某火控雷达天线内场平面近场测试系统的设计＊

陈启水 黄万年 蒋志勋

（海军702厂 上海 200434）

1 引言

雷达是舰船的主要电子装备，担负着火力控制、导航、搜索警戒等多种任务。随着服役时间的增长，使用频繁，雷达故障率已逐步上升，维修保障任务也越来越重，做好这些雷达装备的维修保障工作非常重要。这些雷达的天线安装在舱室外，常年经受风吹雨淋日晒、盐雾侵蚀、震动冲击，难免出现锈蚀严重、性能下降、甚至结构变形等问题。在对这些天线进行全面修理时，需将天线拆回内场进行修理，如何确保内场能模拟真实的雷达电磁环境，对雷达天线性能进行全面测试，是对这些雷达天线进行维修急需解决的问题［1～3］。本文从某火控雷达天线内场平面近场测试系统设计方面进行一些探索研究。

2 天线平面近场测试方案

2.1 远场测试原理

在低旁瓣天线测试中，天线口径上的照射波平方律相位误差致使天线所测旁瓣（主要是第一旁瓣）电平有一定的抬高，为使抬高的电平减小到允许的误差范围内，就要求远场测试距离选定为

其中，Rf为远场测试距离，单位m；Qd为距离归一化系数，其按式（2）计算；Rfo为基准测试距离，满足式（3）要求［4～5］，单位 m。

其中，SL1为第一旁瓣电平设计值，单位dB；Δ1为允许的第一旁瓣电平测试误差正分贝数。

其中，D为天线的口径，单位m；λ为波长，单位m。

由式（1）、式（2）可见，测试距离与所测第一旁瓣电平分贝数的平方成正比，与允许的第一旁瓣电平测试误差正分贝数成反比。以Δ1＝1dB为例，旁瓣电平为－40dB时的测试距离是旁瓣电平－20dB时的4倍。

根据上述讨论，由于低旁瓣测试要求，就导致较远的测试距离，当然也就要求更高的质量测试场，而一般场地条件是不符合低旁瓣电平测试的，要把较远距离周围的杂散电平控制在所需要的电平之下的难度相当大。

众所周知，满足天线远场测试的最小距离应满足式（3）要求［5］，在低旁瓣天线测试时，当天线口径为1m，对于χ波段，最小测试距离为67m。当Qd＝4，按式（1）计算其测试距离为268m，由目前的国内外微波暗室建造情况来看，暗室的长度还没有超过50m的。建造一个几百米，乃至上千米的大微波暗室，成本将非高昂，尺寸太大，也是不可能的。

因此，我们应找最佳的测试方法，也就是能在微波暗室内进行的天线平面近场测试或压缩场测试。因此选择天线平面近场测试的方案。

图1 天线平面近场测试系统方框图

2.2 平面近场测试原理

天线平面近扫描测试方法，是探头距待测天线在较近的距离上（一般不超过10λ），应用小口径探测器（通常用的是开口波导或偶极子）测得与天线口径面相近似的近场幅相分布，应用近场分布与波数谱函数间的傅氏变换关系，求得波数谱函数［6］，而远场方向图就是波数谱函稳相点时的值。在测试中所要求的推算角度范围总是有限的，所以在测试平面上测试近场可以用抽样技术，抽样间隔一般不大于λ／2［4］，但也不可小于λ／4。大于λ／2时推算范围小，且在有效范围之外会产生严重的推算错误。小于λ／4时，就如信号分析中产生的频谱重叠的结果相似，也会产生较大的推算错误。

3 平面近场测试系统设计

3.1 系统组成

天线平面近场测试系统原理方框图如图1所示，它由下列三个分系统与探测器专用设备组成［9～11］。

3.1.1XYZ探测器坐标装置

它是完成探测器按照程序指令进行运动的平面近场测试系统基本结构设备，它所决定的探测器位置精度是全系统运动至关重要的技术指标。该装置可以实现探测器在XY平面上进行机械扫描（一维坐标步进或连续行进）。

3.1.2 探测器坐标装置的驱动设备及探测器定位设备

它是与XYZ探测器坐标装置相配合的电气设备及定位设备。单纯地要求机械坐标装置结构上高精度是不合理的，但过度地放宽结构精度将导致整个系统设计失败，激光设备的应用可对探测器位置精度精确测定，应用微机对近场数据进行修正［8］，从而可在很大程度上减轻探测器坐标装置的结构精度的压力，所以，它是实现展宽测试系统工作频率和天线低旁瓣测试的关键设备。

3.1.3 近场参数自动测试与推算设备

它是接收测试近场幅相数据及发出自动化测试指令，完成系统现代测试的中心设备。

3.2 测试设备规模设计

根据被测天线的要求：被测低旁瓣天线口径为3.6m×2m，对测试设备中的关键设备探测器坐标装置进行设计。

3.2.1 有限扫描平面误差

有限扫描平面误差按式（4）计算设计，为了减小该误差，探测器坐标装置的最大扫描口径应尽可能地比被测天线口径要大。然而，过大扫描口径的要求必须导致坐标装置的增大，在现在工艺水平条件下必然导致结构精度要求过高与结构设计更加困难。所以扫描口径的选择应适中，以满足推算远场方向图有足够大的可信域半张角为设计标准。

其中，ΔL为有限扫描误差；α为口径照射系数；L为有限扫描平面边长，单位m；A为待测天线物理面积，单位m2；χ为扫描平面边缘电平与最大值相比下降的dB数；g（r）为远场方向图电平归一化值的倒数；Qc为推算可信域半张角［7］。

可信域半张角Qc如图2所示，其推算按式（5）。

其中，Zo为测试距离，单位m；d为被测天线口径，单位m。

由于近区场测试距离比口径场测试距离远得多，所以，考虑近场测试设计平面时，要求测试距离Zo＝5λ，可信域半张角Qc＝45°，由此按式（5）可推算得到式（6）：

按式（6）计算：当天线水平方向口径d为3.6m，λ为0.15m时，L为5.1m；当天线垂直方向口径为2m 时，λ为0.15m时，L为3.5m。

图2 可信域半张角Qc

3.2.2 设备功能的扩展能力

我们称上述计算的L值为额定有限扫描平面口径尺寸，实际设备所能达到的扫描平面坐标比额定值要大些，称为最大扫描平面口径尺寸Lmax。本设计中取功能扩展系数5.3m和3.7m，最大扫描平面口径可达5.3m×3.7m。水平导轨8.4m，垂直导轨取4.8m。

3.3 系统主要性能指标

3.3.1XYZ探测器在XY轴系上的有效扫描范围尺寸

微波暗室的设计为最大横截面积尺寸（净空）11m×6m，去掉屏蔽层和吸波材料占去的空间，暗室的横截面为10.2m×5.2m，从而考虑XYZ探测器坐标装置的最大有效扫描约为5.3m×3.7m，再考虑待测天线口径应小于最大有效扫描平面，故确定最大可测天线口径为3.6m×2.0m。

3.3.2 探测器位置精度

天线近场测试幅相数据是由探测器离散的各预定取样点位置上取得的，然而，预定取样点位置与实际取样点位置，并不可能理想的吻合，这样，由于探测器位置误差将引起幅相测试误差，特别是Z轴向的位置误差将引起与工作频率有关的严重的相位误差，同一误差值时所引起的相位误差将正比于工作频率［8］。由于我们设计的天线幅相分布都是缓变函数（超增益天线除外），所以在XY轴向上的误差比Z轴向同一误差值所引起的幅相误差小得多，随着天线口径尺寸增大，取样点位置的增多，XY轴向位置误差的影响也将随之减小。待测天线在平面近场测试中，探测器在Z轴向的位置误差引起的旁瓣电平误差可按式（7）求出：

其中，ΔSLL为允许的旁瓣电平误差；SLL为以电压为单位的旁瓣电平；△Zmax为Z轴向最大位置误差，单位mm；λ为工作波长，单位mm。

例如：某天线工作频率f＝2GHz（λ＝15mm），天线旁瓣电平SLL＝－40dB即gr＝100，若要求推算电平误差△SLL为1dB时，所要求的探测器位置精度由式（7）可知：

相应X、Y轴系位置误差可适当放宽为

由此可见，在有效扫描范围5.3m×3.7m的平面上的如此高的精度要求是很苛刻的，所以，在设计XYZ探测器坐标装置时，必须首先保证Z轴上的高精度设计，而且应配备激光定位设备，定位精度应比探测器坐标装置的精度高出许多才有实用的意义。

3.3.3 近场幅相测试精度

影响近场测试幅相数据精度的因素很多［5］，诸如探测器对近场的扰劲，探测器与待测天线的互耦，微波暗室的多次反射，还有上述的探测器位置误差等，然而，仪表测试误差，往往是起决定性作用的因素。根据以往的近场测试，高稳定的信号源和高精度幅相接收设备是确保幅相测试精度的必备设备。可选用先进的近场测试仪表设备天线分析仪及矢网分析仪，动态范围在60dB线性范围的精度为

3.3.4 测试系统技术要求

本系统的测试和推算功能达到全自动化，主要有：

1）测器在X、Y轴向有扫描程序控制，行程大小控制，采样间隔选择与扫描速率选择；非采样状态X、Y轴向最大扫描速度0.15m／s，采样状态X、Y轴向扫描速度为0.05m／s；

2）在程序控制的预定的采样点上进行幅相值测试；

3）应用激光定位设备输出的数据对采样相位修正，给出修正后的相伴数据；

4）在微机上，由近场数据推算出远场方向图；或将近场幅相数据记录，后期脱机计算。

3.3.5 探测器

探测器在近场测试中是很关键的［5］，其技术要求为：

1）探头及其连接设备引起的场失真应不严重影响测试精度；

2）探头的尺寸必须小到能足够以测试出某一点的场；

3）探头必须具有纯度很高的线极化，以便测试场的任意极化分量；

4）探头必须有输出足够大的信号电压供精确测试之用；

5）带宽内驻波SVWR≤1.5。

3.3.6 机械部分

1）平面扫描架有效扫描范围。

平面扫描近场最大有效扫描范围为5.3m×3.7m，水平轨道为8.4m，垂直轨道为4.8m，探头伸缩≥300mm。根据公差理论计算，导轨及探头的扫描精度为：

2）单向X轴向定位精度均方根误差≤0.1mm；

3）单向Y轴向定位精度均方根误差≤0.1mm；

4）单向Z轴向定位精度均方根误差≤0.1 mm；

5）Z方向（有效扫描范围内）综合性均方根误差≤0.35mm；

6）探头坐标与待测天线（或待测物）之间距离采用手动，X、Y方向由微机控制。

3.3.7 配套设备

1）大功率电源一套；

2）步进电机；

3）伺服传动部分（齿轮或齿条）；

4）测试控制部分：微机与接口，测试控制软件。

3.3.8 地基要求

水平导轨（X轴向）的长为8.4m，其主导轨与副导轨之间的距离为1.5m，为了确保扫描的精度，要求有坚硬的水平的专用地基，在安装天线平面扫描架的位置上，即9m×2m的暗室地面上，深挖1.5m，若有屏蔽，在深挖的坑道先进行屏蔽，再浇灌水泥和预埋件，便于将来固定粗导轨。

4 结语

本文针对某火控雷达天线的技术特点，有针对性地设计了该型雷达天线的内场平面近场测试系统。本文从天线平面近场测试原理、平面近场测试系统组成、系统主要性能指标等方面对该系统进行了全面的介绍。依据该设计方案建设系统后，可对该型雷达天线性能内场进行全面测试，可保证该型雷达天线的维修质量，同时，该设计方案也可为其他雷达天线的内场近场测试系统设计提供参考。

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