一種平面近場測試寬帶探頭補償方法

2020-06-23 08:55:06陳玉山李業強

艦船電子對抗 2020年2期

陳玉山，李業強

(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

相控陣天線具有靈活多變的波束，隨之而來的是巨大的測試和校準工作。針對其特點，通常需要定制一套近場測試系統。為縮短測試時間，常用的測試方法有2種：多探頭測量和多波位測量。通常情況下，多探頭測量需要解決探頭之間的互耦及一致性的問題。多波位測量是在一次掃描過程中，盡可能多地獲取測量信息。目前國內外相控陣設備近場測試通常采用單探頭、多波位測量。單探頭特點是線極化純度較高，方向圖弱且前向無零點。

對于超寬帶相控陣面，近場測試通常采用多個波導探頭。分頻段測試導致效率低、測試時間過長。在任務時間緊迫的條件下，需要一種能夠縮短近場測試的通用方法，且該方法能適用于其他陣面。

本文設計一種3倍頻寬帶加脊喇叭作為寬帶探頭，利用VB腳本編程[1-2]，對天線近場測試結果處理，得到待測天線方向圖與標準探頭在主波束120°范圍內測試結果吻合，滿足實際工程需求。

1 寬帶探頭設計

1.1 理論設計

對于探頭方向圖的選擇，在待測天線遠場方向圖任意需要精確測量的方向上，探頭方向圖都不應該出現零點，否則在進行探頭補償時會出現零點。同時，探頭需要阻抗匹配以減小多次反射[3]。

常用的探頭類型有2種：

(1)小振子與小環天線，優點是對測試場的擾動小，并且方向圖接近理想電源，從而方向圖校正與否影響不大；缺點是輻射電阻小，難與實際饋電網絡匹配。

(2)開口波導探頭，基模TE10模工作，相對帶寬較寬，主極化輻射方向圖具有簡單近似公式，可應用于一般的探頭補償軟件；缺點是不能雙極化狀態工作。

如何保證探頭方向圖在3倍頻范圍內需要精確測量的方向上不出現零點，成為設計的難點。

工作頻率為6～18 GHz，采用H面張開的650脊波導喇叭，E 面的口面為高頻的半波長左右，則E面具有較寬的波束寬度。同時為滿足輻射條件，H面口面應大于半波長。為減小邊緣繞射，喇叭壁應足夠薄。喇叭可看做逐漸張開的波導探頭，其方向圖由自由空間波導探頭的E 面、H面歸一化函數[4]可近似得到：

式中：a p為波導寬邊尺寸；b p為波導窄邊尺寸；λ為工作頻率波長；θ為圓錐角。

1.2 寬帶探頭仿真設計

由理論公式分析，在HFSS中仿真建模[5-6]，通過參數優化，得到E面開口尺寸為8.2 mm，H面開口尺寸為25 mm，天線長度為250 mm，為低頻段的5個波長。仿真模型及結果如圖1～圖4所示。寬帶探頭E面波束較寬，覆蓋±90°，H面波束在±60°范圍內沒有零點。

圖1 寬帶探頭仿真模型

2 寬帶探頭補償方法

對于近場測量，必須考慮探頭補償才能準確得到待測天線的遠場方向圖，探頭模型的選取直接影響補償效果。對于線極化測試，待測天線E 面和H面方向圖簡化公式[2]為：

圖2 寬帶探頭仿真駐波

圖3 仿真E面方向圖(6～18 GHz/1 GHz)

圖4 仿真H面方向圖(6～18 GHz/1GHz)

式中：FEn和FHn為不考慮探頭補償時，待測天線的E 面和H面方向圖；FEp和FHp為探頭的E面和H面方向圖；FE和FH為補償后待測天線E 面和H面方向圖。

由近遠場變換得到未補償的待測天線主平面內遠場方向圖，公式(1)和(2)得到寬帶探頭主平面內的方向圖，待測天線的遠場方向圖可由公式(3)和(4)計算得到。

圖5 寬帶探頭實物圖

圖6 寬帶探頭實測駐波

3 實測結果

3.1 寬帶探頭輻射性能測試結果

參考標準波導探頭的結構形式，加工并實測了寬帶探頭的輻射性能。如圖7～圖12，將喇叭的仿真、實測與自由空間波導探頭的E面、H面歸一化函數對比可知，實測曲線與理論公式計算吻合。

圖8 H面f=6 GHz

圖9 E面f=12 GHz

圖10 H面f=12 GHz

圖11 E面f=18 GHz

圖12 H面f=18 GHz

3.2 實測結果

為便于比較，選取的待測天線為水平極化，E 面波束較寬，H面波束較窄。利用上節中寬帶探頭方向圖補償方法，對寬帶探頭測得的近場方向圖數據進行補償，得到3個典型頻點方向圖。由圖13～圖18結果可以看出，對于寬帶探頭的近場測試數據，必須進行有效補償，才能與標準波導探頭吻合。由于補償采用探頭理論公式(1)和(2)，對于E 面方向圖，某些角度上具有一定誤差；對于H面方向圖，f=18 GHz時，寬帶探頭H面主波束60°以外波束起伏較大，導致此區域內的結果與標準探頭不一致。