天線罩相位一致性的測試方法研究

李秀英 崔東雷 張 恒 丁洪利

0 引言

天線罩作為天線的電磁窗口[1-3]，一方面提供保證結構、溫度和空氣動力特征，另一方面最優程度減小罩體對雷達天線的電性能參數影響，包括透波、瞄準誤差等。對采用多天線單元的天線陣列，因為多個單元天線的天線陣列間存在距離的原因，接收相位會產生一定的差值，并且因為介質天線罩的存在，會帶來多余的誤差相位值。將天線罩-天線陣列一體化對相位影響的關聯性，提出相位一致性的量度進行衡量。并用其來衡量天線罩對測向精度的影響。共形天線陣列是陣列天線和載體高度融合在一起來保證載體的氣動布局[4]。是在天線陣列相位變化的基礎上，反映的是載體厚度變化不均勻而對天線陣產生的附加相位變化量。

文章研究分析采用多個單元天線的天線罩-天線陣列包括共形天線陣的相位一致性的測試方法及系統構建，利用測試數據對相位一致性進行計算分析，給出計算公式，對測試過程中的誤差分析，并給出目前的研究結論，對相位一致性影響因素的關聯性。并進一步提出測試計算的相位一致性可以反映設計制造的天線罩的優劣。

1 相位一致性數據處理

天線陣列方向圖是由陣列單元數目、間距、分布形式、幅度和相位決定的。一般用兩個特定正交極化的輻射分量的幅度和相位來完整地描述輻射方向圖。天線罩-天線陣列的相位一致性是由相位方向圖計算得出。

1.1 天線罩-天線陣列的相位一致性

某一天線陣列由n個天線單元，若天線單元A1的相位為P1A（f，w，θ，σ），帶罩時A1相位為P1R（f，w，θ，σ），式中f為對應測試的頻率，w為天線單元對應的位置，θ測試時對應的天線罩和天線單元的方位角，σ測試時對應的天線罩和天線單元的俯仰角。

D1R（f，w，θ，σ）為A1天線單元帶罩與不帶罩時的相位差值，也稱為該天線單元的插入相位延遲IPD（Insert Phase Delay）。

將各天線單元對應的IPD兩兩相減得到兩兩位置的相位差。

此相位差φijR（f，w，θ，σ）僅反映天線罩對兩兩天線相位引入的誤差，而不能夠反映天線罩對整個天線陣列的相位誤差。

對于有n個天線單元的天線陣則兩兩位置的相位差與相位差平均值的差值定義為天線罩-天線陣列的相位一致性。

其中φaveR（f，w，θ，σ）定義為陣列天線中天線單元相位差的平均值。

1.2 共形天線陣列相位一致性

采用固定法測試相位一致性時，即天線陣列單元固定不隨著單元移動到與電軸對準。取兩相鄰天線的相位方向圖之差：

其中為ΔΦsp補償空間相位，采用移動天線單元對準測試時，ΔΦsp=0。

對于固定單元法，在遠場距離較小或基線長度較大的情況下，由于各個天線單元的偏心距離較大，會引入較大的偏心相位誤差，需要進行偏心相位校準測試。測試各個單元的相位方向圖Φj（θ，σ）（j表示被測端口號），針對不同的極化、頻點，與基準單元i作比較得到相位差異：

按照0°方向進行歸一：

在一定角度、頻率下統計均方根。

1.3 基線解相位模糊

陣列天線的陣元之間的距離L稱為基線，當L≤λ/2（λ為入射信號的波長），測試時的陣列天線單元間接收的是相位值能夠反映實際相位差，相位差值落在[-π，π]。否則可能會落在[-π，π]以外引起“相位模糊”。

解相位模糊的過程可利用長短基線和虛擬基線結合的方法，圖1為長短基線解相位模糊原理圖。

圖1長短基線解相位模糊原理圖

測試得到的相位差為φ1、φ2，因為所以φ1為非模糊值，φ2為模糊值。

由于基線：

根據式9和10將粗值φ2*和精確值φ2'匹配可得到唯一精確相位差值。

當天線單元工作于較高頻段時，波長較小，采用多基線解相位模糊會出現基線間距太小而無法布置的問題，此時可使用長短基線系統構造的虛擬基線作為虛擬短基線，來完成解相位模糊，圖2為虛擬基線解相位模糊原理圖。

圖2虛擬基線解相位模糊原理圖

如圖2所示天線單元排列情況，A1'為A1關于A0對稱的虛擬鏡像單元天線。

以A0為參考單元，A1A0和A1A2的相位差為φ01和φ02，此為模糊值。

根據φ01構造關于A0對稱的虛擬單元A1'的相位差φ01'。以A2為參考單元，以φ02和φ01'計算的A2A1'相位差φ21'。

以A0、A1'、A2構建長短基線系統，根據上述長短基線解相位模糊。

2 測試與應用

2.1 遠場測試系統

2.1.1 系統組成

微波暗室遠場測試系統主要由微波暗室、信號源、矢量網絡分析儀、信號收發設備、目標支架及轉臺、轉臺驅動控制器、接收天線等組成，如圖3所示。陣列天線-天線罩的測試示意圖如圖4所示。

圖3遠場測試系統組成框圖

圖4陣列天線-天線罩測試示意圖

2.1.2 測試方案

天線采用固定位置法測試，以減少位置移動、裝/卸電纜線與天線罩帶來的測量誤差。即將被測天線架設在轉臺中心，測試過程中保持各個天線位置不變，并對測試數據進行空間相位及轉臺偏心校準，即扣除空間相位并消除轉臺偏心引入的相位誤差。在天線單元之間增加合適的吸波材料來減少天線之間的耦合等干擾。

2.2 測試說明

相位信息的測試說明

（1）選用矢網須設置為比值模式（S21，B/R1等）。

（2）外界信號源時用耦合器耦合一路信號用作參考，或者在接收端架設一固定的輔助天線接收信號作為參考。

（3）外接信號源時用10Mhz連接信號源與矢網，進行鎖頻同步，防止偏頻。

2.3 部分指標要求

以一寬頻帶天線罩測試為例，安裝方式如上圖4所示，在測試過程中為了盡量避免裝/卸天線罩與電纜線導致的測量誤差，應選擇在一固定狀態下重復幾次測量，通過比較數據能夠基本一致，則可基本忽略人工操作引入的額外誤差。本次試驗部分指標要求為：

（1）方位掃描范圍：±45°。

（2）俯仰掃描范圍：0°～30°。

（3）相位一致性：優于±15°。

（4）頻率跨越多個波段，見表1。

表1試驗頻率一覽表

3 測量結果及分析

3.1 相位一致性的測量分析

由于篇幅有限，不能一一列出兩兩位置天線單元的相位的相位一致性。選取了兩邊緣天線U14，邊緣相鄰天線U12和中間天線U23的相位一致性的變化曲線。如圖5～9所示。

圖5 0°俯仰角U14相位一致性

圖6 0°俯仰角U23相位一致性

根據相位一致性定義，圖5～圖9分別給出了方位±45°，俯仰0°～30°，頻率2 GHz、6 GHz、10 GHz下，天線單元1～4、天線單元2-3、天線單元1-2對應的天線罩的相位一致性結果。

由圖總結可知，頻率越高，天線的相位不一致性也會增大；天線的相位不一致性也會隨著俯仰角的增大而減小；陣列單元天線距離越近，相位不一致性越大。由實際測試分析可知頻率越高，天線罩的電厚度尺寸變大，微小的工藝偏差帶來的相位不一致性會比低頻率帶來更大的變化；俯仰角增大，入射波入射天線罩的曲率減小；陣列單元天線間的耦合仍是不可忽略的影響相位一致性的因素，本次測試結果是合理的。

圖7 0°俯仰角U12相位一致性

圖8 15°俯仰角U12相位一致性

圖9 30°俯仰角U12相位一致性

3.2 相位一致性的測量誤差分析

根據測試相位方向圖計算相位一致性的遠場法測試系統的基本原理、測試物理模型及測試環境，能夠在相位一致性正確測量計算的基礎上，另外有以下幾個方面還需要考慮改善，才能保證測試過程中誤差的減小：

進行遠場測量的相位方向圖，必須滿足遠場測量的條件，如果不能滿足遠場測試條件，在待測天線口面上將產生平方律相位偏差。

測量場地及環境反射也將影響測相的精度，根據反射波和直射波差90°計算，如果由此引入的誤差小于1°，平均反射電平應為-40dB；引入0.2°的誤差，平均反射電平應為-55dB。所以在相位方向圖測試過程中應選擇在高質量且穩定的微波暗室，減少不必要的干涉，影響相位一致性的計算。

在測試過程中，隨著轉臺的轉動，微波電纜將發生位移和變形，造成2°左右的誤差，測試時需要選擇高品質穩相電纜。同時因為轉臺轉動的誤差為隨機的，會導致天線罩和天線陣列轉動過程引起不同的相移，增大一致性誤差。

網絡分析儀產生的頻率漂移等隨機誤差，需要選用精度較高的測量設備，并縮短測量的時間。

系統的信噪比也是引起相位誤差的一個因素，為了防止噪聲對相位測量產生的影響，增大相位一致性，測量時系統得有較高的信噪比。

4 結論

在滿足測試條件的微波暗室內對一寬頻帶天線罩進行了測試，總結了天線罩的相位一致性的測試方法，對相位一致性的概念進行了完善，并利用測試數據給出了相應的公式計算。通過研究分析總結天線罩-天線陣列的相位一致性的影響因素包含有：

（1）陣列天線單元間的互耦引起的相位誤差。

（2）天線罩覆蓋天線陣列時兩端的曲率半徑的差異或稱為外形曲面差異。

3）天線罩設計時對罩壁結構的選擇，根據相位一致性指標要求可以考慮，頻率跨度是否采用變厚度設計。

（4）天線罩的制作工藝。

（5）介質材料等的均勻度。

本工作也為后續天線罩設計、指導天線罩加工提供了參考依據。