天线波束角测量误差分析 多普勒雷达天线波束角测量误差分析

天线测量误差分析 多普勒雷达天线波束角测量误差分析 引言 要确定天线的实际性能 例如增益 方向图 极化 频带宽度等 精确的测量是必不可少的 天线在不同的应用场合各有其严格的指标要求 例如 多普勒导航雷达的天线 需要精确测量天线波束在以天线相位中心为原点的坐标轴内的指向角 主要内容 天线远场测量天线近场测量多普勒导航雷达天线波束指向角测量误差分析 天线辐射场区划分 在紧邻天线的空间 坡印亭矢量是虚数 电场或磁场同距离的高次幂成反比 随着离开天线距离的增加迅速减小 称此区域为电抗近场区 越过电抗区就到了辐射场区 此时坡印亭矢量是实数且场随距离成反比 按离开天线距离的远近又把辐射场区分为辐射近场区或菲涅尔区 以及辐射远场区或夫琅和费区 天线远场测量 天线远场测量是在满足远场条件下 借助辅助天线根据天线互易定理测量待测天线的电性能参数的方法 在大多数场合下 待测天线工作在接收状态 远场测量可以在室外进行 也可以在室内 室外测试场为避免地面反射波的影响 把收发天线架设在水泥塔或相邻高大建筑物的顶上 主要分为 零点偏离地面的高架测试场 零点指向地面的高架测试场和斜天线测试场 室内测试场在无反射室内工作 微波暗室 它是以吸波材料作衬里的房间 能吸收入射到六个壁上的大部分电磁能量 较好地模拟自由空间测试条件 室内测试场又分为 室内远场和紧缩场 室外测试场零点偏离地面的高架测试场 采用锐方向的发射天线 使方向图的第一零点刚好指向待测天线塔的底部 待测天线的架高至少为其直径D的5倍 hr 5D 室外测试场零点指向地面的高架测试场 采用锐方向发射天线 使方向图的第一个零点指向地面反射点 此时hr 3 3D 室外测试场斜天线测试场 斜天线测试场就是收发天线架设高度不等的一种测试场 通常把待测天线架设在比较高的塔上 且作接收使用 把辅助发射天线靠近地面架设 由于发射天线相对待测天线有一定仰角 适当调整它的高度 使自由空间方向图的最大辐射方向对准待测天线口面中心 零辐射方向对准地面 就能有效抑制地面反射 天线远场测量 室内测试场相对于室外测试场 室内远场具有全天候 保密 对昂贵待测系统起到保护作用以及能够避免外界电磁干扰等众多优势 国内许多高校 研究所 天线公司都配备有高精度的暗室测量系统 紧缩场 室内远场测试需要很大的空间 如果采用射线光学原理 就可以在较小空间产生理想的平面波照射 根据这个原理 紧缩场应运而生 大多数紧缩场天线由一架或多架反射镜组成 测试场通常设置在暗室内 但特别大的紧缩场天线也会被置于室外 如射电望远镜 天线远场测量 天线近场测量 近场测量是在小于最小远区距离内 求得天线远场特性的测量 其不需要庞大的室外 室内测试场 具有测试精度高 可全天候工作以及一次测量可得到全部远场信息等一系列优点 一直是天线测量领域研究的重点课题 近场测量包括场源分布法 缩距法 聚焦法 外推法和近场扫描法 目前最常用的是近场扫描法 天线近场测量 近场扫描法是在离开被测天线3一10入距离上 用一个电特性已知的探头在被测天线近区某一平面或曲面上扫描抽样 按照取样定理进行抽样 电磁场的幅度和相位数据 再经过严格的数学变换 快速傅立叶变换 计算出被测天线远场区的电特性 若被测体是辐射体 通常是天线 则称之为辐射近场测量 当被测体是散射体时 则称之为散射近场测量 根据取样表面的不同 可分为平面扫描技术 柱面扫描技术和球面扫描技术 天线近场测量 多普勒导航雷达简介 测速原理以多普勒效应为基础 基于测量雷达辐射的电磁波与回波之间的频率差异来得到速度信息 频率上的差异即多普勒频率偏移 当雷达参数确定之后 多普勒频率fd仅仅与雷达载体相对于地面的运动速度有关 通过三波束天线测量得到的雷达载体速度矢量的各个分量 即沿着航向的纵向速度 与航向垂直的横向速度和垂直速度 供导航使用 天线波束具有一定宽度 因此 从地面返回的回波有一定的频谱宽度 由于多普勒效应 中心频率相对发射频率有一个偏移 偏移量fd与速度在信号辐射方向上的投影成正比 式中 V 地速矢量 发射信号波长 波束中心线与地速矢量之间的夹角多普勒雷达天线为固定多波束斜指向波导缝隙阵 采用三个波束Y型配置 能连续测量三个波束的多普勒频移fd1 fd2 fd3 多普勒雷达波束配置图 坐标轴各方向上的速度矢量可按下列公式计算 波束中心线与X轴的夹角 波束中心线在YOZ平面的投影与Y轴夹角 波束中心线与Z轴的夹角PL 偏流角 由于多普勒频移的解算与天线波束指向角密切相关 而测速精度又与多普勒频移测量密切相关 因此精确测量多普勒雷达天线的波束指向角极其关键 波束指向角高精度测量要求 0 03 以下从远场测量 近场测量两个方面进行波束角测量误差分析 远场测量法天线安装及测量示意图 测试工装误差 天线安装在测试工装并固定于转台 主要有以下几点误差 1 天线口径面与转台垂直误差为 0 05 2 天线的方位面中心线与转台平面平行度为0 053 天线与工装的安装定位误差测试转台精度以色列ORBIT公司AL 4270 1型转台 在方位和俯仰面的同步性精度为0 03 最大回差0 06 转台平行度为0 05 双轴对准误差远场测量时 转台的方位面转轴与发射天线相位中心轴的对准存在随机误差 归纳起来 方向图角度测量误差概括为 角度测量装置产生的角度误差 1 功率测量不精确产生的角度误差 2 待测天线相位中心与转台转轴产生的角度误差 3由于 1 2是随机且相互独立的 3是系统误差 总误差角可表示为 近场扫描法示意图 这种测量技术的主要优点 1 测量在待测天线的近场进行 没有远场距离 转台精度等要求 2 考虑了探头对待测天线的天线辐射的场影响 3 根据测量可以计算天线完整的空间方向图 4 一种有用的诊断工具 逆推口径场分布 容易找出阵列中有缺陷的单元 5 只要仔细测量 可以准确的确定超低旁瓣 55dB 天线的远场波瓣图 近场扫描的步骤 1 对探头特性进行校准 即测出探头的方向图并对算法进行补偿 2 确定天线的架设高度 扫描探头作为接收 被测天线作为发射 确定收发之间的距离 将探头对准被测天线的几何中心 3 在待测天线近区某一选定表面上 用探头两种独立的取向 如相互正交的两种取向 以合适的抽样间隔抽样测量各个网格位置的场的幅度 相位分布 4 用快速傅里叶变换 FFT 完成天线远场方向图计算 近场扫描法采用光学校准系统将待测天线的电轴坐标系与扫描平面坐标系校准 这样可较精确测得多波束斜指向天线的各波束相对于天线电轴的偏角 测试数据进行后处理 近场测量系统中接收机的灵敏度为 0 15dB 即增益最大值及对应角度的测量存在一定误差 此外 天线归一化增益方向图主瓣不完全对称 增益最大值通常不在主瓣的能量中心 因此 需要对数据进行后处理 以确定天线增益方向图的能量中心及对应角度 以此作