基于平面近場的有源相控陣系統(tǒng)G/T值測量方法

吳瑞榮 鄒永慶 龍永剛 李景峰 吳貽偉

摘? 要：文章提出了一種基于平面近場的有源相控陣天線系統(tǒng)G/T值測量方法，通過分別測量接收系統(tǒng)的有源增益和有源噪聲功率，進而測量出G/T值。該方法在暗室平面近場進行，實現(xiàn)簡單，受環(huán)境影響小，重復(fù)度高，解決了大型陣列天線G/T值測量困難的問題。給出了測量原理和測試誤差分析，并通過對Ka頻段接收相控陣的G/T值實測，與理論計算結(jié)果一致，且多次測量的抖動在0.25 dB內(nèi)。

關(guān)鍵詞：G/T值測量;有源相控陣天線;平面近場

中圖分類號：TN82? ? ? 文獻標識碼：A 文章編號：2096-4706（2021）01-0068-03

G/T Value Measurement Method of Active Phased Array System Based on

Planar Near Field

WU Ruirong，ZOU Yongqing，LONG Yonggang，LI Jingfeng，WU Yiwei

（The 38th Research Institute of China Electronics Technology Group Corporation，Hefei? 230088，China）

Abstract：In this paper，a method of measuring G/T value of active phased array antenna system based on planar near field is proposed. By measuring the active gain and active noise power of the receiving system respectively，the G/T value can be measured. The method is implemented in the near field of the dark chamber plane，which is simple to realize，small affected by the environment and high repetition. It solves the difficult problem of measuring the G/T value of large array antenna. The measurement principle and error analysis are given in this paper. The measurement principle and error analysis are given. The measured G/T value of Ka band receiving phased array is consistent with the theoretical calculation，and the jitter of multiple measurements is within 0.25 dB.

Keywords：G/T value measurement;active phased array antenna;planar near field

0? 引? 言

有源相控陣天線因其具備波束指向、形狀等靈活可變的高彈性，在測控通信、微波成像等多個領(lǐng)域廣泛應(yīng)用，隨著芯片和微波集成技術(shù)發(fā)展，毫米波大型相控陣列得到長足應(yīng)用。G/T值是接收有源相控陣系統(tǒng)參數(shù)中一項關(guān)鍵指標，是衡量接收相控陣靈敏度的質(zhì)量指標，該指標高低意味著接收相控陣能否從噪聲中識別信號。G/T值常用測試方法包含射電源法、衛(wèi)星源法、遠場法、緊縮場法等，這些測試方法均為搭建一個遠場條件，利用弗里斯傳輸方程，通過測量系統(tǒng)等效全向發(fā)射功率EIRP、傳輸損耗、載噪比等，計算出G/T值。由于遠場搭建耗時、費力，需要測試項目多，受環(huán)境影響大，造成G/T值測量耗費大，精度差。雖然緊縮場法在暗室內(nèi)進行，受環(huán)境影響小，但緊縮場靜區(qū)尺寸受制造成本制約，難以提高，特別是針對毫米波等高頻段的應(yīng)用。

本文提出了一種基于平面近場的有源相控陣天線系統(tǒng)G/T值測量方法，針對有源相控陣天線G/T值測量面臨的問題，提出了利用平面近場暗室分別測量出接收系統(tǒng)的有源增益和有源噪聲功率，通過兩者相比得出G/T值的方法。該方法測試系統(tǒng)搭建簡單，測試精度高，文中詳細介紹了本方法的測量原理和并對測試誤差進行了分析，以Ka頻段接收相控陣的G/T值測量為實例對提出的方法進行了驗證，結(jié)果與理論計算吻合，測量精度在0.25 dB內(nèi)。

1? 測量原理

G/T值為天線陣面增益G與系統(tǒng)噪聲溫度T的比值。接收有源相控陣天線與有源通道裝配連接后，由于有源通道的引入，不能直接對天線陣面增益G和系統(tǒng)噪聲溫度T進行測試。

如圖1所示，通過對接收有源相控陣系統(tǒng)分析，接收有源相控陣系統(tǒng)有源增益G有源包含天線陣面增益G和接收通道增益g兩個部分，并滿足：

G有源=G·g? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? （1）

接收有源相控陣系統(tǒng)多陣元噪聲溫度T經(jīng)有源通道放大合成后輸出T有源滿足：

T有源=T·g? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?（2）

因此分別測量接收有源相控陣系統(tǒng)的天線有源增益G有源和有源噪聲溫度T有源，則有：

（3）

在平面近場測試系統(tǒng)中，采用比較法，利用標準增益喇叭，可對接收有源相控陣系統(tǒng)有源增益G有源進行測量;利用頻譜儀可對接收有源相控陣系統(tǒng)輸出的有源噪聲溫度T有源進行測量，測量原理圖如圖2所示。

將待測相控陣系統(tǒng)和標準增益喇叭架設(shè)于平面近場暗室系統(tǒng)中，如圖2所示，距離暗室采樣探頭3～5個波長，待測相控陣系統(tǒng)與標準增益喇叭與探頭距離相同。利用暗室系統(tǒng)分別對待測相控陣系統(tǒng)和標準增益喇叭的近場數(shù)據(jù)進行采集，利用NSI處理軟件計算出待測相控陣系統(tǒng)和標準增益喇叭等效遠場輻射功率P陣列和P喇叭，則接收相控陣系統(tǒng)的有源增益可用式（4）計算（dB值）：

G有源=P陣列-P喇叭+G喇叭? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?（4）

頻譜儀設(shè)置為接收相控陣工作頻段，設(shè)置帶寬功率測量模式，測量帶寬為B，在無任何信號輸入下，可獲得接收相控陣系統(tǒng)輸出的噪聲功率N，則接收相控陣系統(tǒng)的有源增益可用式（5）計算（dB值）：T有源=N-K-10lg（B）

T有源=N-K-10lg（B）? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? （5）

其中K為玻爾茲曼常數(shù)，為-228.6 dBW。

進而可知接收相控陣系統(tǒng)的G/T值（dB值）為：

（6）

2? 測試步驟

由上述分析可知，利用平面近場可測量出待測相控陣系統(tǒng)和標準增益喇叭等效遠場輻射功率P陣列和P喇叭，已知標準喇叭增益，可實現(xiàn)對接收相控陣系統(tǒng)G/T值測試。具體步驟為：

（1）測試系統(tǒng)搭建：在平面近場暗室內(nèi)按照圖2搭建G/T值測試系統(tǒng)，搭建時應(yīng)使待測相控陣系統(tǒng)與標準增益喇叭與探頭距離相同，打開測試系統(tǒng)，熱機0.5 h以上;

（2）等效遠場輻射功率測量：設(shè)置平面近場測試系統(tǒng)為接收測量模式，測量頻率為接收相控陣工作頻率，將測試系統(tǒng)電纜接頭C連接至待測接收相控陣系統(tǒng)接頭B，對接收相控陣系統(tǒng)的近場分布進行采集;再將測試系統(tǒng)電纜接頭C連接至標準增益喇叭接頭A，再對標準增益喇叭的近場分布進行采集。利用NSI處理軟件計算出接收相控陣系統(tǒng)和標準增益喇叭等效遠場輻射功率P陣列和P喇叭;

（3）噪聲功率測量：首先對測試電纜DE的插入損耗L進行標定，并將接頭D和接頭E分別連接至接收相控陣系統(tǒng)接頭B和頻譜儀接收端，設(shè)置頻譜儀測量頻率為接收相控陣系統(tǒng)工作頻率，測量量為BandPower，測試帶寬B，測量模式為RMS。關(guān)閉測試系統(tǒng)信號源，對頻譜儀接收的噪聲功率N′進行測量，進而可得到接收相控陣系統(tǒng)輸出噪聲功率N為N′+L，這里L取正值;

（4）根據(jù)式（6）獲得接收相控陣系統(tǒng)的G/T值。

3? 測量精度分析

平面近場測量G/T值的誤差來源主要包含：

（1）平面近場測試和頻譜儀功率測量不同時，前后溫度變化引起的有源通道增益變化;

（2）由標準增益喇叭和接收相控陣天線到探頭距離不嚴格相同引起的誤差;

（3）平面近場測量系統(tǒng)的精度;

（4）頻譜儀測量噪聲功率的精度等4個影響因素。

針對影響因素（1），通過測量前熱機0.5 h以上，并利用平面近場測試系統(tǒng)對經(jīng)過相控陣系統(tǒng)的測量信號幅相進行實時監(jiān)測，幅相變化0.1 dB/2°以內(nèi)，則認為測試系統(tǒng)和待測系統(tǒng)均達到熱平衡，開始平面近場測試。

針對影響因素（2），通過精確的測試工裝設(shè)計，可保證標準增益喇叭和接收相控陣天線口面到平面近場探頭的距離小于0.5 mm，在50 mm的距離下，引起的增益測量誤差小于0.08 dB。

針對影響因素（3），在搭建測試系統(tǒng)時，對測試信噪比進行衡量，保證在進行標準增益喇叭近場采集和接收相控陣系統(tǒng)近場采集時，測量信號信噪比應(yīng)高于40 dB，降低因信噪比帶來的測量誤差。在高信噪比的情況下，NSI近場測量系統(tǒng)對增益測量精度可達到0.10 dB。

針對影響因素（4），通過測量前熱機0.5 h以上，使頻譜儀、信號源、功率計、矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀以及待測系統(tǒng)均達到熱平衡，利用功率計對頻譜儀功率測量精度進行標定，標定后儀表的測量精度可達0.20 dB。

綜上，平面近場測量G/T值的精度可達到0.25 dB。

4? 測試驗證

在毫米波平面近場暗室，按照圖2搭建了測試系統(tǒng)，按照3的測試步驟對Ka頻段接收相控陣天線的G/T值進行了測試，測試現(xiàn)場照片如圖3所示。

已知測試頻率為20.4 GHz，標準增益喇叭采用NSI公司的NSI-RF-SG28，其在20.4 GHz的增益為23.98 dBi，利用毫米波平面近場系統(tǒng)測得相控陣系統(tǒng)的等效遠場輻射功率為-38.84 dB，標準增益喇叭等效遠場輻射功率為-102.37 dB。

利用安捷倫公司的矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀N5442對接收相控陣系統(tǒng)和頻譜儀之間的電纜損耗進行了測試，1 m電纜損耗為3.25 dB。隨后在不改變接收相控陣狀態(tài)下，關(guān)閉測試系統(tǒng)信號源，使用測試儀器羅德&施瓦茨FSW50頻譜分析儀測得200 kHz內(nèi)接收的噪聲功率電平為-85.77 dBm，如圖4所示，由測試步驟（3）可知接收相控陣系統(tǒng)在200 kHz輸出噪聲功率電平為-83.42 dBm。由式（6）計算待測接收相控陣系統(tǒng)的G/T值為：9.58 dB/K。

該Ka頻段接收相控陣天線的G/T值根據(jù)實測的天線陣面方向性系數(shù)、天線單元與組件間損耗、接收組件噪聲系數(shù)、暗室環(huán)境下天線噪聲溫度Ta，得到的理論G/T值為9.42 dB/K，可見測試結(jié)果與理論結(jié)果差值在誤差范圍內(nèi)。平面近場測試G/T值方法工程可行，易于實現(xiàn)，精度高，具有較高的工程應(yīng)用價值。

5? 結(jié)? 論

本文利用平面近場系統(tǒng)分別測量接收系統(tǒng)的有源增益和有源噪聲功率，實現(xiàn)了有源相控陣天線系統(tǒng)G/T值的測量。該方法不僅可應(yīng)用于相控陣系統(tǒng)，還可應(yīng)用于可在暗室平面近場測試的所有接收天線，測試系統(tǒng)搭建簡單，受環(huán)境影響小，精度高。避免了遠場測量方法對場地、設(shè)備和環(huán)境的高要求，特別是大型接收相控陣系統(tǒng)，具有非常重要的工程應(yīng)用意義。

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作者簡介：吳瑞榮（1978.01—），女，漢族，安徽合肥人，副高級工程師，碩士，研究方向：電磁場與微波技術(shù)、通信系統(tǒng)前端等。