陣列天線相位一致性測(cè)試方法研究

苗成浩 江彪

南京科瑞達(dá)電子裝備有限責(zé)任公司 江蘇 南京 211100

引言

干涉儀天線陣是干涉儀測(cè)向系統(tǒng)的重要組成部分，而天線陣單元間的相位一致性將會(huì)影響系統(tǒng)的相位精度，造成測(cè)向誤差，所以天線陣的相位一致性校正將成為干涉儀測(cè)向必不可少的前提步驟。本文基于緊縮場(chǎng)測(cè)試系統(tǒng)利用射頻矩陣開關(guān)進(jìn)行不停切換實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)臺(tái)旋轉(zhuǎn)一圈將全部天線單元原始幅度相位都進(jìn)行采集的功能，并利用干涉儀測(cè)向原理進(jìn)行數(shù)據(jù)的處理。

1 基本原理

一個(gè)由兩個(gè)天線單元組成的單基線干涉儀天線陣，其結(jié)構(gòu)如圖1，其平面波來波方向與天線陣法線方向夾角為θ，兩天線之間的距離為基線長(zhǎng)度L。當(dāng)入射波信號(hào)到達(dá)兩個(gè)天線時(shí)，天線1和天線2之間的相位差為 ：

圖1 單基線干涉儀測(cè)向原理圖

其中： 為入射波波長(zhǎng)。

對(duì)公式（1）中的主要參數(shù)夾角θ、波長(zhǎng)λ、基線長(zhǎng)度L進(jìn)行全微分求導(dǎo)可得相位差波動(dòng)與各參數(shù)的關(guān)系為：

由此可以得出保證兩個(gè)天線之間的相位差測(cè)試精度需要滿足四個(gè)條件：確定入射波為平面波且入射方向角θ，波長(zhǎng)λ，基線長(zhǎng)度L的數(shù)值精確。

通常平面波的產(chǎn)生由遠(yuǎn)場(chǎng)和緊縮場(chǎng)兩種，但考慮到遠(yuǎn)場(chǎng)測(cè)試發(fā)射天線與接收天線之間距離 需滿足：

其中：D為待測(cè)目標(biāo)最大截面積。

可以看出，遠(yuǎn)場(chǎng)法需要龐大的測(cè)試場(chǎng)地，遠(yuǎn)距離信號(hào)的衰減將會(huì)對(duì)測(cè)試精度帶來影響。

緊縮場(chǎng)法是產(chǎn)生平面波的一種有效方法[1]。將待測(cè)天線正對(duì)于來波方向安裝，轉(zhuǎn)臺(tái)轉(zhuǎn)動(dòng)，改變?nèi)肷洳ㄏ鄬?duì)于目標(biāo)的入射方向，轉(zhuǎn)臺(tái)轉(zhuǎn)動(dòng)的角度即為入射波來波方向角θ，入射波長(zhǎng)λ由儀表發(fā)射頻率確定，基線長(zhǎng)度L為已知條件，按式（2）可忽略相位差波動(dòng)。分別測(cè)試天線1和天線2方向圖，得到天線1原始相位 和天線2原始相位 ，作差得實(shí)際相位差 ，根據(jù)單基線測(cè)向原理計(jì)算得出理論相位差 ，兩天線單元間的相位一致性 即為：

2 測(cè)試方案驗(yàn)證

本文中的射頻矩陣開關(guān)型號(hào)為RC-2SP6T-40，該射頻矩陣開關(guān)利用網(wǎng)線或串口連接計(jì)算機(jī)對(duì)其進(jìn)行控制，如圖2實(shí)現(xiàn)端口7與端口1-6之間的通斷切換。在6~18GHz范圍內(nèi)，通道之間引入的相位差經(jīng)過實(shí)測(cè)最大不超過1°，所有通道的插損小于0.8dB[2]。

圖2 射頻矩陣開關(guān)接口示意圖

以5單元干涉儀天線陣列為待測(cè)天線如圖3，其中L1=300mm，L2=100mm，L3=80mm，L4=80mm。緊縮場(chǎng)測(cè)試系統(tǒng)如圖4所示，將天線A1-A5分別用等相位射頻電纜接入射頻矩陣開關(guān)端口1-5，端口6接50Ω負(fù)載，射頻矩陣開關(guān)的端口7和發(fā)射天線分別接入矢網(wǎng)的輸入和輸出端口。

圖3 天線陣示意圖

圖4 緊縮場(chǎng)測(cè)試系統(tǒng)

基于LabVIEW軟件編寫控制測(cè)試程序，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化測(cè)試。轉(zhuǎn)臺(tái)每轉(zhuǎn)1個(gè)角度，射頻矩陣開關(guān)進(jìn)行自動(dòng)切換，實(shí)現(xiàn)端口7依次分別與端口1-5之間的通斷，控制矢網(wǎng)采集并傳輸5組幅相數(shù)據(jù)給計(jì)算機(jī)。

部分指標(biāo)要求：

測(cè)試頻率：6~18GHz

方位掃描角度：-55°~+55°

俯仰角：0°

3 數(shù)據(jù)分析與結(jié)論

將以上每個(gè)角度測(cè)得的5組數(shù)據(jù)更改基線按式1和式3進(jìn)行計(jì)算即可得兩單元之間相位一致性 、 、 、 。經(jīng)數(shù)據(jù)處理結(jié)果如圖5：

圖5 快速測(cè)試法單元相位一致性

便于對(duì)比，將陣列天線按照傳統(tǒng)更換相位中心進(jìn)行測(cè)試的 方法進(jìn)行了測(cè)試，測(cè)得的相位一致性如圖6：

圖6 傳統(tǒng)測(cè)試法單元相位一致性

由于兩種測(cè)試方案存在某些實(shí)際客觀影響參數(shù)，如緊縮場(chǎng)產(chǎn)生的波實(shí)際為非理想化的偽平面波，可能導(dǎo)致θ產(chǎn)生誤差而造成兩種測(cè)試方案相位一致性會(huì)有一定的偏差。但通過對(duì)比以上兩種測(cè)試結(jié)果，可以看出兩種方案的相位一致性曲線基本一致[3-4]。

上述天線陣測(cè)試過程中轉(zhuǎn)臺(tái)每轉(zhuǎn)一個(gè)角度轉(zhuǎn)臺(tái)轉(zhuǎn)動(dòng)加穩(wěn)定時(shí)間大約為2s，射頻矩陣開關(guān)切換時(shí)間為0.5s。經(jīng)過實(shí)際測(cè)試，快速測(cè)試法與傳統(tǒng)測(cè)試法測(cè)試精度與完成時(shí)間如表1所示：

表1 兩種測(cè)試方法對(duì)比

在保證測(cè)試條件準(zhǔn)確性的前提下，可以看出本文研究的測(cè)試方法可靠，測(cè)試結(jié)果偏差小，且精簡(jiǎn)了測(cè)試步驟，大大縮短了測(cè)試時(shí)間，在諸如天線相位一致性、天線罩插入相移（IPD）的調(diào)試測(cè)試場(chǎng)景具有很好的實(shí)踐意義。