陣列天線失效單元的診斷研究?

朱寧龍 高 鑫

（中國(guó)人民解放軍91404部隊(duì) 秦皇島 066000）

1 引言

在實(shí)際天線設(shè)計(jì)及測(cè)試中，天線經(jīng)常因?yàn)檎駝?dòng)或加工等原因存在失效單元，從而導(dǎo)致方向圖不滿足實(shí)際要求，這時(shí)就需要排查并定位到失效單元的位置，進(jìn)而判斷失效或損壞的原因。如果通過(guò)人工逐個(gè)測(cè)量每個(gè)組件或單元，會(huì)耗費(fèi)大量的時(shí)間和人力成本，效率很差。為了解決這一問題，就需要研究一種方法，快速而準(zhǔn)確地找到失效單元的位置［1～2］。針對(duì)這一問題，本文提出利用近場(chǎng)測(cè)試的反演技術(shù)進(jìn)行快速診斷。該技術(shù)僅需通過(guò)一次測(cè)量，便可利用算法快速得到失效單元的位置。文章將首先介紹口徑場(chǎng)診斷的基本原理，然后通過(guò)計(jì)算機(jī)仿真驗(yàn)證算法的可行性，最后在實(shí)際測(cè)試過(guò)程中對(duì)該方法進(jìn)行實(shí)際工程驗(yàn)證。

2 口徑場(chǎng)診斷基本原理

近場(chǎng)采樣探頭通常在離開天線口徑幾個(gè)波長(zhǎng)的地方進(jìn)行測(cè)量，近場(chǎng)反向變換能有效得轉(zhuǎn)換測(cè)量平面z=d1（近場(chǎng)）到z=d2=0（口徑場(chǎng)）。探頭在近場(chǎng)某一點(diǎn)的輸出是探頭接收到的所有平面波譜分量的貢獻(xiàn)，探頭的矢量接收特性是S()k。因此探頭的輸出為［3～4］

在得到遠(yuǎn)場(chǎng)方向圖后就可以恢復(fù)離散口徑分布。天線陣列的激勵(lì)與遠(yuǎn)場(chǎng)方向圖的關(guān)系如下［10］：

其中E(kx，ky)是在陣列環(huán)境中的有源單元波瓣。在從遠(yuǎn)場(chǎng)波譜T()k中消除單元波瓣之后，進(jìn)行離散逆變換后可以得到A(xm，yn) 。

綜上所述，根據(jù)FFT得到陣列激勵(lì)的雙重求和表達(dá)式如下［11～12］：

因此該算法就是利用近場(chǎng)分布重構(gòu)口徑場(chǎng)的公式得到口徑場(chǎng)的幅相，然后進(jìn)行位置診斷。

3 計(jì)算機(jī)仿真驗(yàn)證

下面以計(jì)算機(jī)仿真的方式驗(yàn)證算法對(duì)失效單元的診斷。

3.1 建立計(jì)算模型

分析的計(jì)算機(jī)模型如圖1所示，由半波陣子組成的陣列沿x方向的電流分布為-35dB副瓣的Taylor分布（等副瓣個(gè)數(shù)為7個(gè)），沿 y方向的電流分布為-45dB副瓣的Taylor分布（等副瓣個(gè)數(shù)為9個(gè)），掃描面到陣列中心o的距離為d。

圖1 計(jì)算模型示意圖

具體驗(yàn)證過(guò)程為：1）在陣列已知特定的位置引入失效單元，引入失效單元的幅相已知。2）計(jì)算出模型的近場(chǎng)數(shù)據(jù)，然后根據(jù)近場(chǎng)數(shù)據(jù)利用算法得到陣列的口徑場(chǎng)幅相分布，找到失效單元的位置以及幅相值，與先驗(yàn)已知情況進(jìn)行比較，便可檢驗(yàn)診斷的正確與否。

3.2 計(jì)算結(jié)果及分析

在此取45*25個(gè)陣列單元，在不同的位置引入不同的幅相誤差，分析算法是否能準(zhǔn)確診斷出失效單元位置。

1）在第8行，第10列引入的幅相誤差分別為-15dB和25deg，計(jì)算得到立體幅相分布及幅相誤差曲線如圖2～5。

圖2 幅度分布圖

從圖2～5可以看出，算法準(zhǔn)確地診斷出失效單元的位置為第8行，第10列；診斷的幅相值分別為-14.80 dB，22.13deg。

圖3 相位分布圖

圖4 第10列幅度誤差曲線

圖5 第10列相位誤差曲線

2）在第5行，第10列引入的幅相誤差分別為-10dB和15deg，計(jì)算得到立體幅相分布及幅相誤差曲線如圖6～9。

從圖6～9可以看出，算法準(zhǔn)確地診斷出失效單元的位置為第5行，第10列；診斷的幅相值分別為-9.51 dB，12.03deg。另外還分析第15行，第20列等其他三個(gè)不同位置的失效單元診斷結(jié)果，因?yàn)槠拗疲诖瞬灰灰唤o出診斷曲線，在表1中匯總給出了最終的結(jié)果。

圖7 相位分布圖

圖8 第10列幅度誤差曲線

圖9 第10列相位誤差曲線

通過(guò)表1中的數(shù)據(jù)可以看出，該算法可以準(zhǔn)確地診斷出失效單元的位置。

4 實(shí)際測(cè)試試驗(yàn)驗(yàn)證

上一節(jié)通過(guò)計(jì)算機(jī)仿真的方式對(duì)算法進(jìn)行了驗(yàn)證，下面進(jìn)一步通過(guò)實(shí)際測(cè)試試驗(yàn)來(lái)證明其正確性與有效性。

圖10 口徑場(chǎng)幅度分布圖

表1 失效單元診斷結(jié)果

在對(duì)某S波段陣列天線進(jìn)行失效單元診斷試驗(yàn)過(guò)程中，通過(guò)在陣列天線第5和第100個(gè)單元位置處引入失效單元，進(jìn)行近場(chǎng)有源狀態(tài)測(cè)試。將測(cè)試得到的近場(chǎng)試驗(yàn)數(shù)據(jù)利用本文所述算法進(jìn)行近場(chǎng)-口徑場(chǎng)變換，對(duì)測(cè)試結(jié)果進(jìn)行反演，即可判斷出失效單元的位置。診斷結(jié)果如圖10～13。

圖11 口徑場(chǎng)水平幅度分布曲線

圖12 口徑場(chǎng)水平相位分布曲線

其中，圖10～12反映了引入失效單元后的口徑場(chǎng)分布，可以基本確定失效單元的位置。圖13中的定位曲線則準(zhǔn)確地診斷出失效單元的位置為第5個(gè)和第100個(gè)單元，從而進(jìn)一步證明了該算法對(duì)失效單元診斷的準(zhǔn)確性。

圖13 定位到每個(gè)單元幅度分布曲線

5 結(jié)語(yǔ)

本文針對(duì)近場(chǎng)測(cè)試中對(duì)陣列天線失效單元的診斷問題，進(jìn)行了計(jì)算機(jī)仿真驗(yàn)證和實(shí)際測(cè)試驗(yàn)證。驗(yàn)證結(jié)果表明，該算法可以準(zhǔn)確地診斷出失效單元的位置。并且，根據(jù)本文算法，通過(guò)一次測(cè)試便可診斷出陣列天線所有的失效單元，這在實(shí)際工程應(yīng)用中可以節(jié)約大量的人力和時(shí)間成本，大大縮短天線的故障檢查周期，具有很高的經(jīng)濟(jì)性和工程實(shí)用性。