相控陣天線有源駐波測試

天線在實(shí)際工作時(shí)，除了輻射信號，由于自身的原因會在其端口存在駐波，而相控陣天線的天線單元間還存在互耦效應(yīng)，使得天線的駐波增大，會對發(fā)射機(jī)功放組件造成一定損壞。因此在設(shè)計(jì)相控陣天線時(shí)，必須考慮此駐波及其影響。針對相控陣天線有源駐波測試的需求，提出利用多通道相參信號源模擬相控陣實(shí)際掃描狀態(tài)，從而進(jìn)行相控陣輻射狀態(tài)下的有源駐波測試。

1  引言

相控陣天線處于工作狀態(tài)（發(fā)射或者接收）時(shí)，天線單元之間存在一定的電磁能量耦合，即互耦效應(yīng)。互耦效應(yīng)的存在改變了天線單元的阻抗特性，影響了陣列天線的波束形狀和增益。互耦效應(yīng)引起天線單元失配，從而產(chǎn)生的駐波在降低了天線輻射功率的同時(shí)卻增加了T/R設(shè)備組件的承受功率，對T/R組件的安全性也是一大隱患。

因此，相控陣天線的有源駐波參數(shù)是相控陣天線性能的一個(gè)關(guān)鍵指標(biāo)。考慮到陣列天線的多樣性和缺乏統(tǒng)一有效的理論模型，想通過理論精確計(jì)算得到有源駐波參數(shù)非常困難。傳統(tǒng)的測試系統(tǒng)又不具備多通道有源駐波測試能力，本文建議的相控陣天線有源駐波測試，利用多路相參信號源的幅度相位變化，重現(xiàn)相控陣天線掃描時(shí)的實(shí)際工作狀態(tài)，通過計(jì)算機(jī)控制完成對相控陣天線有源駐波參數(shù)的快速準(zhǔn)確測量。

2  有源駐波概念

互耦效應(yīng)引起的有源駐波參數(shù)可以采用單元間耦合系數(shù)的散射矩陣法進(jìn)行分析，它對任何形式的陣列單元結(jié)構(gòu)都適用。具有n個(gè)陣元的陣列可以看成是n端口網(wǎng)絡(luò)，設(shè)n個(gè)端口上進(jìn)波和出波分別為a1,a2,…,an 和b1,b2,…,bn  ，它們之間的散射關(guān)系可表示為

Sij就表示第i單元和第j單元之間的耦合系數(shù)，該方程全面考慮了n個(gè)進(jìn)波對n個(gè)出波的所有可能的影響，具有一般性。

若用矩陣方式，方程（1）可寫為

式中a=[a1a2…an]T表示進(jìn)波矩陣，b=[b1b2…bn]T 表示出波矩陣，S是散射矩陣（或S矩陣）。存在互耦效應(yīng)時(shí)，在有源S參數(shù)矩陣?yán)铮趇單元的反射系數(shù)Ri定義為為陣列中所有單元在第i單元上的總出波除以第i單元的進(jìn)波，因此，有

第i單元的駐波比由下式給出

表達(dá)式（4）給出了第i個(gè)單元的有源駐波參數(shù)（i=1,2,…n）。陣列天線中單元的阻抗包括自阻抗和互阻抗，表達(dá)式（3）中當(dāng)j=i 時(shí)，反映了單元的自阻抗特性，時(shí)，反映了單元的互阻抗性能，即互耦效應(yīng)引起的單元反射量的大小。如果沒有互耦效應(yīng)，Ri僅表示自阻抗，方程（4）的駐波比也僅表示無源狀態(tài)下的陣列天線單元的駐波性能。

3  測試系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)

根據(jù)有源駐波測試系統(tǒng)測試要求，系統(tǒng)組成如下圖所示：

測試系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)的核心為多路相參信號源，筆者使用的是中星聯(lián)華多通道相參信號源，此信號源中每路輸出信號的幅度/相位可以精確調(diào)節(jié)，這樣各路激勵(lì)信號可以加到被測相控陣單元的各端口，從而模擬相控陣天線在實(shí)際工作時(shí)的掃描狀態(tài)。

通過雙定向耦合器分別將各端口的入射信號和反射信號提取出來，通過多通道幅相接收機(jī)分別測試得到相控陣天線各端口在不同掃描狀態(tài)下的端口駐波，也就是有源駐波。

為了精確測試，在測試之前可以利用校準(zhǔn)件對整個(gè)系統(tǒng)進(jìn)行矢量校準(zhǔn)，利用誤差修正算法得到系統(tǒng)誤差，保證整個(gè)測試系統(tǒng)的測試精度。

相控陣天線有源駐波系統(tǒng)測試可以模擬相控陣天線動態(tài)掃描時(shí)陣列各單元上在加有真實(shí)激勵(lì)情況下的有源參數(shù)，其主要功能特點(diǎn)如下：

●   產(chǎn)生多通道相參激勵(lì)信號的功能，且能通過幅度相位控制分別對每一路激勵(lì)信號的幅度/相位進(jìn)行精確控制，模擬相控陣天線實(shí)際動態(tài)掃描的場景；

●   多通道陣列天線有源端口參數(shù)、靜態(tài)端口參數(shù)、各單元駐波參數(shù)的測試功能；

●   相控陣天線端口駐波調(diào)試功能，可以對天線陣中的互耦特性進(jìn)行調(diào)試優(yōu)化；

●   通道一致性校準(zhǔn)功能，系統(tǒng)幅度和相位自動校準(zhǔn)功能；

●   實(shí)時(shí)誤差修正功能，可以對測試系統(tǒng)進(jìn)行矢量校準(zhǔn)，同時(shí)可以在測試過程中對系統(tǒng)進(jìn)行實(shí)時(shí)誤差修正；

●   自動化數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)處理、校準(zhǔn)功能；

●   測試報(bào)告定制化和自動生成測試報(bào)告功能。

4  結(jié)論

有源駐波測試系統(tǒng)利用中星聯(lián)華多路相參信號源精確的幅度相位調(diào)整功能，模擬相控陣天線實(shí)際波束掃描狀態(tài)，可以精確的測試出相控陣天線工作狀態(tài)下的駐波、互耦等有源參數(shù)，為相控陣的調(diào)試、優(yōu)化提供便利。

參考文獻(xiàn)

1 學(xué)術(shù)著作：張光義，相控陣?yán)走_(dá)原理．出版地：國防工業(yè)出版社，2009.12．134-147

2 產(chǎn)品手冊： 中星聯(lián)華科技（北京）有限公司．多通道微波信號源，2021