相控陣天線駐波測試方法研究

劉舉　王永海　谷加臣

摘? 要：天線輻射信號時，自身會存在一定大小的駐波，而相控陣天線的單元間還存在互耦效應，使得天線的駐波增大，會對發射機功放組件造成一定的損壞，因此，在設計相控陣天線時，必須考慮駐波的大小及其影響。針對此問題提出了一種測試相控陣天線駐波大小的方法，將駐波分為自耦部分和互耦部分，分別進行測試，并相加得到總的駐波，并與仿真結果進行了對比驗證，證明了測試方法的有效性。

關鍵詞：相控陣;駐波;互耦

中圖分類號：TN822? ? ? ?文獻標識碼：A 文章編號：2096-4706（2020）02-0074-04

Abstract：Antenna has standing wave when radiating signals，and there is mutual coupling between units of phased-array antenna，which increases the standing wave and does great harm to the power amplifiers of the transmitter. Therefore，the effects of standing wave need to be taken into consideration when designing a phased-array antenna. Based on the problem，a test method of standing wave in phased-array antenna is put forward. Standing wave can be divided into self coupling and mutual coupling，testing each of them and the total standing wave is obtained by adding. The results are compared with the simulation results，which proves the validity of the test method.

Keywords：phased-array;standing wave;mutual coupling

0? 引? 言

隨著相控陣技術的飛速發展，越來越多的雷達采用相控陣天線，其優點是增益高、波束易于控制，在目標搜索和跟蹤過程中起著至關重要的作用。在相控陣雷達的性能指標測試中，天線的性能測試是十分重要的內容。由于相控陣天線的天線陣列間存在互耦效應，在發射信號時，互耦效應與天線自身的自耦效應相疊加，使得天線的駐波增大，可能會對發射機的功放組件產生安全隱患[1]。因此，在測試相控陣天線性能時，必須考慮駐波的影響。

相控陣天線的單元數從幾十個到幾千個不等，為得到相控陣天線的駐波大小，通常的方法是測試相控陣天線中每個天線單元的駐波以及單元之間的互耦系數，而為得到單元間的互耦系數，又需要用矢量網絡分析儀與兩待測天線單元連接，測試完畢后再更換天線單元[2]。此測試方法工作量大，效率低。

針對以上問題，筆者作為實驗中心的研究人員提出了一種測試相控陣天線駐波的方法，通過測試單個天線單元的自耦功率和其余所有單元對其的互耦功率，得到總的駐波大小，將仿真結果與實際測試結果對比，驗證了測試方法的有效性，此測試方法能有效提高測試效率，降低測試成本，有一定的參考價值。

1? 駐波測試方法

相控陣天線駐波的形成主要來自兩方面，一方面是天線自身特性，輸入的信號并不會完全輻射出去，少部分信號會反射至發射通道，該部分信號功率稱為自耦功率;另一方面是天線單元間存在的互耦效應，某個天線單元周圍的單元輻射出的部分信號會耦合至該天線單元，使得駐波增大，該部分信號功率稱為互耦功率[3，4]。本文采用的駐波測試方法將天線自耦功率與互耦功率分開進行測試，然后將兩者相加，得到總的反射功率，從而計算出總的駐波大小。

1.1? 自耦功率測試

在自耦功率的測試過程中，只需對單個天線單元進行測試，此過程用到了矢量網絡分析儀和定向耦合器，測試過程如圖1所示。

設置矢量網絡分析儀的端口1輸出固定幅度的信號，通過定向耦合器接至天線單元，大部分信號通過天線單元輻射出去，少部分信號由于自耦效應反射回去，通過定向耦合器接到矢量網絡分析儀的端口2，則端口2測得的信號功率P0除以耦合系數γ就是從天線單元反射的信號功率，即天線接口處自耦功率P天線自耦功率可表示為：

1.2? 互耦功率測試

在相控陣天線中，各個天線單元之間均存在互耦效應，以256陣元的相控陣天線為例，如果分別對每兩個單元的互耦系數進行測試，那么需要頻繁地拆接線，工作量大，且會導致電纜和接頭磨損較大。因此，采取一種簡便的方法，即在斷開所測天線單元輸入的同時，直接測量其他天線單元互耦功率的疊加值，其測試過程如圖2所示。

首先斷開被測通道與天線單元的電纜，然后設置相控陣發射機被測通道斷開，其他通道開啟，被測通道的天線端口連接頻譜儀，最后打開信號源，讀取頻譜儀測得的功率值P1，設測試電纜的衰減值為β1。互耦引起的反射功率P天線互耦功率可表示為：

計算得到各通道的掃描饋電相位（即各通道的相位完全一致），其中，n=1，2，…，5，dy為行與行的間距，dx為列與列的間距，freq為輸入信號頻率，單位為GHz，θ和φ分別為方位掃描角度和俯仰掃描角度。

仿真得到天線陣在不同掃描角度的駐波。結果如圖3、圖4所示，其中橫坐標為頻率，縱坐標為駐波比。

從仿真結果分析可知，駐波在大部分頻點處都較小，只在部分頻點處較大，不同的天線單元對應的駐波大小隨頻率的變化趨勢基本一致。

3? 實例驗證

在測試過程中，選取了4個不同位置的天線單元，分別測試了在波束俯仰指向為0°、方位指向為5°和波束俯仰指向為0°、方位指向為15°時的反射功率，并計算出相應的駐波大小。測試結果如圖5、圖6所示，其中橫坐標為頻率，縱坐標為駐波比。

由測試結果可知，駐波在大部分頻點處都較小，只在部分頻點處較大，不同的天線單元對應的駐波大小與頻率的變化趨勢基本一致。通過仿真分析和實例測試，驗證了文中提出的測試方法的有效性。

4? 結? 論

通過將總反射功率拆分為自耦功率和互耦功率，分別測試其大小，將測得的結果相加，得到總的反射功率及駐波大小，然后將測試結果與仿真結果進行對比，表明該測試方法切實有效，能反映實際的駐波情況。相比于測量每組天線單元互耦系數的測試方法，文中所提測試方法工作量較小，測試效率較高，在相控陣天線的駐波測量與安全評估中有一定的參考價值。

參考文獻：

[1] 肖小鋒，蔡金燕，梁玉英.雷達駐波比測量方法研究 [J].彈箭與制導學報，2006，26（S1）：286-288.

[2] 何毅.船舶后端天線信號源駐波檢測電路分析 [J].艦船科學技術，2018，40（24）：136-138.

[3] 張清泉.西德UHF發射天線駐波比測試與結果分析 [J].測試技術學報，1999，13（1）：52-54.

[4] 張興偉.基于槽隙波導的低副瓣駐波天線設計方法研究 [J].電子設計工程，2018，26（22）：81-85.

作者簡介：劉舉（1994-），男，漢族，湖北仙桃人，技術人員，助理工程師，學士學位，本科，研究方向：雷達對抗;王永海（1981-），男，漢族，甘肅阿克塞人，技術人員，工程師，學士學位，本科，研究方向：雷達對抗;谷加臣（1979-），男，漢族，山東巨野人，技術人員，工程師，學士學位，本科，研究方向：雷達對抗。