一种基于大动态微波功率测量的雷达天线方向图测试方法

2013-09-30樊中华孟祥成

火控雷达技术 2013年3期

樊中华高彬孟祥成路晖

(中国人民解放军72465部队济南 250022)

0 引言

雷达天线性能、质量的优劣和好坏通常用雷达天线方向图来描述。雷达天线方向图用来表示雷达天线在不同方向上的空间辐射特性。也可以这样说，雷达天线的方向性是指天线朝空间指定方向集中辐射电磁波的能力，方向图则是雷达天线方向性的直观表示法，可以在离开天线一定距离处，测试不同方向上的辐射场强或功率密度来绘制，通常采用最大辐射方向上两个互相垂直的平面方向图，即垂直平面方向图和水平面方向图来表示，如图1所示。依据雷达天线互易性原理，天线发射方向图与接收方向图一致，一般情况下测试雷达天线的接收方向图。本文介绍一种雷达天线方向图测试方法，与传统测试方法相比，解决了传统的雷达天线方向图测试方法设备多、步骤繁、测量误差大、动态范围小等不足，适用于具有良好电子对抗要求的新型低副瓣或极低副瓣雷达天线的方向图测试。

1 传统雷达天线方向图测试方法

传统的雷达天线方向图测试方法有以下几种［1］:

图1 雷达天线方向图

第一种是直接读数法。由工作于雷达微波频段的小功率微波信号源向被测雷达天线辐射小功率微波信号，雷达接收极其微弱的微波信号后，经过微波二极管的检波、低频或直流电压信号放大、模拟电表指示，在转动被测天线时，在不同方向接收信号，直接读取测量放大器所指示的读数。该读数的大小表示天线在不同方向上接收到的信号大小，由此人工绘出雷达天线的场强方向图。由于检波晶体的非线性，这种直读式测量法测试动态范围窄，只适用于主副瓣比在10dB～20dB的雷达天线方向图的测试，对于具有良好电子对抗要求的新型低副瓣或极低副瓣雷达天线的方向图，如主副瓣比在30dB～50dB的雷达天线，则无法测试或误差很大。

第二种是衰减量读数法。雷达接收极其微弱的微波信号后，经过微波功率衰减、微波二极管的检波、低频或直流电压信号放大、模拟电表指示。转动被测天线，在不同方向接收信号，通过改变被测雷达天线输出端精密衰减器的衰减量，使测量放大器所指示的信号值始终保持不变。最后读出衰减器的衰减值，由人工绘出雷达天线的方向图。通常微波测量中，衰减器的衰减量是以相对功率的分贝值刻度的，所以按天线的转角和对应的衰减量绘出的方向图为相对功率密度方向图。

在测试过程中，为了达到测试精度，在试验准备过程中，首先通过观察雷达接收到的信号，调整信号源辐射天线和雷达接收天线方向，使其保持一致。在调整过程中，由于接收到的信号比较微弱，雷达天线经常接收不到信号，使测试过程无法进行下去。

传统方法存在的主要问题:一是受到小功率信号传输、衰减、整形、变换、指示等诸多环节影响，动态范围小、精度相对较差。二是测试操作复杂、繁琐，测试时间长，在野战条件下检查和测试雷达天线方向图十分困难。

当前，生产厂家测试雷达天线方向图主要采用频谱仪法［2］。由通用微波信号源通过馈源喇叭向雷达天线定向辐射，利用频谱仪作为雷达天线后面的信号接收设备，在不同天线方向上录取微波信号，绘出雷达天线方向图。这种方法利用的是通用仪器，比较适合生产厂家在装备生产时使用，但由于设备非常昂贵，也不便携，不适合在野战条件下使用。

另外，雷达天线方向图测试还有多通道接收机测试方法，但往往设备复杂，不便于在部队野外条件下使用。

2 基于大动态微波功率测量的雷达天线方向图测试方法

2.1 测试原理

基于大动态微波功率测量的雷达天线方向图测试，采用高稳定度大功率微波信号源作为基准信号，向被测雷达天线定向辐射，雷达接收到的信号强，最大值可达到数毫瓦至数十毫瓦。信号不用经过放大、检波等电路，减少信号的失真，提高了测试精度。因为微波小功率计测试动态范围大，最低可测量出微瓦级的功率信号，所以能够直接检测到雷达天线各个方位接收到的信号，适用于新型雷达低副瓣或极低副瓣天线方向图的测试。测量原理框图如图2所示。

图2 测试原理框图

大功率微波信号源通过辅助喇叭天线向被测雷达天线辐射大功率微波信号，大功率微波信号源辐射喇叭天线辐射最大方向对准被测雷达天线，两个天线的极化方向一致，大功率微波信号源的微波频率与雷达工作频率一致。

旋转雷达天线，测量旋转角度，作为雷达天线方向图的横坐标;采用微波小功率计测量雷达天线接收功率，作为雷达天线方向图的纵坐标。

根据雷达天线旋转角度和雷达天线接收功率绘制雷达天线方向图。

2.2 测试步骤［3］

步骤一:试验准备，大功率微波信号源通过辅助喇叭天线向被测雷达天线辐射大功率微波信号。

a.架设被测雷达。被测雷达应架设在地势平坦，比较开阔的场地上，周边不应有大的障碍物和反射体。雷达处于接收工作状态。

b.连接发射设备。发射设备包括大功率微波信号源、辐射喇叭天线，并通过微波低耗电缆将它们连接起来。大功率微波信号源通过辅助喇叭天线向被测雷达天线辐射微波信号，适当加大信号源输出功率，以保证被测雷达天线接收端有足够功率强度的信号，从而雷达天线方向图主瓣、副瓣电平能有足够的显示幅度。大功率微波信号源功率和频率都应该连续可调，以满足不同种类雷达天线方向图测试的需要。

调整大功率信号源的微波频率，使其与雷达工作频率一致。

为达到较高的测试精准度，设备特别是大功率信号源要预热30min左右，以保证输出微波信号的功率和频率非常稳定。

c.确定测试距离。根据微波小功率计检测到被测雷达接收天线所接收微波功率的大小，调整大功率微波信号源、辐射喇叭天线和被测雷达之间的距离，满足雷达天线远场测试条件。如希望微波小功率计检测到的信号更强，则可适当减少辐射喇叭天线和被测雷达天线之间的距离或者提高微波信号源的功率;如希望微波小功率计检测到的信号稍弱，则可增加辐射喇叭天线和被测雷达天线之间的距离或者调低大功率微波信号源的功率。

辐射喇叭天线应距离地面5m以上，以最大限度地减小地面反射造成的影响。

d.连接接收设备。接收设备包括主控计算机、微波小功率计、微波小功率计探头、高精度轴角转换板卡等。微波小功率计探头与微微波小功率计连接后，再接到雷达天线方位馈线或高低馈线输出端。轴角转换板卡插入主控计算机PCI总线插槽，旋转变压器的6路信号连接到轴角转换板卡的输入端。

e.雷达天线对准。大功率微波信号源辐射喇叭天线辐射最大方向必须对准被测雷达天线，辐射喇叭天线的极化方向必须和被测雷达天线一致。首先通过雷达天线上的瞄准镜，目测调整雷达天线和辐射喇叭天线对准，然后观察微波小功率计信号指示，微调被测雷达天线，使信号指示最大。保证了辐射喇叭天线辐射最大方向对准被测雷达天线。由于信号源功率比较大，保证了微波小功率计实时检测到信号，操作简单、方便，保证了调试准备工作的顺利进行。

f.调整大功率微波信号源输出功率。当雷达天线和辐射喇叭天线对准后，调整大功率微波信号源输出功率，保证能够检测出雷达天线方向图的第一个副瓣功率。

步骤二:测量被测雷达旋转角度和接受微波信号功率，获取方向图横坐标和纵坐标。

手动匀速缓慢旋转被测雷达天线，安装在雷达天线上的旋转变压器与雷达天线同轴旋转，高精度轴角转换板卡采集旋转变压器输出信号，即可获得雷达天线的旋转角度，作为方向图的横坐标;同时利用微波小功率计测量雷达天线接收功率，作为雷达天线方向图的纵坐标。

轴角转换卡为采用PCI板卡结构的19位轴角转换模块，其主要特点如下［4］:

a.同时采集和处理、转换雷达的方位角(或高低角)正余弦变压器的精测和粗测角度数据，可测试0°～360°(即 0 ～6000mil)内任意波瓣宽度的雷达方向图。

b.转换模块采用PCI板卡结构，和计算机接口适应简便，数据采集、处理、运算速度快，通用性强，且便于测试系统扩展。

c.运用19位数据采集方式，采集精度高，分辨率从工程运用方面说可达15s，换算成密位精度可达0.069mil，可满足雷达窄波瓣宽度的测试要求。

小功率微波测量设备选用高灵敏度、高精度的微波小功率计。微波小功率计可达到信号功率采样对于速度和动态范围的要求，可对雷达天线接收到的微瓦级至毫瓦级的微波功率进行测量。

步骤三:根据雷达天线旋转角度和雷达天线接收功率绘制雷达天线方向图。

高精度轴角转换板卡采集到的雷达天线的旋转角度以及微波小功率测量到的雷达接收功率传送给主控计算机，实现测试数据的自主采集、处理、计算、显示、绘制、存储、打印和查询。

本方法在某型火控雷达上进行了实际测量，主要把握住几个关键步骤。一是测试的基础条件，场地满足上述条件，测试天线与被测天线对准，信号源频率与雷达频率一致。二是功率测试附件正确连接。拆下通向天线座旋转轴方向的馈电线连接波导，通过波导同轴转换接微波功率计探头，另一端接自动测试设备功率输入插座。三是角度录取附件的正确连接。专用适配电缆一端接入CZ17-2电缆插座，另一端为12芯电缆插头，接入测试设备“激磁信号产生-角度数据采集转换单元”面板上的12芯电缆插座。四是正确设置测试设备，包括微波信号源和录取显示终端设备。五是缓慢稳定操控手轮旋转雷达天线，按要求操作主控计算机，自动绘出雷达天线方向图。