相控陣天線測試系統(tǒng)實時校準方法構(gòu)架和分析

方志鵬

摘要：文章以相控陣天線測試系統(tǒng)為研究主題，探討了與其相關(guān)的實時校準方法構(gòu)架和分析問題，首先結(jié)合當今雷達發(fā)展的情況對其進行了概述，主要介紹了相控陣天線測試技術(shù)方面的原理、系統(tǒng)構(gòu)架、多探頭測試技術(shù)、OSM校準方法與測試驗證；其次闡述了OSM實時校準方法的應(yīng)用。

關(guān)鍵詞：相控陣天線測試系統(tǒng)；實時校準方法；雷達；多探頭測試技術(shù)；OSM校準方法 文獻標識碼：A

中圖分類號：TN965 文章編號：1009-2374（2016）25-0079-03 DOI：10.13535/j.cnki.11-4406/n.2016.25.038

在現(xiàn)代雷達發(fā)展方面，主要以相控陣雷達作為主流，這是由它獨特的優(yōu)勢所決定，比如對于高速運動目標的觀測、將多種雷達功能加以實現(xiàn)或者對多個目標進行跟蹤以及在雷達作用距離方面加以推遠等。所謂的相控陣雷達主要還是以多功能電掃描雷達為主，屬于新體制型的雷達掃描技術(shù)。從目前來看，它的技術(shù)含量依然非常高，而且在資金投入方面占比相當大，而其中比較重要的就是相控陣天線分系統(tǒng)，它是決定該雷達進行系統(tǒng)實施的主要推動因素與實施方案的基礎(chǔ)。

1 相控陣天線測試系統(tǒng)

1.1 相控陣天線測試技術(shù)

相控陣天線測試包括天線輻射特性、電路特性兩個方面的測試，從測試項目看，主要是方向圖、增益。具體是對方向特性的符合性進行檢測，目的在于通過校標使其光軸、電軸、機械軸達到重合。由于天線輻射場區(qū)可以劃分為電抗近場、輻射近場、輻射遠場，所以有對應(yīng)于這三個區(qū)域的測量技術(shù)，比如在近場測量法方面就包括平面近場掃描、柱面近場掃描、球面近場掃描，而在遠場測量方面則主要集中于高架場法、斜矩場法、反射場法等。

1.2 系統(tǒng)測試原理、系統(tǒng)框架

1.2.1 由于相控陣天線輻射場分布輻射近場區(qū)時具有規(guī)律性，具體就是伴隨距離R不斷增加，而造成天線軸向功率密度以1/R2的比例下降，因此就得到了工作頻率較低的小口徑天線測試遠場距離10λ，而工作頻率較大的口徑天線則可以表示為R/（2D2/λ）>0.5；根據(jù)這一下降規(guī)律，還可以得到近似于滿足遠場的條件，R/（2D2/λ）>0.5>1。

1.2.2 中場的測試方面，則是在中場距離范圍內(nèi)利用測試探頭，然后進行相應(yīng)的陣列面單元通道依次選通，以高速、高效的形式完成全陣面測試。因此按照相關(guān)的測試要求與系統(tǒng)功能的設(shè)計標準，該測試系統(tǒng)就需要按照矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀、控制計算機、測試探頭組件、波控分棉、測試附件等共同構(gòu)成。具體的系統(tǒng)構(gòu)架圖如圖1所示：

1.3 多探頭測試技術(shù)分析

多探頭測試技術(shù)主要由四部分構(gòu)成，具體是控制計算機、矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀、相控陣天線、測試探頭陣列、測試探頭通道。具體是通過GPIB控制將計算機與矢量儀連接，然后再分接到測試探頭通道與相控陣天線，而計算機又通過對開關(guān)矩陣與實時校準件的控制來達到測試目的。與單探頭測試相比，這種技術(shù)可以均勻地分出子陣，所以可以提高陣列面測試速度與效率。從測試探頭陣列設(shè)計來看，利用喇叭天線，在結(jié)構(gòu)、饋電、頻帶、功率容量、增益方面都獲得了較好的優(yōu)勢，口徑小，波束寬，可以滿足設(shè)計要求。本次研究中以E面喇叭天線作為測試探頭，但是由于耦合會對測試探頭產(chǎn)生一定的影響，因此還需要通過雙扼流環(huán)喇叭探頭進行仿真優(yōu)化，以減少影響。

1.4 實時校準補償技術(shù)

對多探頭測試技術(shù)的分析可以看出，雖然能夠提升測試系統(tǒng)的速度、效率，但是存在探頭通道之間幅度、相位不一致的問題，也就是說會影響到后續(xù)的測量，造成極大誤差，所以需要對幅度相位進行校準與補償。具體來看，就是當測試探頭通道末端與探頭連接后，分析儀對雙端口直通S21幅度、相位測試很難完成，所以得不到通道幅度與相位的實時信息。為了解決這個問題，本次研究中，采用二端口實時校準件加以解決；從功能看，可以實現(xiàn)端口切換，然后通過計算機、分別切換開路、短路、匹配端，因此也稱之為OSM校準法。

2 OSM校準方法

第一，從微波網(wǎng)絡(luò)的散射特性方面分析，微波系統(tǒng)、微波電路抽象化物理模型，就是微波網(wǎng)絡(luò)，主要由微波元件、均勻傳輸線共同組成一個較為封閉的媒質(zhì)空間；以麥克斯韋方程組對內(nèi)部與邊界面進行場量約束；訂發(fā)是對網(wǎng)絡(luò)外部特性加以研究；通常以網(wǎng)絡(luò)參量進行這種特性的表示或描述；若2個端口信號設(shè)為（a1，b1）、（a2，b2），則可以用歸一化入射波、歸一化反射波來加以定義，并要據(jù)微波網(wǎng)絡(luò)理論得到；

。若=0，就可以進一步得到

若，則

因此，就有：

再根據(jù)微波網(wǎng)絡(luò)互易定理就可以得到微波網(wǎng)絡(luò)的散射矩陣S為對稱矩陣。

第二，從微波網(wǎng)絡(luò)的級聯(lián)方面看，微波網(wǎng)絡(luò)的級聯(lián)散射矩陣、微波網(wǎng)絡(luò)與理想網(wǎng)絡(luò)級聯(lián)的散射矩陣要求實時校準件能夠通過其校準方法而得到與理想的O、S、M，從而得到測試通道的實時S21幅度、相位信息。

3 OSM校準方法的仿真與測試驗證

3.1 OSM校準方法的仿真驗證

3.1.1 在相控天線測試系統(tǒng)測試探頭通道方面，主要選擇單刀4擲微波開關(guān)通過穩(wěn)相電纜級聯(lián)而成，開關(guān)網(wǎng)絡(luò)以2級開關(guān)級聯(lián)1分16通道為主。可以獲得各通道的實時傳輸，并命名其中的幅度相位一致性得到消除。

3.1.2 微波開關(guān)實時校準應(yīng)用仿真主要是以簡單結(jié)構(gòu)的單刀雙擲開關(guān)SPDT的ADS仿真電路圖完成通路導(dǎo)通，并利用OSM校準方法，對通路傳輸損耗S21信息加以獲取，然后進行仿真幅度、相關(guān)差值結(jié)果的進行比較。通常可以得到二者的差值數(shù)量級在10-5，因此仿真值基本吻合。

3.2 OSM校準方法的實驗驗證

3.2.1 設(shè)計實時校準應(yīng)用程序，在計算機系統(tǒng)界面，做好手動輸入起始頻率、終止頻率，可選擇的初始值為15.5GHz、16.5GHz。

3.2.2 需要進行電纜校準方法應(yīng)用分析，穩(wěn)相電纜以微波領(lǐng)域電纜為主，這樣可以使相位、損耗、傳輸效率得到有效保障。

3.2.3 在第一次測試時，需要將電纜——矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀端口1進行連接，而另一端則與O、S、M端分別連接，操作主要是讀取三種終端狀態(tài)下的電纜輸入端的S11、S21幅度、相位單端口OSM測量值，最后利用分析儀得到S21雙端口直通測量值，再比較兩組測量值幅度、相位之后，就可以獲得差值的相關(guān)信息。

4 OSM實時校準方法的應(yīng)用

在OSM實時校準方法的應(yīng)用方面，需要做好應(yīng)用仿真、應(yīng)用測試與應(yīng)用程序的設(shè)計及測試，然后通過具體的測試實現(xiàn)實時校準，并提高相控陣天線測試系統(tǒng)的精準性。以下就從這三個方面展開具體的應(yīng)用說明：

4.1 實時校準方法應(yīng)用仿真

該測試系統(tǒng)探頭通道由2級單刀4擲開關(guān)級聯(lián)而成，所以是1分16開關(guān)網(wǎng)絡(luò)，可以建立起ADS仿真模型，然后以TTL電壓控制通路12導(dǎo)通，并截止其余通道；需要在任一通道末端連接二端口實時校準件，然后實現(xiàn)OSM校準方法所獲的通路12傳輸特性，如S21單端口OSM仿

真值。

4.2 實時校準方法應(yīng)用測試

測試實驗需要改變穩(wěn)壓電源連接，從而實現(xiàn)OSM的實時校準或切換；當?shù)玫酵稴21的單端口OSM測量值時，通過矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀2個端口進行分別連接，使通道兩端連通，就可以對其雙端口直通進行測量并得到兩組不同的測量值。根據(jù)測試結(jié)果可以看出，OSM實時校準法所得的單端口OSM測量值與矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀直接測試的雙端口直通測量值之間的幅度差值在頻率范圍15.5～16.5GHz及-0.3～0.1dB范圍內(nèi)，相位差值在14～15之間。然后按照溫漂、波動、誤差性影響等因素的存在，開展第二次測量，根據(jù)測試結(jié)果可知，第二次測試實時校準法所得的單端口OSM測量值與雙端口直通測量值之間的幅度差值在頻率范圍15.5～16.5GHz及

-0.3～0dB范圍內(nèi)，相位差值在13.5～15之間。對兩次測試結(jié)果進行比較發(fā)現(xiàn)，差值補償可以提高測試系統(tǒng)中測量值、實際值之間的不接近，從而對其加以補充。

4.3 實時校準方法應(yīng)用流程

具體的校準流程為：校準開始→控制計算機控制該通道導(dǎo)通（需切換至下一通道）→控制通道實時校準件進行O、S、M依次切換→以實時校準法獲通道S21單端口OSM測量值→將測試始得差值補償給單端口OSM測量值→得到通道實時S21信息→是否是最后一個通道（與控制計算機相連）→補償各通道幅度相位→校準結(jié)束。

5 結(jié)語

總之，在新的時代就要堅持與時俱進、因時制宜、因技制宜，尤其要以可持續(xù)發(fā)展的理念作為指導(dǎo)原則。通過上文分析可以看出，相控陣雷達主要還是以多功能電掃描雷達為主，屬于新體制型的雷達掃描技術(shù)，在提高相控陣列天線測試系統(tǒng)方面，主要集中于速度與效率，而真正能夠滿足這一要求的技術(shù)就是對于多探頭測試技術(shù)的良好應(yīng)用。另外，由于這種探頭測試組件幅度相位往往會因其本身的不一致性而對該技術(shù)的應(yīng)用產(chǎn)生某些影響，所以還需要通過一系列的探頭通道測試，以及對其進行實時校準方法的研究。這種研究所獲得的結(jié)果或者解決辦法就是通過OSM實時校準來達到對系統(tǒng)測試通道的幅度相位信息的測試、校準與補償，從而解決了這種不一致性帶來的相關(guān)問題。

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（責(zé)任編輯：王 波）