天線方向圖測試中測試場性能綜合評價方法的初步探討

余慶豐，賴宇昕

（中國人民解放軍總參謀部61764部隊，海南 三亞 572000）

0 引 言

天線方向圖是天線的輻射方向圖的簡稱，是天線的輻射功率通量密度、場強、相位和極化等輻射參量隨空間方向變化的圖形表示。根據天線方向圖的圖形可確定天線的波瓣寬度、波束寬度、副瓣電平和方向系數等參數。方向圖測試是衛星地面接收測控系統天線測試的重要內容之一。

方向圖測試一般都采用高架天線測試場。該方法能有效抑制來自地面、環境等反射波對測量的影響，要求將發射天線架設在較高的塔上，一般為衛星地面站的標校塔，被測天線在衛星地面站塔基上。為取得良好的方向圖測試結果，需要對測試場的性能做出適當的評價，以便發現測試場的不足和選擇合適的測試場。目前，測試場的評價手段比較欠缺，因而研究測試場性能綜合評價方法具有重要的現實意義。

1 測試場的作用

天線測試場是測量或鑒定天線的場所，是天線方向圖測試不可或缺的組成部分[1]。測試場性能情況對天線方向圖測試產生重要影響，不符合條件的測試場可能導致天線方向圖測試不準確，難以取得可靠的測試結論。

天線測試場主要劃分為電抗近場區、輻射近場區和輻射遠場區，如圖1所示。在輻射近場區，場的角分布與距離有關，天線各單元對觀察點的貢獻，其相對相位和相對幅度是離開天線距離的函數；在輻射遠場區，角分布與距離無關[2]。衛星地面接收測控系統天線都工作于遠場條件。因此，在遠場條件下的天線方向圖測試才具有實際意義。

圖1 天線測試場的區域劃分

2 測試場性能綜合評價方法

2.1 基本假設

根據測試場在天線方向圖測試中主要影響因素的特點，有以下假設：

（1）天線接收面為平面，遮擋天線接收面任意部位的單位面積對天線方向圖測試的影響是一致的，忽略電磁波的衍射和天線在方向圖測試過程中的轉動帶來的影響。

（2）測試路徑上的電磁環境是穩定不變的。

（3）不考慮地球曲率的影響。

2.2 綜合評價模型

天線方向圖測試中測試場性能的影響因素較多，僅用單項指標難以客觀地反映測試場性能情況，可將層次分析法運用于測試場性能綜合評價中。以測試場性能綜合評價指數Q作為總指標，以遠場條件A1、系統內干擾A2及系統外干擾A3作為一級指標，以測試距離B1、發射天線架設高度B2、測試場遮擋B3及發射場電磁環境B4作為二級指標，以各個標校塔作為方案層，建立層次結構分析模型，如圖2所示。

2.3 A-B單項評價參數

2.3.1 遠場條件評價參數。如果測試距離達不到遠場條件而處于近場環境中，直接測得的結果肯定會有不小的誤差，因為在近場區域，天線方向圖不但與角度有關，還與距離有關，不同的距離，其天線方向圖不同。為得到較為理想的待測天線遠場方向圖參數，發射天線與被測天線之間的距離應滿足[3]：

圖2 天線測試場性能綜合評價體系

其中，R為收、發天線之間的距離，D為待測天線的直徑，d為發射天線直徑，λ為工作波長。

由于衛星地面站天線測試中所用發射天線均為小口徑喇叭天線，因而d可忽略， （1）式可簡化為：

由（2）式可知，隨著工作頻率的增長，測試中所需的收、發天線之間的最小距離也在增大。同時，在指定測試頻率下，遠場條件滿足一定距離即可，因而評價參數存在最大值為1，即：

其中，IA1為遠場條件評價參數，IB1為測試距離評價參數，Ri為測試距離，Rmin為理論上應滿足的最小測試距離。

2.3.2 系統內干擾評價參數。

（1）發射天線架設高度評價參數。遠場條件下，為減少地面反射引起的干擾，發射天線口面中心距離地面的高度h應滿足[4]：

其中θ0.5為被測天線主波束半功率點寬度，θ0.5=

由（4）式可看出，隨著頻率的增高，測試距離隨之增大，但發射天線架設高度并不呈現線性增長的關系，這是由于被測天線的半功率波束寬度θ0.5隨著頻率的增高而變窄。同時，在指定測試頻率下，發射天線架設高度滿足一定高度即可，因而評價參數存在最大值為1，即：

其中，IB2為發射天線架設高度評價參數，hi為測試距離，hmin為理論上應滿足的最小發射天線架設高度。

（2）測試場遮擋評價參數。天線方向圖測試要求盡量在一個自由空間測試場，收、發天線之間存在一條無遮擋或低遮擋的測試路徑。這就要求測試場應為開闊的場地，避免出現大的障礙物遮擋。為定量分析測試場的遮擋情況，使接收天線對準發射天線，在發射天線處設置望遠鏡，觀察接收天線的遮擋情況，并拍下照片，進行遮擋情況分析。接收天線的接收面被遮擋的面積越大，測試場的遮擋情況越差。當遮擋的面積達到一定的比例時，測試得到的天線方向圖難以成形。因此，可定義測試場遮擋評價參數為：

其中，IB3為測試場遮擋評價參數，S遮為測試場遮擋面積，S收為接收天線接收面的面積。

（3）系統內干擾評價參數。建立兩兩比較矩陣，結果見表1。

表1 兩兩比較矩陣A2-B

由表1可確定權重向量為（0.25 0.75）T，即：

結合（5）、 （6）式可得：

2.3.3 系統外干擾評價參數。為盡可能降低對測試的影響，提高測試精度，要求測試場不能有影響測試的電磁信號的干擾。電磁環境較為復雜，對天線方向圖測試產生影響的只是電磁環境中的特定頻率，對測試沒有影響的頻率無需考慮。

發射天線未發信號時，接收下變頻器輸出信號的底噪主要由信道噪聲和環境噪聲構成。信道噪聲與信道設備有關，一般變化不大，因而接收下變頻器輸出信號的底噪間接反映了環境噪聲對測試的不利影響。同時，為取得歸一化結果，定義系統外干擾評價參數為：頻器底噪，包括信道噪聲和環境噪聲。環境噪聲影響越小，則IA3越趨向于1，反之則趨向于0。

2.4 綜合評價指數Q

在綜合多種評價指標時，以權值反映不同評價因子對評價對象的重要程度[5-6]。考慮到系統外干擾僅對特定頻率的測試有一定影響，而且通過提高發射功率，增加接收天線的衰減值，可達到抑制干擾的目的，因而將系統外干擾的權重定為最低；即使不滿足遠場條件，也可通過一定的變化、運算及修正，由近場測試、緊縮場測試等得到等效遠場測試方向圖，因而將遠場條件的權重定為中等；系統內干擾主要由測試場設計條件決定，對各個測試頻率都有不同程度的影響，因而將系統內干擾的權重定為最大。

建立兩兩比較矩陣，結果見表2。

表2 兩兩比較矩陣Q-A

其中，IA3為系統外干擾評價參數；IB4為電磁環境評價參數；δ天為天線對天時下變頻器底噪，主要由信道噪聲引起；δ測為天線方向圖測試條件下下變

由Matlab軟件可求得比較矩陣最大特征值λmax=3.0037，對應的特征向量ω=（0.3288 0.9281 0.1747）T。將該特征向量歸一化，得到權重向量ω0=（0.2297 0.6483 0.1220）T。

為驗證比較矩陣的可信度，進行一致性檢驗[5]：

計算一致性指標為：

查找相應的平均隨機一致性指標R.I.，得到三階R.I.=0.52，計算一致性比率為：

由C.R.的值說明比較矩陣的不一致程度是可接受的。因此，可確定歸一化權重向量ω0可用（見表3）。

表3 評價指標Q權重

評價指數Q的計算公式為：

其中，IA1, IA2, IA3分別為遠場條件、系統內干擾和系統外干擾等一級指標的單項評價參數。

綜合（3）、 （8）、 （9）、 （12）式可得：

3 測 試

3.1 測試場情況說明

某衛星地面測控站需要進行天線方向圖測試，現有測試場1和測試場2。為在測試中取得良好的天線方向圖，需要選擇一個適當的測試場進行天線方向圖測試。測試場的參數見表4。

表4 測試場的參數

3.2 測試場性能綜合評價方法

測試場在不同頻率下的評價情況有所不同。在某個頻點下，測試場1的綜合性能可能比測試場2優；而在另一個頻點下，測試場1的綜合性能可能比測試場2劣。這主要是由于不同頻率的測試要求不同造成的。為體現這種差異，選取S波段、C波段及X波段中的三個頻點作為評價目標進行評價。不同頻率和不同測試場下底噪測試結果見表5。

表5 不同頻率和不同測試場下底噪測試結果 dBm

由（2）、 （4）式可求得理論最小測試距離和理論發射天線最小架設高度（見表6）。

將表4～表6的數據代入（13）式中，可求得天線方向圖測試中測試場性能綜合評價指數Q（見表7）。

表6 理論最小測試距離和理論發射天線最小架設高度

表7 天線方向圖測試中測試場性能綜合評價指數Q

3.3 評價情況分析與總結

由表7可知，測試場2在S波段、C波段及X波段中的綜合評價指數均比測試場1的綜合評價指數高。為更直觀地體現評價的可信度，分別在測試場1和測試場2中對測試頻點3GHz、10GHz進行天線方向圖測試，結果如圖3～圖4所示。

由圖3可知，測試場1的3GHz天線方向圖測試結果明顯不如測試場2的測試結果；由圖4可知，測試場1的10GHz天線方向圖測試結果不成形，與測試場2的測試結果差距較為明顯。這表明評價指數與天線方向圖的效果一致性較好。參照實測天線方向圖結果，結合表7的評分情況，為綜合評價指數Q設計四級標準（見表8）。通過對綜合評價指數的進一步分級，從整體上更為全面地了解和把握測試場性能情況。

圖3 在測試場1和測試場2中對3GHz進行天線方向圖測試

圖4 在測試場1和測試場2中對10GHz進行天線方向圖測試

表8 測試場性能綜合評價指數Q分類

根據表8的分類等級劃分，測試場1屬于C, D級，測試場2屬于A, B級，測試場2比測試場1的測試場性能更優。

4 結 論

天線方向圖測試是衛星地面接收測控系統天線測試的一項重要內容。在進行天線方向圖測試時，應滿足一定的測試場條件。測試場性能決定天線方向圖測試效果的優劣。為取得良好的天線方向圖測試結果，需要對測試場性能做出適當的評價，以便發現測試場的不足和選擇合適的測試場，但目前缺乏針對測試場的評價機制。針對測試場性能評價的需求，本文提出基于層次分析法的測試場性能綜合評價方法。通過對天線方向圖測試中測試場性能主要影響因素進行分析，確定測試距離、發射天線架設高度、測試場遮擋面積及發射場電磁環境等關鍵指標，建立層次結構分析模型。根據各指標參數的特點，研究各單項評價參數，結合歸一化權重值，生成測試場性能綜合評價指數，為天線方向圖測試中測試場性能做出綜合評價。根據綜合評價模型，分析測試場1和測試場2在天線方向圖測試中的性能表現。測試結果表明，評價指數與天線方向圖測試結果一致性較好，從而驗證了評價方法的有效性。