通用陣列天線性能測試平臺

劉小飛，郭先松，康永飛，孫 磊

(1. 南京電子技術研究所, 南京 210039； 2. 天線與微波技術重點實驗室， 南京 210039)(3. 成都亞光微波電路與系統研究所， 成都 610051)

?

·天饋伺系統·

通用陣列天線性能測試平臺

劉小飛1，2，郭先松1，2，康永飛3，孫 磊1

(1. 南京電子技術研究所, 南京 210039； 2. 天線與微波技術重點實驗室， 南京 210039)(3. 成都亞光微波電路與系統研究所， 成都 610051)

相控陣天線成為現代雷達的一個至關重要的關鍵技術和發展方向，而對相控陣天線的創新研究需求迫切，研制周期要求緊張，因此，開發一種通用的陣列天線性能測試平臺對相控陣天線的研制具有高效的促進作用。文中首先論述陣列天線測試平臺研制的必要性，繼而介紹一種基于混頻模式的適用于V波段、P波段、L頻段的超寬帶陣列天線測試平臺，實際工程應用顯示該超寬帶測試平臺大幅度提高了相控陣天線的測試評估效率，有效地促進了相關工程項目和創新課題的研究進展。

相控陣天線；寬帶移相器；端射天線；有源網絡

0 引 言

現代機載相控陣雷達[1]的相控陣天線設計涉及超寬帶相控陣天線和端射陣天線兩個關鍵技術問題。對于超寬帶相控陣天線[2-3]，要求具有覆蓋倍頻程級的超寬帶特性。另一方面，新一代機載探測系統要求的陣面規模較龐大，期望在保證寬帶寬角的掃描特性之下，能實現小型化、低剖面、集成化等適裝性結構要求。因此，在實際設計過程當中，需要探索新型的超寬帶天線形式，對新型超寬帶天線的輻射形式、工藝實現、性能特性進行反復研究、驗證、評估。從而對測試驗證過程的效率、準確性和功能提出了新要求：現有測試、調試方式多針對小規模子陣級別的輻射天線進行配置，新型超寬帶相控陣天線要求覆蓋多個倍頻程級工作范圍，高頻段的波束掃描要求決定了天線陣的單元間距較小，而低頻段驗證的準確性又要求小面陣的口徑很大，從而使得此時驗證小面陣的單元規模數較大。采用傳統的耦合法測試小面陣有源駐波的效率極為低下[4]，準確性差，且需要測試人員在測試過程中不斷插拔接頭，以10×10單元為例，需要插拔接頭2×(10×10)2=20 000次，測試時間200 h，且需后續計算處理。因此，為了提高超寬帶天線關鍵技術研究驗證周期，提高效率和準確度，迫切需要超寬帶測試驗證平臺的建立(建立平臺后，10×10單元小面陣全陣測試時間縮小到8 h以內，并能實時獲得測試結果)。其次，由于超寬帶小面陣單元規模數較大，均為密布形式，進行方向圖、波束掃描特性驗證測試時，需要與陣面規模匹配的饋電網絡、移相衰減通道、波束控制等模塊，目前，在相應超寬帶頻段無此類測試設備，因此，需盡快建立適應于超寬帶天線小面陣測試驗證的平臺，滿足超寬帶天線研究、驗證、評估的需要，以支撐雷達總體方案的論證。

對于端射陣天線[5-6]，是目前機載、球載及其他特殊平臺雷達探測的熱點研究方向。未來多種形式的預警機、無人機、傳感器飛機平臺上相控陣天線的適裝性和口徑利用研究對端射陣天線提出了緊迫的需求。端射天線技術決定了未來部分機載雷達的工作形態和總體方案，需要加緊研究進度，以支撐論證決策。

傳統相控陣雷達天線多采用口面天線作為陣列的輻射單元的側射陣，其輻射方向垂直于陣列平面。天線的增益越高，所需要的陣列的口徑面積就越大。因此，高增益的相控陣雷達的口徑面積就相當巨大，并且一般位置固定。相比較于口徑天線陣列，端射陣正是能夠滿足上述需求的一種陣列。由于端射陣最大輻射方向指向單元排列的軸向而不是法向，因此，在最大輻射方向上沒有與方向性系數成正比例的口徑尺寸，適合應用在需要較小風阻、較低安裝高度的場合，特別是在各種高速移動載體。端射天線的研究、驗證、評估同樣對測試平臺提出了不同于傳統天線測試的要求：第一、端射天線特殊的輻射機制決定了天線陣中的輻射單元之間的耦合和信號傳輸與傳統天線相異，采用傳統的耦合法測試其有源駐波特性有可能與真實耦合特性不符，需在天線實際工作情況和環境下進行有源駐波測試和評估，這就需要建立相應規模的單通道幅度相位可控制網絡平臺，為端射天線的測試和評估提供條件。第二、對端射天線的輻射波瓣的評估是端射天線研究中至關重要的核心內容，目前的測試條件無法進行方向圖性能驗證，迫切需要建立一個測試平臺，滿足256點規模端射陣面的波束測試，對端射陣技術進行全面驗證評估，充分釋放該領域研究的技術風險。

基于上述的必要性，本文開發一種通用的相控陣天線網絡測試平臺，為了實現通用的特點，系統的帶寬必須是能夠覆蓋多個頻段的超寬帶系統。本文第1節介紹超寬帶實現的兩種方案，針對不同方案進行了對比論述；第2節介紹所選擇的方案的實施及測試工作流程；第3節在總結中指出實際工程應用顯示該超寬帶測試平臺大幅度提高了相控陣天線的測試評估效率，有效地促進了相關工程項目和創新課題的研究進展。

1 超寬帶相控陣天線測試平臺

1.1 寬帶方案

寬帶方案采用傳統網絡方案，即通道中的器件、模塊均采用與平臺工作帶寬一致的寬帶器件，包括功分網絡、移相器、衰減器、定向耦合器等。其特點是鏈路簡單直觀，設備量小，但是對器件的寬帶特性要求特別高。方案采用的原理框圖如圖1所示，圖中主要的模塊包括16路移相衰減、電源控制分配模塊、總功分網絡模塊以及256路信號輸出電纜。

寬帶方案中實現的難點是寬帶移相器，成為寬帶方案的制約因素。同時，由于多倍頻程的超寬帶要求使得寬帶方案中的寬帶功分網絡的級數很多，所需的體積龐大。解決器件與超寬帶特性之間的矛盾的方法之一就是進行帶內分頻，即將超寬帶頻段按照一定的規則劃分為多個頻段，在保證特定使用需求的基礎上，合理劃分頻段使得每個頻段的器件均能滿足測試需求。同時，采用分頻方式帶來相應的成本問題。劃分的頻段越多，實際通道數越多，從而使得器件的使用量成倍增加，同時，需在輸入分路端和輸出合路處加入開關切換。

1.2 混頻方案

混頻方案采用在高頻路進行移相衰減的方法，避免了鏈路中嚴格的寬帶器件和模塊的需求，其實現形式如圖2所示。該種方案具有兩種工作模式：一種為波束模式，即由頻率源產生混頻信號fb+(fl-fh)。經全陣面網絡后輸出到天線端，從而形成波束，天線掃描時，由移相器實現相位步進控制。另一種為駐波測試模式和通道校準模式，此時混頻信號fb+(fl-fh)由外部輸入的工作頻段f1-fh和頻率源產生的中頻fb混頻而得。

混頻方案很好地避免了方案中實現的難點，采用上混頻的方式將前端的工作頻率提高到fb+(fl-fh)。此時，雖然同樣實現fl-fh的絕對帶寬，但其相對帶寬縮小，從而使得器件的實現難度大幅縮小，同時，功放網絡的體積也可大幅減小。

方案鏈路中通道間包含1分16功分器、放大器、濾波器、衰減器、移相器等多種模塊，以及較長的測試電纜。為確保通道間的一致性，需要保證各模塊的一致性要求，電纜進行等幅等相分配。

圖2 混頻方案原理框圖

方案采用的是先將信號進行上變頻，再將信號下變頻還原輸出。在此過程中，利用混頻器的特性，將移相器作為窄帶應用，改變下變頻RF通道相位來改變IF輸出信號的相位。該過程存在的問題在于如果混頻器Lo～RF隔離度不夠，會造成混頻輸出信號泄漏到Lo端，會再次進行混頻輸出，再次混頻輸出的無用信號有可能又落在有用信號內，因此，此處需要上變頻的Lo～RF隔離度盡量大；其二，上變頻后的放大器不能讓上變頻輸出信號雜散惡化太多，即放大器的OIP3盡量高；第三，混頻器都存在上變信號和下變信號，下變信號和本振信號與有用信號頻率太近，若不進行抑制處理，無用信號會在下變頻時嚴重干擾最終的信號還原。因此，此處要求進行上變信號的帶通處理，在Lo處的抑制要求35 dB以上或者更佳。

2 基于混頻方案的超寬帶天線測試平臺應用

我們開發的基于混頻方案的超寬帶相控陣天線測試平臺如圖3所示，由1個頻率源機箱和16個通道機箱組成。

頻率源機箱中包含了圖3中所示的頻率源模塊、1∶2功分器、混頻器、二切一開關、濾波器、1∶16功分器以及控制分配單元等。頻率源機箱主要功能為：1)將輸入信號fl-fh與fb(內部頻率產生)進行上變頻得fb+(fl-fh)，再通過放大濾波等處理，經過1分16功分器給16個通道機箱提供下變頻本振信號； 2)內部產生的fb，通過二功分、濾波等處理后經1分16功分器給16個通道機箱提供下變頻射頻信號； 3)內部產生跳頻信號fb+(fl-fh)，通過內部一分二開關與上變頻所得信號進行選擇使用； 4)接收16個通道機箱的耦合信號，并通過單刀16擲開關輸出，檢測16個通道機箱各通道是否輸出正常； 5)包含總控制電路以及16個通道機箱的分配控制單元。

圖3 超寬帶相控陣天線測試平臺

通道機箱中包含了圖3中所示的16路fb信號功分器、16路fb+(fl-fh)信號功分器、16路混頻器、移相器、衰減器、定性耦合器和1∶32開關。通道機箱的主要功能包括： 1)16個移相、下變頻、衰減以及雙定向耦合通道； 2)每個通道都使用頻率源機箱提供的fb+(fl-fh)和fb信號進行下變頻還原fl-fh，在過程中進行調幅、調相功能，再通過放大等措施保證通道輸出功率要求； 3)每個通道都有兩個耦合信號，通過單刀32擲開關最終送入到頻率源機箱，再由頻率源機箱上的相應接口輸出； 4)包含控制模塊，為通道機箱中16個通道提供移相器、衰減器、開關、放大器等提供電源和控制電平。

利用該平臺，可以快速有效的評估待測天線陣面的基本性能，包括天線的無源駐波，有源掃描駐波，陣中單元方向圖，陣列方向圖，收發波瓣特性，等等。工作過程中根據測試項目的不同，控制不同的測試模式。比如在測試某點駐波時，首先，斷開該點到天線的測試電纜，將平臺鏈路的輸出開關打到該點定向耦合器的隔離口，控制矢量網絡分析儀歸一化S11參數；然后，接上與天線之間的電纜，即可讀出該點在頻段內的駐波，通過對軟件的循環控制，可以實現全掃描空域自動完成測試。

2.1 有源駐波測試

掃描駐波測試框圖如圖4所示。

圖4 掃描駐波測試方法

掃描駐波測試時，測試網絡作為陣列天線的有源網絡，控制天線輸入信號的幅度相位，以達到天線有源掃描的真實狀態，移相器和衰減器的控制量即為天線修調和掃描時所需的相位幅度的控制量。此時，對某個待測天線單元端口的全反射信號和正常工作時的反射信號進行處理，既可以得到陣列天線的有源掃描駐波。其測試步驟如下：

1)波控對每一路輸入的相位幅度控制均為0碼時，測試每一待測端口的輸入鏈路的幅度相位，并記錄數據；

2)測試包含有定向耦合器的一路移相器輸出端口的相位幅度，并結合1)中記錄的各路幅度相位數據，對所有路的相位幅度配平；

3)將移相器輸出端的除待測路的其他各路與陣面對應天線單元連接，而待測試單元中包含耦合器的該路斷開，耦合器負載端接矢量網絡分析儀，并對此時進行歸一化，此時矢網測量打為S12的VSWR(2口接功分，1口接耦合器的負載端)；

4)將耦合器輸出端接待測天線單元，此時矢網顯示的數據即為天線有源駐波，波控控制波束掃描，分別測試天線不同掃描角度的掃描駐波，使用計算機進行采樣和記錄。

2.2 方向圖測試

方向圖測試框圖如圖5所示。

圖5 方向圖測試框圖

方向圖測試時，測試網絡的工作狀態與駐波測試時的工作狀態類似，相位配平后進行天線的掃描、加權狀態控制。輸入信號由矢網1端口給出，經過測試網絡分配，調幅調相后送至天線陣面，與駐波測試不同的是矢網2端口是和標準喇叭天線連接的。測試步驟如下：

1)在波控對每一路輸入的相位幅度控制均為0碼時，測試每一路端口的幅度相位，并記錄數據，對所有路的相位幅度配平；

2)通過控制計算機對測試網絡的狀態、相移和衰減進行控制，使天線陣面工作在指定波段、制定掃描角度、制定加權的工作狀態；

3)在控制軟件上對矢量網絡分析儀和伺服控制系統的工作參數進行配置，使矢網1端口發射相應的激勵射頻信號，伺服工作于一定的采樣范圍和位置，并配合發射和位移；

4)信號通過標準喇叭天線接收到矢網2端口，并在控制計算機中記錄存儲測試的天線近場數據；

5)對近場數據進行處理，獲取天線的方向圖性能。

3 結束語

相控陣天線成為現代雷達的一個至關重要的關鍵技術和發展方向，而對相控陣天線的創新研究需求迫切，研制周期要求緊張，因此，開發一種通用的相控陣天線性能測試平臺對相控陣天線的研制具有高效的促進作用。本文論述了相控陣天線測試平臺研制的必要性，介紹了一種基于混頻模式的適用于V波段、P波段、L頻段的超寬帶陣列天線測試平臺，實際工程應用顯示該超寬帶平臺大幅度提高了相控陣天線的測試評估效率，有效地促進了相關工程項目和創新課題的研究進展。

[1] 張光義, 趙玉潔. 相控陣雷達技術[M]. 北京: 電子工業出版社, 2006. ZHANG Guangyi, ZHAO Yujie. Phased array radar technology[M]. Beijing: Publishing House of Electronics Industry, 2006.

[2] HOLTER H, CHIO T H, SCHAUBERT D H. Experimental results of 144-element dual-polarized endfire tapered-slot phased arrays[J]. IEEE Transactions on Antennas and Propagation, 2000(48): 1707-1718.

[3] REMEZ J, SEGAL A, SHANSI R. Dual-polarized wide-band widescan multi-beam antenna system from tapered slot-line elements array[J]. IEEE Antennas Wireless Propagation Letter, 2005(4): 293-296.

[4] 束咸榮, 何炳發, 高 鐵. 相控陣雷達天線[M]. 北京:國防工業出版社, 2007. SHU Xianrong, HE Bingfa, GAOTie. Phased array radar antennas[M]. Beijing: National Defence Industry Press, 2007.

[5] LEE J J, LIVINGSTION S W. Wideband end-fire array[R]. US patent. 5894288.

[6] WATRMAN T G. Horizontally polarized endfire array[R]. US patent. 6812893B2.

劉小飛 男，1981年生，博士，高級工程師。研究方向為相控陣天線與微波技術。

郭先松 男，1974年生，研究員級高級工程師。研究方向為超寬帶相控陣天線設計、波導縫隙陣列天線設計等。

康永飛 男，1982年生，高級工程師。研究方向為微波毫米波器件和系統研究工作。

孫 磊 男，1974年生，研究員級高級工程師。研究方向為雷達天線電訊研究工作。

General Platform for Measurement of Array Antenna

LIU Xiaofei1,2，GUO Xiansong1,2，KANG Yongfei3，SUN Lei1

(1. Nanjing Research Institute of Electronics Technology, Nanjing 210039, China)(2. Science and Technology on Antenna and Microwave Laboratory, Nanjing 210039, China)(3. Chengdu YaGuang Microwave Circuit and System Institute, Chengdu 610051, China)

The phased array antenna becomes an important development area and key technique. The research requirement on phased array antenna is urgent and the developing period is frequently short. Therefore a general platform for Measurement of phased array antenna is required to promote the research on the phased array antenna. In this paper, the necessity of the measurement platform is analyzed, and then an ultra-wideband platform based on the mode of mixing frequency is introduced for V-band, P-band and L-band. The application of the platform indicates that it improves the efficiency of the research on the phased arrays. Thereby it promotes the related projects and creative proposal in this field.

phased array antenna; wideband phase shifter; end-fire antenna; active network

10.16592/ j.cnki.1004-7859.2016.03.013

劉小飛 Email：287419209@qq.com

2015-10-16

2015-12-18

TN911.7

A

1004-7859(2016)03-0061-04