一种基于平面近场测量的线阵天线快速检测方法研究

陈晓昕,石　磊,肖　鸿

(中国船舶重工集团公司第七二四研究所,南京 211153)

一种基于平面近场测量的线阵天线快速检测方法研究

陈晓昕,石磊,肖鸿

(中国船舶重工集团公司第七二四研究所,南京 211153)

摘要：讨论了平面近场测量中的参数设置,结合平面近场测量理论和阵列天线理论提出一种快速线阵天线检测方法,实测表明此方法简单易行,可靠高效。

关键词:相控阵雷达；阵列天线；平面近场测量

0引言

随着各种通信技术及相关军事需求的发展,相控阵雷达的应用日益广泛。有效作用距离远、多目标跟踪等功能决定了天线的孔径越来越大。构成天线阵列的单元越来越多。如何快速有效地检测出一致性较差的阵元变得尤为重要。相比于传统的远场天线性能测试,暗室近场测量因测试精度高、消除了远场尺寸的限制、测试环境可控、不受天气因素影响、一次测量可以获得天线完整的远场信息且能全天候工作等优势得以广泛应用。然而,近场测试最大的弊端在于一次测量耗时长,要全部测试完并计算后才能获得最终结果。这对于构成大规模天线阵阵元的远场性能检测构成了极大的障碍。本文以一维等间距线性天线阵为例结合平面近场测量理论、阵列天线理论等提出一种快速检测方法,极大地提高了测试的时间效率。

1平面近场测量的基本原理

平面近场测量就是用一个特性已知的探头在离开待测天线几个波长(一般3～10个波长)的某一平面上进行扫描,测量天线在该平面上电磁场的幅度和相位分布,再通过严格的数学变换来确定天线的远场特性。该方法的基本思想是把待测天线在空间建立的场展开成平面波函数之和,展开式的加权函数包含着远场图的完整信息,根据近场测量数据算出加权函数(通过二维傅里叶变换实现),进而确定天线的远场方向图。

依据电磁场理论,在均匀、无源区域内,空间任意一个时谐电磁场都可以表示成沿各个不同方向传播的一系列平面电磁波之和,其一般解为

(1)

(2)

假设在z=d的平面上(d为常数)电场的横向分量可以测量得到,其表达式为

(3)

2一种简易近远场变换方法

文献[3]依据经典电磁场理论的惠更斯-基尔霍夫原理、等效原理结合已经成熟的阵列天线理论提出一种简单易行的近远场变换方法:

在平面近场测量中,一般以待测天线作为发射天线,即辐射体。假设此辐射体被一封闭表面包围,根据惠更斯-基尔霍夫原理和等效原理,则天线的远区辐射场可看作是该封闭表面上的等效切向电磁场或等效表面电磁流产生的。如能测得这个表面上的切向电场或者说是表面电流,即可获得天线远场的电磁特性。

如图1所示,假设此封闭面为S1+S2,其中S2是位于待测天线最大辐射方向上、平行于天线口径面的一个有限面积的矩形平面。对于有一定方向性的天线来说,只要S2 选的足够大,即可认为待测天线在这个封闭面上激励的电磁场或表面电磁流只在S2 部分存在,而在S1 部分可以忽略不计。结合平面近场测试理论,用测试探头在S2上扫描取样,从而获得在确定采样点上的表面电流或表面电磁流(取决于所用是电场探头还是磁场探头)。这相当于在S2平面上以采样点上的电流源为组阵单元排成了一部阵列天线,待测天线在空间任一点的远区辐射场等效为此阵列天线在空间任一点的远区辐射场。

图1　包围待测天线封闭面的示意图

由此,可以很方便地应用平面阵列天线辐射理论中的许多成熟结论,近远场变换已经等效为根据确定的单元激励和单元位置关系求解阵列天线辐射场。设扫描平面位于XOY平面,XY方向取样间隔分别为dxdy,取样点数为MN,则待测天线的远区辐射场方向图函数可以表示为[2]

(4)

式中ømn分别为(m,n)取样点处等效表面电流源的幅度和相位。

采用由成都市气象局与成都市勘测设计研究院合作建立的地基GPS/MET网所提供观测资料,使用美国麻省理工学院实验室开发的 GAMIT10.4 软件对成都市地基 GPS/MET网的观测资料进行大气总延迟量解算。同时,综合考虑本地站的位置特点以及对联合解算时站点的远近要求,解算时加入长基线IGS站两个,分别为北京房山站和上海站。本地地基GPS站采用的是大邑站、成都站、蒲江站、龙泉驿站以及金堂站,其中地基GPS站具体地理分布如图2所示。本文主要以2008年9月23—26日发生降水较明显的成都市区和蒲江县为例进行可降水量分析。

当平面近场测试扫描的是一条直线时,此阵列等效为一维直线阵,在φ=0的平面式(4)可简化为

(5)

3扫描配置设定

扫描配置设定包括如下内容:测试探头到天线口径面的距离、扫描范围、取样间隔以及扫描方式。

一般扫描方式多选择双向连续扫描,但单向扫描可以克服双向扫描的取样位置偏差。对于测试精度要求很高以及高频待测天线可采用单向连续扫描或步进扫描方式。当取样步长很小时还需适当降低扫描速度以减少测试误差。这里扫描范围和取样间隔的大小直接决定了测试的时间效率(测试时间和计算时间)。

由取样Nyquist定理可知,取样间隔应小于频带范围内最小半波长[1]。也有文献提出若只关心有限角度范围内的特性,如窄波束天线,采样间隔可以适当增大,进而节省测试及数据处理时间[1,3]。

设待测天线口径长度A,最大可信远场角θs(即最大可信角域为(-θs,θs)),天线口径面与扫描面之间的距离D,扫描范围L,如图2 所示。它们之间的关系如下:

(6)

图2　天线口径扫描范围的约束关系

为了保证测试精度,所选扫描面尺寸应满足如下关系式:

L≥A+2Dtanθs

(7)

这便是扫描范围的选择原则:L必须使确定远场方向图的适用角域满足实际要求,同时测量面的大小应保证边缘处的电平已经足够低。一般选择测量面截断处的场比中心部位的低30～40dB(超低副瓣天线则更低)。这要结合测量系统的动态范围及所要求的预计远场方向图的范围和精度。实际测试过程中,多是两种方式相结合选择扫描范围相对较小的一种。

这里D一般取3～10个波长[1]。相同θs和取样间隔条件下,D越大则扫描范围越大测试时间越长,数据量越大进而增加了计算时间。文献[2]中提到阵列天线的平面近场测量D通常选2～3个波长,相应的典型取样间隔为λ/3。如果采用电大尺寸探头,则测量距离需选择的较大,而且在平面近场测量条件下仅能测量主瓣附近的波瓣特性。笔者实测经验:考虑到探头与天线之间的互耦效应以及测试时间,一般D选4～5个波长,取样间距≤0.5 λmin。

4应用

4.1　方法提出

对于应用在大型阵列天线作为子阵的一维线性阵天线,更多被关心的是它在某个切面上的远场特性。为了快速有效地实现直线阵筛选,本文结合上文快速算法提出通过减小不关注方向的扫描范围,提高取样间隔的扫描方式缩短测试、计算时间。实测结果与预期相符。具体设置如下:

(1) 缩小扫描范围

探头到天线的距离选3～5个波长。在所关心的沿线阵方向上,设定扫描范围满足公式(7)以及中心到边缘能量降低30～40dB规则。垂直方向不严格遵从上述设定扫描范围原则,缩小测试范围。取样间距在0.5λmin附近。在同等测试条件下测试各线性阵远场性能(系统测试误差相同),节约测试时间。

(2) 进一步缩短扫描时间

在测试条件允许的情况下,将测试探头尽可能靠近被测天线。在正对构成线性阵的天线单元处采集电磁场的幅相数据,应用公式(4)计算远场向图。这种测试方法充分利用了阵列天线阵元间距≥1/2λ,并忽略了覆盖范围可信角θs直接对天线阵元口面进行测试,从而缩短了测试时间。

4.2　实测检验

(1) 传统扫描范围设置测试与单行线扫描测试结果比较

图3给出了一个由8根72单元等间距直线阵构成的天线面阵,在探头距离为4.7λ时,几种不同扫描配置下获得的远场方向图(MIT专业软件计算):满足传统扫描范围、取样间隔配置；满足传统扫描范围设置,取样间隔大于 0.5λ；沿直线阵方向扫描范围满足传统设置取样间隔大于0.5λ,仅扫描一行。由图可见,前两种扫描方式的测试结果相当,1行线扫描副瓣略有起伏但已在40dB以下。可见,在测试精度要求不严格的情况下,适当扩大取样间隔的条件下,仅对中间直线阵扫描一行,就足以表现整体特性,极大地缩短了测试时间。在保证外围直线阵元不变即在同样测试背景下,更换中心行直线阵,比较单行扫描结果即可实现直线阵筛选。

图3　8根72单元直线阵构成面阵沿线阵

(2) 简易近远场变换方法应用

下文以一48单元等间距一维线阵天线为例,给出了传统计算方法(MIT专业软件计算)和简易近远场变换方法在几种不同扫描配置下的计算结果比较。天线阵沿X轴放置,扫描平面位于XOY平面。几种扫描设置见表1,其中近距离1行扫描模式中,探头沿直线阵中心扫描在正对阵元位置采集数据。

表1　扫描范围设置

表2给出了这几种扫描方式实测时间,测试时间比约为3∶4∶9∶12。这里测试时间为一次测试的起止时间,因包括测试参数配置、系统启动和停止等,所以1行、5行、7行扫描耗时不是严格的1∶5∶7关系。

扫描分类探头距离DX轴方向采样点数采样间隔极限角Y轴方向采样点数采样间隔极限角近距离1行扫描0.18λ480.79λ/10/1行扫描4.4λ920.48λ56°10/5行扫描4.4λ920.48λ56°50.48λ13°7行扫描4.4λ920.48λ56°70.48λ20°

表2　测试时间

表3给出了分别采用MIT专业软件和文中公式(4)简易近远场变换计算的几种扫描模式下天线方位面的远场参数,可见两种计算方法结果相当。

扫描分类测试时间(min)近单元测试1.51行扫描2.05行扫描4.57行扫描6.0

表3　两种计算方法结果比较

图4给出了该一维线性阵天线在几种不同扫描方式下方位面远场方向图,采用公式(4)的简易近远场变换方式计算。由图4结合表3可见,在确保沿直线阵方向扫描范围满足传统设置要求的前提下,1行扫描足以表征该直线阵性能。在测试精度要求不是很严格的情况下,进一步缩小测试探头和待测天线的距离直接对构成直线阵的阵元采集数据,在比较近场口面数据作阵元诊断的同时也可获得该天线的远场性能,测试时间进一步缩短。

图4　采用简易近远场变换计算的远场方向图

综上所见,在对大批量一维线性阵天线性能检测时,适当减少扫描范围,提高采样间距,可以在一定误差范围内快速测量该天线阵性能,极大地缩短测试时间,提高测试效率。对于其他类似模式的线性天线阵列,当只关心某个方向上的远场性能时,均可采取此种方法测试。需要说明的是:近单元测试方法忽略了探头本身电性能对测试结果的影响,以及可能未完全衰减为零的凋落波的影响,在精度要求不高的情况下可以使用,由其近场实测的幅相数据也可以发现异常阵元；在有一定测试精度要求的情况下,采用方式(1)模式,扫描一行,满足近场测试对探头距离要求的同时保证某一测试方向符合近场测试范围的要求,也可快速有效地获得线阵远场特性,实现子阵筛选功能。

5结束语

本文在平面近场测量理论的基础上结合经典电磁场理论和阵列天线理论,提出一种对一维线性天线阵性能的快速检测方法。实测表明在所关注的有限角度范围内,获得的某个方向的方向图与传统平面近场测量结果相符,极大地缩短了测试时间,提高了测试的时间效率。

参考文献:

[1]毛乃宏,俱新德,等.天线测量手册 [M].北京:国防工业出版社,1987.

[2]束咸荣,何炳发,高铁,等.相控阵雷达天线[M].北京:国防工业出版社,2007.

[3]薛正辉,高本庆,刘瑞祥,等.天线平面近场测量中一种近远场变换方法研究[J].微波学报,2001,17(1):18-25.

[4]Dan Slater.Near-field antenna measurements[M].Artech House Publishers,1991.

A fast linear array antenna detection method based on

planar near-field measurement

CHEN Xiao-xin, SHI Lei, XIAO Hong

(No. 724 Research Institute of CSIC, Nanjing 211153)

Abstract:The parameter setting for the planar near-field measurement is discussed, and a fast linear array antenna detection method is proposed based on the theory of the planar near-field measurement and the array antenna. The test results indicate that this method is simple, reliable and highly efficient.

Keywords:phased array radar; array antenna; planar near-field measurement

中图分类号:TN821.8

文献标志码:A

文章编号:1009-0401(2015)04-0050-04

作者简介:陈晓昕(1974-),女,工程师,硕士,研究方向:天线测量；石磊(1983-),男,工程师,硕士,研究方向:天馈线设计；肖鸿(1984-),男,工程师,硕士,研究方向:天线系统设计。

收稿日期:2015-04-28；修回日期:2015-05-27