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)

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)

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，给出了全向等效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。

数字阵列天线；方向图； 中场测量； 天线增益； 等效辐射功率

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。

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。

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[5]

(1)

式中，Pr为接收信号的功率，Pt为发射信号的功率，Gt为发射天线增益，Gr为接收天线增益，σ为雷达目标散射截面积，λ为波长，Ft为发射天线到目标的方向图传播因子，Fr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比较容易。天线等效全向辐射功率定义为

EIRP=Pt×Gt

(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的收和发方向图、接收增益、天线的EIRP。

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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10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。

图1 中场测量天线角度关系图

源天线位于O点，阵列L旋转了角度θ，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：

(3)

由于α=900-θ，所以

(4)

则天线单元B与天线单元A′的波程差为

(5)

若源天线位于无限远距离，天线单元B与天线单元A′的波程差为

dn=ndsinθ

(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

△dn=dtrn-dn

(7)

采用中场法测量的数字阵列天线远场方向图为

(8)

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[6-7]，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。

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gT。将gT的单位转化为dB，即天线阵接收电路增益为

GcT=10log10(gT)

(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PT与标准喇叭天线接收的功率Pr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=PT-Pr-(GcT-Gcr)+Gh

(10)

式中，PT为数字阵列天线接收信号的总功率；Pr为标准喇叭天线接收信号的功率，单位均为dBmW(或dBW，下同)；Gcr为标准增益喇叭所接TR组件的接收电路增益，单位为dB；Gh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Pr，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Prc。

图3 EIRP测量示意图

根据Friis公式，数字天线发射信号时接收天线测出的功率为

(11)

式中，EIRP为数字天线等效全向辐射功率，Gr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

(12)

式中EIRPc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[8]

EIRP=Pr-Prc+Pt+G

(13)

式中，Pt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；Pr、Prc单位均为dBm。 若标准喇叭天线的发射损耗为LdB(L取正值)，数字天线等效全向辐射功率的公式变为

EIRP=Pr-Prc+Pt+G-L

(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。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削小于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-20°位置处副瓣抬高是由于该位置附近有障碍物。

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12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 cm，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1 数字天线增益实测值与仿真值比较

4 结束语

利用数字阵列天线每个通道的幅度、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量出数字阵列天线的方向图。这种方法在大型微波暗室内可以完成数字天线方向图测量，能够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能够满足雷达系统的要求，同时又便于工程应用。实验结果表明，数字阵列天线方向图中场测量法和天线增益测量法是正确的。

[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)：45-47．

[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)：66-69．

[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.

Measurement methods for a digital array antenna

CHEN Wen-jun

(No. 724 Research Institute of CSIC, Nanjing 211153)

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 channel. With the gain of the receiving circuit of the TR module known, the measurement method for the receiving gain is given. The Equivalent Isotropically 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 pattern and the receiving gain.

digital array antenna; pattern; mid-field measurement; antenna gain; EIRP

2014-04-29

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。

TN820

A

1009-0401(2014)02-0040-04