天线方向图测试中测试场性能综合评价方法的初步探讨

余庆丰，赖宇昕

（中国人民解放军总参谋部61764部队，海南 三亚 572000）

0 引 言

天线方向图是天线的辐射方向图的简称，是天线的辐射功率通量密度、场强、相位和极化等辐射参量随空间方向变化的图形表示。根据天线方向图的图形可确定天线的波瓣宽度、波束宽度、副瓣电平和方向系数等参数。方向图测试是卫星地面接收测控系统天线测试的重要内容之一。

方向图测试一般都采用高架天线测试场。该方法能有效抑制来自地面、环境等反射波对测量的影响，要求将发射天线架设在较高的塔上，一般为卫星地面站的标校塔，被测天线在卫星地面站塔基上。为取得良好的方向图测试结果，需要对测试场的性能做出适当的评价，以便发现测试场的不足和选择合适的测试场。目前，测试场的评价手段比较欠缺，因而研究测试场性能综合评价方法具有重要的现实意义。

1 测试场的作用

天线测试场是测量或鉴定天线的场所，是天线方向图测试不可或缺的组成部分[1]。测试场性能情况对天线方向图测试产生重要影响，不符合条件的测试场可能导致天线方向图测试不准确，难以取得可靠的测试结论。

天线测试场主要划分为电抗近场区、辐射近场区和辐射远场区，如图1所示。在辐射近场区，场的角分布与距离有关，天线各单元对观察点的贡献，其相对相位和相对幅度是离开天线距离的函数；在辐射远场区，角分布与距离无关[2]。卫星地面接收测控系统天线都工作于远场条件。因此，在远场条件下的天线方向图测试才具有实际意义。

图1 天线测试场的区域划分

2 测试场性能综合评价方法

2.1 基本假设

根据测试场在天线方向图测试中主要影响因素的特点，有以下假设：

（1）天线接收面为平面，遮挡天线接收面任意部位的单位面积对天线方向图测试的影响是一致的，忽略电磁波的衍射和天线在方向图测试过程中的转动带来的影响。

（2）测试路径上的电磁环境是稳定不变的。

（3）不考虑地球曲率的影响。

2.2 综合评价模型

天线方向图测试中测试场性能的影响因素较多，仅用单项指标难以客观地反映测试场性能情况，可将层次分析法运用于测试场性能综合评价中。以测试场性能综合评价指数Q作为总指标，以远场条件A1、系统内干扰A2及系统外干扰A3作为一级指标，以测试距离B1、发射天线架设高度B2、测试场遮挡B3及发射场电磁环境B4作为二级指标，以各个标校塔作为方案层，建立层次结构分析模型，如图2所示。

2.3 A-B单项评价参数

2.3.1 远场条件评价参数。如果测试距离达不到远场条件而处于近场环境中，直接测得的结果肯定会有不小的误差，因为在近场区域，天线方向图不但与角度有关，还与距离有关，不同的距离，其天线方向图不同。为得到较为理想的待测天线远场方向图参数，发射天线与被测天线之间的距离应满足[3]：

图2 天线测试场性能综合评价体系

其中，R为收、发天线之间的距离，D为待测天线的直径，d为发射天线直径，λ为工作波长。

由于卫星地面站天线测试中所用发射天线均为小口径喇叭天线，因而d可忽略， （1）式可简化为：

由（2）式可知，随着工作频率的增长，测试中所需的收、发天线之间的最小距离也在增大。同时，在指定测试频率下，远场条件满足一定距离即可，因而评价参数存在最大值为1，即：

其中，IA1为远场条件评价参数，IB1为测试距离评价参数，Ri为测试距离，Rmin为理论上应满足的最小测试距离。

2.3.2 系统内干扰评价参数。

（1）发射天线架设高度评价参数。远场条件下，为减少地面反射引起的干扰，发射天线口面中心距离地面的高度h应满足[4]：

其中θ0.5为被测天线主波束半功率点宽度，θ0.5=

由（4）式可看出，随着频率的增高，测试距离随之增大，但发射天线架设高度并不呈现线性增长的关系，这是由于被测天线的半功率波束宽度θ0.5随着频率的增高而变窄。同时，在指定测试频率下，发射天线架设高度满足一定高度即可，因而评价参数存在最大值为1，即：

其中，IB2为发射天线架设高度评价参数，hi为测试距离，hmin为理论上应满足的最小发射天线架设高度。

（2）测试场遮挡评价参数。天线方向图测试要求尽量在一个自由空间测试场，收、发天线之间存在一条无遮挡或低遮挡的测试路径。这就要求测试场应为开阔的场地，避免出现大的障碍物遮挡。为定量分析测试场的遮挡情况，使接收天线对准发射天线，在发射天线处设置望远镜，观察接收天线的遮挡情况，并拍下照片，进行遮挡情况分析。接收天线的接收面被遮挡的面积越大，测试场的遮挡情况越差。当遮挡的面积达到一定的比例时，测试得到的天线方向图难以成形。因此，可定义测试场遮挡评价参数为：

其中，IB3为测试场遮挡评价参数，S遮为测试场遮挡面积，S收为接收天线接收面的面积。

（3）系统内干扰评价参数。建立两两比较矩阵，结果见表1。

表1 两两比较矩阵A2-B

由表1可确定权重向量为（0.25 0.75）T，即：

结合（5）、 （6）式可得：

2.3.3 系统外干扰评价参数。为尽可能降低对测试的影响，提高测试精度，要求测试场不能有影响测试的电磁信号的干扰。电磁环境较为复杂，对天线方向图测试产生影响的只是电磁环境中的特定频率，对测试没有影响的频率无需考虑。

发射天线未发信号时，接收下变频器输出信号的底噪主要由信道噪声和环境噪声构成。信道噪声与信道设备有关，一般变化不大，因而接收下变频器输出信号的底噪间接反映了环境噪声对测试的不利影响。同时，为取得归一化结果，定义系统外干扰评价参数为：频器底噪，包括信道噪声和环境噪声。环境噪声影响越小，则IA3越趋向于1，反之则趋向于0。

2.4 综合评价指数Q

在综合多种评价指标时，以权值反映不同评价因子对评价对象的重要程度[5-6]。考虑到系统外干扰仅对特定频率的测试有一定影响，而且通过提高发射功率，增加接收天线的衰减值，可达到抑制干扰的目的，因而将系统外干扰的权重定为最低；即使不满足远场条件，也可通过一定的变化、运算及修正，由近场测试、紧缩场测试等得到等效远场测试方向图，因而将远场条件的权重定为中等；系统内干扰主要由测试场设计条件决定，对各个测试频率都有不同程度的影响，因而将系统内干扰的权重定为最大。

建立两两比较矩阵，结果见表2。

表2 两两比较矩阵Q-A

其中，IA3为系统外干扰评价参数；IB4为电磁环境评价参数；δ天为天线对天时下变频器底噪，主要由信道噪声引起；δ测为天线方向图测试条件下下变

由Matlab软件可求得比较矩阵最大特征值λmax=3.0037，对应的特征向量ω=（0.3288 0.9281 0.1747）T。将该特征向量归一化，得到权重向量ω0=（0.2297 0.6483 0.1220）T。

为验证比较矩阵的可信度，进行一致性检验[5]：

计算一致性指标为：

查找相应的平均随机一致性指标R.I.，得到三阶R.I.=0.52，计算一致性比率为：

由C.R.的值说明比较矩阵的不一致程度是可接受的。因此，可确定归一化权重向量ω0可用（见表3）。

表3 评价指标Q权重

评价指数Q的计算公式为：

其中，IA1, IA2, IA3分别为远场条件、系统内干扰和系统外干扰等一级指标的单项评价参数。

综合（3）、 （8）、 （9）、 （12）式可得：

3 测 试

3.1 测试场情况说明

某卫星地面测控站需要进行天线方向图测试，现有测试场1和测试场2。为在测试中取得良好的天线方向图，需要选择一个适当的测试场进行天线方向图测试。测试场的参数见表4。

表4 测试场的参数

3.2 测试场性能综合评价方法

测试场在不同频率下的评价情况有所不同。在某个频点下，测试场1的综合性能可能比测试场2优；而在另一个频点下，测试场1的综合性能可能比测试场2劣。这主要是由于不同频率的测试要求不同造成的。为体现这种差异，选取S波段、C波段及X波段中的三个频点作为评价目标进行评价。不同频率和不同测试场下底噪测试结果见表5。

表5 不同频率和不同测试场下底噪测试结果 dBm

由（2）、 （4）式可求得理论最小测试距离和理论发射天线最小架设高度（见表6）。

将表4～表6的数据代入（13）式中，可求得天线方向图测试中测试场性能综合评价指数Q（见表7）。

表6 理论最小测试距离和理论发射天线最小架设高度

表7 天线方向图测试中测试场性能综合评价指数Q

3.3 评价情况分析与总结

由表7可知，测试场2在S波段、C波段及X波段中的综合评价指数均比测试场1的综合评价指数高。为更直观地体现评价的可信度，分别在测试场1和测试场2中对测试频点3GHz、10GHz进行天线方向图测试，结果如图3～图4所示。

由图3可知，测试场1的3GHz天线方向图测试结果明显不如测试场2的测试结果；由图4可知，测试场1的10GHz天线方向图测试结果不成形，与测试场2的测试结果差距较为明显。这表明评价指数与天线方向图的效果一致性较好。参照实测天线方向图结果，结合表7的评分情况，为综合评价指数Q设计四级标准（见表8）。通过对综合评价指数的进一步分级，从整体上更为全面地了解和把握测试场性能情况。

图3 在测试场1和测试场2中对3GHz进行天线方向图测试

图4 在测试场1和测试场2中对10GHz进行天线方向图测试

表8 测试场性能综合评价指数Q分类

根据表8的分类等级划分，测试场1属于C, D级，测试场2属于A, B级，测试场2比测试场1的测试场性能更优。

4 结 论

天线方向图测试是卫星地面接收测控系统天线测试的一项重要内容。在进行天线方向图测试时，应满足一定的测试场条件。测试场性能决定天线方向图测试效果的优劣。为取得良好的天线方向图测试结果，需要对测试场性能做出适当的评价，以便发现测试场的不足和选择合适的测试场，但目前缺乏针对测试场的评价机制。针对测试场性能评价的需求，本文提出基于层次分析法的测试场性能综合评价方法。通过对天线方向图测试中测试场性能主要影响因素进行分析，确定测试距离、发射天线架设高度、测试场遮挡面积及发射场电磁环境等关键指标，建立层次结构分析模型。根据各指标参数的特点，研究各单项评价参数，结合归一化权重值，生成测试场性能综合评价指数，为天线方向图测试中测试场性能做出综合评价。根据综合评价模型，分析测试场1和测试场2在天线方向图测试中的性能表现。测试结果表明，评价指数与天线方向图测试结果一致性较好，从而验证了评价方法的有效性。