阵列天线失效单元的诊断研究∗

朱宁龙 高 鑫

（中国人民解放军91404部队 秦皇岛 066000）

1 引言

在实际天线设计及测试中，天线经常因为振动或加工等原因存在失效单元，从而导致方向图不满足实际要求，这时就需要排查并定位到失效单元的位置，进而判断失效或损坏的原因。如果通过人工逐个测量每个组件或单元，会耗费大量的时间和人力成本，效率很差。为了解决这一问题，就需要研究一种方法，快速而准确地找到失效单元的位置［1～2］。针对这一问题，本文提出利用近场测试的反演技术进行快速诊断。该技术仅需通过一次测量，便可利用算法快速得到失效单元的位置。文章将首先介绍口径场诊断的基本原理，然后通过计算机仿真验证算法的可行性，最后在实际测试过程中对该方法进行实际工程验证。

2 口径场诊断基本原理

近场采样探头通常在离开天线口径几个波长的地方进行测量，近场反向变换能有效得转换测量平面z=d1（近场）到z=d2=0（口径场）。探头在近场某一点的输出是探头接收到的所有平面波谱分量的贡献，探头的矢量接收特性是S()k。因此探头的输出为［3～4］

在得到远场方向图后就可以恢复离散口径分布。天线阵列的激励与远场方向图的关系如下［10］：

其中E(kx，ky)是在阵列环境中的有源单元波瓣。在从远场波谱T()k中消除单元波瓣之后，进行离散逆变换后可以得到A(xm，yn) 。

综上所述，根据FFT得到阵列激励的双重求和表达式如下［11～12］：

因此该算法就是利用近场分布重构口径场的公式得到口径场的幅相，然后进行位置诊断。

3 计算机仿真验证

下面以计算机仿真的方式验证算法对失效单元的诊断。

3.1 建立计算模型

分析的计算机模型如图1所示，由半波阵子组成的阵列沿x方向的电流分布为-35dB副瓣的Taylor分布（等副瓣个数为7个），沿 y方向的电流分布为-45dB副瓣的Taylor分布（等副瓣个数为9个），扫描面到阵列中心o的距离为d。

图1 计算模型示意图

具体验证过程为：1）在阵列已知特定的位置引入失效单元，引入失效单元的幅相已知。2）计算出模型的近场数据，然后根据近场数据利用算法得到阵列的口径场幅相分布，找到失效单元的位置以及幅相值，与先验已知情况进行比较，便可检验诊断的正确与否。

3.2 计算结果及分析

在此取45*25个阵列单元，在不同的位置引入不同的幅相误差，分析算法是否能准确诊断出失效单元位置。

1）在第8行，第10列引入的幅相误差分别为-15dB和25deg，计算得到立体幅相分布及幅相误差曲线如图2～5。

图2 幅度分布图

从图2～5可以看出，算法准确地诊断出失效单元的位置为第8行，第10列；诊断的幅相值分别为-14.80 dB，22.13deg。

图3 相位分布图

图4 第10列幅度误差曲线

图5 第10列相位误差曲线

2）在第5行，第10列引入的幅相误差分别为-10dB和15deg，计算得到立体幅相分布及幅相误差曲线如图6～9。

从图6～9可以看出，算法准确地诊断出失效单元的位置为第5行，第10列；诊断的幅相值分别为-9.51 dB，12.03deg。另外还分析第15行，第20列等其他三个不同位置的失效单元诊断结果，因为篇幅限制，在此不一一给出诊断曲线，在表1中汇总给出了最终的结果。

图7 相位分布图

图8 第10列幅度误差曲线

图9 第10列相位误差曲线

通过表1中的数据可以看出，该算法可以准确地诊断出失效单元的位置。

4 实际测试试验验证

上一节通过计算机仿真的方式对算法进行了验证，下面进一步通过实际测试试验来证明其正确性与有效性。

图10 口径场幅度分布图

表1 失效单元诊断结果

在对某S波段阵列天线进行失效单元诊断试验过程中，通过在阵列天线第5和第100个单元位置处引入失效单元，进行近场有源状态测试。将测试得到的近场试验数据利用本文所述算法进行近场-口径场变换，对测试结果进行反演，即可判断出失效单元的位置。诊断结果如图10～13。

图11 口径场水平幅度分布曲线

图12 口径场水平相位分布曲线

其中，图10～12反映了引入失效单元后的口径场分布，可以基本确定失效单元的位置。图13中的定位曲线则准确地诊断出失效单元的位置为第5个和第100个单元，从而进一步证明了该算法对失效单元诊断的准确性。

图13 定位到每个单元幅度分布曲线

5 结语

本文针对近场测试中对阵列天线失效单元的诊断问题，进行了计算机仿真验证和实际测试验证。验证结果表明，该算法可以准确地诊断出失效单元的位置。并且，根据本文算法，通过一次测试便可诊断出阵列天线所有的失效单元，这在实际工程应用中可以节约大量的人力和时间成本，大大缩短天线的故障检查周期，具有很高的经济性和工程实用性。