饋源喇叭相位中心測量及誤差分析

張志華,陳 輝,秦順友,宋迎東

(中國電子科技集團公司第五十四研究所,河北石家莊050081)

0 引言

天線相位中心定義為天線輻射電磁波的輻射源中心(即等效源點),或描述為天線遠區輻射場的等相位面與通過天線的平面相交曲線的曲率中心。相位中心不僅是天線的重要電參數之一,而且其應用亦很廣泛。例如在導航定位系統中,觀測值都是以接收機天線相位中心位置為準的,相位中心的測定誤差直接影響系統測距精度;又如在反射面天線系統中,要精確測量饋源喇叭相位中心的位置,保證天線饋源相位中心安裝在反射面天線的焦點上,避免散焦引起的增益損失。因此可見,研究天線相位中心的確定方法,不僅具有重要的學術價值,而且具有重要的工程應用價值。

1 饋源喇叭相位中心測量方法

1.1 相位方向圖的測量原理

天線相位中心定義為天線輻射電磁波等效的輻射中心,通過測量天線相位方向圖就可以確定天線相位中心的位置,矢量網絡分析儀測量相位方向圖的原理方框圖如圖1所示。

圖1 饋源喇叭相位方向圖測

天線相位方向圖測量就是測量待測喇叭遠場區球面上的相位。相位是一個相對量,不論在什么情況下,都是將待測信號與基準信號比較得相對相位值。圖1所示,為方便調試應將待測喇叭安裝在具有垂直水平可調的天線測試轉臺裝置上,使天線幾何中心與轉臺旋轉中心最大限度地重合,并且使發射天線與待測喇叭等高,軸向對準,測試距離滿足遠場測試距離條件,即 R≥2D2/λ(D為待測喇叭口徑,λ為工作波長)。相位方向圖測量的原理方法是：按照圖1所示,建立測試系統,首先將待測喇叭和發射天線對準,調整矢量網絡分析儀為相位測試模式,對系統進行直通定標;然后在天線主波束范圍內轉動待測喇叭,矢量網絡分析儀實時測量天線的相位方向圖。

1.2 相位中心的確定方法

利用實測的天線相位方向圖,如何確定相位中心的位置呢?如果在測量角度范圍內,測量的相位方向圖近似為一條直線,即測量角度范圍內,測量的相位相等,那么在旋轉過程中天線相位中心的位置是恒定不變的,即在主波束內相位是一常數,此時天線相位中心與轉臺旋轉中心完全重合。測量出待測喇叭口面至轉臺旋轉中心的距離,就可確定待測喇叭相位中心的位置。如果在天線主波束范圍內,測量的相位方向圖特性不是等相位,則存在8種偏離相位中心的情況,如圖2所示。

圖2 相位中心坐標

在圖2中,O點表示天線相位中心與轉臺中心重合,y軸為待測喇叭與發射天線軸線方向,稱為縱向方向;x軸為垂直于待測喇叭與發射天線的軸線,稱為橫向方向。2點和3點表示相位中心位于y軸上,4點和5點表示待測喇叭相位中心位于x軸上,6點和8點表天線相位中心在第1和第2象限,7點和9點表示天線相位中心在第3和第4象限。如果測量的相位方向圖如圖3所示,說明饋源喇叭相位中心與轉臺旋轉中心存在縱向偏移,即在y軸上存在偏移。圖3中的曲線2是從待測喇叭向發射天線方向看去,天線相位中心超前于轉臺的旋轉中心所繪出的理想曲線,當出現這種情況時,為正確快速地找到相位中心,只需將待測喇叭往后移少許的距離,然后用矢量網絡分析儀測試移動后的相位方向圖,如若所測相位方向圖看上去趨于一條直線,則說明天線相位中心與轉臺旋轉中心已經重合;若所測相位方向圖仍與圖3中曲線2的形狀相似,則說明需繼續向后移一定的距離,直到所測相位方向圖趨于一條直線為止。如若進一步移動后,所測相位方向圖與圖3中曲線3相似,則說明移動的距離太多了,天線相位中心已滯后與轉臺的旋轉中心了,這時需進一步地向前微調待測喇叭,直到所測相位方向圖整體趨于一條直線。也就是找到了待測饋源喇叭的相位中心位置。其余幾種偏離情況的調整方法同上,圖4是饋源喇叭相位中心與轉臺旋轉中心存在橫向偏移的情況;圖5是饋源相位中心位于圖2中第1、第2象限的情況;如圖6所示,饋源相位中心位于圖2中第3、第4象限的情況。據圖判斷出饋源天線偏離轉臺旋轉中心的那一方后,只需反復地朝著反方向調整,直到測量的相位方向圖為等相位線,此時相位中心與轉臺中心重合。

圖3 饋源喇叭相位中心縱向偏離轉臺中心

圖4 饋源喇叭相位中心橫向偏離轉臺中心

圖5 饋源喇叭相位中心位于第1、2象限

圖6 饋源喇叭相位中心位于第3、4象限

由以上分析可知：通過測試的方法確定天線相位中心是一項復雜的工作,且工作量很大。下面簡述用實測相位方向圖快速確定相位中心的簡單方法。

1.3 由實測相位方向圖確定相位中心

如圖7所示,是天線相位中心偏離轉臺旋轉中心的一個通用解析圖,在 ΔAOO′中,利用余弦定理可得：

在ΔAOC中,利用余弦定理可得：

在ΔAOB中,利用余弦定理可得：

圖7 天線相位中心的確定

式中 ：r1=r+λ ψ1/2π,r2=r+λ ψ2/2π;

R—發射天線到轉臺旋轉中心的距離;

θ—相位中心偏移a與軸線R的夾角;

r—發射天線到相位中心的距離;

a—相位中心與轉臺旋轉中心的距離;

θ0—待測饋源喇叭的轉動角度;

ψ1、ψ2—相位差 ;

λ—工作波長。

聯立方程組式(1)、式(2)、式(3)在MATLAB中可以求解出r、a和θ。由此可確定天線相位中心在坐標系中的調整量,依此移動饋源,從而實現快速調整天線相位中心與轉臺旋轉中心重合。

2 工程測量實例

以2個相同的C波段饋源喇叭作為測試設備,按照圖1所示的測試原理圖架設天線。圖8(a)所示,給出了測試頻率為4 GHz,轉動范圍±20°的相位方向圖。由測量的相位方向圖,利用式(1)、式(2)和式(3),在MATLAB中計算出待測喇叭移動位移量為x=0 mm;y=116.37 mm;然后直接將待測喇叭調整到此位置,測量待測喇叭相位方向圖如圖8(b)所示,顯然,在測試誤差允許的范圍內,相位曲線是等相位線,轉臺旋轉中心即為待測喇叭的相位中心。實踐證明：利用實測的相位方向圖計算的調整量是很精確的,由此可以快速地測定饋源的相位中心。

圖8 工程測量實例

3 測試誤差分析

天線的相位中心是通過測量天線相位方向圖而確定的,天線相位測量誤差將引起天線相位中心的測量誤差。引起相位測量的主要誤差源有：矢量網絡分析儀引起的相位測量誤差;系統失配引起的相位測量誤差;信號源不穩定引起的相位測量誤差;電纜擺動引起的相位測量誤差;有限測量距離引起的相位測量誤差等。假設這些誤差是相互獨立的,則相位測量的均方根誤差估算如表1所示。

表1 相位測量的均方根誤差

則相位測量誤差引起的相位中心測量的誤差Δl為：

當測試頻率為4 GHz,相位測量誤差引起的相位中心測量誤差為±1.69 mm。

4 結束語

在高精度測量中,天線相位中心的確定是非常重要的。該文簡述了利用矢量網絡分析儀可測量饋源喇叭相位方向圖的方法,提出了利用實測的相位方向圖,快速計算出待測喇叭位置的調整量,從而快速確定相位中心的位置方法。實踐證明：該方法是切實可行的,在工程測試中值得推廣和應用。

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