相控陣天線(xiàn)有源駐波測試

天線(xiàn)在實(shí)際工作時(shí)，除了輻射信號，由于自身的原因會(huì )在其端口存在駐波，而相控陣天線(xiàn)的天線(xiàn)單元間還存在互耦效應，使得天線(xiàn)的駐波增大，會(huì )對發(fā)射機功放組件造成一定損壞。因此在設計相控陣天線(xiàn)時(shí)，必須考慮此駐波及其影響。針對相控陣天線(xiàn)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(xiàn)處于工作狀態(tài)（發(fā)射或者接收）時(shí)，天線(xiàn)單元之間存在一定的電磁能量耦合，即互耦效應?；ヱ钚拇嬖诟淖兞颂炀€(xiàn)單元的阻抗特性，影響了陣列天線(xiàn)的波束形狀和增益?；ヱ钚鹛炀€(xiàn)單元失配，從而產(chǎn)生的駐波在降低了天線(xiàn)輻射功率的同時(shí)卻增加了T/R設備組件的承受功率，對T/R組件的安全性也是一大隱患。

因此，相控陣天線(xiàn)的有源駐波參數是相控陣天線(xiàn)性能的一個(gè)關(guān)鍵指標?？紤]到陣列天線(xiàn)的多樣性和缺乏統一有效的理論模型，想通過(guò)理論精確計算得到有源駐波參數非常困難。傳統的測試系統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(xiàn)有源駐波測試，利用多路相參信號源的幅度相位變化，重現相控陣天線(xiàn)掃描時(shí)的實(shí)際工作狀態(tài)，通過(guò)計算機控制完成對相控陣天線(xiàn)有源駐波參數的快速準確測量。

2  有源駐波概念

互耦效應引起的有源駐波參數可以采用單元間耦合系數的散射矩陣法進(jìn)行分析，它對任何形式的陣列單元結構都適用。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，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(xiě)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）。存在互耦效應時(shí)，在有源S參數矩陣里，第i單元的反射系數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

表達式（4）給出了第i個(gè)單元的有源駐波參數（i=1,2,…n）。陣列天線(xiàn)中單元的阻抗包括自阻抗和互阻抗，表達式（3）中當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，即互耦效應引起的單元反射量的大小。如果沒(méi)有互耦效應，Ri僅表示自阻抗，方程（4）的駐波比也僅表示無(wú)源狀態(tài)下的陣列天線(xiàn)單元的駐波性能。

3  測試系統實(shí)現

根據有源駐波測試系統測試要求，系統組成如下圖所示：

測試系統實(shí)現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/相位可以精確調節，這樣各路激勵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(xiàn)在實(shí)際工作時(shí)的掃描狀態(tài)。

通過(guò)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(lái)，通過(guò)多通道幅相接收機分別測試得到相控陣天線(xiàn)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件對整個(gè)系統進(jìn)行矢量校準，利用誤差修正算法得到系統誤差，保證整個(gè)測試系統的測試精度。

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

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

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

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

●   通道一致性校準功能，系統幅度和相位自動(dòng)校準功能；

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

●   自動(dòng)化數據采集、數據處理、校準功能；

●   測試報告定制化和自動(dòng)生成測試報告功能。

4  結論

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

參考文獻

1 學(xué)術(shù)著(zhù)作：張光義，相控陣雷達原理．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