一种相控阵天线小面阵波束评估方法

王　海，韩国栋，张领飞，武　伟

(中国电子科技集团公司第五十四研究所，河北 石家庄 050081)



一种相控阵天线小面阵波束评估方法

王海，韩国栋，张领飞，武伟

(中国电子科技集团公司第五十四研究所，河北 石家庄 050081)

摘要：大规模相控阵天线的综合问题是相控阵天线领域的技术难点，引入了一种实物测试与理论推导相结合的评估方法，通过分析小型阵列的方向图特性以评估大型阵列辐射性能。选取合适的小面阵规模，对阵中单元的方向图指标进行分析，通过仿真和测试的方法得到小型阵列的方向图特性，并借此通过理论推导的方法对大型阵列的辐射模式进行分析，快速便捷地得出其辐射特性。提出了小面阵试验应具备的硬件条件及测试方法，通过实物样机进行了测试验证。

关键词：相控阵天线；方向图；小面阵试验

0引言

在通信、雷达等系统，相控阵天线性能受天线单元性能的影响较大，单元的波束性能严重影响阵面的扫描特性。为评估阵面的波束性能，国内外学者研究了多种方法[1]。一般分为以下几种方式：① 全波仿真法[2]，这非常依赖于计算机的性能。② 实物测试，有利于对实际的阵面性能全面了解，但这成本太高，一旦设计出现偏差，将会带来大的损失[3]。③ 小样机测试法，将一定规模的小面阵和馈电网络、有源器件加工测试，可大幅降低前面所述对大型阵面加工的难度，但仍会增加对有源器件和模块的依赖，制作复杂，成本较高[4]。

为避免上述技术中的不足，本文提出一种只制作无源小面阵，即只有天线单元，不需要馈电网络、有源射频器件等设备，通过单元测试与理论推导相结合的方式即可快速准确地得出大型阵列波束性能的方法[5]，该方法具有成本低，高效率，不受元器件限制等优点，具有很高的工程应用价值[6]。

1小面阵波束评估步骤

利用一种单元形式和单元排布、间距与大型阵面相同的小面阵，测试小面阵中每个单元的波瓣形状，利用阵因子原理对测试所得的单元波瓣进行合成，通过评估小面阵的波束性能推算大型阵面的波束性能[7-8]。该方法在显著减少测试复杂度的同时，提高了相控阵天线整机验证的速度，在小样本情况下可获得很好的波束测评效果。

1.1硬件平台建设

首先将小面阵设计好，并加工完成，在没有整个阵面馈电网络的情况，利用天线的远场测试条件，逐一测试阵面中每一个单元的波瓣图[9]，测试框图如图1所示，其中，发射喇叭连接信号源的输出端，作为信号激励，待测天线架设在转台上，对信号进行接收，并通过计算机控制转台转动，以测试方向图，接收的信号连接至频谱仪[10]，测试范围可以按照设计的要求自由选定，可根据测试范围，对单元的相位进行补偿[11]，如图2 。

图1　测试框图

图2　单元波瓣相位补偿

在测试过程中，其余单元接负载，待测单元将接收的信号经过放大器后收到矢网中，并通过计算机将测试结果保存下来，里面含有波瓣的角度、幅度和相位信息。

假定，第(n,m)个单元在测试角度(Φ1,Φ2)内的电场信号为：

Enm=AnmejΦnm，

1.2波束评估方法

在采集天线单元波瓣特性的过程中，需要借助天线转台的帮助方可将大部分空间中的波瓣幅相特性采集到，由于每一个单元相对于转台转轴轴线的相对位置不同，如图2所示，因此在采集的相位特性的基础上还需要弥补其带来的相位差。在阵列中心的单元距离馈源的位置始终保持不变，为L，而其余的单元则会随着转台的转动角度的变化，距离馈源的位置发生一定的偏移，这个偏移对于符合远场条件的幅度信息影响不大，但是对于单元的相位会产生较大的影响[12]。

分为2种情况讨论，即根据在阵面转动到不同区域的相位关系不同，既定转动区域分为I区和II区。

在I区，假定观察第(i,j)个单元，当小面阵正对馈源时，其到馈源的距离为S，当阵列转到一定角度θ″时，其对应的距离应该为：

此时该单元与中心单元的相位差可以表示为：

在Ⅱ区，由于阵面转动角度的关系，单元对应的距离为：

该单元与中心单元的相位差同样可以表示为：

故相对于中心单元，第(n,m)个单元的电场表达式即为：

Enm=A00ej(Φ00-ΔΦnm)，

式中，A00为中心单元的幅度向量，Φ00为中心单元的相位向量。

通过以上方法对整个小面阵中所有的单元进行方向图测试，并按照上述进行补偿。此时小面阵的波束合成方向图即可表示为：

如果要观察小面阵波束合成以后的扫描性能，只要在上述表达式中加入一定的相位关系即可。

上述过程即得出了小面阵的波束性能，观察该波束即可评估出最终阵面的波束性能，只要观察波束扫描以后的性能下降情况，以及是否会出现扫描盲点等。

2试验验证

为了充分评估天线单元以及天线阵列的特性，考虑在无源馈电时，各个分系统的性能，对整体阵面进行初步的性能评估，拟采用小面阵实验的方法进行综合验证。

2.1样机加工

采用的阵面规模为4×16的一维相扫波导阵列，如图3所示。该波导阵面为所要设计的相控阵阵面的1/6，原阵面总规模为12×32的单元排布。在该试验件中，天线单元每行按照倾斜排列，并带有馈电网络，接口关系均为非标双通道扁波导形式。

图3　小面阵4×16试验件

2.2波束测试

按照上节的方法进行单元波束性能测试，在测试中，首先选取待测阵中单元，将不测试单元的后端连接负载。测试环境为暗室，信号由发射喇叭发射待测极化的信号，并设置频率，由待测单元接收信号，测试实物图如图 4所示。

图 4　测试实物图

2.3结果对比

由于天线转台为方位面转动，将天线阵面竖起，此时单元垂直极化的电场分量平行地面，而发射喇叭的摆放同样满足电场分量平行于地面，测试的是垂直极化的主极化分量。从测试结果看，天线单元的波瓣方向图与仿真值吻合得较好，波束指向的偏移也在预期的范围之内，即小于10°，在不同频点的波束图如图 5所示。

图5　单元的方向图

根据前面测试的单元方向图，以阵中单元为单元因子，带入到阵列的合成中，得出了阵面合成以后的方向图。考虑到阵列合成后性能，现将天线单元的方向图进行提取，并将其带入到阵面中，分析天线阵面的波束性能，整阵波束如图6和图7所示。

图 6　阵列法向归一化方向图

图7　阵列扫描后归一化方向图(扫描20°)

从测试结果与理论结合的仿真结果看，与仿真的结果吻合度较高，说明了研究方法的可信性，为后续类似的研究提供了有效的手段。

3结束语

为获取大型相控阵天线的辐射特性通常需要在大型测试场，并辅以大量的设备以及电磁兼容性较好的外部条件，这对于成本开销具有较高的要求。为了降低其测试成本，并获得较高的数据参考性，本文提出了一种利用小面阵的天线特性获得大型阵面辐射特性的方法，并就其中细节进行了探讨，最后给出了其所需的技术条件和要求，对于实际工程应用具有较高的参考价值。

参考文献

[1]孟明霞，丁晓磊，丁克乾，等.低副瓣有源相控阵天线测试方法研究[J].遥感遥测，2011，32(4)：55-60.

[2]郝青儒.有源多波束天线方向图测试方法研究[J].无线电通信技术，2008，34(5)：39-42.

[3]沈先军.平面近场测试系统在天线测试和诊断中的应用[J].现代电子，2002，79(2)：21-24.

[4]李为玉.有源相控阵天线发射方向图测试简易方法[J].现代电子技术，2012，35(5)：95-96.

[5]万瑾芳，张志敏.基于GPIB的有源相控阵天线自动测试系统[J].科学技术与工程，2009,9(13):102-104.

[6]问建，侯民胜.天线方向图自动测试系统的设计[J].电子工程师，2007，33(7)：56-58.

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[8]曹俊锋，倪向东.有源相控阵雷达天线测试实现与优化[J].火控雷达技术，2015，44(1)：99-102.

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[10]孙永江,于建成,鲁新龙,等.测控天线方向图测试系统研究[J].无线电工程,2013,43(7):58-60.

[11]SarabandiK,UlabyFT.AConvenientTechniqueforPolarimetricCalibrationofSingle-antennaRadarSystems[J],IEEETransactiononGeoscienceandRemoteSensing,1990,28(6):1022-1033.

[12]尹继凯,蔚保国,徐文娟.数字多波束天线的校准测试方法[J].无线电工程,2012,42(2):42-45.

An Evaluation Method of Small-scale Array Beam of Phased Array Antenna

WANG Hai,HAN Guo-dong,ZHANG Ling-fei,WU Wei

(The 54th Research Institute of CETC,Shijiazhuang Hebei 050081,China)

Abstract：The synthesis of large scale phased array antenna is a difficulty in phased array antenna field.An evaluation method of combining physical test with theoretical derivation is introduced to evaluate the radiation performance of large-scale array by analyzing the pattern characteristics of small-scale arrays.This paper selects the suitable small-scale array,analyzes the pattern specifications of array elements,and obtains the pattern characteristics of small-scale array by using simulation and test method.The radiation mode of large-scale array is analyzed by using theoretical derivation method to obtain hardily its radiation characteristics.The hardware requirement and test solution for small-scale array test are proposed.The test verification is performed with prototype.

Key words：phased array antenna;pattern;small-scale array test

中图分类号：TN82

文献标志码：A

文章编号：1003-3114(2016)03-66-4

作者简介：王海(1975—)，男，高级工程师，主要研究方向：微波暗室与天线测量。韩国栋(1980—)，男，博士后，高级工程师，主要研究方向：天线及电磁场。

收稿日期：2016-02-25

doi:10.3969/j.issn.1003-3114.2016.03.18

引用格式：王海，韩国栋，张领飞，等.一种相控阵天线小面阵波束评估方法[J].无线电通信技术,2016,42(3):66-69.