大型电扫相控阵雷达的天线方向图测试

王 侃，王 真

(1.南京电子技术研究所， 南京210039;2.天线与微波技术重点实验室， 南京210039)

0 引言

雷达是战争的产物，天线是雷达的重要组成部分，相控阵雷达天线是由许多天线单元排列而成的定向天线。电扫相控阵通过改变天线单元的激励相位来实现波束的快速捷变，可大幅提高雷达信息的获取和更新速率。

由雷达方程可知，较大的天线口径可获得较高的天线增益，进而满足雷达更远作用距离的需求。大型电扫相控阵雷达的天线口径往往达几十米、包含数千个甚至上万个天线单元。

相控阵天线在设计、生产、加工和总装完成之后，必须对天线的辐射特性进行测试以验证设计的正确性，从而确认各项战技指标是否达到要求。该过程是整个雷达研制的重要环节之一。而天线方向图是天线辐射特性的重要参数。

相控阵天线的方向图测试主要有近场扫描测试、远场测试和中场测试三种［1］。

近场扫描测试［2］是用一个特性已知的辅助天线在距离待测天线数个波长的扫描面上测量场的幅度和相位分布，再通过近/远场变换，确定待测天线方向图的一种间接测试技术。近场扫描测试技术一般将扫描面取为平面、柱面或球面，并相应的称为平面、柱面或球面近场测试技术，通常需要在暗室内进行。对于大型雷达来说，庞大的天线无法进入暗室，在外场也难以构建近场扫描测试系统。因此，近场扫描测试无法适用于大型相控阵雷达天线方向图的测试。

扫描方向图是在中场［3］和远场测试过程中利用电扫相控阵波束捷变的特点而形成的一种近似方向图，准确地表征了天线的辐射特性，扫描方向图的测试方便快捷，受干扰因素较少。本文将结合多个大型电扫相控阵雷达的工程研制经验，总结适合大型相控阵雷达天线方向图测试的高效方法。这些方法都已经成功应用，并得到了令人满意的数据结果。

1 远场测试

天线方向图表征了天线的远场辐射特性，一般认为，当距离大于Rmin=2D2/λ处的辐射特性即为远场特性，其中，D和λ分别代表天线的最大口径尺寸和工作频率，并将该区域称为辐射远场区。

相控阵雷达天线方向图的远场测试是将辅助天线置于天线的辐射远场区。在测试接收或发射方向图时，辅助天线分别发射或接收信号。理想的天线远场测试场是没有的，对于大型相控阵雷达来说，为了尽量避免周围地形地物的影响，较为真实地模拟自由空间，测试场需要合理规划，并兼顾天线方向图的性能、资金、可实现性等多种因素。

通常，天线方向图的远场测试需要在固定波束指向后，以待测天线中心为圆心转动天线阵面或者辅助天线从而得到波束在某一切面上的方向图。大型相控阵雷达天线由于体积庞大，大多采用固定式结构，天线无法转动。而天线的Rmin又在数千米以上，测试时只能将辅助天线置于热气球或飞艇上，使其围绕天线做圆周运动，这种方式不仅成本高，效率低，而且测试精度较差。

扫描方向图是一种近似方向图，可准确地反应天线的辐射特性，而且可以充分利用相控阵天线波束快速捷变的特性提高测试效率和精度，如图1所示。

图1 相控阵天线的辐射特性分析示意图

以接收方向图测试为例，其测试原理如下。相控阵天线位于XOY平面内，由N×M个天线单元组成，水平和垂直的单元间距分别为dx和dy。天线辐射远场区内任意一点的场强 E(θ，φ)可由方向图乘积定理确定，即

式中:k为自由空间的传播常数;θ和φ分别为该点与Z轴和XOZ平面的夹角;Inm和Φnm分别为第nm个天线单元激励电流的幅度和相位。式(1)中第一项f(θ，φ)是天线单元方向图，第二项是阵因子。如果相控阵天线的波束指向为(θ'，φ')，根据相控阵原理，则

波束指向θ'=θ0，φ'=φ0，则在θ∈(-90°，90°)，φ=φ0切面上的天线方向图为

比较式(4)和式(5)，简单的数学推导可以证明两式中的阵因子是完全一致的。式(4)中，随着θ的变化，单元方向图f(θ0，φ0)也相应变化;而式(5)中的单元方向图f(θ0，φ0)保持不变。相控阵天线在设计时为了保证天线的大角度扫描性能，单元方向图一般具备较宽的波束宽度。因此，式(5)在单元方向图的波束宽度内是可以表征式(4)的。

图2所示为波束指向θ0=0、φ0=0时式(4)与式(5)所得方位面方向图的比较。图中的实线和虚线分别代表式(4)和式(5)的结果。单元方向图f(θ，φ)=cos(θ)。两种方向图在 θ∈(-30°，30°)的区域内非常吻合。波束宽度、第一副瓣等辐射特性完全一致。但在θ∈(-30°，30°)的区域之外，由于缺少单元方向图的抑制作用，式(5)的副瓣要明显高于式(4)。

图2 天线方向图与扫描方向图的比较

式(4)和式(5)均未考虑在波束扫描过程中，单元互耦等其他因素对单元辐射特性造成的影响。即便如此，式(5)仍然具有参考意义和实际测试价值。由于在式(5)方向图的测试过程中，波束指向要扫过某一切面，因此称之为扫描方向图。

如图3所示，大型电扫相控阵雷达架设于山体A上。在选择远场测试场时，充分利用雷达所在位置的地理条件，在雷达前方距离超过Rmin的山体B上放置辅助天线。为了保证雷达的正常工作，辅助天线并未再架高。山体A、B之间有较深的沟壑，可有效避免多路径效应以及波束打地所造成的波瓣分裂等不利因素对测试精度的影响。

图3 大型电扫相控阵雷达天线的远场测试

2 中场测试

如前所述，距离超过Rmin为天线的辐射远场区，反之则称为辐射近场区。在辐射近场区内，将距离天线数十个波长之外的区域称为辐射中场区，在该区域中，对于单个天线单元来说是辐射远场区，而对于整个相控阵天线来说则仍是辐射近场区。

中场测试是将辅助天线置于天线的辐射中场区从而进行天线方向图的测试。文献［4-5］总结中场测试和远场测试的区别在于:由于天线单元不是各向同性的辐射器，观测点不是处于辐射远场区，因此，每个天线单元的幅度方向图和相位方向图在观测点的叠加角度都不一样，并且存在相位程差。而当观测点位于辐射远场区时，天线的单元方向图基本在同一角度叠加，相位程差可以忽略不计。

中场测试的相位程差可以通过辅助天线和阵面之间的坐标标定计算出的实际几何程差进行扣除。为了提高测试精度，需要对天线单元的幅度和相位方向图的差异进行修正。如果修正非常困难，可以通过选择适当的辅助天线的位置［6］，使辅助天线相对于阵面每个天线单元的夹角变化在一个比较小的角度内，在这个角度范围内天线单元方向图变化不大，从而可以忽略方向图的差异，使测试精度满足要求。

由于被测天线和辅助天线均固定，因此所测方向图是空间程差补偿后的扫描方向图。

如图4所示，大型相控阵雷达采用中场测试法测试天线方向图。辅助天线放置于阵面前方的测试塔上。测试塔采用升降式。辅助天线与阵面的几何位置关系经过标定。根据标定结果计算空间程差并由系统进行补偿。辅助天线位于天线中心的(θ0，φ0)(大地坐标)方向上。方位方向图测试时，波束的俯仰指向φ，固定于 φ0，方位指向 θ，从-60°扫描至 60°;俯仰方向图测试时，波束的方位指向θ，固定于θ0，俯仰指向φ 从-2°扫描至60°。

图4 大型电扫相控阵雷达天线的中场测试

图5和图6为方位面和俯仰面的扫描方图。对于副瓣低于-30 dB的波束性能，方位方向图测试完全满足测试需求。俯仰方向图的测试精度稍差，但是对于0°～60°的区域，所得测试结果接近-30 dB。波束宽度也与理论设计非常吻合。

图5 中场测试扫描方向图(方位面)

图6 中场测试扫描方向图(俯仰面)

3 结束语

扫描方向图是利用电扫相控阵波束捷变的特点而形成的方向图。它准确地表征了天线的辐射特性，是对天线方向图很好的近似。扫描方向图的测试方便快捷，受干扰因素较少。本文结合了多个大型相控阵雷达的工程研制经验，成功地将扫描方向图测试应用到了远场和中场测试中，提高了测试效率和精度，为大型电扫相控阵雷达天线的方向图测试提供了依据。

［1］ 束咸荣，何炳发，高 铁.相控阵雷达天线［M］.北京:国防工业出版社，2007.Shu Xianrong，He Bingfa，Gao Tie.Phased array radar antennas［M］.Beijing:National Defense Industry Press，2007.

［2］ Newell A C.Error analysis techniques for planar near-field measurements［J］.IEEE Transactions on Antennas and Propagtaion，1998，36(6):754-768.

［3］ 阮颖铮.天线方向图的中场测量和远场变换［J］.电子科技大学学报，1992，21(4):352-357.Ruan Yingzheng.Middle field measurement and far field transformation by complex ray expansion［J］.Journal of UEST of China，1992，21(4):352-357.

［4］ 牛宝君.大型相控阵外监测系统［J］.现代雷达，1999，21(1):53-57.Niu Baojun.Outer surveillance system for large phased array［J］.Modern Radar，1999，21(1):53-57.

［5］ 李 迪，王 华.中场测量相控阵扫描方向图的方法研究［J］.现代雷达，2006，27(7):48-50.Li Di，Wang Hua.Research of a measurement technique for phased array scan pattern in intermediate range［J］.Modern Radar，2006，27(7):48-50.

［6］ Kojima N，Shiramatsu K，Chiba I，et al.Measurement and evaluation technique for an airborne active phased array antenna［C］//IEEE International Symposium on Phased Array System and Technology.［S.l.］:IEEE Press，1996:231-236.