基于阵列天线测试的远场条件分析

基于阵列天线测试的远场条件分析

季一钧,邹 慧,朱玉权

(中国船舶重工集团公司第七二三研究所,江苏扬州225101

)摘要:分析了阵列天线远场通道校准测试中,远场条件选择与通道幅相数据误差之间的关系,给出了幅相误差计算

公式,对相控阵列电扫方向图随远场条件变化情况进行了说明,并讨论了子阵工作模式下的子阵方向图以及指向差畸变情况㊂

关键词:电扫阵列;通道校准;子阵方向图;远场条件中图分类号:T N 821.8 文献标识码:A 文章编号:C N 32-1413(2018)05-0100-04

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c d z d k .2018.05.022A n a l y s i s o f F a r -f i e l dC o n d i t i o n sB a s e do nA r r a y A

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i v e s t h ec a l c u l a t i n g f o r m u l a o fa m p

l i t u d ea n d p h a s e d a t a e r r o r s ,i l l u s t r a t e st h es i t u a t i o n t h a tt h e e l e c t r o n i c s c a n n i n gp a t t e r n so f p h a s e da r r a y sc h a n g e w i t hf a r -f i e l dc o n d i t i o n s ,a n dd i s c u s s e st h e s u b -a r r a yp a t t e r na n dd i r e c t i o n a l d i f f e r e n c ed i s t o r t i o n s i n t h e s u b -a r r a y o p e r a t i n g m

o d e .K e y w

o r d s :e l e c t r o n i c s c a n n i n g a r r a y ;c h a n n e l c a l i b r a t i o n ;s u b -a r r a yp a t t e r n ;f a r -f i e l d c o n d i t i o n 收稿日期:20180411

0 引 言

随着电子技术的飞速发展,现代电子战设备以

及战术体系逐渐趋于高集成度㊁数字化形式㊂阵列天线作为一种电扫描天线(E S A ),相比于传统的机械扫描天线,可灵活改变各通道单元的幅度㊁相位来实现波束赋形,具有扫描速度快㊁目标数据率高㊁多目标跟踪能力强等优点,满足了现代电子战通用性㊁

一体化㊁综合化的设计理念[

1-2]

㊂阵列天线的多通道㊁数字化等特点在提供设计

便利性的同时,也对其测试方法以及使用条件提出了更严格的限定㊂内场测试环境往往会受到场地以及设施的影响,不可避免地带来测量误差㊂

本文通过对比阵列单元数㊁口径大小以及测试距离之间的关系,分析了远场条件的选取对通道测试中单元采样数据的幅相影响情况以及方向图的增益㊁副瓣㊁主波束指向的影响情况㊂

1 远场条件分析及对单元通道数据的

影响

阵列天线的核心为前端收发(T R )

组件,全数字阵列天线的每个通道都对应一个T R 组件㊂为确保每个通道的一致性,避免由于通道的幅相差异导致方向图的畸变,首先要对阵列的各个通道进行校准㊂目前,主流的通道校准方式包括近场校准测试㊁远场校准测试㊂对于近场校准测试,则需要1套完整的近场测试系统,主要是通过使用测试探头在距离天线单元3~5个波长距离上对通道进行幅相采集,并将数据制作成校准表,当阵列工作时可下发给波束控制系统,从而抵消通道误差㊂而远场测试则相对容易实现,即通过采集远端辐射天线的信号,将各单元的数据对比参考通道,制作成校准表㊂近场测试由于受测试环境影响小,具有更高的测试精度,但昂贵的购置成本也在一定程度上限制了此方法的广泛

2018年10月舰船电子对抗

O c t .2018

第41卷第5期

S H I P B O A R DE L E C T R O N I CC O U N T E R M E A S U R E

V o l .41N o .5

推广㊂当采用远场校准方式时,为了避免不必要的反射以及外界干扰信号对测试结果的影响,微波暗室是一个良好的选择㊂

对于天线单元,其辐射场在近区主要以倏逝波的形式存在,随着距离的增加,传播场占据主要部

分㊂以偶极子天线为例,其远场条件为k r ȡ5(

其中k 为对应测试频率点的波数,r 为测试距离)

[3

]

㊂对于阵列天线这样的口径天线,为了满足远场

近似平面波的条件,普遍采用的远场最小测试距

离为[

4]

:R m i n =

2D

2

λ

(1)式中:D 为待测天线最大尺寸;λ为天线工作波长㊂

由公式(1

)容易看出:阵列天线的远场距离大于单元天线的最小远场距离,因此,阵列天线远场条件一旦满足,则单元天线的远场条件也能满足;且最小作用距离随阵列口径的增加呈二次方增加㊂

天线增益可表示为[

4

]:G =4πA

λ

2(2

)式中:A 为天线口径的有效面积,其值正比于天线的最大口径D 2㊂

因此,为了获得更高的天线增益,必须增加天线口径,同时也不可避免地增加远场最小测试距离㊂以10G H z 中心频率为例,其1m 口径的阵列天线,最小远场距离达到了67m ㊂因此,常规微波暗室很难满足此条件㊂

各单元之间的幅度差异主要由前端射频链路以及数字采样链路差异导致㊂当阵列天线远场条件无法满足时,单元天线方向图的非全向性导致的差异

将不可忽略㊂这里以平方余弦函数c o s 2

θ近似单元天线的归一化方向图进行讨论[

5

]㊂设单元数为N ,各单元的间距为d =λ

2

,各单元到远场测试喇叭的

距离为r n ,

对应的示意如图1所示㊂以一维阵列为例,并在阵列中心建立直角坐标

系,则各个单元对应的方向图表示为:

A n =c o s 2

θn

(3

)式中:θn =

a t a n d n +r

s i n θr c o s θæèçöø÷,d n 为第n 个单元到坐标中心的距离,表示为d n =2n -N -1

2

d ㊂

使用远场通道测试方法时,需要将测试喇叭置于阵面法向位置,则θ=0㊂

最边缘单元与中心单元

图1 阵列天线工作的拓扑结构

在法向r 处的幅度差δA 随r

D 的变化关系如图2所

示,其中D =(N -1)ˑd ㊂

图2 天线单元幅度差随

r

D

的变化关系从图2中可以看出,单元通道最大幅度差随着

r D 的增加而逐渐趋于0,当r D

=25时,可认为边缘天线与中心天线的单元方向图相同㊂

各单元到法向测试喇叭的相位差主要由各自的波程差δr =r n -r 导致,其中r n =

(r c o s θ)2+(-d n +r s i n θ)2㊂则相位差可表示为:δθ=k ˑδr ,

其中θ=0,则最边缘单元与中心单元在法向r 处的相位差可表示为:

δθ=πˑ(N -1)r D æèçöø÷2

+0.25-r D æèçöø

÷(

4) 由公式(4

)可以得出,相位差是阵列天线子阵数N 与r

D

的函数,

其变化关系如图3所示㊂从图3中可以看出:不同天线单元数的相位差变化曲线在

r

D

较小时,都呈现快速变化的形式;随着r

D

的增加,曲线都呈现平缓下降的趋势,且单元数越少,相位差越快速地趋于更低值㊂

由上分析,若远场条件无法严格满足,则需要对

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01第5期

季一钧等:基于阵列天线测试的远场条件分析