數(shù)字陣列天線測量方法研究

陳文俊

(中國船舶重工集團公司第七二四研究所，南京 211153)

數(shù)字陣列天線測量方法研究

陳文俊

(中國船舶重工集團公司第七二四研究所，南京 211153)

提出了數(shù)字陣列天線應(yīng)測量的技術(shù)指標(biāo)體系?；跀?shù)字陣列天線各通道的幅度相位可控，推導(dǎo)出了數(shù)字陣列天線方向圖的中場測量公式。在已知數(shù)字陣列TR組件接收電路增益的基礎(chǔ)上，給出了數(shù)字陣列天線接收增益測量方法。為避免分別測量數(shù)字陣列天線的有源電壓駐波比和發(fā)射增益，給出了全向等效輻射功率的測量方法。實驗結(jié)果驗證了數(shù)字陣列天線方向圖和接收增益測量方法的正確性。

數(shù)字陣列天線；方向圖； 中場測量； 天線增益； 等效輻射功率

0 引 言

數(shù)字陣列天線是數(shù)字信號處理與天線技術(shù)結(jié)合的產(chǎn)物。在接收模式下，數(shù)字陣列天線保留了每個接收天線單元(或子陣)的全部信號，通過數(shù)字信號處理技術(shù)可以實現(xiàn)天線方向圖的低副瓣、自適應(yīng)置零等，提高了天線的抗干擾能力。另外，數(shù)字接收天線還具有同時形成多個波束而不損失信噪比等優(yōu)點。通過DDS技術(shù)，可以實現(xiàn)數(shù)字陣列的發(fā)射波束。在發(fā)射模式下，數(shù)字陣列也具有靈活的波束形成能力。正是由于具有上述眾多的優(yōu)點，數(shù)字陣列天線受到了人們高度重視。

作為一門新技術(shù)，近年來眾多學(xué)者從不同角度對數(shù)字陣列天線進行了研究。文獻[1]介紹了一種自適應(yīng)數(shù)字波束形成器的原理、組成和實現(xiàn)方法, 并通過實驗驗證了數(shù)字陣列天線的一些關(guān)鍵技術(shù)。文獻[2]研究了收發(fā)全數(shù)字陣列天線TR組件的設(shè)計。文獻[3]研究了數(shù)字陣列天線接收通道的內(nèi)、外校準(zhǔn)方法和數(shù)字天線方向圖的計算公式。文獻[4]系統(tǒng)介紹了數(shù)字波束形成的原理、方法和數(shù)字信號處理的實現(xiàn)技術(shù)。由于數(shù)字陣列天線與傳統(tǒng)模擬天線的工作原理存在差別，數(shù)字天線需要測量的技術(shù)指標(biāo)及測量方法與模擬天線不同，但到目前為止缺乏系統(tǒng)研究數(shù)字天線指標(biāo)測量的文獻。

本文首先根據(jù)天線指標(biāo)對雷達系統(tǒng)的影響研究了數(shù)字陣列天線應(yīng)該測量的指標(biāo)體系，接著研究了數(shù)字陣列天線方向圖的中場測量方法、接收增益和EIRP測量方法。

1 數(shù)字陣列天線需測量的技術(shù)參數(shù)

雷達無源天線的技術(shù)參數(shù)包括天線方向圖、增益、電壓駐波比。由互易原理可知，無源天線接收和發(fā)射的方向圖、增益相同。無源天線只用在一種狀態(tài)(接收或發(fā)射狀態(tài))下測量天線的技術(shù)指標(biāo)就可以了，但有源天線特別是數(shù)字陣列天線接收和發(fā)射狀態(tài)下的方向圖、增益是不同的。有源陣列天線不同位置的輻射單元在天線方向圖的最大值掃描到不同角度時有源電壓駐波比是不一樣的，因此描述數(shù)字陣列天線的性能指標(biāo)與無源天線不同。

雷達作用距離與天線技術(shù)參數(shù)的關(guān)系可由雷達作用距離方程確定。雷達作用距離方程為[5]

(1)

式中，Pr為接收信號的功率，Pt為發(fā)射信號的功率，Gt為發(fā)射天線增益，Gr為接收天線增益，σ為雷達目標(biāo)散射截面積，λ為波長，F(xiàn)t為發(fā)射天線到目標(biāo)的方向圖傳播因子，F(xiàn)r為目標(biāo)到接收天線的方向圖傳播因子，R為雷達到目標(biāo)的距離。

從雷達方程可知，有源天線的接收增益、發(fā)射增益影響雷達作用距離。雖然發(fā)射功率不屬于天線技術(shù)指標(biāo)，但是從天線口面輻射出去的功率受天線有源電壓駐波比的影響。測量雷達數(shù)字天線的發(fā)射增益和大型陣列天線的有源電壓駐波比是非常復(fù)雜的，而雷達天線等效全向輻射功率的測量比較容易。天線等效全向輻射功率定義為

EIRP=Pt×Gt

(2)

EIRP中已包含了天線的發(fā)射增益和發(fā)射功率。該指標(biāo)既能夠直接應(yīng)用于雷達方程，又避免了測量天線的發(fā)射增益和有源電壓駐波比。

雷達的測角精度主要由天線收、發(fā)方向圖決定。因此，根據(jù)雷達系統(tǒng)要求，數(shù)字陣列天線需要測量的技術(shù)參數(shù)為天線的收和發(fā)方向圖、接收增益、天線的EIRP。

作業(yè)設(shè)計中可適當(dāng)安排一些自設(shè)題。自設(shè)題就是學(xué)生自己設(shè)計作業(yè)，自己完成。這種作業(yè)最能展示學(xué)生的質(zhì)疑和創(chuàng)新精神，最能提高學(xué)生的語文能力。隨著年齡增長，學(xué)生日益喜歡這種富有創(chuàng)造性的作業(yè)，他們獨立思考、獨立活動，在具有一定挑戰(zhàn)性的作業(yè)中獲得成功的樂趣。

2 數(shù)字陣列天線的測量方法

2.1 數(shù)字天線方向圖的中場測量方法

文獻[3]已研究過數(shù)字陣列天線的遠場測量方法，本文將研究數(shù)字陣列天線的中場測量方法。中場測量方法要求源天線位于待測天線的輻射近區(qū)，但二者的距離要大于10個波長，此時可以忽略源天線與待測天線之間互耦的影響。由于源天線與待測天線間的距離不滿足天線測量遠場條件，因此應(yīng)對測量的數(shù)字陣列天線各通道的幅度和相位進行修正和補償，使實測結(jié)果成為遠場方向圖。

圖1 中場測量天線角度關(guān)系圖

源天線位于O點，陣列L旋轉(zhuǎn)了角度θ，陣列中的任意兩個天線單元A、C旋轉(zhuǎn)到了A′、C′，根據(jù)三角形的余弦定理：

(3)

由于α=900-θ，所以

(4)

則天線單元B與天線單元A′的波程差為

(5)

若源天線位于無限遠距離，天線單元B與天線單元A′的波程差為

dn=ndsinθ

(6)

因此，采用中場法與遠場法測量的天線單元B與天線單元A′之間的波程差為

△dn=dtrn-dn

(7)

采用中場法測量的數(shù)字陣列天線遠場方向圖為

(8)

2.2 天線接收增益測量方法

天線增益測量常用的是比較法[6-7]，即把待測天線與增益已知的標(biāo)準(zhǔn)天線進行比較得出待測天線的增益。這種測量方法要求待測天線和標(biāo)準(zhǔn)天線都要用同一個接收機測量接收功率。數(shù)字陣列天線是每個天線單元都分別接一個TR組件構(gòu)成的，不能將所有天線單元作為一個整體用一個接收機測量接收功率，然后再用該接收機去測量標(biāo)準(zhǔn)增益天線的接收功率。因此，傳統(tǒng)的比較法不能直接用來測量數(shù)字天線的增益。圖2為數(shù)字陣列天線的測量框圖。

圖2 數(shù)字陣列天線增益測量框圖

假設(shè)數(shù)字陣列中各TR組件接收電路增益相等，均為gT。將gT的單位轉(zhuǎn)化為dB，即天線陣接收電路增益為

GcT=10log10(gT)

(9)

采用比較法測量數(shù)字天線增益時，源天線發(fā)射的功率不變，數(shù)字陣列天線各天線單元接收的功率通過TR組件放大后傳到數(shù)字波束形成(DBF)系統(tǒng)中形成波束并測量功率，接著測量標(biāo)準(zhǔn)增益喇叭天線接收的功率。

數(shù)字陣列天線每個輻射單元都接有TR組件，標(biāo)準(zhǔn)喇叭天線只接有一個TR組件，二者對接收到的信號放大能力是不一樣的。天線測量時，數(shù)字陣列天線接收的總功率PT與標(biāo)準(zhǔn)喇叭天線接收的功率Pr的差包含了數(shù)字陣列天線接收通道的電路增益與喇叭天線接收通道的電路增益差以及數(shù)字陣列天線增益與喇叭天線增益差。因此，測量數(shù)字陣列天線的增益公式為

G=PT-Pr-(GcT-Gcr)+Gh

(10)

式中，PT為數(shù)字陣列天線接收信號的總功率；Pr為標(biāo)準(zhǔn)喇叭天線接收信號的功率，單位均為dBmW(或dBW，下同)；Gcr為標(biāo)準(zhǔn)增益喇叭所接TR組件的接收電路增益，單位為dB；Gh為天線標(biāo)準(zhǔn)喇叭增益，單位為dB。

上述推導(dǎo)過程表明，數(shù)字陣列天線接收增益測量精度受各TR組件接收電路信號放大增益一致性的影響。

2.3 EIRP測量

數(shù)字天線EIRP測量應(yīng)具備的儀器包括信號源、標(biāo)準(zhǔn)增益喇叭、接收天線、功率計等。EIRP測量過程如圖3所示。首先將數(shù)字陣列天線放置在轉(zhuǎn)臺上并調(diào)整數(shù)字天線到需要測量的角度并發(fā)射信號，通過功率計讀出接收天線測出的功率Pr，再將標(biāo)準(zhǔn)喇叭天線放置在轉(zhuǎn)臺上發(fā)射信號。標(biāo)準(zhǔn)喇叭和接收天線間的角度與數(shù)字天線和接收天線間的角度應(yīng)相同。讀出功率計測量的功率Prc。

圖3 EIRP測量示意圖

根據(jù)Friis公式，數(shù)字天線發(fā)射信號時接收天線測出的功率為

(11)

式中，EIRP為數(shù)字天線等效全向輻射功率，Gr為接收天線增益。

標(biāo)準(zhǔn)喇叭發(fā)射信號時，接收天線測出的功率為

(12)

式中EIRPc為標(biāo)準(zhǔn)喇叭的等效全向輻射功率。

式(11)除以式(12)，整理并取對數(shù)可得[8]

EIRP=Pr-Prc+Pt+G

(13)

式中，Pt為標(biāo)準(zhǔn)增益喇叭天線輸入端口的發(fā)射功率，單位為dBm；G為標(biāo)準(zhǔn)增益喇叭天線的增益，單位為dB；Pr、Prc單位均為dBm。 若標(biāo)準(zhǔn)喇叭天線的發(fā)射損耗為LdB(L取正值)，數(shù)字天線等效全向輻射功率的公式變?yōu)?/p>

EIRP=Pr-Prc+Pt+G-L

(14)

3 實驗結(jié)果

為了驗證數(shù)字天線方向圖中場測量方法，在1.1 GHz測量了一個垂直極化的10單元線陣，單元間距為20 cm ，天線的遠場距離約為30 m。發(fā)射源天線與待測天線的距離為6.502 m。發(fā)射天線相對于陣列天線為近場，相對于天線單元為遠場，滿足中場測量條件。首先將發(fā)射天線與待測天線的法向?qū)?zhǔn)，校準(zhǔn)數(shù)字陣列天線接收通道。然后，通過轉(zhuǎn)臺轉(zhuǎn)動天線陣列，每個天線單元的數(shù)字TR組件在不同角度位置采集數(shù)據(jù)并將數(shù)據(jù)通過光纖傳到計算機，利用本文的式(8)計算數(shù)字陣列天線方向圖。由于發(fā)射天線是口徑為247.5 mm×123.82 mm的波導(dǎo)輻射器，其輻射場在接收天線口面造成的幅度錐削小于0.25 dB，所以接收天線單元幅度修正不考慮發(fā)射天線方向圖的影響，但考慮了發(fā)射天線位于中場對接收通道相位的影響。圖 4為測量與仿真方向圖的比較，可以看出二者符合較好。測量方向圖-20°位置處副瓣抬高是由于該位置附近有障礙物。

圖4 實測方向圖與理論值比較

為了驗證本文提出的接收增益測量方法，測量了一個12單元線陣的數(shù)字天線幾個頻點的增益。該陣列天線單元間距為6 cm，每個天線單元都接有一個數(shù)字TR組件。表1為該天線陣增益測量值與理論值的比較，其中理論值是利用CST仿真軟件全波仿真的結(jié)果，可以看出測量值與理論值符合較好。

表1 數(shù)字天線增益實測值與仿真值比較

4 結(jié)束語

利用數(shù)字陣列天線每個通道的幅度、相位可調(diào)的特點，在測出發(fā)射天線與待測數(shù)字天線單元之間精確位置的基礎(chǔ)上，通過幅度、相位補償，采用中場測量法可以測量出數(shù)字陣列天線的方向圖。這種方法在大型微波暗室內(nèi)可以完成數(shù)字天線方向圖測量，能夠節(jié)省大量的外場調(diào)試和測量時間，提高了雷達系統(tǒng)數(shù)字陣列天線的測試效率，節(jié)省成本。本文給出的數(shù)字陣列天線需要測量的指標(biāo)體系能夠滿足雷達系統(tǒng)的要求，同時又便于工程應(yīng)用。實驗結(jié)果表明，數(shù)字陣列天線方向圖中場測量法和天線增益測量法是正確的。

[1] 朱榮新，方姚生，王曉鋒.雷達數(shù)字波束形成器的研究與實現(xiàn)[J].現(xiàn)代雷達，2003(2)：46-49．

[2] 吳曼青，王炎.收發(fā)全數(shù)字波束形成相控陣?yán)走_關(guān)鍵技術(shù)研究[J] .系統(tǒng)工程與電子技術(shù)，2001，23(4)：45-47．

[3] 陳文俊，胡永君．?dāng)?shù)字陣列天線接收波束形成方法與實驗研究[J] .現(xiàn)代雷達，2011，33(2)：66-69．

[4] 張明友.數(shù)字陣列雷達和軟件化雷達[M].北京：電子工業(yè)出版社，2008：323-324．

[5] Merrill I.Skolink．雷達手冊 [M] .王軍，林強，等.譯. 2版.北京：電子工業(yè)出版社，2003：21．

[6] 毛乃宏，俱新德，等．天線測量手冊[M] .北京：國防工業(yè)出版社，1987：186-188．

[7] 陳文俊，陳曉昕．基于MIT平面近場系統(tǒng)采集數(shù)據(jù)的計算方法研究[J] .雷達與對抗，2009(1)：37-40.

[8] 王英，石磊，李亮輝.相控陣天線等效全向輻射功率測試方法[J] .計算機與網(wǎng)絡(luò)，2010(14)：42-44.

Measurement methods for a digital array antenna

CHEN Wen-jun

(No. 724 Research Institute of CSIC, Nanjing 211153)

The technical parameters to be measured for a digital array antenna are proposed. The mid-field measurement formula is deduced for the antenna pattern based on the controllable phases and amplitudes in each channel. With the gain of the receiving circuit of the TR module known, the measurement method for the receiving gain is given. The Equivalent Isotropically Radiated Power (EIRP) measurement method is also presented to avoid measuring the active VSWR and the transmitting gain respectively. The test results verify the correctness of the measurement methods for the antenna pattern and the receiving gain.

digital array antenna; pattern; mid-field measurement; antenna gain; EIRP

2014-04-29

陳文俊 (1970-)，男，研究員，博士，研究方向：雷達系統(tǒng)和天線微波技術(shù)。

TN820

A

1009-0401(2014)02-0040-04