天线罩相位一致性的测试方法研究

李秀英 崔东雷 张 恒 丁洪利

0 引言

天线罩作为天线的电磁窗口[1-3]，一方面提供保证结构、温度和空气动力特征，另一方面最优程度减小罩体对雷达天线的电性能参数影响，包括透波、瞄准误差等。对采用多天线单元的天线阵列，因为多个单元天线的天线阵列间存在距离的原因，接收相位会产生一定的差值，并且因为介质天线罩的存在，会带来多余的误差相位值。将天线罩-天线阵列一体化对相位影响的关联性，提出相位一致性的量度进行衡量。并用其来衡量天线罩对测向精度的影响。共形天线阵列是阵列天线和载体高度融合在一起来保证载体的气动布局[4]。是在天线阵列相位变化的基础上，反映的是载体厚度变化不均匀而对天线阵产生的附加相位变化量。

文章研究分析采用多个单元天线的天线罩-天线阵列包括共形天线阵的相位一致性的测试方法及系统构建，利用测试数据对相位一致性进行计算分析，给出计算公式，对测试过程中的误差分析，并给出目前的研究结论，对相位一致性影响因素的关联性。并进一步提出测试计算的相位一致性可以反映设计制造的天线罩的优劣。

1 相位一致性数据处理

天线阵列方向图是由阵列单元数目、间距、分布形式、幅度和相位决定的。一般用两个特定正交极化的辐射分量的幅度和相位来完整地描述辐射方向图。天线罩-天线阵列的相位一致性是由相位方向图计算得出。

1.1 天线罩-天线阵列的相位一致性

某一天线阵列由n个天线单元，若天线单元A1的相位为P1A（f，w，θ，σ），带罩时A1相位为P1R（f，w，θ，σ），式中f为对应测试的频率，w为天线单元对应的位置，θ测试时对应的天线罩和天线单元的方位角，σ测试时对应的天线罩和天线单元的俯仰角。

D1R（f，w，θ，σ）为A1天线单元带罩与不带罩时的相位差值，也称为该天线单元的插入相位延迟IPD（Insert Phase Delay）。

将各天线单元对应的IPD两两相减得到两两位置的相位差。

此相位差φijR（f，w，θ，σ）仅反映天线罩对两两天线相位引入的误差，而不能够反映天线罩对整个天线阵列的相位误差。

对于有n个天线单元的天线阵则两两位置的相位差与相位差平均值的差值定义为天线罩-天线阵列的相位一致性。

其中φaveR（f，w，θ，σ）定义为阵列天线中天线单元相位差的平均值。

1.2 共形天线阵列相位一致性

采用固定法测试相位一致性时，即天线阵列单元固定不随着单元移动到与电轴对准。取两相邻天线的相位方向图之差：

其中为ΔΦsp补偿空间相位，采用移动天线单元对准测试时，ΔΦsp=0。

对于固定单元法，在远场距离较小或基线长度较大的情况下，由于各个天线单元的偏心距离较大，会引入较大的偏心相位误差，需要进行偏心相位校准测试。测试各个单元的相位方向图Φj（θ，σ）（j表示被测端口号），针对不同的极化、频点，与基准单元i作比较得到相位差异：

按照0°方向进行归一：

在一定角度、频率下统计均方根。

1.3 基线解相位模糊

阵列天线的阵元之间的距离L称为基线，当L≤λ/2（λ为入射信号的波长），测试时的阵列天线单元间接收的是相位值能够反映实际相位差，相位差值落在[-π，π]。否则可能会落在[-π，π]以外引起“相位模糊”。

解相位模糊的过程可利用长短基线和虚拟基线结合的方法，图1为长短基线解相位模糊原理图。

图1长短基线解相位模糊原理图

测试得到的相位差为φ1、φ2，因为所以φ1为非模糊值，φ2为模糊值。

由于基线：

根据式9和10将粗值φ2*和精确值φ2'匹配可得到唯一精确相位差值。

当天线单元工作于较高频段时，波长较小，采用多基线解相位模糊会出现基线间距太小而无法布置的问题，此时可使用长短基线系统构造的虚拟基线作为虚拟短基线，来完成解相位模糊，图2为虚拟基线解相位模糊原理图。

图2虚拟基线解相位模糊原理图

如图2所示天线单元排列情况，A1'为A1关于A0对称的虚拟镜像单元天线。

以A0为参考单元，A1A0和A1A2的相位差为φ01和φ02，此为模糊值。

根据φ01构造关于A0对称的虚拟单元A1'的相位差φ01'。以A2为参考单元，以φ02和φ01'计算的A2A1'相位差φ21'。

以A0、A1'、A2构建长短基线系统，根据上述长短基线解相位模糊。

2 测试与应用

2.1 远场测试系统

2.1.1 系统组成

微波暗室远场测试系统主要由微波暗室、信号源、矢量网络分析仪、信号收发设备、目标支架及转台、转台驱动控制器、接收天线等组成，如图3所示。阵列天线-天线罩的测试示意图如图4所示。

图3远场测试系统组成框图

图4阵列天线-天线罩测试示意图

2.1.2 测试方案

天线采用固定位置法测试，以减少位置移动、装/卸电缆线与天线罩带来的测量误差。即将被测天线架设在转台中心，测试过程中保持各个天线位置不变，并对测试数据进行空间相位及转台偏心校准，即扣除空间相位并消除转台偏心引入的相位误差。在天线单元之间增加合适的吸波材料来减少天线之间的耦合等干扰。

2.2 测试说明

相位信息的测试说明

（1）选用矢网须设置为比值模式（S21，B/R1等）。

（2）外界信号源时用耦合器耦合一路信号用作参考，或者在接收端架设一固定的辅助天线接收信号作为参考。

（3）外接信号源时用10Mhz连接信号源与矢网，进行锁频同步，防止偏频。

2.3 部分指标要求

以一宽频带天线罩测试为例，安装方式如上图4所示，在测试过程中为了尽量避免装/卸天线罩与电缆线导致的测量误差，应选择在一固定状态下重复几次测量，通过比较数据能够基本一致，则可基本忽略人工操作引入的额外误差。本次试验部分指标要求为：

（1）方位扫描范围：±45°。

（2）俯仰扫描范围：0°～30°。

（3）相位一致性：优于±15°。

（4）频率跨越多个波段，见表1。

表1试验频率一览表

3 测量结果及分析

3.1 相位一致性的测量分析

由于篇幅有限，不能一一列出两两位置天线单元的相位的相位一致性。选取了两边缘天线U14，边缘相邻天线U12和中间天线U23的相位一致性的变化曲线。如图5～9所示。

图5 0°俯仰角U14相位一致性

图6 0°俯仰角U23相位一致性

根据相位一致性定义，图5～图9分别给出了方位±45°，俯仰0°～30°，频率2 GHz、6 GHz、10 GHz下，天线单元1～4、天线单元2-3、天线单元1-2对应的天线罩的相位一致性结果。

由图总结可知，频率越高，天线的相位不一致性也会增大；天线的相位不一致性也会随着俯仰角的增大而减小；阵列单元天线距离越近，相位不一致性越大。由实际测试分析可知频率越高，天线罩的电厚度尺寸变大，微小的工艺偏差带来的相位不一致性会比低频率带来更大的变化；俯仰角增大，入射波入射天线罩的曲率减小；阵列单元天线间的耦合仍是不可忽略的影响相位一致性的因素，本次测试结果是合理的。

图7 0°俯仰角U12相位一致性

图8 15°俯仰角U12相位一致性

图9 30°俯仰角U12相位一致性

3.2 相位一致性的测量误差分析

根据测试相位方向图计算相位一致性的远场法测试系统的基本原理、测试物理模型及测试环境，能够在相位一致性正确测量计算的基础上，另外有以下几个方面还需要考虑改善，才能保证测试过程中误差的减小：

进行远场测量的相位方向图，必须满足远场测量的条件，如果不能满足远场测试条件，在待测天线口面上将产生平方律相位偏差。

测量场地及环境反射也将影响测相的精度，根据反射波和直射波差90°计算，如果由此引入的误差小于1°，平均反射电平应为-40dB；引入0.2°的误差，平均反射电平应为-55dB。所以在相位方向图测试过程中应选择在高质量且稳定的微波暗室，减少不必要的干涉，影响相位一致性的计算。

在测试过程中，随着转台的转动，微波电缆将发生位移和变形，造成2°左右的误差，测试时需要选择高品质稳相电缆。同时因为转台转动的误差为随机的，会导致天线罩和天线阵列转动过程引起不同的相移，增大一致性误差。

网络分析仪产生的频率漂移等随机误差，需要选用精度较高的测量设备，并缩短测量的时间。

系统的信噪比也是引起相位误差的一个因素，为了防止噪声对相位测量产生的影响，增大相位一致性，测量时系统得有较高的信噪比。

4 结论

在满足测试条件的微波暗室内对一宽频带天线罩进行了测试，总结了天线罩的相位一致性的测试方法，对相位一致性的概念进行了完善，并利用测试数据给出了相应的公式计算。通过研究分析总结天线罩-天线阵列的相位一致性的影响因素包含有：

（1）阵列天线单元间的互耦引起的相位误差。

（2）天线罩覆盖天线阵列时两端的曲率半径的差异或称为外形曲面差异。

3）天线罩设计时对罩壁结构的选择，根据相位一致性指标要求可以考虑，频率跨度是否采用变厚度设计。

（4）天线罩的制作工艺。

（5）介质材料等的均匀度。

本工作也为后续天线罩设计、指导天线罩加工提供了参考依据。