機載天線方向圖外場測試技術研究

趙東濤， 徐宏宇

1.中國飛行試驗研究院，陜西 西安 710089； 2.中國北方工業有限公司，北京 100053)

機載射頻天線裝機后，天線方向圖[1]不僅與天線自身有關，而且會受到其在機上安裝位置、機體形狀和蒙皮材料等多方面的影響，這些會使天線的方向圖發生不可忽視的畸變，導致天線的性能偏離預期效果。因此，只有準確地得到機載天線方向圖的畸變特性，才能采取相應的技術措施，以確保裝機天線性能參數滿足使用要求。裝機天線方向圖等參數的高精度測試，對于指導裝機天線的合理布局和畸變補償，以及提升飛機通信導航和雷達性能均具有重要的意義。

裝機天線由于飛機機體尺寸較大，對整機進行天線測試的暗室靜區尺寸要求也過大，故外場測量是一種可替代的方法。外場測試過程中一般需要轉臺實現飛機和天線旋轉、移動等操作，對轉臺的承重和尺寸要求都很高，因此，外場通常不旋轉飛機平臺，而是采用移動配套輔助天線的方式進行自動化測試[2-15]。許多文獻中的測試方法能夠實現天線方向圖外場自動化測試，但未考慮天線在機上的安裝位置、機體形狀和蒙皮材料等多方面耦合后機體環境對測試結果的影響。

本文設計了一套裝機天線外場環境測試平臺，提出了一種裝機天線外場天線方向圖校準方法，測試過程中不需要將飛機安置在測試轉臺上，在被測天線固定不動的情況下，利用車載測試設備對裝機天線進行移動式測量，實現了裝機天線不同頻點的方向圖等參數的測量和校準，本測試平臺及校準方法具有高效率和高精度測試的優點。

1 天線方向圖外場測試方法

根據天線方向圖的定義“一個圓心位于天線內部、表面位于待測天線遠場區的大球狀圖形，用于表征天線輻射的電磁場在空間的分布特征”，天線方向圖測量首先要滿足遠場測試條件，如式(1)所示。

(1)

式中:R為輔助天線和待測天線之間的最小距離，單位為m；D為待測天線最大截面尺寸，單位為m；λ為最短波長，單位為m。

對于寬帶天線，當天線口徑固定時，天線最高工作頻率決定了測試的最小距離。根據機載天線不同工作頻率天線的口徑，分別確定測試的最小距離。

外場測試通常采用高架測試方法，測試幾何關系如圖1所示，采用這種測試方法時，被測天線和輔助天線架設在一定高度，以此來減少地面和周圍環境產生的反射干擾。

圖1 高架遠場測試幾何關系

圖1中，h為被測天線或輔助天線的中心高度；D為被測天線最大截面尺寸；R為輔助天線和被測天線之間的水平距離。

2 測試系統組成

機載天線外場測量系統由射頻網絡系統、天線定位系統和軟件控制系統3個基本系統組成，系統組成框圖如圖2所示。在主控系統控制下，射頻網絡系統、數據采集記錄系統和天線掃描對準系統協調工作，共同完成機載天線外場測量任務。

圖2 機載天線方向圖測量系統組成示意圖

射頻網絡系統用于產生標準機載射頻信號，采用半實物模擬的方式，利用SystemVue仿真軟件，產生典型機載射頻傳感器所需的復雜波形數據，將波形數據下載到M8190A任意波形產生器，經E8267D矢量信號發生器上變頻至載波頻率，然后對數據波形進行播放產生射頻信號。產生的標準射頻信號利用矢量信號分析儀N9010A和示波器DSOZ504A對信號IQ調制器輸出信號平坦度和非線性相位失真進行校準。機載射頻信號生成半實物仿真系統方案示意圖如圖3所示。

圖3 機載射頻信號生成半實物仿真系統方案示意圖

方向圖測試過程中，輔助天線的最大輻射方向應對準被測天線。天線定位系統是天線測試系統的主要硬件裝置；輔助天線安裝在掃描架的滑軌上，由主控系統控制輔助天線在掃描架滑軌上移動，采用全站儀測試輔助天線與被測天線之間的坐標位置，完成輔助天線與被測天線之間相對位置關系的測量。

天線測試系統軟件作為整個測試系統所有任務功能的最終體現，是整個測試系統的控制中心和數據采集處理中心，系統軟件交互界面如圖4所示。控制中心通過主控計算機LAN接口控制射頻儀器輸出信號類型、頻率和幅度，控制輔助天線在掃描架上的運動參數(運動高度、運動速度和極化方式)，實現射頻儀器和輔助天線運動的協調工作。數據采集處理中心完成數據的同步采集記錄、處理和數據管理顯示功能。

圖4 軟件交互界面

3 外場測試流程

外場法測試原理如圖5所示。機載被測天線保持位置固定，輔助天線在地面隨牽引車以被測天線參考點為圓心做圓周運動；采用全站儀動態跟蹤被測天線與輔助天線之間的距離和角度提供姿態信息，并確保被測天線與輔助天線之間的距離相同。通過這種方式來掌握被測天線與輔助天線之間的相對距離和角度之間的變化情況，記錄不同角度下待測天線接收到的相對場強大小，即可得到該截面內的天線方向圖。

圖5 裝機天線測試示意圖

3.1 測試站點的可測試角度確定

外場天線測試過程中，方位向通過天線車的移動來完成不同方位向方向圖的測試，俯仰向通過輔助天線在掃描架上移動來完成不同俯仰向的方向圖測試。在選取好初始測試站點之后，后續測試站點都是通過天線車等角度間隔運動來完成的，針對每一個測試站點，利用全站儀檢測跟蹤輔助天線與被試天線之間所處位置關系，主控軟件可以根據全站儀跟蹤得到的位置信息計算出被測天線和輔助天線之間的角度和距離信息。

如果測試角度范圍從為θ1～θ2，測試方向圖的角度分辨率為Δ，則測天線方向圖所需要的角度總數n為

n=(θ2-θ1)/Δ

(2)

其中,待測試角度集合表示為

{θ1,θ1+Δ,θ1+2Δ,…,θ1+(n-1)Δ,θ2}

由于對每一個測試站點的可測試角度進行測試得到的只是天線方向圖中的一部分，因此在最終測試完一個站點后，需要將在這個站點下測試的方向圖數據進行拼合，整個測試過程中，分別在方位上和俯仰上通過全站儀的配合不斷調整測試站點位置完成掃描測試，最終得到完整的天線方向圖。

3.2 方位向天線方向圖測試

方位向測試依次分別在P1，P2，…，Pi，Pn點控制測試平臺按照設定頻點輸出射頻信號，機載射頻接收機采集記錄對應頻點的信號，分別完成不同方位角上方向圖測試，方位測試示意圖如圖6所示。

圖6 裝機天線方位測試示意圖

3.3 俯仰向天線方向圖測試

俯仰向在P1，P2，…，Pi，Pn點再分別標定出H、H1和H2高度，控制測試平臺按照設定頻點輸出射頻信號，機載射頻接收機采集記錄對應頻點的信號，分別完成不同俯仰角上方向圖測試。H、H1和H2位置如圖7所示。

圖7 裝機天線俯仰測試示意圖

機載天線方向圖測試就是獲得天線口面輻射場的準確S1(θ1)，S2(θ2)，…，Sn(θn)數據；通過這些數據，可得到描述天線方向圖，從方向圖中可得到主瓣寬度、半功率角、副瓣寬度、副瓣電平等參數，以便于分析天線性能。

4 測試過程中關鍵技術

4.1 高精度角度對準方法

外場天線測試首先解決被測天線與輔助天線之間的對準問題，對于電軸和光軸一致的天線，相位中心和天線物理中心近似重合，只需要保證被測天線與輔助天線的物理對準即可。天線對準可通過全站儀使輔助天線口面的法線方向指向被測天線的幾何中心，該位置可作為測試天線的零位方向，對準后效果如圖8所示。需要說明的是，零點定位的準確性與方向圖測試的精度有直接聯系。

圖8 天線對準示意圖

測試過程中，在每一個方位測試點，根據輔助天線可測的角度信息，計算天線在不同測試角度相對零位的高度和俯仰角，其中高度和俯仰角一一對應，將計算結果保存到Excel工作簿文件，然后調用串口控制命令，控制輔助天線按照Excel工作簿中的位置步進掃描，完成一個方位角下的不同俯仰角測試，天線車移動到下一個方位測試點，重復上述測試過程，并保存相應的測試數據，直至完成所有的測試站點的測試工作，從而實現天線方向圖的高精度自動化測試。

4.2 測試環境干擾消除

在外場進行測量時，不可避免地會受到場地環境對測試精度的影響。當測試場為開闊環境時，機載天線方向圖測量環境干擾影響主要是由地面帶來的，特別是被測天線在俯仰面方向圖上受地面的影響最大，如圖7所示。所以在測量時，為了消除地面干擾，首先采用時域測量技術獲得測量場地在時域反射特性，找到地面反射最強的對應位置，然后可以采用鋪設吸波材料和時域門等手段降低來自地面反射波的影響。

如圖7中所示，主瓣達地點到標準天線口面的距離為γ=H·cos(ψ/2)，ψ為標準天線波束寬度。根據入射、反射的關系，判斷反射波能否直達機載天線端口。在波束主瓣達地點強反射區域布設吸波材料，同時，也在其他次強反射區域布施吸波材料。

4.3 距離補償方法

天線測試過程中，理論上測試車應沿圓周運動，測試設備與被測天線間距離理論上保持不變。而實際測試過程中，測試車在行進過程中，測試距離因圓周定位誤差呈動態變化，輔助天線姿態因路面平整度和天線上下掃描出現變化，因此，需要對測試距離和天線姿態進行修正。

測試過程中，假設天線對正位置距離為R0，接收信號幅度為Pr0(dB)；更換測試點位置后，距離為R1，接收信號幅度為Pr1(dB)。在不同的位置上，距離歸一化補償即為補償Rr0與Rr1間的差值為

(3)

在天線外場測試數據處理中，按照式(3)進行距離歸一化補償。根據輔助天線的方向圖和姿態信息，對測量結果進行進一步修正。

5 試驗結果與分析

在某外場試驗場，對某型機載天線方向圖進行測試，輔助天線與被測天線距離13.5 m，信號源工作頻點為10 GHz，幅度為0 dBm，機載天線方位向方向圖測試結果如圖9所示，俯仰-30°～15°范圍內方向圖測試結果如圖10所示。

圖9 機載天線方位向方向圖測試結果

圖10 機載天線俯仰向方向圖測試結果

從圖9中可以看出，機載天線方位向方向圖測試結果與暗室天線方向圖對比，雖然測試結果與理想狀態有偏差，但經過校正補償后的天線方向圖得到了明顯的改善。從圖10中可以看出，機載天線俯仰向15°以上受飛機機翼遮擋，使天線方向圖發生畸變，實際使用過程中，需要考慮到機翼對天線的遮擋效應，同時，機載天線在安裝前可以通過合理的布局，來規避機體環境對天線輻射特性的影響，發揮天線的最大效能，達到天線最初的設計要求。

6 結束語

設計并實現了機載天線方向圖外場校準系統，解決了天線方向圖測試受外場環境影響，以及天線不易轉動或移動限制的問題，在真實的使用環境下對裝機天線狀態進行測試，實現測評數據基準溯源。該方法可應用于機載平臺上天線總體設計和天線集成驗證，也可用于裝機天線性能外場快速測試和檢測，為裝備外場排故、維護保障提供支撐。