基于人工源的方向图现场测试❋

2013-06-27倪淑燕任宇飞杨龙辉窦晓杰

电讯技术 2013年9期

关键词：飞艇相控阵测试方法

倪淑燕，任宇飞，杨龙辉，窦晓杰

（1.装备学院，北京101416；2.解放军61541部队，北京100094）

基于人工源的方向图现场测试❋

倪淑燕1，❋❋，任宇飞1，杨龙辉2，窦晓杰1

（1.装备学院，北京101416；2.解放军61541部队，北京100094）

针对大型相控阵不易采用传统转台法进行远场测试的问题，提出了一种基于人工运动源的现场测试方法实现对方向图的测试。该方法利用航空平台搭载测试系统和高精度定位测姿系统，同步记录时间、接收信号强度和三维位置信息，通过后续数据处理得到方向图。并针对测试过程中存在的误差进行了分析和修正，最后通过计算机仿真验证了方法的有效性。

相控阵天线；方向图；远场测试；现场测试；人工源；航空平台

1 引言

天线测量是天线设计和性能分析工作中的一个重要环节。天线测量技术始于二战期间，经过几十年的发展，经历了由远场测量到近场测量，由室外场地到微波暗室，由人工操作到自动测量的发展历程［1－3］。天线方向图是描述天线性能的重要参数，虽然近场等效的方法已经被广泛地应用到方向图的测量中，但远场测量方法更加直观简便，能够最大程度模仿天线的实际工作情况，因此天线远场测试方法对天线验收、日常维护和故障诊断等仍具有非常重要的意义。

传统的远场测试方法都是基于转台和标校塔的旋转天线法［4］，其测试只能在低仰角范围内进行，无法体现全空域特性，并且对于规模庞大的相控阵，构建转台也是不现实的。还有一种方向图的现场测试方法［5］，利用运载工具携带源天线围绕被测天线飞行，记录幅度和角度信息，通过后续数据处理得到方向图。现场测试方法一般适用于3种情况：一是在现场天线方向图受到安装场所的严重影响并且必须测试现场方向图；二是天线架设和装配只能在现场进行，方向图事先无法测试；三是验证方向图与周围环境的相互作用是否与预期相一致。

对于大型相控阵多波束天线，由于待测天线结构庞大，转动不便，所以测试工作必须在使用现场进行。目前对于现场测试方法的研究很少，本文以地面站的大型相控阵天线为测试对象，提出一种基于航空平台的人工运动源现场测试方法，可以弥补标校塔的不足，实现对大型相控阵高仰角情况下天线辐射特性的测试。

2 测试方法概述

2.1 测试原理

对于确定的加权向量，画出波束响应能量相对于方向的函数，便得到波束形成器的指向性图，也称为波束图或方向图，即

一般方向图会采用对数形式表示，即20lg（·）dB。因此，只需在全空域抽样地测出一系列俯仰θ和方位φ对应的信号能量，就可以近似地得到三维方向图。令θ、φ其中一个固定就可以得到二维方向图。

标校塔法是利用被测天线的转动来测不同方向的信号能量。对于大型相控阵，被测天线转动不易实现，本文提出基于航空平台的人工运动源测试方法，令被测天线固定，采用飞艇或无人机等携带辅助天线，通过控制其航迹，使其携带的辅助天线围绕被测天线转动来得到不同平面的二维方向图。航迹设定如图1所示，图中O点为待测天线的相位中心。要测φ面的方向图，只需按图1（a）中的航迹飞行，保持R、θ不变，而要得到θ面的方向图，则需按图1（b）中的航迹飞行，保持R、φ不变。

图1 飞行航迹的设定Fig.1 Setting of flight path

在飞行过程中，利用航空平台上的定位系统获得飞艇的三维位置信息，同时利用频谱仪获得接收信号功率，并利用存储设备记录时间、位置和强度信息。后续数据处理可以根据三维位置信息计算出飞艇的方位、俯仰信息，分别以方位、俯仰信息为横坐标，以同一时刻的接收信号幅度为纵坐标，就可以把对应的方向图绘制出来。

2.2 测试系统构成

航空平台由飞控系统、定位测姿系统、GPS授时系统和测试设备（标准天线、频谱仪／信号分析仪、信号源等）组成。飞控系统控制航迹精度越高，定位测姿系统精度越高，方向图测试误差就越小。目前，国内飞控系统的控制精度可以到达米级，采用差分GPS＋惯导的定位系统精度可以达到厘米级。对于飞艇的三维位置和接收信号强度的记录需要精度的时间同步，因此需要采用可外触发内存储的频谱仪或信号分析仪（如安捷伦的N9000A－503型信号分析仪），利用GPS授时作为触发源，实现位置和接收信号强度的精确同步。

测试设备连接框图如图2和图3所示。测试发射性能时，将相控阵作为发射天线，标准天线作为接收天线，令地面站发射功率固定，测不同方位的接收功率就可以得到不同方位的相对增益，进而绘出发射方向图。测接收性能时，将标准天线作为发射天线，相控阵作为接收天线，发射功率固定，测不同方位的接收功率就可以得到不同方位的相对增益，进而绘出接收方向图。

图2 发射方向图测试框图Fig.2 Testing structure of transmitting pattern

图3 接收方向图测试框图Fig.3 Testing structure of receiving pattern

3 测试数据处理及误差分析

3.1 坐标系转换

艇上定位测姿系统输出的位置信息为定位测姿系统几何中心在WGS84坐标系中的坐标，根据其与标准天线的相位中心P1的位置关系以及飞艇的姿态信息，可以算出P1在WGS84坐标系中的坐标（x1，y1，z1）。设地面站相控阵天线的相位中心P0，地面测向设备测得的方位信息是以P0为原点的当地水平坐标系中，因此需要将P1的位置信息从WGS84坐标系转换为当地水平坐标系的坐标（x，y，z）。

将直角坐标系坐标（x，y，z）转换为极坐标系坐标（θ、φ，ρ）。如果飞艇按航迹设定圆周飞行的情况下，θ、φ面方向图分别以计算出来的θ、φ为横坐标，测得的功率P为纵坐标就可以绘制出来。

3.2 航迹误差影响及其修正

实际上，飞艇不可能严格按照设定的圆周飞行，飞行航迹是存在误差的，这样就会造成在测某一固定θ或φ面时θ或φ不固定造成的误差，测试距离R远近差别造成的误差。由于艇上记录设备可以记录飞艇的位置信息，因此航迹偏离圆周引起的误差是可测得的，这样就可以通过后期的数据处理对测试值进行修正。

在测某一θ面方向图时，固定φ＝φ0，理论方向图为

设φ的浮动为Δφ，实测方向为

同样在测某一φ面方向图时，固定θ＝θ0，理论和实测方向图分别为

而对于距离R的变化，会使不同角度时由于路径损耗不同而造成接收功率测量的相对值误差。路径损耗L计算公式为：L＝20lg4πRf／c。在同一球面时路径损耗是相同的，设飞艇飞行时距离波动为ΔR，则路径损耗浮动为

设飞艇偏离航迹的最大值为Δd，则Δθ、Δφ的最大值为Δθmax＝2arcsin（Δd／2R），Δφmax＝2arcsin（Δd／2r）＝2arcsin（Δd／2Rsinθ），其中r表示画φ面图时飞行航迹圆周的半径。可以看出，在测方位波束图时，俯仰波动的最大值是固定的，由于Δd相对于R比较小，Δθmax也会很小；而在测俯仰波束图时，方位波动的最大值与θ有关，θ越小，Δφmax越大，也就是说在过顶测试时，即使很小的航迹偏移量也可能引起方位的很大波动，造成较大的测试误差。

由于艇上记录设备可以记录飞艇的位置信息，因此航迹偏离圆周引起的误差是可测的，这样就可以通过后期的数据处理对测试值进行修正。

在测θ面方向图时，假设要求飞行航迹满足φ＝φ0、R＝R0，而某一时刻根据飞艇位置（x，y，z）算出的实际值为（θ，φ，R），由于

把路径损耗差也考虑在内，ΔL＝20lg（4πRf／R0c），可以得到

将此时测得的功率F（θ，φ）修正到φ＝φ0、R＝R0的圆周，可得

用上式对测得的方向图进行修正，修正后的θ面方向图可表示为

同样地，在测φ面方向图时，把测得的功率修正到θ＝θ0、R＝R0的圆周，得到修正后的φ面方向图为

在对方向图进行修正时，导数阶数取得越高，校正后的测试方向图越接近于实际方向图，测试误差越小。实际处理时可以根据航迹偏离程度和测试精度要求选择适当的阶数。

3.3 定位误差影响

设定位误差为（Δx，Δy，Δz），即飞艇实际的位置是［x＋Δx，y＋Δy，z＋Δz］，而我们所认为的位置是［x，y，z］，定位误差会引起绘制方向图时（θ，φ）的误差，存在误差时（θ，φ）方向对应的单位向量v（θ，φ）变成了

用ve（θ，φ）代替v（θ，φ）代入方向图计算公式［6］中，可以得出存在定位误差时的方向图Fe（θ，φ），与理想方向图F（θ，φ）对比可以看出定位误差的影响。

实际上，在采用高精度的差分GPS＋惯导定位时，定位精度可以达到厘米级。设定位误差为10 cm，R＝2 km时俯仰角误差仅为0.0049°，方位角误差越接近过顶越大，在θ＝5°（接近过顶）时仅为0.056°，对方向图的影响很小，这也保证了现场测试方法的可行性。

4 测试方法仿真

从原理上看，航迹球面半径越大，定位误差和航迹偏离的影响越小，但同时路径衰减大对测试是不利的。根据对航空平台（飞艇）的实际调研，我们将R设为2 km，巡航时速度为10 m／s，记录设备采样频率为1 Hz。假设波束指向为（10°，30°），根据设计航迹可以得出测俯仰和方位面方向图时对应的巡航半径分别为R＝2 km和r＝Rsin10°＝387.3 m，那么每次记录的角度间隔为φd＝0.287°、θd＝1.65°。设航迹偏离的最大值为10 m，定位误差最大为10 cm，每个位置的偏移量和位置误差取随机值。

图4给出了实测方向图、修正方向图与理论方向图的对比。可以看出，实测波束方向图在理论波束方向图附近波动，这种波动在主波束附近比较小，越偏离主波束波动越大，在零陷的位置误差最大，这样会对方向图旁瓣和零陷（抗干扰能力）的测量造成一定影响。如图5所示，利用后处理的方式修正后的方向图更接近于实际方向图，误差大大减小，主瓣内误差小于0.01 dB，旁瓣处最大误差小于0.01 dB，零陷处最大误差小于2 dB，整体最大误差小于2 dB。

图4 测试方向图Fig.4 Test radiation pattern

图5 测试误差Fig.5 Test error

5 结论

针对大型相控阵转动不便的问题，本文提出了一种基于航空平台的人工运动源现场测试方法，介绍了其测试原理、测试系统构成和数据处理过程，并对测试数据中的误差进行了分析和修正，最后的计算机仿真验证了测试方法的有效性。这种现场测试方法不仅可以实现对大型相控阵的测试，还可以实现高仰角情况下天线辐射特性的测试，并且利用精确测量技术和航空平台的悬停特性，可以高精度、多数据冗余处理地研究相控阵的某些特性等，是一个非常有意义的研究方向，今后可以从误差分析、数据处理等方面进行更深入全面的研究。

［1］尚军平.相控阵天线快速测量与校准技术研究［D］.西安：西安电子科技大学，2010. SHANG Jun-ping.Study of Fast Measurement and Calibration Techniques for Phased Array Antennas［D］.Xi′an：Xidian University，2010.（in Chinese）

［2］Gao Tie，Guo Yanchang，Wang Jinyuan，et al.Large active phased array antenna calibration using MCM［C］／／Proceedings of 2001 IEEE International Symposiun on Antennas and Propagation.Boston，MA，USA：IEEE，2001：606－609.

［3］陈佳滨.卫星通信地球站天线测试系统的研究与设计［D］.南京：南京邮电大学，2012. CHEN Jia-bin.Research and Design of Satellite Communication Earth Station Antenna Test System［D］.Nanjing：Nanjing University of Posts and Telecommunications，2012.（in Chinese）

［4］邱天，蔡兴雨.相控阵天线方向图远场测试方法研究［J］.火控雷达技术，2008，37（6）：47－50. QIU Tian，CAI Xing-yu.Study on Phased Array Antenna Pattern Far-field Testing Method［J］.Fire Control Radar Technology，2008，37（6）：47－50.（in Chinese）

［5］SJ2534.7－86，天线测试方法：幅度方向图的现场测量［S］. SJ2534.7－86，Test of Antenna：Site measure of amplitude［S］.（in Chinese）

［6］鄢社风，马良远.传感器阵列波束优化设计及应用［M］.北京：科学出版社，2009：17－27. YAN She-feng，MA Liang-yuan.Sensor Array Beampattern Optimization：Theory with Application［M］.Beijing：Science Press，2009：17－27.（in Chinese）

NI Shu-yan was born in Xingtai，Heibei Province，in 1981.She received the Ph.D.degree in 1998.She is now a lecturer.Her research concerns spatial information transmission and array signal processing.

Email：daninini＠163.com

任宇飞（1974—），男，陕西扶风人，2004年获硕士学位，现为讲师，主要从事通信系统和卫星导航方面的研究；

REN Yu-fei was born in Fufeng，Shaanxi Province，in 1973. He received the M.S.degree in 2004.He is now a lecturer.His research concerns.communication system and satellite navigation.

杨龙辉（1962—），男，福建漳州人，2005年获硕士学位，现为高级工程师，主要从事电子对抗方面的研究；

YANG Long-hui was in Zhangzhou，Fujian Province，in 1962. He received the M.S.degree in 2005.He is now a senior engineer.His research concerns ECM.

窦晓杰（1988—），女，山东济南人，2011年获学士学位，现为硕士研究生，主要从事阵列信号处理和天线测试方面的研究。

DOU Xiao-jie was born in Jinan，Shandong Province，in 1988.She received the B.S.degree in 2011.She is now a graduate student.Her research concerns array signal processing and antenna test.

Site Test of Radiation Pattern Based on Artificial Source

NI Shu-yan1，REN Yu-fei1，YANG Long-hui2，DOU Xiao-jie1
（1.Academy of Equipment，Beijing，101416，China；2.Unit 61541 of PLA，Beijing 100094，China）

Traditional far-field test method can hardly be used to carry on far field test of a large phase array because of the difficulty in building a large turntable.To solve the problem，a site method based on artificial source is proposed to test the radiation pattern.The method uses an airborne platform embarking test system and highprecision positioning and orientation system to synchronously record the time，amplitude of the receiving signal and three-dimensional position.Through data processing of the recorded data the radiation pattern can be obtained.The test errors are also analyzed and corrected.Finally，computer simulations are provided to illustrate the validity of the proposed method.

phase array antenna；radiation pattern；far field test；site test；artificial source；airborne platform

date：2013－04－18；Revised date：2013－06－09

❋❋通讯作者：daninini＠163.comCorresponding author：daninini＠163.com

TN82

1001－893X（2013）09－1218－05