【導(dǎo)讀】天線(xiàn)在實(shí)際工作時(shí),除了輻射信號(hào),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(yīng),使得天線(xiàn)的駐波增大,會(huì)對(duì)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(xiàn)時(shí),必須考慮此駐波及其影響。針對(duì)相控陣天線(xiàn)有源駐波測(cè)試的需求,提出利用多通道相參信號(hào)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(cè)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(yīng)。互耦效應(yīng)的存在改變了天線(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?yīng)引起天線(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(shè)備組件的承受功率,對(duì)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(shù)是相控陣天線(xiàn)性能的一個(gè)關(guān)鍵指標(biāo)。考慮到陣列天線(xiàn)的多樣性和缺乏統(tǒng)一有效的理論模型,想通過(guò)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(cè)試系統(tǒng)又不具備多通道有源駐波測(cè)試能力,本文建議的相控陣天線(xiàn)有源駐波測(cè)試,利用多路相參信號(hào)源的幅度相位變化,重現(xiàn)相控陣天線(xiàn)掃描時(shí)的實(shí)際工作狀態(tài),通過(guò)計(jì)算機(jī)控制完成對(duì)相控陣天線(xiàn)有源駐波參數(shù)的快速準(zhǔn)確測(cè)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(duì)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(duì)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(yīng)時(shí),在有源S參數(shù)矩陣?yán)?,第i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(xiàn)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(méi)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(wú)源狀態(tài)下的陣列天線(xiàn)單元的駐波性能。
3 測(cè)試系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)
根據(jù)有源駐波測(cè)試系統(tǒng)測(cè)試要求,系統(tǒng)組成如下圖所示:
測(cè)試系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)的核心為多路相參信號(hào)源,筆者使用的是中星聯(lián)華多通道相參信號(hào)源,此信號(hào)源中每路輸出信號(hào)的幅度/相位可以精確調(diào)節(jié),這樣各路激勵(lì)信號(hào)可以加到被測(cè)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(hào)和反射信號(hào)提取出來(lái),通過(guò)多通道幅相接收機(jī)分別測(cè)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(cè)試,在測(cè)試之前可以利用校準(zhǔn)件對(duì)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(cè)試系統(tǒng)的測(cè)試精度。
相控陣天線(xiàn)有源駐波系統(tǒng)測(cè)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(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(hào)的功能,且能通過(guò)幅度相位控制分別對(duì)每一路激勵(lì)信號(hào)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(shù)、靜態(tài)端口參數(shù)、各單元駐波參數(shù)的測(cè)試功能;
● 相控陣天線(xiàn)端口駐波調(diào)試功能,可以對(duì)天線(xiàn)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(dòng)校準(zhǔn)功能;
● 實(shí)時(shí)誤差修正功能,可以對(duì)測(cè)試系統(tǒng)進(jìn)行矢量校準(zhǔn),同時(shí)可以在測(cè)試過(guò)程中對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行實(shí)時(shí)誤差修正;
● 自動(dòng)化數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)處理、校準(zhǔn)功能;
● 測(cè)試報(bào)告定制化和自動(dòng)生成測(cè)試報(bào)告功能。
4 結(jié)論
有源駐波測(cè)試系統(tǒng)利用中星聯(lián)華多路相參信號(hào)源精確的幅度相位調(diào)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(cè)試出相控陣天線(xiàn)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(guó)防工業(yè)出版社,2009.12.134-147
2 產(chǎn)品手冊(cè): 中星聯(lián)華科技(北京)有限公司.多通道微波信號(hào)源,2021
來(lái)源:高速射頻百花潭,樊紅旭
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