大型固定式米波有源相控阵天线方向图测试方法

臧永东，张立新，金谋平，胡善祥，2（.中国电子科技集团公司第三十八研究所；2.孔径阵列和空间探测安徽省重点实验室，合肥 230088）



大型固定式米波有源相控阵天线方向图测试方法

臧永东1，张立新1，金谋平1，胡善祥1，2
（1.中国电子科技集团公司第三十八研究所；2.孔径阵列和空间探测安徽省重点实验室，合肥 230088）

摘 要：阐述了地面反射场法、波束扫描法、聚焦法的原理，给出了这三种方法相结合在固定式米波阵列天线的方向图测试中的应用实例，结果表明，该方法具有较高的测试精度，适合大型固定式米波阵列天线的方向图测试。

关键词：地面反射场法；波束扫描法；聚焦法；方向图测试

0　引言

天线测试是天线系统工程研制的重要环节之一，测试方法的选择是天线测试的核心问题，其决定了测试场地的选择、天线架设高度等。米波天线阵列频段低、尺寸、重量大，一般室内近场暗室无法满足测试要求，通常选择室外远场测试。室外远场测试方法包括等高场法、斜距场法等近似自由空间测试方法及地面反射场法［1］。近似自由空间测试方法的关键是控制地面反射场的影响，地面反射场法利用直射场与地面反射场的干涉方向图的第一瓣的最大值指向天线阵列口面中心，在天线阵列口面近似得到等幅同相入射场。

大型米波阵列天线的重量大，难架高，辅助天线波瓣宽，近似自由空间测试方法很难完全抑制地面反射波的影响，副瓣电平的测试精度不高；地面反射场法将天线阵列和辅助天线低架设在地面附近，在测试距离、场地的不平坦度、开阔度和周围无遮挡物等条件满足要求的条件下，调整架设高度，在天线阵列口面上形成满足测试精度要求的近似等幅同相的入射场，比较适合大型米波阵列天线。

固定式大型米波阵列天线难以架设在测试转台上。对相控阵来说，可利用相控阵波束扫描灵活的优点，采用波束扫描法进行波瓣测试。

大型米波阵列天线的远场距离可能很大，一般需要几百米，甚至数公里，标准的外场远场测试方法对测试场地尺寸的要求太高，给测试场地的选择带来困难。采用聚焦法测试相控阵方向图，测试距离可以缩小到天线阵列口径最大尺寸的几倍［2］。聚焦法通过补偿有限距离引起的口径相位差，使聚焦区测试的方向图等效为远场方向图。

1　测试方法基本原理

1.1地面反射场法

地面反射场法将待测天线阵列和辅助天线低架在地面附近，在测试距离、场地的不平坦度、开阔度和周围无遮挡物等条件满足要求的条件下，利用直射场和地面反射场的干涉方向图的第一个瓣照射待测天线阵列，在待测天线口面上形成满足测试精度要求的近似等幅同相的入射场。待测天线与辅助天线的几何关系如图1所示，0.25dB边缘锥削幅度要求待测天线架高hr≥3.3 D 。如果待测天线架高困难，通常要求hr≥2 D ，对应边缘锥削幅度1dB以下；辅助发射天线架高ht=λR 4 hr时，干涉波瓣第一个最大值照射待测天线口面中心［1］。

1.2波束扫描法

阵列天线波束扫描的基本原理是阵列波瓣在正弦空间的平移［3］［4］，但在角度空间，这种平移不是恒增益的。一方面，扫描状态下波束展宽导致阵列增益以cosθ变化；另一方面，不同扫描状态下阵中的有源单元方向图也发生变化。上述原因导致该方法测试的远场波瓣仅在主瓣附近区域与实际远场波瓣一致，远区副瓣有一定的误差。

波束扫描法的示意图如图2所示，将辅助天线固定于阵列天线前方的方位及俯仰角度为（α0，β0）的测试点，利用波束形成系统将阵列天线的主瓣最大值对准该辅助天线，控制天线波束在方位向-θ～+θ范围内以步进dθ扫描，记录扫描角θi对应的信号幅度Ai，即可得到波束指向角为（α0，β0）的方位面远场波瓣。以同样的方法控制天线波束在俯仰向扫描，即可得到波束指向角为（α0，β0）的俯仰面远场波瓣。

1.3聚焦法

聚焦法的基本原理是通过补偿有限距离引起的口径相位差使相控阵各单元到聚焦点，即辅助天线架设点的相位差等于扫描角对应的程差相位。这样，聚焦点的方向图等效于远场方向图。如图3所示，辅助天线架设在阵面前方，与阵面中心的距离为R。以阵面中心为原点，阵面为x-y平面，建立三维直角坐标系，辅助天线的坐标记为（xp， yp， zp），则辅助天线中心至第i 个天线单元中心的距离为

式中（xi， yi，zi）为第i个单元的中心坐标。

对于直达波，各单元的补偿相位为

式中ϕsi为第i个单元的扫描程差相位。

对于设计理想的地面反射场，反射和直射路径差近似等于λ/2［1］，为常数，因此仅针对直射波进行聚焦相位补偿即可满足相位误差要求。

2　实测结果与讨论

结合地面反射场法、波束扫描法、聚焦法对现有的一个口径尺寸12m×13.5m，单元数12×10的固定式米波阵列天线的方向图进行了测试，辅助天线架设在阵列的中场区，得到的方位和俯仰方向图分别如图4、图5所示。便于比较，图中给出了对应的理论方向图。可以看出，在方位方向图的主瓣区附近，测试值与理论值良好吻合，在大角度区域，该方法引入一定的测试误差；俯仰方向图的主瓣和上半空间副瓣的测试值与理论值良好吻合，下半空间副瓣受地面反射波影响较大。这些结果表明该方法具有较高的测试精度。

3　结语

本文阐述了地面反射场法、波束扫描法、聚焦法的原理，采用这三种方法相结合对现有的一个大型固定式米波阵列天线的方向图进行了测试，结果表明，该方法具有较高的测试精度，适合大型固定式米波阵列天线的方向图测试。

参考文献：

［1］ 毛乃宏，俱心德等.天线测量手册［M］.北京：国防工业出版社，1987.

［2］WANG Chao-Chi， WANG Chun-yang， ZHANG Jing-wei， et al. Focusing Technology of Phased Ar ray Antenna［C］，2nd International Symposium on Test and Measurement，1997.

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

［4］（美）美洛克斯等著.相控阵天线手册（第二版）［M］.电子工业出版社，2006.

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2016.13.257

作者简介：臧永东，男，工程师，研究方向：天线设计、相控阵天线系统等。