（电磁场与微波技术专业论文）相控阵天线快速测量研究.pdf

摘要 摘要 当今，相控阵天线在军用雷达和民用雷达等各种不同的无线电系统中获得了 越来越广泛的应用，从而使相控阵天线测量备受关注。本文主要介绍了对相控阵 天线特性进行快速测量的新方法。采用印刷振子作为阵列基本辐射单元，并对其 进行结构优化，达到了低驻波，宽频带的效果；在此基础上组成阵列，利用矩量 法计算单元在阵中方向图。进而在一个线性数学模型基础上，表示出移相器在任 何配相状态下的方向图及增益特性。该方法中相控阵天线和测量探头均保持固定， 测量相控阵天线不同配相状态下探头接收信号的幅相，用数学算法对实验数据进 行处理即可确定任意配相状态下各通道的激励幅相，进而所有的方向图根据一次 实验结果就能复原。在相控阵天线的全部可能配相中寻找某些特殊的配相控制， 就能够简化线性模型的求解，进而提高天线测量的效率。由于这种新技术能大大 减少检测时间，而其环境要求也低，因而具有很强的实用性。 关键字：相控阵天线天线测量阵列天线配相 a b s t r a c t 一 一 a b s t r a c t r e c e n t l yp h a s e da 玎a y 锄t e n n a s a r em o r ea n dm o r ew i d e l ya p p l i e di nm a n y 蛐r e n t w i r e l e s ss v s t e m ss u c h a sc i v i l i a n a n dm i l i t a r yr a d a r s op h a s e d 唧a ya n t e n n a m e a s u r e m e n ti sc o n c e m e d i nt h i sp a p e r ， an e wm e t h o di nm e a s u r i n gp h a s e d 锄y a n t e n n aq u i c k l yi sm a i n l yd e s c r i b e d t h i sp a p e ri n c l u d e st h a tp r i n t e dd l p o l ea m e m 嬲 w a sd e s i g n e da st h ee l e m e n to fp l a n a ra n t e n n aa r r a ya n di t ss t r u c t u r ew a s o p t l m l z e dt 0 g e t1 0 ws t a l l d i n gw a v ea n dw i d eb a n d w i d t h b a s e do n t h i se l e m e n tap l a l l a ra 1 1 t e m l a 撇yw a sd e s i g n e da n d t h ep a t t e r no ft h ec e n t r ee l e m e n ti nt h ea r r a yw a s c a l c l l l a t e db y m o m mp 砒帆觚dg 也i na n yd i s p o s i n g - p h a s e s t a t u sc a nb ee x p 托s s e d b y 恤s m o d e l w i t ht h i sm e 舢d ，t h er e c e i v i n gs i g n a lo f t h ep r o b ei sm e a s u r e dw i t haf i x e d d i s 伽c eo fp 妇删a n t e i l i l aa n dt h ep r o b e e x p e r i m e n t a l d a t ai sd i s p o s e db y m a t h e m a t i ca l g o ，t h u sa m p l i t u d ea n dp h a s ei ne a c h c h a n n e li sd e t e r m m e dma n y d i s p o s i n 分p h a s e ss t a _ t l l s a l lt h ep a t t e mc a nb er e c o v e r e d o l l l ym r o u 曲a t e s tr e 姒 s o m es p e c i a lc o 咖l sc a nb ef o u n di na l lt h ep o s s i b l ed i s p o s i n g 。p h a s e t 0s 吼p 1 1 坶也e s o l u t i o no ft h el i n e a rm o d e l ，t h u si n c r e a s i n gt h er e s e a r c he f f i c i e n c y w i t h t h i sn 删 t e c h n o l o 姒t h e r e s e a r c ht i m e h a sb e e ng r e a t l yr e d u c e d ，a n d t h ee n o 删 r e q u i r e m e n t sa r en o t s os t r i c t ，t h u sm a k i n gt h i sm e t h o dq u i t ep r a c t i c 2 l l a n du s e t 眦m e 髋c t 酗嗍r d s ：p h a s e da t r a y a n t e n n a a n t e n 曲m e a s u r e m e n ta t r a y 舳t e n 的 d i s p o s i n g - p h a s e 创新性声明 本人声明所呈交的论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究 成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢中所罗列的内容以外，论文中不 包含其他人已经发表或撰写过的研究成果；也不包含为获得西安电子科技大学或 其它教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做 的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 本人签名：兰走至 日期矽8 岁亨 关于论文使用授权的说明 本人完全了解西安电子科技大学有关保留和使用学位论文的规定，即：学校 有权保留送交论文的复印件，允许查阅和借阅论文；学校可以公布论文的全部或 部分内容，可以允许采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。( 保密的论文在 解密号遵守此规定) 本人签名： 导师签名： 绪论 第一章绪论弟一早珀t 匕 1 1 研究目的及研究状况 相控阵雷达在上世纪6 0 年代末问世，当时的目的是为了实现对洲际导弹的预 警，7 0 年代，由于火热的军备竞赛，美国推出了多种战略和战术相控阵雷达，欧 洲国家也推出了少量战术相控阵雷达。我们国家也在7 0 年代末，研制了一台二维 相扫的战略相控阵雷达。但由于当时相控阵雷达的成本很高，所以国际上也只是 以掌握相控阵体制和相关技术为主要目的。 当今，随着电子计算机及微电子技术的发展，超大规模集成电路、各个波段 的固态功率器件及数字移相器等技术的日趋成熟和成本幅度的降低，以及数字波 束的形成、自适应理论和技术、低副瓣技术及智能化理论和技术的不断发展，使 得相控阵雷达在性价比上具有了很大的吸引力。因而近年来在各种军用战略雷达 ( 如超远程预警雷达、机载预警雷达、超视距雷达、星载预警雷达) 和战术雷达 ( 如搜索雷达、引导雷达、火控雷达、制导雷达) 及民用雷达( 如微波着陆雷达、 气象雷达) 等各种不同的无线电系统中获得了愈来愈广泛的应用。 由于相控阵天线能够迅速改变波束指向，形成特种方向图并且一部相控阵天 线兼有多部其它品种的天线才能完成的功能，因而使得相控阵雷达备受关注。要 使相控阵天线的这些功能付诸实现，在它的研制和试验过程中还必须进行大量的 工作。这些工作包括对相控阵天线各通道幅、相的检测与调整，阵内故障或失效 单元的排除以，及测定相控阵天线及其所属系统在各种工作状态下相对应的发射或 接收方向图。 测量辐射单元达数万个的现代相控阵天线的辐射特性是一个复杂的技术课 题。相控阵天线的特点是存在一个与主波束扫描相对应的许许多多方向图构成的 集合，对其测试包括在不同的工作方式下、在工作频段内及波束扫描区域内，测 量所有的方向图。以直接测量天线远场空间分布为基础的传统远场测量法由于测 量时间长又无检测功能而无法满足要求。以探头扫描获取近场数据并经软件计算 天线特性的近场测量法对相控阵天线的研究工作和测试起了积极的作用，但测试 效率仍然较低，这是因为对天线的每一组配相都要重新进行一次扫描测量。另外 该方法需要造价昂贵的大型扫描架且对环境的要求较高，而且难于实现对相控阵 天线的现场检测。 近年来相控阵天线的快速测量和校准特别是有源相控阵天线校准成为研究的 热点问题。1 9 8 2 年日本学者s m a n o 和t k a t a g i 首先提出了旋转电矢量法测量单 元的幅相激励并应用于相控阵天线的校准上。日本学者n o b u y a s u 等人在2 0 0 1 年 2 拥挖i 咋天线伙速测量研究 提出了考虑移相器相位误差的旋转电矢量法，该方法的基本思想是接收探头位置 于被测天线阵面的前方，被测天线单元逐次换相，而其它天线单元相位不变。通 过接收探头接收到信号能量的最大值和最小值的比值和信号能量最大值时所在的 移相器状态，便可以确定被测天线单元的幅相特性和检测出故障。该方法在概念 上很简单，但是在测量过程中由于仅有一个天线单元换相，所以探头的接收信号 变化很不敏感，测量误差较大，测量时间也比较长。 美国学者a u m a n nm 和f e n nj 等人在1 9 8 9 年提出了利用相控阵单元互耦来 快速校准相控阵天线的方法，中国学者高铁等人把互耦校准方法应用到大型的有 源相控阵天线中。美国学者s i l v e r s t e i nd 在1 9 9 6 年提出了用开关矩阵编码方法来 测量和校准通讯卫星上相控阵天线的方法，该方法的基本思想是当相控阵天线在 通讯卫星上工作时，用开关矩阵对相控阵天线的各单元幅相激励进行编码，地球 基站在接收到信号后对接收信号进行解码，便可复原出被测天线的幅相激励。 俄罗斯科学家在上世纪8 0 年代中后期提出了相控阵天线换相测量法【l 】，并将该 方法应用于相控阵天线的测量和诊断中，上世纪9 0 年代末换相测量法在国内也有 所研究。该方法的基本思想是在相控阵天线和测量探头均保持固定的情况下，测 量相控阵天线不同配相状态下探头的接收信号幅相，然后用数学算法对实验数据 进行处理进而确定出任意配相状态下各通道的激励幅相，便可以计算出任意配相 情况下单元的幅相激励，同时可进行故障鉴别，并最终得到各种波束指向时的方 向图。该方法充分利用了相控阵天线相位可控的特点，利用了相控阵天线本身的 结构信息和特点，能大大减小相控阵天线测量和诊断时间，对测试环境的要求比 较低，具有很强的实用性。 目前国内相控阵天线的研究任务十分繁重，迫切需要对相控阵天线特性进行 测量诊断的新技术。本文研究目标是在俄罗斯学者提出的换相测量法的基础上， 对一种新型的相控阵天线快速测量的技术进行理论分析。 1 2 研究内容及工作安排 本文的主要目标是提出一种相控阵天线快速测量的关键技术，实现对相控阵 天线特性的快速测量诊断。本文的工作安排： 第1 章绪论。主要介绍了快速测量法提出的背景，对相控阵天线测量方法的近 况予以回顾。 第2 章相控阵天线的数学模型。建立了一个把相控阵天线在不同配相状态下探 头接收信号的幅相与相控阵天线各通道激励复振幅联系起来的数学表达 式，这个表达式是单一通道激励复振幅的加权和，加权系数与各单元在 阵中的方向图密切相关。 绪论 第3 章分析计算单元在阵中方向图。介绍为检验相控阵快速测量理论而制作的 阵列天线的设计过程，理论分析计算单元在阵中方向图。 第4 章换相法的信息量。对不同移相器控制方式下控制步骤矩阵的信息量进行 分析，并对第二章建立的数学模型进行求解。 第5 章制定实验步骤。在相控阵天线的全部可能配相中寻找具有最大秩的某些 特殊控制步骤。使由测得的接受信号幅相合相关的先验信息确定通道激 励振幅的方程求解最简化。 由于时间和个人能力的原因，本文对单元在阵中方向图的确定以及相控阵天 线的换相测量法仅作了理论上的简要研究，后续工作还需要进一步完善。 相控阵天线的数学模型 5 第二章相控阵天线的数学模型 为了更好的理解相控阵天线快速测量法，我们必须对相控阵天线的基本原理 有所了解。因此，在本章中我们将对相控阵天线的基本原理、电路设计【1 9 1 、结构 形式、微波元件及其控制方法等作简要介绍。 2 1 相控阵天线基本理论 相控阵天线是一种天线系统，该系统的辐射部分可分成许多相位控制的通道 激励。一般无源相控阵天线主要由天线阵面、移相器、馈电网络及相应的控制电 路等几部分组成。 天线阵面由配置在平面或曲面上的几百个到几万个辐射单元组成，研究较多 的有平面相控阵或共形相控阵，平面阵列由配置于有双周期结构的平面坐标栅格 ( 直角坐标、六角形栅格) 的辐射单元组成。辐射单元可以是：偶极子、开口波 导、波导上裂缝，微带贴片等类型天线，由于辐射单元间存在互耦，使得激励相 控阵天线每一个通道的不仅是接通的那个辐射器，而且还有相邻的( 严格讲所有 的) 辐射器。 图2 1 相控阵天线原理图 相控阵天线是从阵列天线【1 4 】发展起来的。为便于分析起见，这里举离散元直 线阵的例子。离散元直线阵是由分立的相同天线元排列在一条直线上构成的天线 阵。设相同天线元是对称振子，共有n 个，沿z 轴共轴排列：各元相对第一个元的中 心距离为磷。、盔：碣。各元电流依次为五、乞厶，如图2 1 所示。 6 相挖i 昨天线帙速测量研究 根据叠加原理，直线阵在远区p 点的辐射场可以表示为： 云2 喜亏= 喜歹挚g 呐腓肌训虿 假设p 点离天线阵足够远，则可认为各天线元到该点的射线相互平行， 鸟岛幺= 9ln 岛皖皖= p 1111 一一一= 一 ，i，；， ， 吒一4 j c o s 8 ( 2 - 2 ) 由于阵单元是相同元，故有 f ，( e ) - - 五( 护) = = ( d ( 2 3 ) 把( 2 2 ) 和( 2 3 ) 代入( 2 - 1 ) ，得 云：，华p 一归厕窆笋p m ，瞄一谷( 2 - 4 ) j = 1j 肘】 设 誓= j p 脶( 2 - 5 ) m i 式中玛。和届，为第i 个天线元和第1 个天线元电流的幅度比和相位差。 把式( 2 - 5 ) 代入( 2 - 4 ) 得 西= ，孚e 啪厕轨删讽) 谷 ( 2 - 6 ) 对于均匀直线阵，各单元电流幅度相等而相位线性变化。故有鸭产1 ，儡，= ( f 一1 ) d ， 屈，= ( i - 1 ) f l 成立，其中d 和是相邻天线元的间距和电流相位差。所以均匀直线 阵的辐射场可以表示为： 面= 瓦p 川1 渺 ( 2 7 ) 式中y = k d c o s a + p( 2 - 8 ) y 是两相邻天线元辐射场的相位差，瓦是第一个天线元的辐射场。通常要求天线 阵方向图只有一个最大值发生在= 0 的主瓣。设主瓣最大值方向为钆，由式( 2 8 ) 得： 疗 p = 一k d c o s ，- a r c c o s ( 一静，y = k d ( c o s o - c o s 钆) ( 2 9 ) 可以看出，若直线阵相邻元电流相位差p 变化，则会引起方向图最大辐射方向相 、j- l n 厶，k 九p 甚 相j 卒阵天线的数学模型 应变化。如果天线阵不动，p 随时间按一定规律重复变化，最大辐射方向连同整 个方向图就能在一定空域内往复运动，实现方向图扫描。通过改变相邻元的电流 相位差实现方向图扫描的天线阵，称为相位扫描天线阵或相控阵。各元电流的相 位变化由串接在各自馈线中的电控移相器控制 相位扫描阵的阵因子： s i n in k d ( c o s 0 - - c o s 钆) l f o ( 臼) = _ ( 2 1 0 ) n s i n l 寺h ( c o s o c o s o m ) l l 2 2 相控阵天线的微波元件 相控阵天线理论和技术蓬勃的发展，使得相控阵天线【l5 】在电路设计、结构形 式和微波元件及其控制方法等方面出现了千差万别我们这里所讨论的测量方法 在很大程度上均依赖于相控阵天线的构成特性，因此我们有必要将它们分离出来， 分别给予介绍。 相控阵天线是这样一种天线系统，该系统的辐射部分是由许多用相位进行控 制的通道激励单元构成。而波束扫描所必须的各通道激励相位的改变又是用电子 设备移相器来实现的。 波束扫描的方法有机械扫描和电扫描【l o 】两种。机械扫描是整个天线系统或其 某一部分的机械运动来实现波束扫描。而在电扫描时，天线反射体、馈源等不必 作机械运动。在阵列天线中一般采用控制移相器相移量的办法来改变各阵元的激 励相位，从而实现波束的电扫描。移相器的惯性比用在机械扫描或机电扫描中的 设备惯性要小几个数量级。因为无机械惯性限制，扫描速度可大大提高，波束控 制迅速灵活，故这种方法特别适用于要求波束快速扫描或巨型天线的雷达中。根 据实现时所采用的基本技术的差别，电扫描又分为相位扫描法、频率扫描法【2 0 】时 间延迟法等，在本文中我们采用的是相位扫描法。 目前正在应用和研制用于不同频段的千差万别的各种相控阵天线，其辐射器 配置在平面或曲面上，数量从几百个到几万个。在大多数情况下，研究较多的是 平面情况。我们将平面划分为直角栅格或六角栅格，平面阵列通常由配置在其坐 标栅格节点上的相同辐射器构成。 相控阵的馈电f l9 】方式有多种，一般我们采用光学馈电和强迫馈电方式的功率 分配器使相控阵天线各通道得到激励。光学馈电系统也叫空间馈电，它通常有两 种形式：反射镜式和透镜式( 也叫直通式) ，如图2 2 所示。 由馈源送出的电波照射到反射面或透镜孔面上，由各辐射元接收，经反射或 相挡阵天线快速测量研究 透射，再由各辐射元辐射出去。以适当的规律改变反射镜中或透镜中各移相器的 相对相移量，就可实现波束扫描。其中反射镜式只有一个阵列面，各辐射元先接 收电波，经移相器移相后，传输到末端( 短路端) 全反射，再移相后，由同一辐 射元辐射出去。 、 li | ( a ) 透射型( b )反射型 图2 2光学型相控阵天线通道激励电路 强制馈电系统，也称传输线馈电。因为在这种馈电系统中功率源到阵列元之 间采用了一定数量的微波元件和传输线。它又可以分为串联馈电和并联馈电。 移相器是实现相位扫描【1 9 j 的关键部件，对它的要求是：移相的数值精确；性能 稳定；频带足够宽且功率容量足够大；便于快速控制等。常用的有模拟移相器和数字 移相器。 为了便于控制，通常采用数字移相器。如果要构成n 位数字移相器，可以把，2 个相移数值不同的移相器作为子移相器串联起来，每个子移相器应有相移和不相 移两个状态，且前一个移相器的相移量是后一个的两倍。处在最小位的子移相器 的相移量为痧= 3 6 0 。2 ”，故t 位数字移相器可得到2 ”个不同相移值。例如四位数 字移相器，最小位的位移量为= 3 6 0 。2 ”= 2 2 5 。，故可由相移值为2 2 5 。，4 5 。， 9 0 。，1 8 0 。的四个子移相器串联组成，如图2 3 所示。每个移相器受二进制数字信 号中的一位控制。其中0 对应不移相，l 对应移相。例如控制信号为1 0 1 0 ， l o 1 o 图2 3 四位数字移相器示意图 则四位数字移相器产生的相移量为： 西= l x l 8 0 。+ o x9 0 。+ 1 x 4 5 。+ o x2 2 5 。 四位数字移相器可从0 到3 3 7 5 。之间每隔2 2 5 。取一个值，总共可取2 4 个值。 相摔阼天线的数学模型 9 铁氧体移相器有模拟和数字两种形式。它的基本原理是利用外加直流磁场改 变波导内铁氧体的导磁系数，因而改变电磁波的相速，得到不同的相移量。模拟 铁氧体移相器引入的相移是通过磁化绕组电流的函数。它是二端口器件，通过改 变铁氧体的磁性质，使其输入及输出问的相移产生变化。但是为了消除由铁氧体 磁滞所形成的误差，在选取移相器给定相位之前必须先将铁氧体磁化至饱和。 移相器的控制电路【l j 可分为两种类型，属于第一类的是允许独立控制所有移相 器的电路，在这种电路内的每一个移相器可以处于任何一种状态而与其余移相器 的状态无关；属于第二类的是不允许在个别移相器组内( 甚至全部) 实现独立控制 的电路。在通常情况下，第二类电路中移相器的状态按沿行和列传送的数之和( 按 模三) 来记算，也就是l = ( 三，+ 厶) m o d l 。这样的电路确保同时控制所有的移相器 和形成使相控阵天线波束指向任何方向所必须的相位波前。第二类电路比第一类 电路速度快，而且可以节省元件和电路，简化结构并提高其可靠性。但控制的灵 活性较小。大多数相控阵天线的移相器控制都以行一列原理为基础。 2 3 利用相控阵天线的数学模型测定其特性 测定天线方向图的现有方法中，通常都没有利用测量对象的构成特性，因而、 这些方法可以用来测试任意一种天线。但是，如果测量对象的构成特性信息是足 够可信的话，利用这些信息可能会使测量过程简化。关于天线阵的几何尺寸、各 个辐射器的类型和方向特性、移相器装置和馈线网络等先验知识是相控阵天线测 量时可能会用到的本质的和重要的信息。 在相控阵天线的每一个通道内都有单独的移相器。移相器可实现的相移值( 如 等万4 、1 r 2 等) 用对应的状态编号( 整数如o ，l ) 来表示。若移相器可实现的 相移值的个数为三，则移相器的状态编号组成集合盯= f o ，1 ，2 ，三一1 。在t 时刻各 通道移相器的状态编号组成的集合叫做相控阵天线在r 时刻的配相，用集合表示 为：吼。= f ，( 玎) ：盯，n = 1 ，2 ，n ，式中( 力) 是t 时刻第刀个移相器的状态编 号，表示移相器个数，它等于相控阵天线的通道数。相控阵天线以配相相区别 的所有状态数等于。 相控阵天线的显著特性是它的辐射特性从属于各个移相器的状态。存在利用 数学模型来描述相控阵天线的方法。根据此模型，相控阵天线任意配相时的辐射 特性都可用少量的几个参数一各个通道的激励复振幅和辐射器的平均方向图加以 描述。辐射器的平均方向图的选取可由阵列某一段的预先试验确定，或是由理论 方法确定。主要试验过程就是改变相控阵天线各通道内的所有移相器的状态，测 量探头接收信号的幅相分布，由试验数据的处理结果我们可以确定任何配相状态 下各通道的激励复振幅和辐射特性。 1 0 相摔阶天线快速测量研究 我们借助近场理论来推导用来描述相控阵天线辐射特性的线性数学模型。如 图2 4 ，我们假设辅助天线( 探头) 的参数，如方向图乃( 乏) 、增益g p ，及相位中 心矢径i ，是己知的。 图2 4相控阵天线和探头布局图 在近场测量中用的探头实际上是一个小天线，它的尺寸并非为零，探头的接 收信号与探头的特性有关。也就是说，同样的近场分布用不同的探头去测量，其 测量值会有所不同，而天线的固有特性是与探头无关的。为了由测量数据准确推 出天线的近场和远场特性，应当在计算中把探头的影响消除掉。为此必须建立探 头与天线间的耦合方程，即找出待测天线发射时探头接收信号与待测天线输入 信号w 0 。之比与这两个天线的特性及相互位置之间的关系。 在平面波谱展开式中，考虑探头影响时的近远场变换公式为： 掣= 去f e 瓶) 和西e 讽石戤吗 ( 2 - 这是平面近场测量中的耦合公式，该式有着明显的物理意义，4 ( 一万) p 一属。，表示待 测天线产生的场的平面波谱中沿万方向传播的波谱在i 处的值，包k 彳( 一万) 表 示探头对石方向平面波的接收特性。t k 爿( 一百) p 一麒哆表示探头对石方向平面波 的接收量，对屯。七，积分后表示探头总的相对接收信号y o ，因子1 砸一r l f p ) 表示 失配因子。 利用驻相法，不考虑失配因子，上述公式可以写为： 薏= 等等删七弧印a ( 2 - 1 2 ) 由平面波谱与远场方向图之间的关系： a ( k r p ) = f ( o ，妒) 璁 ( 2 1 3 ) 相控阵天线的数学模型 彳( 七名) = ( 口，妒) 业： ( 2 1 4 ) 式中f ( b ，缈) 和无( 9 ，缈) 分别表示单位输入时待测天线和探头对应的远场方向图，把 ( 2 1 3 ) 和( 2 1 4 ) 代入( 2 1 2 ) 得到； 一y o e - j k r 2 ，j rf ( o ，伊) 7 l d ( 口，伊) ( 2 1 5 ) 毽 rp 式( 2 一1 5 ) 厂口可以表示为： 7 p2 芷乩= 酬删 ( 2 - 1 6 ) 其中万p 是探针的归一化方向图。 又由增益的定义，有关系式： l 卜老 ( 2 - 将( 2 1 6 ) 和( 2 1 7 ) 代入( 2 1 5 ) 有： 丛：生筚万( 见力西( 乡，力 ( 2 1 8 ) 嘞 名 尼 由( 2 1 8 ) 式并根据叠加定理，我们就可以建立数学模型来描述相控阵天线的特性。 相控阵天线特性可以借助测量探头天线输入端接收信号的幅度和相位的方法 来确定。探头天线的接收信号是各个通道激励复振幅的叠加： y ( f ) = c a r t ( n ，) ( 2 1 9 ) 夕( f ) 是探头接收信号的复振幅，乘积c , n r , ，( 行，f ) = 可以解释为第, 个通道的移相 器处于，状态时在探头处产生的信号的大小，是第n 个通道在，状态时的激励复 振幅。利用近场理论的公式( 2 1 8 ) ，有下面关系式成立： 厶= 薏= 甓掣华厕m 一。) ( 2 - 2 。) 国试d n k 。 式中k 表示波数，而赢= ，一。表示第行个辐射器和探针的矢量距离，式( 2 2 0 ) 中所描述的方向图z ( j i ) 和探针方向图c ( 石) 分别对应于矢径为；。和p 的点。函数 z ( ) ) 是相控阵天线单一通道的局部方向图。这时辐射器n 被激励，而其余辐射器 的激励通道断开并且匹配。为简单起见，以后称此函数为相控阵天线辐射器图。 模型( 2 1 9 ) 是用固定探头测量相控阵天线参数的各种方法的基础，这些方 法的基本原理都是在各种配相时测量探头天线的接收信号，并由此方程确定各通 道的激励振幅吃，模型( 2 1 9 ) 对所求参数来说它是线性的，因而计算方便。 1 2 相挖阵天线快速测量f i ) f 究 如果各辐射器的方向图z ( 七) 已知，则在任意配相时，相控阵天线的辐射场是 带有己知加权系数的天线阵各通道激励振幅的叠加。 由个单元组成的相控阵天线，设第门个单元单位激励，其余一1 个接匹配 负载时，天线产生的远场【1 5 】为： 一口一燧一 e 一= 厂。( 巩) ( 2 - 2 1 ) a n 若个单元同时激励，且第n 个单元的激励振幅用，表示，根据叠加定理有： 五：n - i ，孚一f 周玎步艺e j k d ( r - a ) y 翮 ( 2 2 2 ) n = o “* n = o “” 因为孑。= 一r - 一r 。，( r 是远场对应点的矢径，力是第行个移相器的矢径) 。为了方便， 我们仍然用图2 4 来进行说明，只是用；来代替其中的；尹。在远区近似，对于分母 有，以，对于相位这一项有，以= r - r 。c o s 8 ，故： 乏：生羔- 五7 。( - ) ( 2 - 2 3 ) - 一f i 。h 、 因此，我们可得到当配相为吼，时，归一化方向图可以表示为： 1 e ( 石) = 酽) f 。( k ) e x p ( j k r 一。) ( 2 - 2 4 ) n = l 其中： q = m a x l z ( 无) ( n j ) e x p ( 歹乏一r 。) i ( 2 2 5 ) i n = ii 方向图的增益为：g = 4 万g 对于大的天线阵，如果设z ( 乏) = 厂( 乏) ，并且把乘数移出式( 2 2 4 ) 和( 2 2 5 ) 的 求和符号之外，我们得到如下表达式： 一一i 只( 七) = 厂( 七) g f2 ) e x p ( j k r 。) ( 2 - 2 6 ) n = l 这里的z ( t ) 是阵面内按辐射器群取得平均单一辐射器方向图，这样做在大天线阵 的情况下将不会有明显的误差。 通常边缘各辐射器的方向图与平均方向图相差比较大，但总可以按式( 2 2 4 ) 加以考虑。利用数学模型能够将相控阵天线辐射特性的测量过程分为两个阶段： 第一个阶段是测量各通道的方向性特性( 各辐射器方向图) ；第二个阶段是测量各 通道的激励特性，而激励振幅是用固定探头来测量。因此这种测量具有高效性。 相捧l 咋天线的数学模型 2 4 换相测量法 天线测量的各种方法以处理试验结果的复杂性相区别，仅仅依赖测量方法不 可能说明这些方法的实质。涉及到换相法【l 】时，这一点尤为突出。换相法的测量方 法最简单，而与此同时，它的主要内容是试验信息量的分析和测量结果的变换方 法。 换相法作为对测量对象操作、获取和变换试验信息的各种方法的总和，它可 划分为一系列阶段( 见图2 5 ) 。这些阶段的详细说明在后面几章中给出，这里仅 讨论各个阶段的实质和它们之间的相互联系。 换相法的主要测试过程是测量相控阵天线不同配相时探头接收信号的幅相。 配相序列u = 吼，：0 t ，吼，= 1 ，2 ，t ) ，式中r 是测量次数，嗷代表所有配相的集， 我们称之为控制。对于某一个控制，相控阵天线测量中探头的接收信号与各通道 激励复振幅之间的关系可用下列关系式表示： 、n 。- ，1 只= 巳q 研。，) + 4 ( 2 - 2 7 ) n = 0 其中：q 0 ( 已知系数) ；毛为测量误差；缈( 疗，) 仃表示第一个移相器在t 次测 量时状态编号。 可见，接收信号的评估误差，及求解( 2 2 7 ) 式的繁重程度在很大程度上与e 的形式有关，而e 又与各移相器的的配相有关，因此选择移相器的控制对换相法 具有重大意义。通常情况下，对于我们所选择的某种控制，方程的解是多值的， 所以在解题时必须利用先验信息，以消除多值性。 偏差估值是在假设移相器完好的条件下得到的。移相器的故障将会导致估值 的附加误差。因此，必须鉴别故障并在给定故障类型的条件下重新评估偏差。所 谓故障，应理解为相控阵天线的构成部件在制造或装配时的粗略误差。例如：移 相器的离散位不正确，一个或是几个离散位不工作，一个通道无激励，等等。这 类故障和它们的组合总数是有限的，因此所有故障可以预先分类。在无测量误差 时可以鉴别故障的所有类型，但两种故障除外：移相器的所有离散位不工作；一个 通道无激励。测量误差影响正确鉴别的概率，但该影响不大，因为由相控阵天线 内故障引起的测量结果的变化远远超过测量误差。 根据己知的激励振幅，和辐射器的方向图z ( 七) ，利用相控阵天线的矢量方向 图公式( 2 1 9 ) 及( 2 - 2 1 ) 即可复原相控阵天线的辐射特性。换相法的优点之一就 是它能根据一次试验的结果确定相控阵天线在所有配相情况下的方向图。 1 4 相拧阼天线快速测量f i j f 究 选择优化控制 测量不同配相状态下探头 接收信号的幅相 图2 5 用换相法测量相控阵天线参数的逻辑框图 换相测量法与相对于相控阵天线移动辅助天线的方法相比，其优越性是它能 大大减少测量次数和提高测试效率。由于采用了相控阵天线的数学模型，所必须 的测量次数等于n l 。而且在测量中没有移动机械，因而使进行一次测量的时间减 少到测试仪器一幅相移所用的测量时间。 2 5 测量辐射器的局部方向图 在换相法中，相控阵天线辐射器的方向图比其他测量方法中显得更为重要。 方法的基础是考虑了相控阵天线的构成特性。阵列辐射器的方向图既要求在相控 阵天线各通道接收信号的测量阶段知道，还要求在方向图复原阶段知道。辐射器 方向图的测量还具有独立意义，因为它决定相控阵天线增益与扫描角的从属关系， 决定极化特性，另外它对相控阵天线方向图也有影响。 根据定义，在指定的辐射器的通道激励，而其余通道接匹配负载时相控阵天 线的方向图叫做辐射器方向图。换相法提供一种允许各辐射器不接匹配负载就测 量阵列辐射器的方向图的方法。将相控阵天线固定在转动装置上，在相控阵天线 的每一个角位置上，测量应该获得其方向图的那些通道的传输系数。各通道传输 系数对扫描角的从属关系就决定了相应辐射器的方向图。而为了测量包含极化特 性的矢量方向图，必须用两个具有不同极化特性的探头进行测量。 1 ，面l 雌列设计与方向图汁算 第三章平面阵列设计与方向图计算 从快速测量的数学模型可以看出，辐射器方向图不仅在相控阵天线各通道传 输系数的测量阶段要知道，而且在方向图的复原阶段也要知道。并且它决定相控 阵天线的增益与扫描角的从属关系，决定天线的极化特性，以及对相控阵天线方 向图的影响，因此确定单元在阵中方向图具有十分重要的意义。 3 1 平面阵列天线单元研究 计算单元在阵中方向图首先要设计一个平面阵列，而单元天线是阵列天线中 最基本的辐射单元。我们选用印刷振子天线作为最基本的天线单元。 印刷振子天线采用双面板结构，一面是印刷振子臂和平衡馈电巴伦，另一面 是微带馈线和匹配网络1 1 2 2 2 3 1 。印刷振子天线采用的馈电方式是电磁耦合馈电，这 种馈电方式可以在一定程度上展宽印刷振子的频带。 印刷振子臂可以利用等效半径的概念，等效为半径d ，长度为2 z ，的对称振子， 中心馈电的带状振子的等效半径为：d ，= 0 2 5 ( w + t ) ，式中，w 一带状振子的宽 度，f 一带线的厚度。振子辐射臂长度2 ，考虑到带状振子的断头效应，振子的长 度应当修正。修正量为振子宽度w 四分之一( 即2 l = 2 1 + w 4 ，式中2 z 一振子的 实际几何长度) 2 4 5 1 。 图3 1 巴伦等效电路图 巴伦是一种将平衡双导线接到非平衡同轴线的器件。一偶极子天线的中点直 接同轴线馈电，这样同轴线的外导体表面一部分电流成为辐射系统的一部分，由 此振予的极化受到干扰，振子的波瓣图也发生了畸变，因此就需要一个巴伦。本 文的印刷振子采用微带馈电的i 巴伦，i 巴伦具有某些令人满意的优点，它能 1 6 相控阼天线快速测量研究 够提供完善的平衡和很宽的频带。它的等效电路如图3 1 所示。 在此处的巴伦有两个作用：一个是平衡电流分布，这也是巴伦最主要的作用。 二是附加电抗补偿，输入口的电阻为( z 。膨。) ，在恰使p l 。= 7 2 的频率上，输 入阻抗( z a i x ，) 可简化为乙。在较低的频率上，弘，呈感性，而半波振子的乙 在低于谐振的频率上呈容性，而半波振子的z 。在高于谐振频率上呈感性，附加容 性成分膨。能补偿半波振子阻抗z 。的感性成分【2 6 1 。因此，i i i 巴伦在一定程度上 展宽了印刷振子的频带宽度。在此处印刷振子天线采用电磁耦合的方式馈电，馈 线采用微带馈线。减短采用微带馈线。减短振子臂之间的间隙，以抑制馈线跨越 式的寄生辐射，在馈线中又引入开路枝节匹配，这进一步扩展了印刷振子天线的 频带宽度。 天线等效电路图如图3 3 所示： 图3 3天线单元等效电路图 根据传输线及微带理论，天线单元的输入阻抗 乙= 一忍c 。t 皖+ 瓦j z 再, z o 而o t a n ( e 0 6 ) ( 3 - 1 ) 和互为等器 2 ， 和乙学鲁器 3 ， 其中：z l = 5 0 q 通过调节参数、幺、皂( 即开路线长度和槽的长度及匹配段的长度) ，可 以使其阻抗在很宽的频带内匹配。 r 4 列鞋h 。，方向刳l 算 3 2e i i u 振子单元的设计与仿真调试 根据需要，采用中心频点是3 g l t z 的印刷偶极子天线作为平面阵列蕞基本的辐 射单元。天线采用介电常数= 2 6 5 、厚度为1 m m 的聚四氟乙烯介质板。本节闱 a n s o f th f s s l 0 对天线仿真优化给出天线几何示意图如图3 4 所示 辨 嚣 图3 4 仿真天线儿何结构不意图 3 21 振子中各参数的确定 1 振子自阻抗乙 ；i - 1 9 1 1 巨量法解h a l l e n 积分方程。采用全域基，点选配法【”1 求出振子上的电流 分布，然后计算出其输入阻抗。圈3 5 给出了振子长度5 0 m m ，宽度2 m m ，厚度 o0 3 5 m m 时半波扳子辐射臂电流随频率变化曲线。实线是电流的实部，虚线是电 流的虚部。 图3 5 振子辐射臂电流随频率变化曲线阁 相摔l 咋天线快速测量研究 2 微带开路线的特性阻抗z 口和电长度包 介电常数为s ，基板厚度为h 的介质板上宽为，厚度为，的微带线的特性阻 抗乙和有效介电常数【2 9 1 可很方便地求出。 电长度吃 见= 竿乞以= 辜 式中磊是自由空间波长，靠使有效介电常数，乞是微带线从耦合微带线的中 心点到开路终端的几何长度2 羽。 3 终端短路的开槽线的阻抗z 厶和长度 乙、如的值取决于终端短路的开槽线奇模特3 0 1 性阻抗和有效介电常数。 对终端短路的开槽线，可以得到下述结果陋】： o 0 0 6 d ， o 0 6 ，2 2 2 g 3 8 ；o 0 0 1 钰形- - ，- - _ 相控阵天线伙速测量研究 图3 6 振子加接地板 半波振予的标准绝对增益是2 1 5 d b ，振子加地板后，理论增益最大可达8 d b 多， 它的后瓣也应是很小。但实际中地板的大小是受限制的，当地板大小为3 , 2 x 3 , 2 时，振子方向图如图3 7 ( a ) ，它的增益为6 3 d b ，后瓣为一0 6 d b 。当地板大小为 2 2 2 a 时，振子方向图如图3 7 ，它的增益为8 1 d b ，后瓣为一11 2 d b 。 2 0 2 5 1 5 01 0 0- 5 0o5 01 0 0 1 5 0 t h e t a 【d e g l 图3 7 ( a ) 地板大小为3 , 2 x 2 2 时的方向图 - 1 5 01 0印1 0 01 5 0 t h e t ai ( 1 e g 】 图3 7 ( b ) 地板大小为2 2 x 2 2 时的方向图 ，1 5 0 1 0 0- 5 005 01 0 01 5 0 t h e t al d e g l 图3 7 ( c ) 地板大小为五五时的方向图 竹 。 加 锄 舶 枷 【qp】一i葛卜ui辱o-m口 伯 5 o 1 2 仲 0 o 巧 竹 佰 己 巧 r 由q w f ，方向目h # 根据实际情况选取大小为2 x 且的接地板。振于方向圈如图37 f c l ，它的增益为 76 d b ，厉瓣为7g d b 。按照仿真参数，制作印制偶极了天线振子臂面如图38 f a l 馈电面如图38 ( b ) 。 叼攀甲 图3 8 ( 曲印制偶极子天线阵子臂面目3 8 ( 坼印制偶极子天线阵子馈电面 利用矢量网络分析仪测得其驻波曲线如图3 9 。 2 0 25 3 0 354 0 fr e q 【g h z 图3 9 振子天线实颡9 驻波比v s w r 实两i 测试结果表明制作振子达到设计要求，符合设计标准 3 3单元在阵中方向图的计算 接于传输线的天线阻抗可以表示成一个二端网络，天线用于接于传输线末端 的等效阻抗z 代替。在设计发射机及其附配的传输线时，将天线简单地与做二端 阻抗是很方便的。这种作用于传输线末端的阻抗称为馈端阻抗或激励点阻抗。对 于无耗且孤立的天线，即远离地面和其他物体的天线，其终端阻抗也就是该天线 的白阻抗，具有称为自电阻( 辐射电阻) 的实部和称为自电阻抗的虚部。当天线 5 4 4 3 3 2 2 1 1 一ptot4ejj一；*) 相控阵天线快速测量研究 用作接收时，其自阻抗与用作发射时的相同。在天线邻近存在物体( 如若干其他 天线) 的情况下，终端阻抗仍可以用于一个二端网络来代替。然而，其等效阻抗 不仅由该天线的自阻抗，而且由该天线与其他天线之间的互阻抗以及在这些天线 上的电流所确定。 在相控阵的设计计算中所采用的大多数方法，是基于忽略了互耦的经典阵列 理论、近似分析法、实验技术以及它们的结合。在要求宽角度扫描的现代阵列雷 达天线中，一经发现，天线阵元之间的互耦在决定阵列性能方面起着非常重要的 作用。近似分析方法中没有正确地估计出互耦的影响，而采用试验方法来设计一 个往往需要正确地估计出互耦的影响，而采用试验方法来设计一个往往需要成千 上万个天线阵元的大型相控阵，又是一个既费时间又非常费财力的事情，因此就 需要一种计算互耦的有效方法。 矩量法求解思路简单清晰具体处理灵活方便，分析计算精确快速，以及对所分 析电磁物体的边界形状很少限制等特点而获得很强大的生命力，在大量电磁问题 的分析中获得了成功的应用。 本节采用矩量法分析单元在阵中方向图。单元在阵中的方向图不同于单元在 自由空间的方向图，其原因是当一个单元激励时，由于互耦的作用使得其它单元 上都被感应出电流，这些电流也产生辐射。因此在空间形成的方向图是激励单元 本身电流的辐射和所有感应电流的辐射所形成的一个总的方向图。这样，只要把 各单元上的电流求出来，根据单元在自由空间的方向图公式计算出单元的方向图， 在根据叠加原理求出各个单元在阵中的方向图。 3 3 1偶极子天线的矩量法分析 图3 9n 元直线阵 平面阵列设计j 方向图计算 元阵列偶极子天线如图3 9 所示，单元间距离为d ，单臂长为z ，并建立如 图3 1 1 所示的坐标系，为了方便的应用矩量法，将每个单元均匀的剖分成m + l 段， 其中m 为整数，每相邻的两段组成一个元偶