。

依據電磁場理論,在均勻、無源區域內,空間任意一個時諧電磁場都可以表示成沿各個不同方向傳播的一系列平面電磁波之和,其一般解為

(1)

(2)

假設在z=d的平面上(d為常數)電場的橫向分量可以測量得到,其表達式為

(3)

2一種簡易近遠場變換方法

文獻[3]依據經典電磁場理論的惠更斯-基爾霍夫原理、等效原理結合已經成熟的陣列天線理論提出一種簡單易行的近遠場變換方法:

在平面近場測量中,一般以待測天線作為發射天線,即輻射體。假設此輻射體被一封閉表面包圍,根據惠更斯-基爾霍夫原理和等效原理,則天線的遠區輻射場可看作是該封閉表面上的等效切向電磁場或等效表面電磁流產生的。如能測得這個表面上的切向電場或者說是表面電流,即可獲得天線遠場的電磁特性。

如圖1所示,假設此封閉面為S1+S2,其中S2是位于待測天線最大輻射方向上、平行于天線口徑面的一個有限面積的矩形平面。對于有一定方向性的天線來說,只要S2 選的足夠大,即可認為待測天線在這個封閉面上激勵的電磁場或表面電磁流只在S2 部分存在,而在S1 部分可以忽略不計。結合平面近場測試理論,用測試探頭在S2上掃描取樣,從而獲得在確定采樣點上的表面電流或表面電磁流(取決于所用是電場探頭還是磁場探頭)。這相當于在S2平面上以采樣點上的電流源為組陣單元排成了一部陣列天線,待測天線在空間任一點的遠區輻射場等效為此陣列天線在空間任一點的遠區輻射場。

圖1　包圍待測天線封閉面的示意圖

由此,可以很方便地應用平面陣列天線輻射理論中的許多成熟結論,近遠場變換已經等效為根據確定的單元激勵和單元位置關系求解陣列天線輻射場。設掃描平面位于XOY平面,XY方向取樣間隔分別為dxdy,取樣點數為MN,則待測天線的遠區輻射場方向圖函數可以表示為[2]

(4)

式中?mn分別為(m,n)取樣點處等效表面電流源的幅度和相位。

采用由成都市氣象局與成都市勘測設計研究院合作建立的地基GPS/MET網所提供觀測資料,使用美國麻省理工學院實驗室開發的 GAMIT10.4 軟件對成都市地基 GPS/MET網的觀測資料進行大氣總延遲量解算。同時,綜合考慮本地站的位置特點以及對聯合解算時站點的遠近要求,解算時加入長基線IGS站兩個,分別為北京房山站和上海站。本地地基GPS站采用的是大邑站、成都站、蒲江站、龍泉驛站以及金堂站,其中地基GPS站具體地理分布如圖2所示。本文主要以2008年9月23—26日發生降水較明顯的成都市區和蒲江縣為例進行可降水量分析。

當平面近場測試掃描的是一條直線時,此陣列等效為一維直線陣,在φ=0的平面式(4)可簡化為

(5)

3掃描配置設定

掃描配置設定包括如下內容:測試探頭到天線口徑面的距離、掃描范圍、取樣間隔以及掃描方式。

一般掃描方式多選擇雙向連續掃描,但單向掃描可以克服雙向掃描的取樣位置偏差。對于測試精度要求很高以及高頻待測天線可采用單向連續掃描或步進掃描方式。當取樣步長很小時還需適當降低掃描速度以減少測試誤差。這里掃描范圍和取樣間隔的大小直接決定了測試的時間效率(測試時間和計算時間)。

由取樣Nyquist定理可知,取樣間隔應小于頻帶范圍內最小半波長[1]。也有文獻提出若只關心有限角度范圍內的特性,如窄波束天線,采樣間隔可以適當增大,進而節省測試及數據處理時間[1,3]。

設待測天線口徑長度A,最大可信遠場角θs(即最大可信角域為(-θs,θs)),天線口徑面與掃描面之間的距離D,掃描范圍L,如圖2 所示。它們之間的關系如下:

(6)

圖2　天線口徑掃描范圍的約束關系

為了保證測試精度,所選掃描面尺寸應滿足如下關系式:

L≥A+2Dtanθs

(7)

這便是掃描范圍的選擇原則:L必須使確定遠場方向圖的適用角域滿足實際要求,同時測量面的大小應保證邊緣處的電平已經足夠低。一般選擇測量面截斷處的場比中心部位的低30～40dB(超低副瓣天線則更低)。這要結合測量系統的動態范圍及所要求的預計遠場方向圖的范圍和精度。實際測試過程中,多是兩種方式相結合選擇掃描范圍相對較小的一種。

這里D一般取3～10個波長[1]。相同θs和取樣間隔條件下,D越大則掃描范圍越大測試時間越長,數據量越大進而增加了計算時間。文獻[2]中提到陣列天線的平面近場測量D通常選2～3個波長,相應的典型取樣間隔為λ/3。如果采用電大尺寸探頭,則測量距離需選擇的較大,而且在平面近場測量條件下僅能測量主瓣附近的波瓣特性。筆者實測經驗:考慮到探頭與天線之間的互耦效應以及測試時間,一般D選4～5個波長,取樣間距≤0.5 λmin。

4應用

4.1　方法提出

對于應用在大型陣列天線作為子陣的一維線性陣天線,更多被關心的是它在某個切面上的遠場特性。為了快速有效地實現直線陣篩選,本文結合上文快速算法提出通過減小不關注方向的掃描范圍,提高取樣間隔的掃描方式縮短測試、計算時間。實測結果與預期相符。具體設置如下:

(1) 縮小掃描范圍

探頭到天線的距離選3～5個波長。在所關心的沿線陣方向上,設定掃描范圍滿足公式(7)以及中心到邊緣能量降低30～40dB規則。垂直方向不嚴格遵從上述設定掃描范圍原則,縮小測試范圍。取樣間距在0.5λmin附近。在同等測試條件下測試各線性陣遠場性能(系統測試誤差相同),節約測試時間。

(2) 進一步縮短掃描時間

在測試條件允許的情況下,將測試探頭盡可能靠近被測天線。在正對構成線性陣的天線單元處采集電磁場的幅相數據,應用公式(4)計算遠場向圖。這種測試方法充分利用了陣列天線陣元間距≥1/2λ,并忽略了覆蓋范圍可信角θs直接對天線陣元口面進行測試,從而縮短了測試時間。

4.2　實測檢驗

(1) 傳統掃描范圍設置測試與單行線掃描測試結果比較

圖3給出了一個由8根72單元等間距直線陣構成的天線面陣,在探頭距離為4.7λ時,幾種不同掃描配置下獲得的遠場方向圖(MIT專業軟件計算):滿足傳統掃描范圍、取樣間隔配置；滿足傳統掃描范圍設置,取樣間隔大于 0.5λ；沿直線陣方向掃描范圍滿足傳統設置取樣間隔大于0.5λ,僅掃描一行。由圖可見,前兩種掃描方式的測試結果相當,1行線掃描副瓣略有起伏但已在40dB以下。可見,在測試精度要求不嚴格的情況下,適當擴大取樣間隔的條件下,僅對中間直線陣掃描一行,就足以表現整體特性,極大地縮短了測試時間。在保證外圍直線陣元不變即在同樣測試背景下,更換中心行直線陣,比較單行掃描結果即可實現直線陣篩選。

圖3　8根72單元直線陣構成面陣沿線陣

(2) 簡易近遠場變換方法應用

下文以一48單元等間距一維線陣天線為例,給出了傳統計算方法(MIT專業軟件計算)和簡易近遠場變換方法在幾種不同掃描配置下的計算結果比較。天線陣沿X軸放置,掃描平面位于XOY平面。幾種掃描設置見表1,其中近距離1行掃描模式中,探頭沿直線陣中心掃描在正對陣元位置采集數據。

表1　掃描范圍設置

表2給出了這幾種掃描方式實測時間,測試時間比約為3∶4∶9∶12。這里測試時間為一次測試的起止時間,因包括測試參數配置、系統啟動和停止等,所以1行、5行、7行掃描耗時不是嚴格的1∶5∶7關系。

掃描分類探頭距離DX軸方向采樣點數采樣間隔極限角Y軸方向采樣點數采樣間隔極限角近距離1行掃描0.18λ480.79λ/10/1行掃描4.4λ920.48λ56°10/5行掃描4.4λ920.48λ56°50.48λ13°7行掃描4.4λ920.48λ56°70.48λ20°

表2　測試時間

表3給出了分別采用MIT專業軟件和文中公式(4)簡易近遠場變換計算的幾種掃描模式下天線方位面的遠場參數,可見兩種計算方法結果相當。

掃描分類測試時間(min)近單元測試1.51行掃描2.05行掃描4.57行掃描6.0

表3　兩種計算方法結果比較

圖4給出了該一維線性陣天線在幾種不同掃描方式下方位面遠場方向圖,采用公式(4)的簡易近遠場變換方式計算。由圖4結合表3可見,在確保沿直線陣方向掃描范圍滿足傳統設置要求的前提下,1行掃描足以表征該直線陣性能。在測試精度要求不是很嚴格的情況下,進一步縮小測試探頭和待測天線的距離直接對構成直線陣的陣元采集數據,在比較近場口面數據作陣元診斷的同時也可獲得該天線的遠場性能,測試時間進一步縮短。

圖4　采用簡易近遠場變換計算的遠場方向圖

綜上所見,在對大批量一維線性陣天線性能檢測時,適當減少掃描范圍,提高采樣間距,可以在一定誤差范圍內快速測量該天線陣性能,極大地縮短測試時間,提高測試效率。對于其他類似模式的線性天線陣列,當只關心某個方向上的遠場性能時,均可采取此種方法測試。需要說明的是:近單元測試方法忽略了探頭本身電性能對測試結果的影響,以及可能未完全衰減為零的凋落波的影響,在精度要求不高的情況下可以使用,由其近場實測的幅相數據也可以發現異常陣元；在有一定測試精度要求的情況下,采用方式(1)模式,掃描一行,滿足近場測試對探頭距離要求的同時保證某一測試方向符合近場測試范圍的要求,也可快速有效地獲得線陣遠場特性,實現子陣篩選功能。

5結束語

本文在平面近場測量理論的基礎上結合經典電磁場理論和陣列天線理論,提出一種對一維線性天線陣性能的快速檢測方法。實測表明在所關注的有限角度范圍內,獲得的某個方向的方向圖與傳統平面近場測量結果相符,極大地縮短了測試時間,提高了測試的時間效率。

參考文獻:

[1]毛乃宏,俱新德,等.天線測量手冊 [M].北京:國防工業出版社,1987.

[2]束咸榮,何炳發,高鐵,等.相控陣雷達天線[M].北京:國防工業出版社,2007.

[3]薛正輝,高本慶,劉瑞祥,等.天線平面近場測量中一種近遠場變換方法研究[J].微波學報,2001,17(1):18-25.

[4]Dan Slater.Near-field antenna measurements[M].Artech House Publishers,1991.

A fast linear array antenna detection method based on

planar near-field measurement

CHEN Xiao-xin, SHI Lei, XIAO Hong

(No. 724 Research Institute of CSIC, Nanjing 211153)

Abstract:The parameter setting for the planar near-field measurement is discussed, and a fast linear array antenna detection method is proposed based on the theory of the planar near-field measurement and the array antenna. The test results indicate that this method is simple, reliable and highly efficient.

Keywords:phased array radar; array antenna; planar near-field measurement

中圖分類號:TN821.8

文獻標志碼:A

文章編號:1009-0401(2015)04-0050-04

作者簡介:陳曉昕(1974-),女,工程師,碩士,研究方向:天線測量；石磊(1983-),男,工程師,碩士,研究方向:天饋線設計；肖鴻(1984-),男,工程師,碩士,研究方向:天線系統設計。

收稿日期:2015-04-28；修回日期:2015-05-27