通用阵列天线性能测试平台

刘小飞，郭先松，康永飞，孙 磊

(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)(3. 成都亚光微波电路与系统研究所， 成都 610051)



·天馈伺系统·

通用阵列天线性能测试平台

刘小飞1，2，郭先松1，2，康永飞3，孙 磊1

(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)(3. 成都亚光微波电路与系统研究所， 成都 610051)

相控阵天线成为现代雷达的一个至关重要的关键技术和发展方向，而对相控阵天线的创新研究需求迫切，研制周期要求紧张，因此，开发一种通用的阵列天线性能测试平台对相控阵天线的研制具有高效的促进作用。文中首先论述阵列天线测试平台研制的必要性，继而介绍一种基于混频模式的适用于V波段、P波段、L频段的超宽带阵列天线测试平台，实际工程应用显示该超宽带测试平台大幅度提高了相控阵天线的测试评估效率，有效地促进了相关工程项目和创新课题的研究进展。

相控阵天线；宽带移相器；端射天线；有源网络

0 引 言

现代机载相控阵雷达[1]的相控阵天线设计涉及超宽带相控阵天线和端射阵天线两个关键技术问题。对于超宽带相控阵天线[2-3]，要求具有覆盖倍频程级的超宽带特性。另一方面，新一代机载探测系统要求的阵面规模较庞大，期望在保证宽带宽角的扫描特性之下，能实现小型化、低剖面、集成化等适装性结构要求。因此，在实际设计过程当中，需要探索新型的超宽带天线形式，对新型超宽带天线的辐射形式、工艺实现、性能特性进行反复研究、验证、评估。从而对测试验证过程的效率、准确性和功能提出了新要求：现有测试、调试方式多针对小规模子阵级别的辐射天线进行配置，新型超宽带相控阵天线要求覆盖多个倍频程级工作范围，高频段的波束扫描要求决定了天线阵的单元间距较小，而低频段验证的准确性又要求小面阵的口径很大，从而使得此时验证小面阵的单元规模数较大。采用传统的耦合法测试小面阵有源驻波的效率极为低下[4]，准确性差，且需要测试人员在测试过程中不断插拔接头，以10×10单元为例，需要插拔接头2×(10×10)2=20 000次，测试时间200 h，且需后续计算处理。因此，为了提高超宽带天线关键技术研究验证周期，提高效率和准确度，迫切需要超宽带测试验证平台的建立(建立平台后，10×10单元小面阵全阵测试时间缩小到8 h以内，并能实时获得测试结果)。其次，由于超宽带小面阵单元规模数较大，均为密布形式，进行方向图、波束扫描特性验证测试时，需要与阵面规模匹配的馈电网络、移相衰减通道、波束控制等模块，目前，在相应超宽带频段无此类测试设备，因此，需尽快建立适应于超宽带天线小面阵测试验证的平台，满足超宽带天线研究、验证、评估的需要，以支撑雷达总体方案的论证。

对于端射阵天线[5-6]，是目前机载、球载及其他特殊平台雷达探测的热点研究方向。未来多种形式的预警机、无人机、传感器飞机平台上相控阵天线的适装性和口径利用研究对端射阵天线提出了紧迫的需求。端射天线技术决定了未来部分机载雷达的工作形态和总体方案，需要加紧研究进度，以支撑论证决策。

传统相控阵雷达天线多采用口面天线作为阵列的辐射单元的侧射阵，其辐射方向垂直于阵列平面。天线的增益越高，所需要的阵列的口径面积就越大。因此，高增益的相控阵雷达的口径面积就相当巨大，并且一般位置固定。相比较于口径天线阵列，端射阵正是能够满足上述需求的一种阵列。由于端射阵最大辐射方向指向单元排列的轴向而不是法向，因此，在最大辐射方向上没有与方向性系数成正比例的口径尺寸，适合应用在需要较小风阻、较低安装高度的场合，特别是在各种高速移动载体。端射天线的研究、验证、评估同样对测试平台提出了不同于传统天线测试的要求：第一、端射天线特殊的辐射机制决定了天线阵中的辐射单元之间的耦合和信号传输与传统天线相异，采用传统的耦合法测试其有源驻波特性有可能与真实耦合特性不符，需在天线实际工作情况和环境下进行有源驻波测试和评估，这就需要建立相应规模的单通道幅度相位可控制网络平台，为端射天线的测试和评估提供条件。第二、对端射天线的辐射波瓣的评估是端射天线研究中至关重要的核心内容，目前的测试条件无法进行方向图性能验证，迫切需要建立一个测试平台，满足256点规模端射阵面的波束测试，对端射阵技术进行全面验证评估，充分释放该领域研究的技术风险。

基于上述的必要性，本文开发一种通用的相控阵天线网络测试平台，为了实现通用的特点，系统的带宽必须是能够覆盖多个频段的超宽带系统。本文第1节介绍超宽带实现的两种方案，针对不同方案进行了对比论述；第2节介绍所选择的方案的实施及测试工作流程；第3节在总结中指出实际工程应用显示该超宽带测试平台大幅度提高了相控阵天线的测试评估效率，有效地促进了相关工程项目和创新课题的研究进展。

1 超宽带相控阵天线测试平台

1.1 宽带方案

宽带方案采用传统网络方案，即通道中的器件、模块均采用与平台工作带宽一致的宽带器件，包括功分网络、移相器、衰减器、定向耦合器等。其特点是链路简单直观，设备量小，但是对器件的宽带特性要求特别高。方案采用的原理框图如图1所示，图中主要的模块包括16路移相衰减、电源控制分配模块、总功分网络模块以及256路信号输出电缆。

宽带方案中实现的难点是宽带移相器，成为宽带方案的制约因素。同时，由于多倍频程的超宽带要求使得宽带方案中的宽带功分网络的级数很多，所需的体积庞大。解决器件与超宽带特性之间的矛盾的方法之一就是进行带内分频，即将超宽带频段按照一定的规则划分为多个频段，在保证特定使用需求的基础上，合理划分频段使得每个频段的器件均能满足测试需求。同时，采用分频方式带来相应的成本问题。划分的频段越多，实际通道数越多，从而使得器件的使用量成倍增加，同时，需在输入分路端和输出合路处加入开关切换。

1.2 混频方案

混频方案采用在高频路进行移相衰减的方法，避免了链路中严格的宽带器件和模块的需求，其实现形式如图2所示。该种方案具有两种工作模式：一种为波束模式，即由频率源产生混频信号fb+(fl-fh)。经全阵面网络后输出到天线端，从而形成波束，天线扫描时，由移相器实现相位步进控制。另一种为驻波测试模式和通道校准模式，此时混频信号fb+(fl-fh)由外部输入的工作频段f1-fh和频率源产生的中频fb混频而得。

混频方案很好地避免了方案中实现的难点，采用上混频的方式将前端的工作频率提高到fb+(fl-fh)。此时，虽然同样实现fl-fh的绝对带宽，但其相对带宽缩小，从而使得器件的实现难度大幅缩小，同时，功放网络的体积也可大幅减小。

方案链路中通道间包含1分16功分器、放大器、滤波器、衰减器、移相器等多种模块，以及较长的测试电缆。为确保通道间的一致性，需要保证各模块的一致性要求，电缆进行等幅等相分配。

图2 混频方案原理框图

方案采用的是先将信号进行上变频，再将信号下变频还原输出。在此过程中，利用混频器的特性，将移相器作为窄带应用，改变下变频RF通道相位来改变IF输出信号的相位。该过程存在的问题在于如果混频器Lo～RF隔离度不够，会造成混频输出信号泄漏到Lo端，会再次进行混频输出，再次混频输出的无用信号有可能又落在有用信号内，因此，此处需要上变频的Lo～RF隔离度尽量大；其二，上变频后的放大器不能让上变频输出信号杂散恶化太多，即放大器的OIP3尽量高；第三，混频器都存在上变信号和下变信号，下变信号和本振信号与有用信号频率太近，若不进行抑制处理，无用信号会在下变频时严重干扰最终的信号还原。因此，此处要求进行上变信号的带通处理，在Lo处的抑制要求35 dB以上或者更佳。

2 基于混频方案的超宽带天线测试平台应用

我们开发的基于混频方案的超宽带相控阵天线测试平台如图3所示，由1个频率源机箱和16个通道机箱组成。

频率源机箱中包含了图3中所示的频率源模块、1∶2功分器、混频器、二切一开关、滤波器、1∶16功分器以及控制分配单元等。频率源机箱主要功能为：1)将输入信号fl-fh与fb(内部频率产生)进行上变频得fb+(fl-fh)，再通过放大滤波等处理，经过1分16功分器给16个通道机箱提供下变频本振信号； 2)内部产生的fb，通过二功分、滤波等处理后经1分16功分器给16个通道机箱提供下变频射频信号； 3)内部产生跳频信号fb+(fl-fh)，通过内部一分二开关与上变频所得信号进行选择使用； 4)接收16个通道机箱的耦合信号，并通过单刀16掷开关输出，检测16个通道机箱各通道是否输出正常； 5)包含总控制电路以及16个通道机箱的分配控制单元。

图3 超宽带相控阵天线测试平台

通道机箱中包含了图3中所示的16路fb信号功分器、16路fb+(fl-fh)信号功分器、16路混频器、移相器、衰减器、定性耦合器和1∶32开关。通道机箱的主要功能包括： 1)16个移相、下变频、衰减以及双定向耦合通道； 2)每个通道都使用频率源机箱提供的fb+(fl-fh)和fb信号进行下变频还原fl-fh，在过程中进行调幅、调相功能，再通过放大等措施保证通道输出功率要求； 3)每个通道都有两个耦合信号，通过单刀32掷开关最终送入到频率源机箱，再由频率源机箱上的相应接口输出； 4)包含控制模块，为通道机箱中16个通道提供移相器、衰减器、开关、放大器等提供电源和控制电平。

利用该平台，可以快速有效的评估待测天线阵面的基本性能，包括天线的无源驻波，有源扫描驻波，阵中单元方向图，阵列方向图，收发波瓣特性，等等。工作过程中根据测试项目的不同，控制不同的测试模式。比如在测试某点驻波时，首先，断开该点到天线的测试电缆，将平台链路的输出开关打到该点定向耦合器的隔离口，控制矢量网络分析仪归一化S11参数；然后，接上与天线之间的电缆，即可读出该点在频段内的驻波，通过对软件的循环控制，可以实现全扫描空域自动完成测试。

2.1 有源驻波测试

扫描驻波测试框图如图4所示。

图4 扫描驻波测试方法

扫描驻波测试时，测试网络作为阵列天线的有源网络，控制天线输入信号的幅度相位，以达到天线有源扫描的真实状态，移相器和衰减器的控制量即为天线修调和扫描时所需的相位幅度的控制量。此时，对某个待测天线单元端口的全反射信号和正常工作时的反射信号进行处理，既可以得到阵列天线的有源扫描驻波。其测试步骤如下：

1)波控对每一路输入的相位幅度控制均为0码时，测试每一待测端口的输入链路的幅度相位，并记录数据；

2)测试包含有定向耦合器的一路移相器输出端口的相位幅度，并结合1)中记录的各路幅度相位数据，对所有路的相位幅度配平；

3)将移相器输出端的除待测路的其他各路与阵面对应天线单元连接，而待测试单元中包含耦合器的该路断开，耦合器负载端接矢量网络分析仪，并对此时进行归一化，此时矢网测量打为S12的VSWR(2口接功分，1口接耦合器的负载端)；

4)将耦合器输出端接待测天线单元，此时矢网显示的数据即为天线有源驻波，波控控制波束扫描，分别测试天线不同扫描角度的扫描驻波，使用计算机进行采样和记录。

2.2 方向图测试

方向图测试框图如图5所示。

图5 方向图测试框图

方向图测试时，测试网络的工作状态与驻波测试时的工作状态类似，相位配平后进行天线的扫描、加权状态控制。输入信号由矢网1端口给出，经过测试网络分配，调幅调相后送至天线阵面，与驻波测试不同的是矢网2端口是和标准喇叭天线连接的。测试步骤如下：

1)在波控对每一路输入的相位幅度控制均为0码时，测试每一路端口的幅度相位，并记录数据，对所有路的相位幅度配平；

2)通过控制计算机对测试网络的状态、相移和衰减进行控制，使天线阵面工作在指定波段、制定扫描角度、制定加权的工作状态；

3)在控制软件上对矢量网络分析仪和伺服控制系统的工作参数进行配置，使矢网1端口发射相应的激励射频信号，伺服工作于一定的采样范围和位置，并配合发射和位移；

4)信号通过标准喇叭天线接收到矢网2端口，并在控制计算机中记录存储测试的天线近场数据；

5)对近场数据进行处理，获取天线的方向图性能。

3 结束语

相控阵天线成为现代雷达的一个至关重要的关键技术和发展方向，而对相控阵天线的创新研究需求迫切，研制周期要求紧张，因此，开发一种通用的相控阵天线性能测试平台对相控阵天线的研制具有高效的促进作用。本文论述了相控阵天线测试平台研制的必要性，介绍了一种基于混频模式的适用于V波段、P波段、L频段的超宽带阵列天线测试平台，实际工程应用显示该超宽带平台大幅度提高了相控阵天线的测试评估效率，有效地促进了相关工程项目和创新课题的研究进展。

[1] 张光义, 赵玉洁. 相控阵雷达技术[M]. 北京: 电子工业出版社, 2006. ZHANG Guangyi, ZHAO Yujie. Phased array radar technology[M]. Beijing: Publishing House of Electronics Industry, 2006.

[2] HOLTER H, CHIO T H, SCHAUBERT D H. Experimental results of 144-element dual-polarized endfire tapered-slot phased arrays[J]. IEEE Transactions on Antennas and Propagation, 2000(48): 1707-1718.

[3] REMEZ J, SEGAL A, SHANSI R. Dual-polarized wide-band widescan multi-beam antenna system from tapered slot-line elements array[J]. IEEE Antennas Wireless Propagation Letter, 2005(4): 293-296.

[4] 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, GAOTie. Phased array radar antennas[M]. Beijing: National Defence Industry Press, 2007.

[5] LEE J J, LIVINGSTION S W. Wideband end-fire array[R]. US patent. 5894288.

[6] WATRMAN T G. Horizontally polarized endfire array[R]. US patent. 6812893B2.

刘小飞 男，1981年生，博士，高级工程师。研究方向为相控阵天线与微波技术。

郭先松 男，1974年生，研究员级高级工程师。研究方向为超宽带相控阵天线设计、波导缝隙阵列天线设计等。

康永飞 男，1982年生，高级工程师。研究方向为微波毫米波器件和系统研究工作。

孙 磊 男，1974年生，研究员级高级工程师。研究方向为雷达天线电讯研究工作。

General Platform for Measurement of Array Antenna

LIU Xiaofei1,2，GUO Xiansong1,2，KANG Yongfei3，SUN Lei1

(1. Nanjing Research Institute of Electronics Technology, Nanjing 210039, China)(2. Science and Technology on Antenna and Microwave Laboratory, Nanjing 210039, China)(3. Chengdu YaGuang Microwave Circuit and System Institute, Chengdu 610051, China)

The phased array antenna becomes an important development area and key technique. The research requirement on phased array antenna is urgent and the developing period is frequently short. Therefore a general platform for Measurement of phased array antenna is required to promote the research on the phased array antenna. In this paper, the necessity of the measurement platform is analyzed, and then an ultra-wideband platform based on the mode of mixing frequency is introduced for V-band, P-band and L-band. The application of the platform indicates that it improves the efficiency of the research on the phased arrays. Thereby it promotes the related projects and creative proposal in this field.

phased array antenna; wideband phase shifter; end-fire antenna; active network

10.16592/ j.cnki.1004-7859.2016.03.013

刘小飞 Email：287419209@qq.com

2015-10-16

2015-12-18

TN911.7

A

1004-7859(2016)03-0061-04