数据处理及报告生成软件在有源相控阵天线多波束自动测试技术中的实践与运用

赵荣超

（中国电子科技集团公司第十研究所，四川 成都 610036）

0 引 言

随着电磁研究的深入和电子技术的发展，天线发展和应用已经覆盖航空、航天、通信、识别、情报侦察以及雷达制导等诸多领域[1,2]。其中，天线增益、指向精度、副瓣电平、3 dB波瓣宽度、轴比、EIRP、G/T以及发射功率控制等是有相控阵天线的关键指标，是其研制、定型及生产阶段最为关心的指标[3]。上述如指向精度、副瓣电平、3 dB波瓣宽度及轴比等均是通过方向图计算得出。本文阐述了数据处理及报告生成软件在某型有源相控阵天线多波束自动测试技术中的运用，实践证明该软件处理数据效率高、数据结果置信度高且可靠性好，能在工程生产项目中大量运用。

1 软件设计背景介绍

1.1 有源相控阵天线多波束测试技术的广泛应用

近年来，随着有源相控阵天线在各领域广泛应用，在各种平台上均大量装备，进入了批量生产阶段。一副天线大约需完成1 452张方向图测试工作，单张方向图测试已经无法满足现有的生产需要，因此搭建有源相控阵天线自动测试系统来完成方向图的测试工作。该系统主要利用矢量网络分析仪、信号源、频谱仪、转台以及自研模拟终端控制器进行搭建，运用转台脉冲和模拟终端控制器PECL接口触发实现对相控阵天线各俯仰波束和差方向图、轴比方向图以及指向精度差方向图的测试，最终原始数据以ACCSS数据库文件的方式存储。该多波束测试技术一次完成相控阵天线俯仰多个波束方向图测试，效率提升近28倍，将整个调试周期缩短95.86%，现阶段在有源相控阵天线测试中得到了广泛运用。

1.2 有源相控阵天线方向图数据处理难度大

随着有源相控阵天线多波束测试技术的运用，极大提高了测试效率，因一次测试所得方向图数据约138 304个，所以后期数据处理指标计算工作量巨大。现有的MI系统、NSI系统、SATIMO系统以及霍莱沃系统等国内外测试系统都只能将测试数据导出或生成单一脚本文件，不能计算天线指标，更不会出具不同格式的测试验收报告。为满足现阶段有源相控阵天线的生产要求，快速从原始方向图数据中得到相控阵天线的各项指标并生成特定格式的测试验收报告，迫切需要一种有源相控阵天线自动测试数据处理及特定报告生成软件来解决人工数据处理及报告生成效率低、计算指标错误率高等问题。

2 数据处理及报告生成设计与优化

2.1 方案的组成及原理

该软件是基于VB/MATLAB开发的，主要实现远场测试数据处理及生成特定格式测试验收报告、绘制方向图、分析方向图数据及导入人工测试单张方向图数据等。利用Visual Basic实现软件可视化界面编写和数据写入特定格式测试验收报告功能，嵌入MATLAB完成天线方向图绘制、天线各指标计算与统计功能，此外还可以和Excel办公软件、图像处理软件等进行方便的链接。

2.2 具体实施过程

为满足有源相控阵天线后期各指标处理工作能够快速完成，实现从测试原始数据到指标填入特定格式测试验收报告的转化，利用VB嵌入MATLAB设计一种有源相控阵天线自动测试数据处理及特定报告生成软件，以此弥补处理数以万计的数据速度慢和指标测试验收报告准确度低等不足。编写友好人机操作界面，实现对有源相控阵天线多频点多波束远场测试数据读取，计算3 dB波瓣宽度、副瓣电平、轴比、EIRP以及G/T等重要指标，最终出具特定格式的测试验收报告，在实践中证明使用该软件完成数据处理及测试报告生成效率较传统方式提高了64倍。

2.2.1 各指标计算

随着当今仪器和设备等不断更新，朝着集成化和数字化方向发展，很显然传统的人工计算数据处理方式不能很好地分析计算结果[4]。而且，这些陈旧方式准确程度有限，带有一定的主观随意性，该软件嵌入MATLAB具有方便运算和绘图等优势，且开发周期很短[5]。在实际运用中，该软件处理3 dB波瓣宽度、副瓣电平、轴比、差波束零深、指向精度、功率控制、RIRP以及G/T等指标的结果与人工处理结果对比误差在±0.05 dB以内，数据处理结果准确，测试报告填写无误，数据处理指标结果置信度高。相控阵天线几项重要指标计算方法如下。

（1）3 dB波瓣宽度。3 dB波瓣宽度又叫半功率波瓣宽度和半功率角，主要是描述方向图主瓣在给定截面上特性的重要参数[6]。给定截面上主瓣的3 dB波瓣宽度是一个最大辐射方向上的一个角度区域，在这个区域内天线的相对辐射功率大于1/2。一般来说，方向图并不是对称的，定义θ0right和θ0left为天线的最大辐射方向到半功率点的角度，则3 dB波束宽度为：

（2）副瓣电平。副瓣（又称旁瓣）电平，是最大副瓣的极大值与主瓣最大值之比的对数值[7]。通常用分贝表示为：

式中，Em为副瓣最大场值；Es为主瓣最大场值。

（3）轴比。任意极化波的瞬时电场矢量的端点轨迹为一椭圆，椭圆的长轴2A和短轴2B之比称为轴比[8]。即：

（4）有源增益。有源相控阵天线增益主要指有源天线在最大辐射方向上远区某点的功率密度与输入功率相同的无方向性天线在同一点的功率密度之比[9]。即：

式中，GX表示俯仰各波束有源增益；GS表示各俯仰和方向图最大值与法向和方向图最大值之差；Pxr表示标准天线加入相同的功率在同一位置测得接收功率值；Psr表示被测天线加入相同的功率在同一位置测得接收功率值。

（5）等效辐射功率。等效各向同性辐射功率（Equivalent Isotropic Radiate Power，EIRP）用来表征在某一特定方向上天线的净辐射功率。它等于施加在天线端口的输入功率与天线增益的乘积[10]。设标准天线增益为Gt0，信号源功率输出为Pt0，信号源到发射天线间馈线损耗为Lt0，接收机收到标准天线功率为P0，接收机接收到被测天线功率为Pr，则EIRP为：

（6）增益噪声比。增益噪声比是天线增益G与噪声温度T的比值[11]。天线噪声温度Ta用给定频率有关的等效噪声温度表示，天线噪声温度可分为内部噪声和外部噪声，外部噪声是天线所处的环境中噪声源产生的噪声，如大气衰减噪声、宇宙噪声以及地面热辐射噪声等，内部噪声主要包括天线传输损耗和欧姆损耗等。天线噪声温度Tα为：

式中，Tα表示天线噪声温度；T(θ,φ)表示天空亮温度分布；P(θ,φ)表示天线功率方向图函数；θ表示二维相控阵天线俯仰角；φ表示二维相控阵天线方位角。

用辅助圆极化作为发射天线，设标准天线增益为Gt0，标准天线至频谱仪之间的馈线损耗为L1，用标准天线分别收到两个正交极化功率P0H与P0E，其和为：

式中，P0表示标准天线合成圆极化功率；P0H表示标准线极化天线收到垂直极化功率；P0E表示标准线极化天线收到水平极化功率。

T为有源天线系统噪声温度，打开信号源输出时频谱仪接收到辅助圆极化天线发射的载波加噪声功率为PC+N，关掉信号源输出时频谱仪测量的总噪声功率为PN，此时增益噪声比G/T为：

（7）指向精度。指向精度方向图是自动测试系统每0.4°为一个波位测试一张差波束方向图所得，必须在差方向图数据中查找到两主瓣间的极小值点的位置，然后根据下式计算天线波束指向精度：

式中，σθ指波束指向均方根值；θci指理论上的波束指向角度；θmi指实际测试的波束指向角度。

2.2.2 特定格式文档自动生成

为了满足科研生产需要，在天线测试完成后均需将天线各指标填入特定格式的文档中，用于测试验收报告归档工作。为了实现不同项目的不同格式要求，在软件目录中设计了一个模板temp文件夹，用于存放不同格式的文档模板，该模板中设置有不同符号代表不同电性能指标，如用R_SLL代表接收副瓣电平，用R_AR代表接收轴比。新建测试验收报告主要是复制temp文件下的指定模板到输出文件夹重命名后完成。

2.2.3 导入人工测试数据

为了满足手动测试数据处理需求，该软件设计了导入手动测试数据功能，将存在PNA中的*.csa、*.cst以及*.cti等文件转换成ACSS数据库，最终利用绘图和数据处理及报告生成功能实现指标计算[12]。

3 软件运用结果分析

该软件成功在10余个有源相控阵天线项目中运用，在同等条件下，数据处理及出具测试报告的效率较传统方式提高了64倍，生产效率显著提高，同时避免了人工处理大量烦琐测试数据出现差错，提高数据处理的置信度，在有源相控阵天线多波束自动测试技术中起到了重要作用。

4 结 论

本文针对传统天线数据处理方式在多波束有源相控阵天线测试中存在的不足，设计了一种有源相控阵天线自动测试数据处理及特定报告生成软件。该软件具有可视化操作界面，通过在各工程项目中的运用，处理指标结果与人工处理结果一致，运行稳定，实用性强，大大减少了测试人员的工作量，缩短有源相控阵天线的验收交付周期，为有源相控阵天线的批量交付提供坚实保障。