有源相控阵天线近场测试方法研究

方 鑫

(中国电子科技集团公司第三十八研究所，安徽 合肥 230088)

0 引 言

有源相控阵天线波束指向非常灵活，功能性强，抗干扰性好，在各种领域雷达系统上的应用十分广泛。天线测试是有源相控阵雷达设计中非常重要的组成部分。本文利用平面近场测试系统进行测试以及口面场进行反演，利用波控计算机进行补偿，得出低副瓣有源相控阵天线的快速测试方法。

1 测试系统搭建

常用的无源天线测试方法有远场测试、近场测试和紧缩场测试等[1]。近场测试系统通常在微波暗室中进行，不受外界环境的电磁干扰，而且可以全天候工作，不受天气的影响。近场测试系统计算分析能力强大，采用孔径合成的方法产生平面波，通过有效控制和修正相关误差，得到天线口面的幅度相位信息，利用傅里叶变换即可获得高精度的辐射天线远场信息。

对于新一代天线测量技术而言， 平面近场测试是一种有代表性的测试方法[2]。近场与远场是傅里叶变换关系，通过已知性能的探头，在天线口面上扫描采集天线口面的近场幅度相位信息，再经过快速傅里叶变换(FFT)转换[3]即可获得远场方向图。在获得远场幅度相位方向图后，还可以采用反演变换重构出口面近场幅度相位分布，进而可以实现对天线各项性能的诊断[4]。

天线发射状态为脉冲模式，测试时需脉冲同步发射采集，图1所示是微波暗室中天线的测试系统框图。发射状态时保证收发(TR)组件的饱和工作状态，需要调整信号强度，必要时将发射链路接入功率放大器，保证电平值满足要求。同时矢网接收端需要接入衰减器，保证器件、仪表不受损坏。

图1 系统测试框图

天线为接收状态测试时，框图如图1所示，探头发射信号为连续波。对于接收状态的有源相控阵测试，为了避免TR组件中低噪放工作于饱和状态，即要求处于线性工作状态，在搭建系统时，通过调整矢网的输出功率，使得系统工作于线性区，信噪比达到预期要求。

2 方向图测试及补偿

天线指标要求：工作频率在Ku频段；副瓣<-25 dB；波束指向<0.2°；扫描30°增益下降<1.5 dB。

有源相控阵天线方向图测试方法如图2所示。

图2 方向图测试流程

2.1 初测

测试某Ku波段天线，由波控将移相器和衰减器置0，通过探头采集后数据处理得到测试结果如图3所示，副瓣电平为-13 dB。将远场方向图通过FFT反演得到的口面场幅相分布如图4和图5所示，其幅度分布基本保持一致，偏离理论分布值较大。相位分布偏差在 ± 15°以内，需要进一步的优化调整。

图3 未补偿的天线方向图

图4 幅度分布

图5 相位分布

2.2 反演补偿

近场扫描设置中，根据阵面大小以及设置截断角，对采样间隔进行优化，一般不大于单元间距。为了便于反演分析单元天线口面场的数据，使得采样点位置覆盖各天线单元的位置，因此在天线调平时，应严格找准中心点，天线阵面与扫描平面严格平行。根据截断角设置范围，反演后的幅相分布与天线单元一一对应。

根据理论幅度分布，计算出每个天线通道需要补偿的幅度相位差值。通过波控系统来控制TR组件中衰减器的数值，使得各个天线单元通道的激励幅度逼近理论幅度分布。幅度分布理论值为副瓣为-30 dB泰勒分布的量化值。衰减器的调整值=理论值-反演值。衰减器只能实现衰减功能，若存在单元需要提高幅度的情况，需要将各单元的幅度进行归一化，在该单元不变的情况下，改变其他单元幅度。图6为修正后各通道的幅度分布。

图6 修正后幅度分布

相位修正需要移相器进行调整，移相器为6位移相器，步进值为5.625°。相位理论值应全为0，同时尽量要求各单元相位在同一周期内。因此通过移相器的修正，得到图7的相位分布。

图7 修正后相位分布

2.3 修正后测试

为了达到设计指标可能需要多次补偿，且宽带天线需要根据不同频率分别进行补偿。为了判断幅度和相位是否需要进一步修正和改进，利用近场测试系统采样测试了天线的法向方向图以及扫描30°方向图，图8～图9所示为天线法向和扫描30°的方向图。其中副瓣均小于-25 dB，波束指向精度小于0.1°，扫描30°增益下降1.2 dB，满足设计要求。

图8 优化后法向方向图

图9 优化后扫描30°方向图

3 结束语

介绍了有源相控阵天线近场测试的一种调试优化方法，利用了口面场反演补偿方法和TR组件幅度相位的多次优化调整，将各个天线通道的幅相值逼近理论值，达到设计指标要求。测试了1组Ku频段天线，证实了该方法简单实用、可操作性强，为相控阵天线的设计提供了有效的检验途径，缩短了研制周期，节约了研制成本。