一種相控陣天線小面陣波束評(píng)估方法

王　海，韓國棟，張領(lǐng)飛，武　偉

(中國電子科技集團(tuán)公司第五十四研究所，河北 石家莊 050081)

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一種相控陣天線小面陣波束評(píng)估方法

王海，韓國棟，張領(lǐng)飛，武偉

(中國電子科技集團(tuán)公司第五十四研究所，河北 石家莊 050081)

摘要：大規(guī)模相控陣天線的綜合問題是相控陣天線領(lǐng)域的技術(shù)難點(diǎn)，引入了一種實(shí)物測(cè)試與理論推導(dǎo)相結(jié)合的評(píng)估方法，通過分析小型陣列的方向圖特性以評(píng)估大型陣列輻射性能。選取合適的小面陣規(guī)模，對(duì)陣中單元的方向圖指標(biāo)進(jìn)行分析，通過仿真和測(cè)試的方法得到小型陣列的方向圖特性，并借此通過理論推導(dǎo)的方法對(duì)大型陣列的輻射模式進(jìn)行分析，快速便捷地得出其輻射特性。提出了小面陣試驗(yàn)應(yīng)具備的硬件條件及測(cè)試方法，通過實(shí)物樣機(jī)進(jìn)行了測(cè)試驗(yàn)證。

關(guān)鍵詞：相控陣天線；方向圖；小面陣試驗(yàn)

0引言

在通信、雷達(dá)等系統(tǒng)，相控陣天線性能受天線單元性能的影響較大，單元的波束性能嚴(yán)重影響陣面的掃描特性。為評(píng)估陣面的波束性能，國內(nèi)外學(xué)者研究了多種方法[1]。一般分為以下幾種方式：① 全波仿真法[2]，這非常依賴于計(jì)算機(jī)的性能。② 實(shí)物測(cè)試，有利于對(duì)實(shí)際的陣面性能全面了解，但這成本太高，一旦設(shè)計(jì)出現(xiàn)偏差，將會(huì)帶來大的損失[3]。③ 小樣機(jī)測(cè)試法，將一定規(guī)模的小面陣和饋電網(wǎng)絡(luò)、有源器件加工測(cè)試，可大幅降低前面所述對(duì)大型陣面加工的難度，但仍會(huì)增加對(duì)有源器件和模塊的依賴，制作復(fù)雜，成本較高[4]。

為避免上述技術(shù)中的不足，本文提出一種只制作無源小面陣，即只有天線單元，不需要饋電網(wǎng)絡(luò)、有源射頻器件等設(shè)備，通過單元測(cè)試與理論推導(dǎo)相結(jié)合的方式即可快速準(zhǔn)確地得出大型陣列波束性能的方法[5]，該方法具有成本低，高效率，不受元器件限制等優(yōu)點(diǎn)，具有很高的工程應(yīng)用價(jià)值[6]。

1小面陣波束評(píng)估步驟

利用一種單元形式和單元排布、間距與大型陣面相同的小面陣，測(cè)試小面陣中每個(gè)單元的波瓣形狀，利用陣因子原理對(duì)測(cè)試所得的單元波瓣進(jìn)行合成，通過評(píng)估小面陣的波束性能推算大型陣面的波束性能[7-8]。該方法在顯著減少測(cè)試復(fù)雜度的同時(shí)，提高了相控陣天線整機(jī)驗(yàn)證的速度，在小樣本情況下可獲得很好的波束測(cè)評(píng)效果。

1.1硬件平臺(tái)建設(shè)

首先將小面陣設(shè)計(jì)好，并加工完成，在沒有整個(gè)陣面饋電網(wǎng)絡(luò)的情況，利用天線的遠(yuǎn)場(chǎng)測(cè)試條件，逐一測(cè)試陣面中每一個(gè)單元的波瓣圖[9]，測(cè)試框圖如圖1所示，其中，發(fā)射喇叭連接信號(hào)源的輸出端，作為信號(hào)激勵(lì)，待測(cè)天線架設(shè)在轉(zhuǎn)臺(tái)上，對(duì)信號(hào)進(jìn)行接收，并通過計(jì)算機(jī)控制轉(zhuǎn)臺(tái)轉(zhuǎn)動(dòng)，以測(cè)試方向圖，接收的信號(hào)連接至頻譜儀[10]，測(cè)試范圍可以按照設(shè)計(jì)的要求自由選定，可根據(jù)測(cè)試范圍，對(duì)單元的相位進(jìn)行補(bǔ)償[11]，如圖2 。

圖1　測(cè)試框圖

圖2　單元波瓣相位補(bǔ)償

在測(cè)試過程中，其余單元接負(fù)載，待測(cè)單元將接收的信號(hào)經(jīng)過放大器后收到矢網(wǎng)中，并通過計(jì)算機(jī)將測(cè)試結(jié)果保存下來，里面含有波瓣的角度、幅度和相位信息。

假定，第(n,m)個(gè)單元在測(cè)試角度(Φ1,Φ2)內(nèi)的電場(chǎng)信號(hào)為：

Enm=AnmejΦnm，

1.2波束評(píng)估方法

在采集天線單元波瓣特性的過程中，需要借助天線轉(zhuǎn)臺(tái)的幫助方可將大部分空間中的波瓣幅相特性采集到，由于每一個(gè)單元相對(duì)于轉(zhuǎn)臺(tái)轉(zhuǎn)軸軸線的相對(duì)位置不同，如圖2所示，因此在采集的相位特性的基礎(chǔ)上還需要彌補(bǔ)其帶來的相位差。在陣列中心的單元距離饋源的位置始終保持不變，為L(zhǎng)，而其余的單元?jiǎng)t會(huì)隨著轉(zhuǎn)臺(tái)的轉(zhuǎn)動(dòng)角度的變化，距離饋源的位置發(fā)生一定的偏移，這個(gè)偏移對(duì)于符合遠(yuǎn)場(chǎng)條件的幅度信息影響不大，但是對(duì)于單元的相位會(huì)產(chǎn)生較大的影響[12]。

分為2種情況討論，即根據(jù)在陣面轉(zhuǎn)動(dòng)到不同區(qū)域的相位關(guān)系不同，既定轉(zhuǎn)動(dòng)區(qū)域分為I區(qū)和II區(qū)。

在I區(qū)，假定觀察第(i,j)個(gè)單元，當(dāng)小面陣正對(duì)饋源時(shí)，其到饋源的距離為S，當(dāng)陣列轉(zhuǎn)到一定角度θ″時(shí)，其對(duì)應(yīng)的距離應(yīng)該為：

此時(shí)該單元與中心單元的相位差可以表示為：

在Ⅱ區(qū)，由于陣面轉(zhuǎn)動(dòng)角度的關(guān)系，單元對(duì)應(yīng)的距離為：

該單元與中心單元的相位差同樣可以表示為：

故相對(duì)于中心單元，第(n,m)個(gè)單元的電場(chǎng)表達(dá)式即為：

Enm=A00ej(Φ00-ΔΦnm)，

式中，A00為中心單元的幅度向量，Φ00為中心單元的相位向量。

通過以上方法對(duì)整個(gè)小面陣中所有的單元進(jìn)行方向圖測(cè)試，并按照上述進(jìn)行補(bǔ)償。此時(shí)小面陣的波束合成方向圖即可表示為：

如果要觀察小面陣波束合成以后的掃描性能，只要在上述表達(dá)式中加入一定的相位關(guān)系即可。

上述過程即得出了小面陣的波束性能，觀察該波束即可評(píng)估出最終陣面的波束性能，只要觀察波束掃描以后的性能下降情況，以及是否會(huì)出現(xiàn)掃描盲點(diǎn)等。

2試驗(yàn)驗(yàn)證

為了充分評(píng)估天線單元以及天線陣列的特性，考慮在無源饋電時(shí)，各個(gè)分系統(tǒng)的性能，對(duì)整體陣面進(jìn)行初步的性能評(píng)估，擬采用小面陣實(shí)驗(yàn)的方法進(jìn)行綜合驗(yàn)證。

2.1樣機(jī)加工

采用的陣面規(guī)模為4×16的一維相掃波導(dǎo)陣列，如圖3所示。該波導(dǎo)陣面為所要設(shè)計(jì)的相控陣陣面的1/6，原陣面總規(guī)模為12×32的單元排布。在該試驗(yàn)件中，天線單元每行按照傾斜排列，并帶有饋電網(wǎng)絡(luò)，接口關(guān)系均為非標(biāo)雙通道扁波導(dǎo)形式。

圖3　小面陣4×16試驗(yàn)件

2.2波束測(cè)試

按照上節(jié)的方法進(jìn)行單元波束性能測(cè)試，在測(cè)試中，首先選取待測(cè)陣中單元，將不測(cè)試單元的后端連接負(fù)載。測(cè)試環(huán)境為暗室，信號(hào)由發(fā)射喇叭發(fā)射待測(cè)極化的信號(hào)，并設(shè)置頻率，由待測(cè)單元接收信號(hào)，測(cè)試實(shí)物圖如圖 4所示。

圖 4　測(cè)試實(shí)物圖

2.3結(jié)果對(duì)比

由于天線轉(zhuǎn)臺(tái)為方位面轉(zhuǎn)動(dòng)，將天線陣面豎起，此時(shí)單元垂直極化的電場(chǎng)分量平行地面，而發(fā)射喇叭的擺放同樣滿足電場(chǎng)分量平行于地面，測(cè)試的是垂直極化的主極化分量。從測(cè)試結(jié)果看，天線單元的波瓣方向圖與仿真值吻合得較好，波束指向的偏移也在預(yù)期的范圍之內(nèi)，即小于10°，在不同頻點(diǎn)的波束圖如圖 5所示。

圖5　單元的方向圖

根據(jù)前面測(cè)試的單元方向圖，以陣中單元為單元因子，帶入到陣列的合成中，得出了陣面合成以后的方向圖。考慮到陣列合成后性能，現(xiàn)將天線單元的方向圖進(jìn)行提取，并將其帶入到陣面中，分析天線陣面的波束性能，整陣波束如圖6和圖7所示。

圖 6　陣列法向歸一化方向圖

圖7　陣列掃描后歸一化方向圖(掃描20°)

從測(cè)試結(jié)果與理論結(jié)合的仿真結(jié)果看，與仿真的結(jié)果吻合度較高，說明了研究方法的可信性，為后續(xù)類似的研究提供了有效的手段。

3結(jié)束語

為獲取大型相控陣天線的輻射特性通常需要在大型測(cè)試場(chǎng)，并輔以大量的設(shè)備以及電磁兼容性較好的外部條件，這對(duì)于成本開銷具有較高的要求。為了降低其測(cè)試成本，并獲得較高的數(shù)據(jù)參考性，本文提出了一種利用小面陣的天線特性獲得大型陣面輻射特性的方法，并就其中細(xì)節(jié)進(jìn)行了探討，最后給出了其所需的技術(shù)條件和要求，對(duì)于實(shí)際工程應(yīng)用具有較高的參考價(jià)值。

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An Evaluation Method of Small-scale Array Beam of Phased Array Antenna

WANG Hai,HAN Guo-dong,ZHANG Ling-fei,WU Wei

(The 54th Research Institute of CETC,Shijiazhuang Hebei 050081,China)

Abstract：The synthesis of large scale phased array antenna is a difficulty in phased array antenna field.An evaluation method of combining physical test with theoretical derivation is introduced to evaluate the radiation performance of large-scale array by analyzing the pattern characteristics of small-scale arrays.This paper selects the suitable small-scale array,analyzes the pattern specifications of array elements,and obtains the pattern characteristics of small-scale array by using simulation and test method.The radiation mode of large-scale array is analyzed by using theoretical derivation method to obtain hardily its radiation characteristics.The hardware requirement and test solution for small-scale array test are proposed.The test verification is performed with prototype.

Key words：phased array antenna;pattern;small-scale array test

中圖分類號(hào)：TN82

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

文章編號(hào)：1003-3114(2016)03-66-4

作者簡(jiǎn)介：王海(1975—)，男，高級(jí)工程師，主要研究方向：微波暗室與天線測(cè)量。韓國棟(1980—)，男，博士后，高級(jí)工程師，主要研究方向：天線及電磁場(chǎng)。

收稿日期：2016-02-25

doi:10.3969/j.issn.1003-3114.2016.03.18

引用格式：王海，韓國棟，張領(lǐng)飛，等.一種相控陣天線小面陣波束評(píng)估方法[J].無線電通信技術(shù),2016,42(3):66-69.