王 侃，王 真

(1.南京電子技術(shù)研究所， 南京210039;2.天線與微波技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 南京210039)

0 引言

雷達(dá)是戰(zhàn)爭的產(chǎn)物，天線是雷達(dá)的重要組成部分，相控陣?yán)走_(dá)天線是由許多天線單元排列而成的定向天線。電掃相控陣通過改變天線單元的激勵相位來實(shí)現(xiàn)波束的快速捷變，可大幅提高雷達(dá)信息的獲取和更新速率。

由雷達(dá)方程可知，較大的天線口徑可獲得較高的天線增益，進(jìn)而滿足雷達(dá)更遠(yuǎn)作用距離的需求。大型電掃相控陣?yán)走_(dá)的天線口徑往往達(dá)幾十米、包含數(shù)千個甚至上萬個天線單元。

相控陣天線在設(shè)計、生產(chǎn)、加工和總裝完成之后，必須對天線的輻射特性進(jìn)行測試以驗(yàn)證設(shè)計的正確性，從而確認(rèn)各項(xiàng)戰(zhàn)技指標(biāo)是否達(dá)到要求。該過程是整個雷達(dá)研制的重要環(huán)節(jié)之一。而天線方向圖是天線輻射特性的重要參數(shù)。

相控陣天線的方向圖測試主要有近場掃描測試、遠(yuǎn)場測試和中場測試三種［1］。

近場掃描測試［2］是用一個特性已知的輔助天線在距離待測天線數(shù)個波長的掃描面上測量場的幅度和相位分布，再通過近/遠(yuǎn)場變換，確定待測天線方向圖的一種間接測試技術(shù)。近場掃描測試技術(shù)一般將掃描面取為平面、柱面或球面，并相應(yīng)的稱為平面、柱面或球面近場測試技術(shù)，通常需要在暗室內(nèi)進(jìn)行。對于大型雷達(dá)來說，龐大的天線無法進(jìn)入暗室，在外場也難以構(gòu)建近場掃描測試系統(tǒng)。因此，近場掃描測試無法適用于大型相控陣?yán)走_(dá)天線方向圖的測試。

掃描方向圖是在中場［3］和遠(yuǎn)場測試過程中利用電掃相控陣波束捷變的特點(diǎn)而形成的一種近似方向圖，準(zhǔn)確地表征了天線的輻射特性，掃描方向圖的測試方便快捷，受干擾因素較少。本文將結(jié)合多個大型電掃相控陣?yán)走_(dá)的工程研制經(jīng)驗(yàn)，總結(jié)適合大型相控陣?yán)走_(dá)天線方向圖測試的高效方法。這些方法都已經(jīng)成功應(yīng)用，并得到了令人滿意的數(shù)據(jù)結(jié)果。

1 遠(yuǎn)場測試

天線方向圖表征了天線的遠(yuǎn)場輻射特性，一般認(rèn)為，當(dāng)距離大于Rmin=2D2/λ處的輻射特性即為遠(yuǎn)場特性，其中，D和λ分別代表天線的最大口徑尺寸和工作頻率，并將該區(qū)域稱為輻射遠(yuǎn)場區(qū)。

相控陣?yán)走_(dá)天線方向圖的遠(yuǎn)場測試是將輔助天線置于天線的輻射遠(yuǎn)場區(qū)。在測試接收或發(fā)射方向圖時，輔助天線分別發(fā)射或接收信號。理想的天線遠(yuǎn)場測試場是沒有的，對于大型相控陣?yán)走_(dá)來說，為了盡量避免周圍地形地物的影響，較為真實(shí)地模擬自由空間，測試場需要合理規(guī)劃，并兼顧天線方向圖的性能、資金、可實(shí)現(xiàn)性等多種因素。

通常，天線方向圖的遠(yuǎn)場測試需要在固定波束指向后，以待測天線中心為圓心轉(zhuǎn)動天線陣面或者輔助天線從而得到波束在某一切面上的方向圖。大型相控陣?yán)走_(dá)天線由于體積龐大，大多采用固定式結(jié)構(gòu)，天線無法轉(zhuǎn)動。而天線的Rmin又在數(shù)千米以上，測試時只能將輔助天線置于熱氣球或飛艇上，使其圍繞天線做圓周運(yùn)動，這種方式不僅成本高，效率低，而且測試精度較差。

掃描方向圖是一種近似方向圖，可準(zhǔn)確地反應(yīng)天線的輻射特性，而且可以充分利用相控陣天線波束快速捷變的特性提高測試效率和精度，如圖1所示。

圖1 相控陣天線的輻射特性分析示意圖

以接收方向圖測試為例，其測試原理如下。相控陣天線位于XOY平面內(nèi)，由N×M個天線單元組成，水平和垂直的單元間距分別為dx和dy。天線輻射遠(yuǎn)場區(qū)內(nèi)任意一點(diǎn)的場強(qiáng) E(θ，φ)可由方向圖乘積定理確定，即

式中:k為自由空間的傳播常數(shù);θ和φ分別為該點(diǎn)與Z軸和XOZ平面的夾角;Inm和Φnm分別為第nm個天線單元激勵電流的幅度和相位。式(1)中第一項(xiàng)f(θ，φ)是天線單元方向圖，第二項(xiàng)是陣因子。如果相控陣天線的波束指向?yàn)?θ'，φ')，根據(jù)相控陣原理，則

波束指向θ'=θ0，φ'=φ0，則在θ∈(-90°，90°)，φ=φ0切面上的天線方向圖為

比較式(4)和式(5)，簡單的數(shù)學(xué)推導(dǎo)可以證明兩式中的陣因子是完全一致的。式(4)中，隨著θ的變化，單元方向圖f(θ0，φ0)也相應(yīng)變化;而式(5)中的單元方向圖f(θ0，φ0)保持不變。相控陣天線在設(shè)計時為了保證天線的大角度掃描性能，單元方向圖一般具備較寬的波束寬度。因此，式(5)在單元方向圖的波束寬度內(nèi)是可以表征式(4)的。

圖2所示為波束指向θ0=0、φ0=0時式(4)與式(5)所得方位面方向圖的比較。圖中的實(shí)線和虛線分別代表式(4)和式(5)的結(jié)果。單元方向圖f(θ，φ)=cos(θ)。兩種方向圖在 θ∈(-30°，30°)的區(qū)域內(nèi)非常吻合。波束寬度、第一副瓣等輻射特性完全一致。但在θ∈(-30°，30°)的區(qū)域之外，由于缺少單元方向圖的抑制作用，式(5)的副瓣要明顯高于式(4)。

圖2 天線方向圖與掃描方向圖的比較

式(4)和式(5)均未考慮在波束掃描過程中，單元互耦等其他因素對單元輻射特性造成的影響。即便如此，式(5)仍然具有參考意義和實(shí)際測試價值。由于在式(5)方向圖的測試過程中，波束指向要掃過某一切面，因此稱之為掃描方向圖。

如圖3所示，大型電掃相控陣?yán)走_(dá)架設(shè)于山體A上。在選擇遠(yuǎn)場測試場時，充分利用雷達(dá)所在位置的地理?xiàng)l件，在雷達(dá)前方距離超過Rmin的山體B上放置輔助天線。為了保證雷達(dá)的正常工作，輔助天線并未再架高。山體A、B之間有較深的溝壑，可有效避免多路徑效應(yīng)以及波束打地所造成的波瓣分裂等不利因素對測試精度的影響。

圖3 大型電掃相控陣?yán)走_(dá)天線的遠(yuǎn)場測試

2 中場測試

如前所述，距離超過Rmin為天線的輻射遠(yuǎn)場區(qū)，反之則稱為輻射近場區(qū)。在輻射近場區(qū)內(nèi)，將距離天線數(shù)十個波長之外的區(qū)域稱為輻射中場區(qū)，在該區(qū)域中，對于單個天線單元來說是輻射遠(yuǎn)場區(qū)，而對于整個相控陣天線來說則仍是輻射近場區(qū)。

中場測試是將輔助天線置于天線的輻射中場區(qū)從而進(jìn)行天線方向圖的測試。文獻(xiàn)［4-5］總結(jié)中場測試和遠(yuǎn)場測試的區(qū)別在于:由于天線單元不是各向同性的輻射器，觀測點(diǎn)不是處于輻射遠(yuǎn)場區(qū)，因此，每個天線單元的幅度方向圖和相位方向圖在觀測點(diǎn)的疊加角度都不一樣，并且存在相位程差。而當(dāng)觀測點(diǎn)位于輻射遠(yuǎn)場區(qū)時，天線的單元方向圖基本在同一角度疊加，相位程差可以忽略不計。

中場測試的相位程差可以通過輔助天線和陣面之間的坐標(biāo)標(biāo)定計算出的實(shí)際幾何程差進(jìn)行扣除。為了提高測試精度，需要對天線單元的幅度和相位方向圖的差異進(jìn)行修正。如果修正非常困難，可以通過選擇適當(dāng)?shù)妮o助天線的位置［6］，使輔助天線相對于陣面每個天線單元的夾角變化在一個比較小的角度內(nèi)，在這個角度范圍內(nèi)天線單元方向圖變化不大，從而可以忽略方向圖的差異，使測試精度滿足要求。

由于被測天線和輔助天線均固定，因此所測方向圖是空間程差補(bǔ)償后的掃描方向圖。

如圖4所示，大型相控陣?yán)走_(dá)采用中場測試法測試天線方向圖。輔助天線放置于陣面前方的測試塔上。測試塔采用升降式。輔助天線與陣面的幾何位置關(guān)系經(jīng)過標(biāo)定。根據(jù)標(biāo)定結(jié)果計算空間程差并由系統(tǒng)進(jìn)行補(bǔ)償。輔助天線位于天線中心的(θ0，φ0)(大地坐標(biāo))方向上。方位方向圖測試時，波束的俯仰指向φ，固定于 φ0，方位指向 θ，從-60°掃描至 60°;俯仰方向圖測試時，波束的方位指向θ，固定于θ0，俯仰指向φ 從-2°掃描至60°。

圖4 大型電掃相控陣?yán)走_(dá)天線的中場測試

圖5和圖6為方位面和俯仰面的掃描方圖。對于副瓣低于-30 dB的波束性能，方位方向圖測試完全滿足測試需求。俯仰方向圖的測試精度稍差，但是對于0°～60°的區(qū)域，所得測試結(jié)果接近-30 dB。波束寬度也與理論設(shè)計非常吻合。

圖5 中場測試掃描方向圖(方位面)

圖6 中場測試掃描方向圖(俯仰面)

3 結(jié)束語

掃描方向圖是利用電掃相控陣波束捷變的特點(diǎn)而形成的方向圖。它準(zhǔn)確地表征了天線的輻射特性，是對天線方向圖很好的近似。掃描方向圖的測試方便快捷，受干擾因素較少。本文結(jié)合了多個大型相控陣?yán)走_(dá)的工程研制經(jīng)驗(yàn)，成功地將掃描方向圖測試應(yīng)用到了遠(yuǎn)場和中場測試中，提高了測試效率和精度，為大型電掃相控陣?yán)走_(dá)天線的方向圖測試提供了依據(jù)。

［1］ 束咸榮，何炳發(fā)，高 鐵.相控陣?yán)走_(dá)天線［M］.北京:國防工業(yè)出版社，2007.Shu Xianrong，He Bingfa，Gao Tie.Phased array radar antennas［M］.Beijing:National Defense Industry Press，2007.

［2］ Newell A C.Error analysis techniques for planar near-field measurements［J］.IEEE Transactions on Antennas and Propagtaion，1998，36(6):754-768.

［3］ 阮穎錚.天線方向圖的中場測量和遠(yuǎn)場變換［J］.電子科技大學(xué)學(xué)報，1992，21(4):352-357.Ruan Yingzheng.Middle field measurement and far field transformation by complex ray expansion［J］.Journal of UEST of China，1992，21(4):352-357.

［4］ 牛寶君.大型相控陣外監(jiān)測系統(tǒng)［J］.現(xiàn)代雷達(dá)，1999，21(1):53-57.Niu Baojun.Outer surveillance system for large phased array［J］.Modern Radar，1999，21(1):53-57.

［5］ 李 迪，王 華.中場測量相控陣掃描方向圖的方法研究［J］.現(xiàn)代雷達(dá)，2006，27(7):48-50.Li Di，Wang Hua.Research of a measurement technique for phased array scan pattern in intermediate range［J］.Modern Radar，2006，27(7):48-50.

［6］ Kojima N，Shiramatsu K，Chiba I，et al.Measurement and evaluation technique for an airborne active phased array antenna［C］//IEEE International Symposium on Phased Array System and Technology.［S.l.］:IEEE Press，1996:231-236.