大型固定式米波有源相控陣天線方向圖測試方法

臧永東，張立新，金謀平，胡善祥，2（.中國電子科技集團公司第三十八研究所；2.孔徑陣列和空間探測安徽省重點實驗室，合肥 230088）

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大型固定式米波有源相控陣天線方向圖測試方法

臧永東1，張立新1，金謀平1，胡善祥1，2
（1.中國電子科技集團公司第三十八研究所；2.孔徑陣列和空間探測安徽省重點實驗室，合肥 230088）

摘 要：闡述了地面反射場法、波束掃描法、聚焦法的原理，給出了這三種方法相結合在固定式米波陣列天線的方向圖測試中的應用實例，結果表明，該方法具有較高的測試精度，適合大型固定式米波陣列天線的方向圖測試。

關鍵詞：地面反射場法；波束掃描法；聚焦法；方向圖測試

0　引言

天線測試是天線系統工程研制的重要環節之一，測試方法的選擇是天線測試的核心問題，其決定了測試場地的選擇、天線架設高度等。米波天線陣列頻段低、尺寸、重量大，一般室內近場暗室無法滿足測試要求，通常選擇室外遠場測試。室外遠場測試方法包括等高場法、斜距場法等近似自由空間測試方法及地面反射場法［1］。近似自由空間測試方法的關鍵是控制地面反射場的影響，地面反射場法利用直射場與地面反射場的干涉方向圖的第一瓣的最大值指向天線陣列口面中心，在天線陣列口面近似得到等幅同相入射場。

大型米波陣列天線的重量大，難架高，輔助天線波瓣寬，近似自由空間測試方法很難完全抑制地面反射波的影響，副瓣電平的測試精度不高；地面反射場法將天線陣列和輔助天線低架設在地面附近，在測試距離、場地的不平坦度、開闊度和周圍無遮擋物等條件滿足要求的條件下，調整架設高度，在天線陣列口面上形成滿足測試精度要求的近似等幅同相的入射場，比較適合大型米波陣列天線。

固定式大型米波陣列天線難以架設在測試轉臺上。對相控陣來說，可利用相控陣波束掃描靈活的優點，采用波束掃描法進行波瓣測試。

大型米波陣列天線的遠場距離可能很大，一般需要幾百米，甚至數公里，標準的外場遠場測試方法對測試場地尺寸的要求太高，給測試場地的選擇帶來困難。采用聚焦法測試相控陣方向圖，測試距離可以縮小到天線陣列口徑最大尺寸的幾倍［2］。聚焦法通過補償有限距離引起的口徑相位差，使聚焦區測試的方向圖等效為遠場方向圖。

1　測試方法基本原理

1.1地面反射場法

地面反射場法將待測天線陣列和輔助天線低架在地面附近，在測試距離、場地的不平坦度、開闊度和周圍無遮擋物等條件滿足要求的條件下，利用直射場和地面反射場的干涉方向圖的第一個瓣照射待測天線陣列，在待測天線口面上形成滿足測試精度要求的近似等幅同相的入射場。待測天線與輔助天線的幾何關系如圖1所示，0.25dB邊緣錐削幅度要求待測天線架高hr≥3.3 D 。如果待測天線架高困難，通常要求hr≥2 D ，對應邊緣錐削幅度1dB以下；輔助發射天線架高ht=λR 4 hr時，干涉波瓣第一個最大值照射待測天線口面中心［1］。

1.2波束掃描法

陣列天線波束掃描的基本原理是陣列波瓣在正弦空間的平移［3］［4］，但在角度空間，這種平移不是恒增益的。一方面，掃描狀態下波束展寬導致陣列增益以cosθ變化；另一方面，不同掃描狀態下陣中的有源單元方向圖也發生變化。上述原因導致該方法測試的遠場波瓣僅在主瓣附近區域與實際遠場波瓣一致，遠區副瓣有一定的誤差。

波束掃描法的示意圖如圖2所示，將輔助天線固定于陣列天線前方的方位及俯仰角度為（α0，β0）的測試點，利用波束形成系統將陣列天線的主瓣最大值對準該輔助天線，控制天線波束在方位向-θ～+θ范圍內以步進dθ掃描，記錄掃描角θi對應的信號幅度Ai，即可得到波束指向角為（α0，β0）的方位面遠場波瓣。以同樣的方法控制天線波束在俯仰向掃描，即可得到波束指向角為（α0，β0）的俯仰面遠場波瓣。

1.3聚焦法

聚焦法的基本原理是通過補償有限距離引起的口徑相位差使相控陣各單元到聚焦點，即輔助天線架設點的相位差等于掃描角對應的程差相位。這樣，聚焦點的方向圖等效于遠場方向圖。如圖3所示，輔助天線架設在陣面前方，與陣面中心的距離為R。以陣面中心為原點，陣面為x-y平面，建立三維直角坐標系，輔助天線的坐標記為（xp， yp， zp），則輔助天線中心至第i 個天線單元中心的距離為

式中（xi， yi，zi）為第i個單元的中心坐標。

對于直達波，各單元的補償相位為

式中?si為第i個單元的掃描程差相位。

對于設計理想的地面反射場，反射和直射路徑差近似等于λ/2［1］，為常數，因此僅針對直射波進行聚焦相位補償即可滿足相位誤差要求。

2　實測結果與討論

結合地面反射場法、波束掃描法、聚焦法對現有的一個口徑尺寸12m×13.5m，單元數12×10的固定式米波陣列天線的方向圖進行了測試，輔助天線架設在陣列的中場區，得到的方位和俯仰方向圖分別如圖4、圖5所示。便于比較，圖中給出了對應的理論方向圖。可以看出，在方位方向圖的主瓣區附近，測試值與理論值良好吻合，在大角度區域，該方法引入一定的測試誤差；俯仰方向圖的主瓣和上半空間副瓣的測試值與理論值良好吻合，下半空間副瓣受地面反射波影響較大。這些結果表明該方法具有較高的測試精度。

3　結語

本文闡述了地面反射場法、波束掃描法、聚焦法的原理，采用這三種方法相結合對現有的一個大型固定式米波陣列天線的方向圖進行了測試，結果表明，該方法具有較高的測試精度，適合大型固定式米波陣列天線的方向圖測試。

參考文獻：

［1］ 毛乃宏，俱心德等.天線測量手冊［M］.北京：國防工業出版社，1987.

［2］WANG Chao-Chi， WANG Chun-yang， ZHANG Jing-wei， et al. Focusing Technology of Phased Ar ray Antenna［C］，2nd International Symposium on Test and Measurement，1997.

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

［4］（美）美洛克斯等著.相控陣天線手冊（第二版）［M］.電子工業出版社，2006.

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2016.13.257

作者簡介：臧永東，男，工程師，研究方向：天線設計、相控陣天線系統等。