基于陣列天線測試的遠場條件分析

季一鈞，鄒 慧，朱玉權

(中國船舶重工集團公司第七二三研究所，江蘇 揚州 225101)

0 引 言

隨著電子技術的飛速發展，現代電子戰設備以及戰術體系逐漸趨于高集成度、數字化形式。陣列天線作為一種電掃描天線(ESA)，相比于傳統的機械掃描天線，可靈活改變各通道單元的幅度、相位來實現波束賦形，具有掃描速度快、目標數據率高、多目標跟蹤能力強等優點，滿足了現代電子戰通用性、一體化、綜合化的設計理念[1-2]。

陣列天線的多通道、數字化等特點在提供設計便利性的同時，也對其測試方法以及使用條件提出了更嚴格的限定。內場測試環境往往會受到場地以及設施的影響，不可避免地帶來測量誤差。

本文通過對比陣列單元數、口徑大小以及測試距離之間的關系，分析了遠場條件的選取對通道測試中單元采樣數據的幅相影響情況以及方向圖的增益、副瓣、主波束指向的影響情況。

1 遠場條件分析及對單元通道數據的影響

陣列天線的核心為前端收發(TR)組件，全數字陣列天線的每個通道都對應一個TR組件。為確保每個通道的一致性，避免由于通道的幅相差異導致方向圖的畸變，首先要對陣列的各個通道進行校準。目前，主流的通道校準方式包括近場校準測試、遠場校準測試。對于近場校準測試，則需要1套完整的近場測試系統，主要是通過使用測試探頭在距離天線單元3～5個波長距離上對通道進行幅相采集，并將數據制作成校準表，當陣列工作時可下發給波束控制系統，從而抵消通道誤差。而遠場測試則相對容易實現，即通過采集遠端輻射天線的信號，將各單元的數據對比參考通道，制作成校準表。近場測試由于受測試環境影響小，具有更高的測試精度，但昂貴的購置成本也在一定程度上限制了此方法的廣泛推廣。當采用遠場校準方式時，為了避免不必要的反射以及外界干擾信號對測試結果的影響，微波暗室是一個良好的選擇。

對于天線單元，其輻射場在近區主要以倏逝波的形式存在，隨著距離的增加，傳播場占據主要部分。以偶極子天線為例，其遠場條件為kr≥5(其中k為對應測試頻率點的波數，r為測試距離)[3]。

對于陣列天線這樣的口徑天線，為了滿足遠場近似平面波的條件，普遍采用的遠場最小測試距離為[4]：

(1)

式中：D為待測天線最大尺寸；λ為天線工作波長。

由公式(1)容易看出：陣列天線的遠場距離大于單元天線的最小遠場距離，因此，陣列天線遠場條件一旦滿足，則單元天線的遠場條件也能滿足；且最小作用距離隨陣列口徑的增加呈二次方增加。

天線增益可表示為[4]：

(2)

式中：A為天線口徑的有效面積，其值正比于天線的最大口徑D2。

因此，為了獲得更高的天線增益，必須增加天線口徑，同時也不可避免地增加遠場最小測試距離。以10 GHz中心頻率為例，其1 m口徑的陣列天線，最小遠場距離達到了67 m。因此，常規微波暗室很難滿足此條件。

圖1 陣列天線工作的拓撲結構

以一維陣列為例，并在陣列中心建立直角坐標系，則各個單元對應的方向圖表示為：

An=cos2θn

(3)

圖2 天線單元幅度差隨的變化關系

(4)

圖3 天線單元相位差隨的變化關系

由上分析，若遠場條件無法嚴格滿足，則需要對通道校準數據進行準遠場條件誤差校正。

2 遠場條件選取對陣列方向圖的影響

為了驗證陣列天線或者相控陣電子戰設備的作戰性能，首先需要在內場按照作戰工作模式對天線方向圖進行測試。

對于全陣工作狀態，方位(俯仰)方向圖可由如下公式表示：

(5)

式中：θc為波控指向。

圖4 遠場方向圖隨的變化關系

相控陣列的操作靈活性使得電子戰設備能夠按照指令進行分子陣獨立工作，從而在保證設備性能的同時大大提高了工作數據率。對于左右均勻分陣的情況，波束控制取0°時，各子陣方向圖由圖5所示。

圖5 分子陣遠場方向圖隨的變化關系

圖6 分子陣左右波束指向偏差

3 結束語

本文以一維陣列為例，分析了遠場條件的選取對通道測試中單元數據的幅相影響情況以及方向圖的形狀、指向的影響情況。理想條件下假定測試距離無窮遠，但實際情況會受到測試內場條件的限值。

本文通過定量分析，推導了各通道數據的幅相誤差計算公式，并給出了幅相誤差隨遠場條件變化的曲線圖，可用于相控陣天線遠場通道校準的幅相補償；推導了有限遠情況下的遠場方向圖，并分析了遠場條件的選取對方向圖主、副瓣的影響；分子陣工作情況下波束指向畸變情況也進行了具體討論。不合適的遠場條件將會使得方向圖增益下降，副瓣抬高，子陣指向畸變嚴重。對應于電子戰設備的作戰性能測試：陣列天線增益下降使得電子支援(ESM)靈敏度下降、電子干擾(ECM)的有效輻射功率下降；陣列天線副瓣抬高使得偵察目標增批嚴重；子陣指向畸變使得多目標跟蹤轉干擾效能下降。