相控阵天线远场测试场测量方法

　　摘要：对相控阵天线的特性需要选择合适的测试方法进行测试，为了研究相控阵天线的远场测试，采用远场的测试场测量，对相控阵天线的EIRP、G/T值以及方向图等指标特性的测量方法进行了介绍和研究，并进行了波束修正与电平补偿的说明，此测试方法可准确测量相控阵天线的远场性能并应用于工程实践。

　　0 引言

　　随着电磁研究的深入和电子技术的发展，天线的发展和应用已经渗透到导航、通信、电子对抗和雷达等诸多领域，多波束天线可通过相控阵同时或分时地形成多个相互独立的发射或接收波束，实现波束形状的灵活控制和波束指向的迅速切换。目前广泛应用的相控阵天线测试方法主要有三种：远场法、近场法和紧缩场法。

　　每种测试方法都有各自的优缺点，如远场测量适用于低增益、低频天线的测量；近场测量适用于高增益、高频、口径全息测量等，测试方法的选择需要对各种因素进行折中考虑。本文对相控阵天线的远场测试方法进行了论述研究，主要包括EIRP、G/T 值以及方向图等指标特性。

　　1 相控阵天线的远场测试

　　相控阵天线的远场测试分为测试场测量和现场测量两种，前者按测试场地划分为源天线高架的斜式测试场测量、等高架测试场测量、反射测试场和缩距场测量；后者指的是利用人工运动源进行测量。

　　1.1 测试场测量

　　测试场测量对测试条件限制较高，如要求测试距离R >2D2 /λ 以及满足高度要求，由地面与周围环境引起的误差应在测量误差允许范围内等。在测试场测量中比较常用的一种方法是源天线高架的斜式测试场测量方法，其示意图和典型测试框图如图1所示。

　　

　　1.2 现场测量

　　典型的现场测试系统中用到光学跟踪设备和天线跟踪设备，测试系统如图2所示。

　　

　　使源天线的主瓣值指向被测天线，尽可能采用宽波束天线，利用飞机、直升机、飞艇或系留气球等进行运载，并允许选择载体的飞行航线。通常情况下，测试的载体航线应该是一个圆周在与天线轴线垂直的平面内，以天线轴线与此平面的交点为圆心的圆。

　　2 远场测试场测量方法

　　2.1 EIRP值测试

　　EIRP值公式见式（1）：

　　

　　式中：Pr 为频谱仪测量的信号功率电平，单位：dBW;Lp为自由空间传播损耗，Lp = 32.442 + 20 log R + 20 log f ;R为收发天线之间的测试距离，单位：m;f 为测试频率，单位：GHz;Ls 为标准增益喇叭与频谱仪之间的射频电缆损耗，单位：dB;Gs 为标准增益喇叭的增益，单位：dBi;GLNA为低噪声放大器的增益，单位：dB.事先标定标准增益喇叭与频谱仪之间的射频电缆损耗Ls 和低噪声放大器的增益GLNA ,读取标准增益喇叭天线上的增益数据Gs ;使收发天线极化匹配，调整波控系统和测试转台使波束指向标准喇叭；调整信号源的输出电平和功放驱动的衰减，使发射阵列输出功率接近P-1 功率点（满功率发射）；频谱仪读出接收到的射频信号功率Pr 值；计算对应的EIRP 值。改变频率，控制波控系统的工作和波束指向等，可分别得到不同单波束和多波束的EIRP 值。系统EIRP 测试及系统品质因数测试如图3所示。

　　2.2 G/T 值测试

　　设信号源发射功率为Pt,馈线损耗为Lt,标准线极化发射天线增益为Gt,则发射天线有效辐射功率为：

　　

　　式中3 dB是线极化天线增益和圆极化的差。

　　利用频谱分析仪可以测得接收信号功率Pr ,则接收天线的增益G 为：

　　

　　式中 Ld = 20 lg（4πR/ λ）为空间距离损耗。

　　设接收天线对空时噪声功率谱密度为Φ，可由频谱仪测得，则接收机等效噪声温度T = Φ - k,k=-228.6 dBW/Hz为波尔兹曼常数。用对数形式表示G /T 值有：

　　

　　事先标定信号源到标准天线的线缆损耗Lt,读取标准天线上的增益数据Gt,调整信号源的工作频率，设定输出功率为Pt,可以计算出标准发射天线的EIRP值；调整转台并移动平台，使收发天线极化匹配，控制接收波束指向标准天线，由频谱仪读出和路中频输出的接收信号功率值Pt;使标准天线对空，由频谱仪读出此时和路中频的噪声谱密度Φ值；计算G/T 值；改变频率并控制波控系统得到不同频率、不同波束下的G/T 值。

　　2.3 方向图特性测试

　　2.3.1 方向图测试

　　建立包括除传统转台方位轴和俯仰轴外，在俯仰轴上方增加方位轴即极化轴且三轴同心的测试转台。首先通过转台、平台和波控系统调整阵列天线的法线方向对准标准天线，记录此时频谱仪接收到的信号电平数据，旋转转台即可获得波束在一个切面的方向图信息；旋转z 轴后进行重复测试，获得天线波束在不同切面的方向图数据，数据处理后可获得天线的波束指向、波束宽度和天线增益等指标以及相控阵在整个空间内的方向图。

　　2.3.2 方向图相关指标测试

　　（1）波束指向测试

　　调整转台与平台，转台角度的0°定义为待测天线的法线方向与标准接收天线对准时；控制波控系统，调整待测天线的波束指向，在方位上进行角度设置，调整转台为相应的角度（符号相反）；小幅调整转台角度，记录频谱仪接收到的信号电平时转台实际转过的角度，经多次测试，求出被测天线波束的方位指向；控制波控系统，调整待测天线的波束指向，在俯仰上进行角度设置，调整转台为相应的角度（符号相反，下同）；在波束俯仰指向进行重复测试并求出误差值；改变信号源频率，测试不同频率下的波束指向。

　　（2）波束宽度测试

　　调整转台与平台，转台角度的0°定义为待测天线的法线方向与标准接收天线对准时；控制波控系统，调整待测天线的波束指向，在方位上进行角度设置，调整转台为相应的角度；小幅调整转台角度，记录频谱仪接收到的信号电平时的角度值θ0 和幅度值χmax ;将转台慢慢向左旋转，记录接收信号幅度为值的0.707倍时角度值θ1;之后从θ0 开始慢慢向右旋转转台，记录接收信号幅度降为值的0.707倍时的角度值θ2 ,得到天线波束宽度 |θ1  - θ2| ;在不同的方位指向角上分别进行多次测量，得到天线波束宽度的平均值；再将方位角设置改为俯卧角设置，同样原理可以得到不同的俯仰指向角上天线波束宽度的平均值；改变信号源频率，测试不同频率下的波束宽度。

　　（3）天线增益测试

　　发射阵列天线增益为：

　　

　　式中：Lt ,Lr 分别为发射总损耗和接收总损耗，Pt 为信号源发射功率；Pr 为接收信号功率；Gr 为接收标准天线的增益；R,λ分别为发射天线与接收天线间的距离和工作波长。

　　事先标定发射总损耗Lt 和接收总损耗Lr ,以及信号源的发射功率和天线的增益；转台角度的0°定义为待测天线的法线方向与标准接收天线对准时；控制波控系统，调整待测天线的波束指向，在方位上进行角度设置，调整转台为相应的角度；记录各指向下频谱仪显示的接收功率Pr ,算出待测天线增益并多次测量得到天线增益的平均值；求出天线在俯仰方向上不同指向角时的天线增益平均值；改变信号源频率，测试不同频率下的天线增益。

　　3 波束修正与电平补偿

　　由于波束形成处理会存在量化误差和校准误差，天线阵元在作用空域内的辐射特性也不是等增益的，这些误差会影响不同扫描角度时的电平和波束指向等。可根据远场测试场测量的实测结果与波束设置进行比对，将相控阵天线在作用空域内以一定的间隔进行网格化，形成波束设置与实测结果的修正表。在波束形成时可通过查表，进行相应的权值计算来实现对波束的修正和电平的补偿等，使波束在扫描范围内远场特性符合要求。实际修正表的采样间隔可由波束扫描范围、天线特性的指标要求以及实测结果等进一步确定。

　　4 结语

　　本文研究相控阵天线的远场测试并重点研究了相控阵天线远场测试场测量方法，介绍并研究了相控阵天线的EIRP、G/T 值以及方向图特性等指标的较详细测试方法，并阐述了波束的修正与电平的补偿，此测试方法可准确测量相控阵天线的远场性能并应用于工程实践。