一種基于大動態微波功率測量的雷達天線方向圖測試方法

樊中華 高 彬 孟祥成 路 暉

(中國人民解放軍72465部隊 濟南 250022)

0 引言

雷達天線性能、質量的優劣和好壞通常用雷達天線方向圖來描述。雷達天線方向圖用來表示雷達天線在不同方向上的空間輻射特性。也可以這樣說，雷達天線的方向性是指天線朝空間指定方向集中輻射電磁波的能力，方向圖則是雷達天線方向性的直觀表示法，可以在離開天線一定距離處，測試不同方向上的輻射場強或功率密度來繪制，通常采用最大輻射方向上兩個互相垂直的平面方向圖，即垂直平面方向圖和水平面方向圖來表示，如圖1所示。依據雷達天線互易性原理，天線發射方向圖與接收方向圖一致，一般情況下測試雷達天線的接收方向圖。本文介紹一種雷達天線方向圖測試方法，與傳統測試方法相比，解決了傳統的雷達天線方向圖測試方法設備多、步驟繁、測量誤差大、動態范圍小等不足，適用于具有良好電子對抗要求的新型低副瓣或極低副瓣雷達天線的方向圖測試。

1 傳統雷達天線方向圖測試方法

傳統的雷達天線方向圖測試方法有以下幾種［1］:

圖1 雷達天線方向圖

第一種是直接讀數法。由工作于雷達微波頻段的小功率微波信號源向被測雷達天線輻射小功率微波信號，雷達接收極其微弱的微波信號后，經過微波二極管的檢波、低頻或直流電壓信號放大、模擬電表指示，在轉動被測天線時，在不同方向接收信號，直接讀取測量放大器所指示的讀數。該讀數的大小表示天線在不同方向上接收到的信號大小，由此人工繪出雷達天線的場強方向圖。由于檢波晶體的非線性，這種直讀式測量法測試動態范圍窄，只適用于主副瓣比在10dB～20dB的雷達天線方向圖的測試，對于具有良好電子對抗要求的新型低副瓣或極低副瓣雷達天線的方向圖，如主副瓣比在30dB～50dB的雷達天線，則無法測試或誤差很大。

第二種是衰減量讀數法。雷達接收極其微弱的微波信號后，經過微波功率衰減、微波二極管的檢波、低頻或直流電壓信號放大、模擬電表指示。轉動被測天線，在不同方向接收信號，通過改變被測雷達天線輸出端精密衰減器的衰減量，使測量放大器所指示的信號值始終保持不變。最后讀出衰減器的衰減值，由人工繪出雷達天線的方向圖。通常微波測量中，衰減器的衰減量是以相對功率的分貝值刻度的，所以按天線的轉角和對應的衰減量繪出的方向圖為相對功率密度方向圖。

在測試過程中，為了達到測試精度，在試驗準備過程中，首先通過觀察雷達接收到的信號，調整信號源輻射天線和雷達接收天線方向，使其保持一致。在調整過程中，由于接收到的信號比較微弱，雷達天線經常接收不到信號，使測試過程無法進行下去。

傳統方法存在的主要問題:一是受到小功率信號傳輸、衰減、整形、變換、指示等諸多環節影響，動態范圍小、精度相對較差。二是測試操作復雜、繁瑣，測試時間長，在野戰條件下檢查和測試雷達天線方向圖十分困難。

當前，生產廠家測試雷達天線方向圖主要采用頻譜儀法［2］。由通用微波信號源通過饋源喇叭向雷達天線定向輻射，利用頻譜儀作為雷達天線后面的信號接收設備，在不同天線方向上錄取微波信號，繪出雷達天線方向圖。這種方法利用的是通用儀器，比較適合生產廠家在裝備生產時使用，但由于設備非常昂貴，也不便攜，不適合在野戰條件下使用。

另外，雷達天線方向圖測試還有多通道接收機測試方法，但往往設備復雜，不便于在部隊野外條件下使用。

2 基于大動態微波功率測量的雷達天線方向圖測試方法

2.1 測試原理

基于大動態微波功率測量的雷達天線方向圖測試，采用高穩定度大功率微波信號源作為基準信號，向被測雷達天線定向輻射，雷達接收到的信號強，最大值可達到數毫瓦至數十毫瓦。信號不用經過放大、檢波等電路，減少信號的失真，提高了測試精度。因為微波小功率計測試動態范圍大，最低可測量出微瓦級的功率信號，所以能夠直接檢測到雷達天線各個方位接收到的信號，適用于新型雷達低副瓣或極低副瓣天線方向圖的測試。測量原理框圖如圖2所示。

圖2 測試原理框圖

大功率微波信號源通過輔助喇叭天線向被測雷達天線輻射大功率微波信號，大功率微波信號源輻射喇叭天線輻射最大方向對準被測雷達天線，兩個天線的極化方向一致，大功率微波信號源的微波頻率與雷達工作頻率一致。

旋轉雷達天線，測量旋轉角度，作為雷達天線方向圖的橫坐標;采用微波小功率計測量雷達天線接收功率，作為雷達天線方向圖的縱坐標。

根據雷達天線旋轉角度和雷達天線接收功率繪制雷達天線方向圖。

2.2 測試步驟［3］

步驟一:試驗準備，大功率微波信號源通過輔助喇叭天線向被測雷達天線輻射大功率微波信號。

a.架設被測雷達。被測雷達應架設在地勢平坦，比較開闊的場地上，周邊不應有大的障礙物和反射體。雷達處于接收工作狀態。

b.連接發射設備。發射設備包括大功率微波信號源、輻射喇叭天線，并通過微波低耗電纜將它們連接起來。大功率微波信號源通過輔助喇叭天線向被測雷達天線輻射微波信號，適當加大信號源輸出功率，以保證被測雷達天線接收端有足夠功率強度的信號，從而雷達天線方向圖主瓣、副瓣電平能有足夠的顯示幅度。大功率微波信號源功率和頻率都應該連續可調，以滿足不同種類雷達天線方向圖測試的需要。

調整大功率信號源的微波頻率，使其與雷達工作頻率一致。

為達到較高的測試精準度，設備特別是大功率信號源要預熱30min左右，以保證輸出微波信號的功率和頻率非常穩定。

c.確定測試距離。根據微波小功率計檢測到被測雷達接收天線所接收微波功率的大小，調整大功率微波信號源、輻射喇叭天線和被測雷達之間的距離，滿足雷達天線遠場測試條件。如希望微波小功率計檢測到的信號更強，則可適當減少輻射喇叭天線和被測雷達天線之間的距離或者提高微波信號源的功率;如希望微波小功率計檢測到的信號稍弱，則可增加輻射喇叭天線和被測雷達天線之間的距離或者調低大功率微波信號源的功率。

輻射喇叭天線應距離地面5m以上，以最大限度地減小地面反射造成的影響。

d.連接接收設備。接收設備包括主控計算機、微波小功率計、微波小功率計探頭、高精度軸角轉換板卡等。微波小功率計探頭與微微波小功率計連接后，再接到雷達天線方位饋線或高低饋線輸出端。軸角轉換板卡插入主控計算機PCI總線插槽，旋轉變壓器的6路信號連接到軸角轉換板卡的輸入端。

e.雷達天線對準。大功率微波信號源輻射喇叭天線輻射最大方向必須對準被測雷達天線，輻射喇叭天線的極化方向必須和被測雷達天線一致。首先通過雷達天線上的瞄準鏡，目測調整雷達天線和輻射喇叭天線對準，然后觀察微波小功率計信號指示，微調被測雷達天線，使信號指示最大。保證了輻射喇叭天線輻射最大方向對準被測雷達天線。由于信號源功率比較大，保證了微波小功率計實時檢測到信號，操作簡單、方便，保證了調試準備工作的順利進行。

f.調整大功率微波信號源輸出功率。當雷達天線和輻射喇叭天線對準后，調整大功率微波信號源輸出功率，保證能夠檢測出雷達天線方向圖的第一個副瓣功率。

步驟二:測量被測雷達旋轉角度和接受微波信號功率，獲取方向圖橫坐標和縱坐標。

手動勻速緩慢旋轉被測雷達天線，安裝在雷達天線上的旋轉變壓器與雷達天線同軸旋轉，高精度軸角轉換板卡采集旋轉變壓器輸出信號，即可獲得雷達天線的旋轉角度，作為方向圖的橫坐標;同時利用微波小功率計測量雷達天線接收功率，作為雷達天線方向圖的縱坐標。

軸角轉換卡為采用PCI板卡結構的19位軸角轉換模塊，其主要特點如下［4］:

a.同時采集和處理、轉換雷達的方位角(或高低角)正余弦變壓器的精測和粗測角度數據，可測試0°～360°(即 0 ～6000mil)內任意波瓣寬度的雷達方向圖。

b.轉換模塊采用PCI板卡結構，和計算機接口適應簡便，數據采集、處理、運算速度快，通用性強，且便于測試系統擴展。

c.運用19位數據采集方式，采集精度高，分辨率從工程運用方面說可達15s，換算成密位精度可達0.069mil，可滿足雷達窄波瓣寬度的測試要求。

小功率微波測量設備選用高靈敏度、高精度的微波小功率計。微波小功率計可達到信號功率采樣對于速度和動態范圍的要求，可對雷達天線接收到的微瓦級至毫瓦級的微波功率進行測量。

步驟三:根據雷達天線旋轉角度和雷達天線接收功率繪制雷達天線方向圖。

高精度軸角轉換板卡采集到的雷達天線的旋轉角度以及微波小功率測量到的雷達接收功率傳送給主控計算機，實現測試數據的自主采集、處理、計算、顯示、繪制、存儲、打印和查詢。

本方法在某型火控雷達上進行了實際測量，主要把握住幾個關鍵步驟。一是測試的基礎條件，場地滿足上述條件，測試天線與被測天線對準，信號源頻率與雷達頻率一致。二是功率測試附件正確連接。拆下通向天線座旋轉軸方向的饋電線連接波導，通過波導同軸轉換接微波功率計探頭，另一端接自動測試設備功率輸入插座。三是角度錄取附件的正確連接。專用適配電纜一端接入CZ17-2電纜插座，另一端為12芯電纜插頭，接入測試設備“激磁信號產生-角度數據采集轉換單元”面板上的12芯電纜插座。四是正確設置測試設備，包括微波信號源和錄取顯示終端設備。五是緩慢穩定操控手輪旋轉雷達天線，按要求操作主控計算機，自動繪出雷達天線方向圖。

3 結束語

本方法提高了雷達天線方向圖測試的動態范圍和測試精度，結構簡單，實現了測試的自動化，測量精度高，動態范圍大，適用于具有良好電子對抗要求的新型低副瓣或極低副瓣雷達天線的方向圖測試，完全滿足工程測試的需要。

［1］馬彥恒等.雷達性能測試技術［M］.北京:國防工業出版社.2007，10.

［2］鄧彬.雷達性能參數測量技術［M］.北京:國防工業出版社.2010，3.

［3］樊中華等.雷達天線方向圖檢測方法［P］.中華人民共和國國防專利，ZL201010047695.0，2012.6.

［4］樊中華.新型雷達天線性能測試儀關鍵技術研究［D］.石家莊:軍械工程學院，2004.