数字阵列天线测量方法研究

第３４卷第２期　雷达与对抗　ＲＡＤＡＲ＆ＥＣＭ　Ｖｏ１．３４　Ｎｏ．２　２０１４年６月　Ｊｕｎ．２０１４　数字阵列天线测量方法研究　陈文俊　（中国船舶重工集团公司第七二四研究所，南京２１１１５３）　摘要：提出了数字阵列天线应测量的技术指标体系。基于数字阵列天线各通道的幅度相位　可控。推导出了数字阵列天线方向图的中场测量公式。在已知数字阵列ＴＲ组件接收电路增　益的基础上，给出了数字阵列天线接收增益测量方法。为避免分别测量数字阵列天线的有源　电压驻波比和发射增益，给出了等效全向辐射功率的测量方法。实验结果验证了数字阵列天　线方向图和接收增益测量方法的正确性。　关键词：数字阵列天线；方向图；中场测量；天线增益；等效辐射功率　中图分类号：ＴＮ８２０　文献标志码：Ａ　文章编号：１００９—０４０１（２０１４）０２—００４０—０４　Ｍｅａｓｕｒｅｍｅｎｔ　ｍｅｔｈｏｄｓ　ｆｏｒ　ａ　ｄｉｇｉｔａｌ　ａｒｒａｙ　ａｎｔｅｎｎａ　ＣＨＥＮ　Ｗｅｎ－ｊｕｎ　（Ｎｏ．７２４　Ｒｅｓｅａｒｃｈ　Ｉｎｓｔｉｔｕｔｅ　ｏｆ　ＣＳＩＣ，Ｎａｎｊｉｎｇ　２１　１　１５３）　Ａｂｓｔｒａｃｔ：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　ｃｈａｎｎｅ１．Ｗｉｔｈ　ｔｈｅ　ｇａｉｎ　ｏｆ　ｔｈｅ　ｒｅｃｅｉｖｉｎｇ　ｃｉｒｃｕｉｔ　ｏｆ　ｔｈｅ　ＴＲ　ｍｏｄｕｌｅ　ｋｎｏｗｎ，ｔｈｅ　ｍｅａｓｕｒｅｍｅｎｔ　ｍｅｔｈｏｄ　ｏｒｆ　ｔｈｅ　ｒｅｃｅｉｖｉｎｇ　ｇａｉｎ　ｉｓ　ｇｉｖｅｎ．Ｔｈｅ　Ｅｆｆｅｃｔｉｖｅ　Ｉｓｏｔｒｏｐｉｃ　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　ｐａｔ—　ｔｅｒｎ　ａｎｄ　ｔｈｅ　ｒｅｃｅｉｖｉｎｇ　ｇａｉｎ．　Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：ｄｉｇｉｔａｌ　ａｒｒａｙ　ａｎｔｅｎｎａ；ｐａｔｔｅｒｎ；ｍｉｄ－ｆｉｅｌｄ　ｍｅａｓｕｒｅｍｅｎｔ；ａｎｔｅｎｎａ　ｇａｉｎ；ＥＩＲＰ　０　引　言　数字阵列天线是数字信号处理与天线技术结合的　产物。在接收模式下，数字阵列天线保留了每个接收　应数字波束形成器的原理、组成和实现方法，并通过　实验验证了数字阵列天线的一些关键技术。文献［２］　研究了收发全数字阵列天线ＴＲ组件的设计。文献　［３］研究了数字阵列天线接收通道的内、外校准方法　和数字天线方向图的计算公式。文献［４］系统介绍了　数字波束形成的原理、方法和数字信号处理的实现技　术。由于数字阵列天线与传统模拟天线的工作原理存　在差别，数字天线需要测量的技术指标及测量方法与　模拟天线不同，但到目前为止缺乏系统研究数字天线　指标测量的文献。　天线单元（或子阵）的全部信号，通过数字信号处理技　术可以实现天线方向图的低副瓣、自适应置零等，提高　了天线的抗干扰能力。另外，数字接收天线还具有同　时形成多个波束而不损失信噪比等优点。通过ＤＤＳ　技术，可以实现数字阵列的发射波束。在发射模式下，　数字阵列也具有灵活的波束形成能力。正是由于具有　上述众多的优点，数字阵列天线受到了人们高度重视。　作为一门新技术，近年来众多学者从不同角度对　数字阵列天线进行了研究。文献［１］介绍了一种自适　本文首先根据天线指标对雷达系统的影响研究了　数字阵列天线应该测量的指标体系，接着研究了数字　阵列天线方向图的中场测量方法、接收增益和ＥＩＲＰ　测量方法。　收稿日期：２０１４－０４—２９　作者简介：陈文俊（１９７０－），男，研究员，博士，研究方向：雷达系统和天线微波技术。　－－－－——４０．－－－——　陈文俊　数字阵列天线测量方法研究　１　数字阵列天线需测量的技术参数　雷达无源天线的技术参数包括天线方向图、增益、　电压驻波比。由互易原理可知，无源天线接收和发射　的方向图、增益相同。无源天线只用在一种状态（接　收或发射状态）下测量天线的技术指标就可以了，但　有源天线特别是数字阵列天线接收和发射状态下的方　向图、增益是不同的。有源阵列天线不同位置的辐射　单元在天线方向图的最大值扫描到不同角度时有源电　压驻波比是不一样的，因此描述数字阵列天线的性能　指标与无源天线不同。　雷达作用距离与天线技术参数的关系可由雷达作　用距离方程确定。雷达作用距离方程为　一『Ｐ　Ｇ　Ｇ，　Ａ　１　，１、　“一【—　Ｊ　式中，Ｐ　为接收信号的功率，Ｐ　为发射信号的功率，Ｇ　为发射天线增益，Ｇ　为接收天线增益，　为雷达目标　散射截面积，Ａ为波长，Ｆ．为发射天线到目标的方向　图传播因子，Ｆ　为目标到接收天线的方向图传播因　子，Ｒ为雷达到目标的距离。　从雷达方程可知，有源天线的接收增益、发射增益　影响雷达作用距离。虽然发射功率不属于天线技术指　标，但是从天线口面辐射出去的功率受天线有源电压　驻波比的影响。测量雷达数字天线的发射增益和大型　阵列天线的有源电压驻波比是非常复杂的，而雷达天　线等效全向辐射功率的测量相对容易。天线等效全向　辐射功率定义为　ＥＩＲＰ＝Ｐ　×Ｇ　（２）　ＥＩＲＰ中已包含了天线的发射增益和发射功率。　该指标既能够直接应用于雷达方程，又避免了测量天　线的发射增益和有源电压驻波比。　雷达的测角精度主要由天线收、发方向图决定。　因此，根据雷达系统要求，数字阵列天线需要测量的技　术参数为天线收和发方向图、接收增益、天线的ＥＩＲＰ。　２　数字阵列天线的测量方法　２．１数字天线方向图的中场测量方法　文献［３］已研究过数字阵列天线的远场测量方　法，本文将研究数字阵列天线的中场测量方法。中场　测量方法要求源天线位于待测天线的辐射近区，但二　者的距离要大于１Ｏ个波长，此时可以忽略源天线与待　测天线之间互耦的影响。由于源天线与待测天线间的　距离不满足天线测量远场条件，因此应对测量的数字　阵列天线各通道的幅度和相位进行修正和补偿，使实　测结果成为远场方向图。　设数字阵列天线有２Ｍ＋１元线阵，阵元间距为ｄ，　线阵长度为　，源天线位于阵列前方尺处，这里１０Ａ＜　，’１）２　Ｒ＜　，Ｄ＝Ｌ。图１为天线测量时角度关系示意图。　【，　图１　中场测量天线角度关系图　源天线位于０点，阵列　旋转了角度０，阵列中的　任意两个天线单元Ａ、ｃ旋转到了Ａ　、Ｃ　，根据三角形　的余弦定理：　ＯＡ’＝￣／Ｒ　＋（ｎｄ）　一２Ｒｎｄｃｏｓａ　（３）　由于　＝９０。一０，所以　ＯＡ　＝￣／Ｒ　＋（ｎｄ）　一２ＲｎｄｓｉｎＯ　（４）　则天线单元Ｂ与天线单元Ａ　的波程差为　ｄｔｒ　＝Ｒ一￣／　＋（ｎｄ）　一２ＲｎｄｓｉｎＯ　（５）　若源天线位于无限远距离，天线单元曰与天线单　元Ａ　的波程差为　ｄ　＝ｎｄｓｉｎＯ　（６）　因此，采用中场法与远场法测量的天线单元Ｂ与　天线单元Ａ　之间的波程差为　Ａｄ　＝ｄｔｒ　一ｄ　（７）　采用中场法测量的数字阵列天线远场方向图为　＝ｎ＝－Ｍ　∑Ｉｎｅｘｐ（ｊｋ（ｄｔｒ　一△ｄ　）＋　）　（８）　１一　式中，ｋ＝竿，＾　Ａ为波长；　＝　，．＝　，　为各接收通道　幅度不一致的修正系数，　为源天线方向图在不同天　线单元处照射幅度差的修正系数，　可以通过测量源　天线方向图以及源天线与待测数字天线各单元的位置　关系推算出来；　为各接收通道相位不一致的修正系　数；　、　用于天线互耦、ＴＲ组件不一致等造成的幅　度、相位误差的修正。ｋｄｔｒ　为在不同０角时中场法实　测的天线单元　对应的接收通道与天线单元Ａ　对应　的接收通道的相位差；ｋａｄ　为理论值，通过测量源天　线到数字阵列天线中心单元的距离以及天线阵列单元　一４１—　雷达与对抗　之间的距离，在角度０已知的情况下，可以算出该值。　２．２天线接收增益测量方法　天线增益测量常用的是比较法。。　，即把待测天　线与增益已知的标准天线进行比较得出待测天线的增　益。这种测量方法要求待测天线和标准天线都要用同　一个接收机测量接收功率。数字阵列天线是每个天线　单元都分别接一个ＴＲ组件构成的，不能将所有天线　单元作为一个整体用一个接收机测量接收功率，然后　再用该接收机去测量标准增益天线的接收功率。因　此，传统的比较法不能直接用来测量数字天线的增益。　图２为数字阵列天线的测量框图。　—　Ｄ　ｉ　天　Ｂ　—　线　面　Ｆ　阵　！　—＿厂　］．一　标准增益喇叭天线　匝　、、Ｊ　ｌ　图２数字阵列天线增益测量框图　假设数字阵列中各ＴＲ组件接收电路增益相等，　均为ｇ　。将ｇ　的单位转化为ｄＢ，即天线阵接收电路　增益为　Ｇ　ｒ＝１０１ｏｇｌ０（ｇ，）　（９）　采用比较法测量数字天线增益时，源天线发射的　功率不变，数字阵列天线各天线单元接收的功率通过　ＴＲ组件放大后传到数字波束形成（ＤＢＦ）系统中形成　波束并测量功率，接着测量标准增益喇叭天线接收的　功率。　数字阵列天线每个辐射单元都接有ＴＲ组件，标　准喇叭天线只接有一个ＴＲ组件，二者对接收到的信　号放大能力是不一样的。天线测量时，数字阵列天线　接收的总功率Ｐ　与标准喇叭天线接收的功率Ｐ　的差　包含了数字阵列天线接收通道的电路增益与喇叭天线　接收通道的电路增益差以及数字阵列天线增益与喇叭　天线增益差。因此，测量数字阵列天线的增益公式为　Ｇ＝Ｐｒ—Ｐ　一（Ｇ。ｒ—Ｇ　）＋Ｇ＾　（１０）　式中，Ｐ　为数字阵列天线接收信号的总功率；Ｐ，为标　准喇叭天线接收信号的功率，单位均为ｄＢｍ；Ｇ　，为标　准增益喇叭所接ＴＲ组件的接收电路增益，单位为ｄＢ；　Ｇ　为天线标准喇叭增益，单位为ｄＢ。　上述推导过程表明，数字阵列天线接收增益测量　一４２一　２０１４年　第２期　精度受各ＴＲ组件接收电路信号放大增益一致性的　影响。　２．３　ＥＩＲＰ测量　数字天线ＥＩＲＰ测量应具备的仪器包括信号源、　标准增益喇叭、接收天线、功率计等。ＥＩＲＰ测量过程　如图３所示。首先将数字阵列天线放置在转台上并调　整数字天线到需要测量的角度并发射信号，通过功率　计读出接收天线测出的功率Ｐ，，再将标准喇叭天线放　置在转台上发射信号。标准喇叭和接收天线间的角度　与数字天线和接收天线间的角度应相同。读出功率计　测量的功率Ｐ　。　接收天线　标准增益喇叭　图３　ＥＩＲＰ测量示意图　根据Ｆｆｉｉｓ公式，数字天线发射信号时接收天线测　出的功率为　Ｐ　＝ＥＩＲＰ×Ｇ，×（　）　（１１）　式中，肼ＲＰ为数字天线等效全向辐射功率，Ｇ　为接收　天线增益。　标准喇叭发射信号时，接收天线测出的功率为　Ｐ　＝ＥＩＲＰ。×Ｇ　×（　）　（１２）　式中ＥＩＲＰ　为标准喇叭的等效全向辐射功率。　式（１１）除以式（１２），整理并取对数可得　ＥＩＲＰ＝Ｐ　一Ｐ　＋Ｐ　＋Ｇ　（１３）　式中，Ｐ　为标准增益喇叭天线输入端口的发射功率，　单位为ｄＢｍ；Ｇ为标准增益喇叭天线的增益，单位为　ｄＢ；Ｐ　、Ｐ　单位均为ｄＢｍ。若标准喇叭天线的发射损耗　为Ｌ　ｄＢ（Ｌ取正值），数字天线等效全向辐射功率的公　式变为　Ｅ豫Ｐ＝Ｐ，一Ｐ　＋Ｐ　＋Ｇ一　（１４）　３　实验结果　为了验证数字天线方向图中场测量方法，在１．１　ＧＨｚ测量了一个垂直极化的１０单元线阵，单元间距为　２０　ｃｍ，天线的远场距离约为３０　ｍ。发射源天线与待　测天线的距离为６．５０２　ｍ。发射天线相对于阵列天线　为近场，相对于天线单元为远场，满足中场测量条件。　陈文俊　数字阵列天线测量方法研究　首先将发射天线与待测天线的法向对准，校准数字阵　列天线接收通道。然后，通过转台转动天线阵列，每个　４　结束语　利用数字阵列天线每个通道幅度、相位可调的特　点，在测出发射天线与待测数字天线单元之间精确位　置的基础上，通过幅度、相位补偿，采用中场测量法可　以测出数字阵列天线方向图。这种方法在大型微波暗　室内能够完成数字天线方向图测量，可以节省大量的　外场调试和测量时间，提高了雷达系统数字阵列天线　天线单元的数字ＴＲ组件在不同角度位置采集数据并　将数据通过光纤传到计算机，利用本文的式（８）计算　数字阵列天线方向图。由于发射天线是口径为２４７．５　ｍｍ×１２３．８２　ｍｍ的波导辐射器，其辐射场在接收天线　口面造成的幅度锥Ｎ／Ｊ，于０．２５　ｄＢ，所以接收天线单　元幅度修正不考虑发射天线方向图的影响，但考虑了　发射天线位于中场对接收通道相位的影响。图４为　测量与仿真方向图的比较，可以看出二者符合较好。　测量方向图一２Ｏ。位置处副瓣抬高是由于该位置附近　有障碍物。　方位角【　）　图４　实测方向图与理论值比较　为了验证本文提出的接收增益测量方法，测量了　一个ｌ２单元线阵的数字天线几个频点的增益。该阵　列天线单元间距为６　ｅｍ，每个天线单元都接有一个数　字ＴＲ组件。表１为该天线阵增益测量值与理论值的　比较，其中理论值是利用ＣＳＴ仿真软件全波仿真的结　果，可以看出测量值与理论值符合较好。　表ｌ数字天线增益实测值与仿真值比较　的测试效率，节省成本。本文给出的数字阵列天线需　要测量的指标体系既能满足雷达系统的要求，又便于　工程应用。实验结果表明，数字阵列天线的接收天线　增益测量法和方向图中场测量法是正确的。　参考文献：　［１］朱荣新，方姚生，王晓锋．雷达数字波束形成器　的研究与实现［Ｊ］．现代雷达，２００３（２）：４６－４９．　［２］　吴曼青，王炎．收发全数字波束形成相控阵雷达　关键技术研究［Ｊ］．系统工程与电子技术，２００１，　２３（４）：４５４７．　［３］　陈文俊，胡永君．数字阵列天线接收波束形成方　法与实验研究［Ｊ］．现代雷达，２０１１，３３（２）：　６６－ｌ５９．　［４］　张明友．数字阵列雷达和软件化雷达［Ｍ］．北　京：电子工业出版社，２００８：３２３—３２４．　［５］　Ｍｅｒｒｉｌｌ　Ｉ．Ｓｋｏｌｉｎｋ．雷达手册［Ｍ］．王军，林强，　等．译．２版．北京：电子工业出版社，２００３：２１．　［６］毛乃宏，俱新德，等．天线测量手册［Ｍ］．北京：　国防工业出版社，１９８７：１８６．１８８．　［７］　陈文俊，陈晓昕．基于ＭＩＴ平面近场系统采集数　据的计算方法研究［Ｊ］．雷达与对抗，２００９（１）：　３７＿４０．　［８］　王英，石磊，李亮辉．相控阵天线等效全向辐射　功率测试方法［Ｊ］．计算机与网络，２０１０（１４）：　４２－４４．　・　－——４３．－－——