天線陣方向圖無人機測試系統研究

索 煒 宋 旸

（北京無線電計量測試研究所，北京 100039）

1 引 言

大型相控陣天線方向圖的測量通常是項復雜而艱巨的工作，對于高頻地波雷達接收陣天線方向圖的測試同樣如此。本文所涉及的天線陣列系統工作頻段覆蓋（3～30）MHz，波長較長，天線陣體積大，整個陣占地通常為數百米。

現有的測量手段，多以海面船載測量設備進行測量，僅能沿海平面進行方位圖測試，無法進行俯仰圖測試；而使用有人飛機或飛艇等方式進行測量的費用及時間成本又太高，因此考慮設計使用無人機來實現更加經濟和縮短時間的測試方式。

短波無線電系統的電離層干擾是很嚴重的。非理想的天線陣方向圖會引入更多的電離層干擾，如圖1所示［1］，在距離多普勒譜中160～180距離單元分布著較強的電離層雜波干擾，而位于該處的實際目標被電離層干擾所淹沒。特別是夜間的時候，大氣層中的D層消失，電離層沒有D層的吸收效果時E層反射的干擾會更加嚴重。所以，有必要測試天線方向圖中面向空間電離層波束的實際情況。

圖1 電離層干擾對目標檢測的影響Fig.1 The object detection influence from ionosphere clutter

該相控陣天線系統實際上屬于數字陣列天線系統，接收機將回波信號變換為模擬中頻后，經數字下變頻、濾波、抽取等處理過程之后，再由數字波束形成（DBF）單元完成接收天線波束的指向?？梢姡枰鶕粶y天線陣的實際情況構建合適的天線測量系統和測試方法。

2 相控陣天線的測量方法

由于相控陣系統的多通道特點，完成一遍天線的所有測試通常很耗費時間，所以相控陣天線快速的測量方法是當前的研究熱點。

天線的測量方法分類目前還沒有權威的定論，本文給出了一種分類方式，如圖2所示［2］。

圖2 一種天線測量方法分類圖Fig.2 A kind of category map about antenna measurement method

2.1 近場測試和遠場測試的對比

雖然近場測試有多種經過數學計算后折算成遠場方向圖的方法，例如文獻［3］提出了一種近場聚焦技術的測試方法。但是，想要得到準確的方向圖，需要滿足一定的測試條件和要求：探頭的校準比遠場測試中的饋源天線的校準要求更高，需要精確地控制測試探頭/饋源的位置；由近場測試數據確定遠場方向圖，需要完成大量的運算；大型相控陣天線的近場測試通常效率低，需要對掃描范圍內的所有配相狀態都測試一遍；近場測量通常在微波暗室中進行，而實際的被測大型天線陣只能在安裝現場開放的實地環境中進行；相比遠場測試，近場測試對周圍的環境要求更高。

遠場現場測試時，天線附近的地形、地勢和附近干擾物等也會造成天線方向圖的畸變，從而導致方位角估計誤差增大。天線陣實際的安裝、調試和使用環境對于天線實際的方向圖影響較大。被測大型天線陣安裝后固定不動，其尺寸無法在室內暗室內完成測試。相比近場測試，遠場測試對于參考天線（裝載在無人機上）的校準精度要求相對不高；另外，被測天線架設在海邊，難以在海面上采取高架源天線的方式進行天線近場或者遠場測試。

所以，針對本接收陣天線，最佳的測試仍然是現場采用遠場測試，來完成天線陣實際狀態的檢測。同時，天線遠場測試對天線陣及接收機系統研制、調試、驗收、校準、日常維護和故障診斷等也具有重要意義。

2.2 數字陣列天線的測試

相比傳統的相控陣天線，數字陣列天線增加了數字波束形成單元。對于不同類型的相控陣天線，其測試方法也不盡相同。

地波雷達的信號通常為窄帶信號，而常規窄帶信號的數字波束形成基本方法為：陣列天線的每個天線單元接收各自的回波信號，各接收通道的射頻前端進行模擬下變頻，中頻輸出信號通過ADC采樣轉換為數字信號，將數字信號與預置的復加權因子或自適應權值算法產生復加權因子，然后在數字波束合成器中進行相乘和累加最終形成所需的數字波束。

對于多通道接收系統，接收天線陣的方向圖不同于單通道的天線方向圖測試，不僅需要知道單元天線的方向圖，而且需要獲取所有通道的接收數據得到整個的方向圖。被測天線的方向圖波束形成最終在數字信號處理的數字波束形成DBF中完成，因此實際檢測時是包括了前端的多通道接收機以及數字信號處理部分。

采用基于數字波束成形的相控陣天線校正和測試方法需要利用陣列接收系統本身的接收機信號處理設備共同來完成天線波束方向圖的測試。

3 天線陣方向圖無人機測試系統

3.1 天線陣方向圖無人機測試系統組成

大型天線陣方向圖無人機測試系統的組成示意圖如圖3所示。無人機上設計載有測試信號源、功放單元、饋源天線、天線伺服機構、機載測控單元。地面設備包括有地面測控站、測試數據處理設備等。

圖3 無人機遠場天線測試系統構成示意圖Fig.3 the composition diagram of far field antennas measurement system based on UAV

基本測試原理是：被測天線固定，通過控制無人機和機載發射信源，并記錄移動軌跡，再根據軌跡計算發射信源在不同時刻的方位，最后結合接收信號的輸出響應得到方向圖。

3.2 無人機測試系統誤差分析

定性地，分析無人機測試系統引入的測量誤差：

式中：δx——無人機經度誤差；δy——緯度誤差；δz——無人機的海拔高度誤差；δs——無人機載信號源的輸出功率的誤差；δk——無人機饋源天線的方向圖誤差；δm——無人機饋源信號經海面多次反射引起的誤差；δn——環境電磁干擾引起的誤差；δp——無人機信號源與被測接收機系統非相參引起的誤差。

在微波暗室中，通常使用激光測距儀來標定參考喇叭天線與被測天線陣面之間的距離；而對于無人機測試系統就需要依靠衛星定位和高度計來標定精確的三維位置。

δx經度誤差和δy是緯度誤差主要由衛星定位精度以及無人機控制精度決定。目前，衛星定位的精度如果采取增強形式，例如差分定位可達厘米級，相比天線測試數公里的遠場距離，定位誤差引起的方位角和俯仰角誤差很小，對方向圖的影響也很小，在定位精度方面可以保證使用無人機遠場測試方法的可行性。

δz海拔高度誤差由機載高度計的測量精度決定，目前無人機機載高度計精度可達分米級，會帶來一定誤差。

δs信號源輸出功率的不穩定性主要與設備溫度的變化有關，這個影響可以通過恒溫設計來克服。

δk饋源天線方向圖誤差主要受無人機自身懸停的穩定性以及運動中的旋翼對饋源天線方向圖的影響造成一定的誤差。

δm海平面反射誤差，輻射電磁波通過海面反射路徑被接收天線接收，從而影響了天線方向圖的準確測試；但是在遠場測試中待測天線和饋源天線之間的耦合以及多次反射并不重要，而且測量結果對于天線相位中心的位置變化不太敏感，所以不會導致明顯的測量誤差。

δn環境電磁干擾誤差主要由眾多相同工作頻段內的電臺等造成的干擾；環境電磁干擾誤差的消除可以通過測試前的電磁環境監測，然后選擇干擾小的頻段進行測量。

δp非相參誤差會使得接收中頻信號的頻率發生偏移，同時相當于ADC的采樣時鐘發生抖動，引起波束形成的誤差［4］。

通過研究和分析測試系統可能的測量誤差影響因素，可以針對性地指導測試系統的設計。

3.3 無人機測試系統總體設計

天線陣方向圖無人機測試系統，所涉及的技術涵蓋了天線微波與電磁場、陣列接收機技術、自動測試技術、數字信號處理、無人機技術、衛星導航定位技術、無線測控技術、軟件技術、數據處理顯示技術等方面內容。

根據天線輻射的遠場距離公式為：

取接收天線陣列的天線孔徑D=200m，工作頻率取最大頻率f=30MHz，則λ=c/f=10m，所以遠場距離R=8km。實際的測量距離要大于8km。

3.3.1 海面電磁波傳輸損耗

電磁波在海面上的總傳輸損耗：

式中：Lb——自由空間損耗；Lf——海面反射傳輸損耗；La——海面空氣吸收損耗；Lp——額外系統損耗。

其中，自由空間損耗為：

式中：f——工作頻率，單位MHz；d——收發天線的距離，單位km。

取f=3MHz，d=0．8km時，則Lb=40dB；

取f=30MHz，d=8km時，則Lb=80dB。

海面反射傳輸損耗為：

式中：DO——地面等效發射系數，這里取DO=1；h1——被測天線所處高度，取h1=4m；h2——無人機高度，假設h2=600m（f=3MHz時），h2=6000m（f=30MHz時）；λ——波長。

代入可估算得：

海面空氣吸收損耗為：

式中：γo——氧分子損耗率；γw——水蒸汽分子損耗率。這里，La忽略不計。

額外系統損耗Lp：由于海上惡劣天氣等因素引起的損耗稱為額外系統損耗。這里忽略不計。

綜上，當f=30MHz時，傳輸損耗：

3.3.2 機載測量設備

無人機機載的測量設備包括有信號源單元、功放單元、饋源天線及伺服機構、無人機測控單元。

信號源單元［5］可以按照地面的指令輸出與雷達激勵相同的波形，同時包含了實現測試系統準相參設計的基準源；饋源天線設計為小型化的全向鞭狀天線，安裝到無人機底部，同時考慮到天線的長度問題，設計伺服結構［6］來折疊天線，以便無人機起飛后打開。設計為全向天線雖然增加了功放的體積和重量從而增加了無人機載荷，但是可以避免使用有方向性饋源天線時對準被測天線角度的復雜控制問題。該饋源天線在設計時需要結合機體進行設計，同時在微波暗室內進行校準，作為校準件，得到其參考方向圖特性，并將該校準信息錄入到測試數據處理設備中進行校準處理。

功放單元的增益：發射測試信號的產生單元一般設計是由DDS合成產生，經過優化設計后雜散可以滿足要求，輸出功率約0dBm左右；被測系統的接收機靈敏度一般小于-150dBm，這里取值-120dBm作為到達被測接收天線的測試信號功率；測試頻率30MHz、測試距離8km時，海上傳輸損耗L估算為154．4dB；設饋源全向天線增益2dBi；所以功放輸出功率約32．4dBm，即需要約2W的功放?？梢?，無人機上功放單元的能耗所對應的體積和重量都不會很高。因此，可以將無人機載測量設備的載荷控制在10kg的范圍內。

3.3.3 無人機平臺

目前，市面上有多種多樣的無人機產品可供選擇。結合測試系統的實際需求，某款無人機的技術參數見表1。

從表1可見，主要的技術指標能夠滿足測試系統的設計需要。對某些指標，例如控制精度，通過換裝能力更強的差分GPS定位系統，可以達到厘米級的定位精度，進而提高控制精度。

表1 某無人機的技術參數Tab.1 Technical parameters on a kind of UAV

3.3.4 無人機地面測控設備

地面測控站可以選用無人機配套的設備，經過通信協議的二次開發和調試可以完成使用需求。地面測控設備通過數傳信道遠程實時操控，按照設計的通信協議與無人機進行通信與控制。發送的指令分為兩類：無人機的飛行控制指令、機載信號源和參考天線伺服系統的控制指令?；貍鹘o地面的信息有：無人機的經緯度和高度、無人機的其它狀態信息、信號源和參考天線伺服系統的當前狀態信息等。

控制無人機飛行先找到信號最大的方向，然后控制無人機以天線陣中心為圓心，以固定距離為半徑飛行，實時記錄接收信號幅度，當信號幅度下降為最大值的0．707倍（或下降3dB時），記錄兩端的坐標位置，計算出相應的角度值，可以得到天線的3dB波束寬度。

3.3.5 測量數據處理設備

測量數據處理設備使用通用的計算機即可。在其中安裝運行相應的測試軟件。

被測接收機的設計需要在DBF電路留有相應的硬件接口，以方便數字波束成形后方向圖的測試。例如，可以通過網口通信將DBF之后的數據及時地反饋給天線測試系統的上位機，來進行測試數據處理及繪圖。測試系統能否實現自動化的測試，取決于被測試天線系統能否提供這樣的雙向通信接口。

通過測試數據得到天線方向圖，可以算出主波束寬度、天線增益、副瓣位置以及副瓣增益、波束指向精度等特性，并完成繪圖制表。

3.3.6 測試軟件技術

涉及的軟件開發包括：飛行控制軟件、測試控制軟件、測試數據處理軟件、測控界面和方向圖顯示軟件。

飛行控制軟件用來完成無人機的飛行航跡控制。測試控制軟件用來完成無人機輻射測試信號頻率設置、功率的控制、饋源天線狀態控制、設備狀態信息反饋等功能。測試數據處理軟件主要完成對測試數據的處理，當無人機飛行完成一次測試遍歷后，計算出被測天線的相關性能指標及遠場方向圖?；贛atlab調用相應的接口函數進行方向圖的數值計算和圖形可視化處理，也可以基于Lab-View進行界面和圖形的軟件開發。

3.4 測試前的校準

3.4.1 被測接收陣的自校準

陣列信號數字波束形成時，幅度和相位誤差會造成合成的波束與期望的波束間出現較大的偏差，進而導致較大的測向誤差［7］。幅度相位誤差的校準是陣列信號處理中的重要環節。其中，相位不一致性在天線方向圖波束指向、第一副瓣電平和3dB波束寬度等性能的影響比幅度不一致性更顯著。改善陣列多通道（含天線）的不一致性，會明顯降低旁瓣，并且明顯減少測角偏差。

測試開始前，各個接收通道先進行閉環的自校準，對多接收通道的幅度和相位不一致性進行補償校準。通道間幅相補償之后，可以認為接收信號的幅度和相位的不一致性主要是由接收陣天線的不一致性造成的，即天線接收波束形成誤差主要由天線自身誤差決定。

實際中，由天線自身引起的幅度相位誤差原因主要有：單元天線的方向圖誤差、陣元安裝位置誤差、天線單元間的互耦效應等。

3.4.2 無人機測試系統的校準

測試系統投入使用前需要對其進行校準，除了對機載信號源和參考天線進行計量校準［8］外，還需要使用專用的儀器對無人機整機飛行懸停時位置和高度進行計量校準，并給出不確定度。

4 待深入研究的問題

受制于工作波長，無人機載平臺對于高頻波段天線的尺寸不可能太大，鞭狀天線的長度受限，低頻段的測試難以實現。

無人機測試設備與地面接收機設備無法構成相參系統，會影響測試的精度。

這種遠場現場測試天線的方法，易受到空間電磁環境的影響，空間中高頻波段的干擾較多，特別是測試過程的未知干擾會對測試結果產生不良的影響。

5 結束語

相控陣天線對于方向圖的低副瓣要求越來越高，如何有效的測量大型相控陣天線的方向圖成為研究的熱點。雖然，使用無人機測試大型相控陣天線面臨一些問題，但是，通過本文的論述，可見使用無人機是一種工程上可實現性強、經濟性好的米波天線陣方向圖測量、調試和衡量的有效手段和途徑，可以滿足高頻陣列天線的研究、驗證和評估的需要。

總之，隨著衛星定位準確度的提升、無人機技術性能的日趨成熟，使得基于無人機的大型天線陣方向圖的遠場測試方法可以達到實用化的程度。本文力圖對后續研究和類似的測試系統研制提供一些參考價值。

［1］洪泓．高頻地波雷達多域協同抗電離層雜波干擾方法研究［D］．哈爾濱：哈爾濱工業大學，2014．

［2］尚軍平．相控陣天線快速測量與校準技術研究［D］．西安：西安電子科技大學，2010．

［3］高火濤，吳世才,侯杰昌等．高頻地波雷達天線陣方向圖的近場聚焦技術［J］．武漢大學學報，2001：1-4．

［4］叢紅艷，夏厚賠．DBF合成中高速數據采樣的抖動對波束形成的影響［J］．雷達與對抗，2009．

［5］于長軍，龔勉．基于AD9957的三通道中頻模擬信號源［J］．雷達科學與技術，2009．

［6］韓松，張曉林．無人機機載天線單軸穩定平臺設計與實現［J］．遙測遙控，2004．

［7］于長軍，張建，金榮．通道失真及通道間幅相不一致對三維成像雷達測距測角的影響［J］．系統工程與電子技術，2003．

［8］史偉,任偉．天線方向圖調零點方法及其在抗干擾通信中的應用研究［J］．宇航計測技術，2011．