相控阵天线测试系统实时校准方法构架和分析

2016-05-30方志鹏

中国高新技术企业 2016年25期

关键词：雷达

方志鹏

摘要：文章以相控阵天线测试系统为研究主题，探讨了与其相关的实时校准方法构架和分析问题，首先结合当今雷达发展的情况对其进行了概述，主要介绍了相控阵天线测试技术方面的原理、系统构架、多探头测试技术、OSM校准方法与测试验证；其次阐述了OSM实时校准方法的应用。

关键词：相控阵天线测试系统；实时校准方法；雷达；多探头测试技术；OSM校准方法文献标识码：A

中图分类号：TN965 文章编号：1009-2374（2016）25-0079-03 DOI：10.13535/j.cnki.11-4406/n.2016.25.038

在现代雷达发展方面，主要以相控阵雷达作为主流，这是由它独特的优势所决定，比如对于高速运动目标的观测、将多种雷达功能加以实现或者对多个目标进行跟踪以及在雷达作用距离方面加以推远等。所谓的相控阵雷达主要还是以多功能电扫描雷达为主，属于新体制型的雷达扫描技术。从目前来看，它的技术含量依然非常高，而且在资金投入方面占比相当大，而其中比较重要的就是相控阵天线分系统，它是决定该雷达进行系统实施的主要推动因素与实施方案的基础。

1 相控阵天线测试系统

1.1 相控阵天线测试技术

相控阵天线测试包括天线辐射特性、电路特性两个方面的测试，从测试项目看，主要是方向图、增益。具体是对方向特性的符合性进行检测，目的在于通过校标使其光轴、电轴、机械轴达到重合。由于天线辐射场区可以划分为电抗近场、辐射近场、辐射远场，所以有对应于这三个区域的测量技术，比如在近场测量法方面就包括平面近场扫描、柱面近场扫描、球面近场扫描，而在远场测量方面则主要集中于高架场法、斜矩场法、反射场法等。

1.2 系统测试原理、系统框架

1.2.1 由于相控阵天线辐射场分布辐射近场区时具有规律性，具体就是伴随距离R不断增加，而造成天线轴向功率密度以1/R2的比例下降，因此就得到了工作频率较低的小口径天线测试远场距离10λ，而工作频率较大的口径天线则可以表示为R/（2D2/λ）>0.5；根据这一下降规律，还可以得到近似于满足远场的条件，R/（2D2/λ）>0.5>1。

1.2.2 中场的测试方面，则是在中场距离范围内利用测试探头，然后进行相应的阵列面单元通道依次选通，以高速、高效的形式完成全阵面测试。因此按照相关的测试要求与系统功能的设计标准，该测试系统就需要按照矢量网络分析仪、控制计算机、测试探头组件、波控分棉、测试附件等共同构成。具体的系统构架图如图1所示：

1.3 多探头测试技术分析

多探头测试技术主要由四部分构成，具体是控制计算机、矢量网络分析仪、相控阵天线、测试探头阵列、测试探头通道。具体是通过GPIB控制将计算机与矢量仪连接，然后再分接到测试探头通道与相控阵天线，而计算机又通过对开关矩阵与实时校准件的控制来达到测试目的。与单探头测试相比，这种技术可以均匀地分出子阵，所以可以提高阵列面测试速度与效率。从测试探头阵列设计来看，利用喇叭天线，在结构、馈电、频带、功率容量、增益方面都获得了较好的优势，口径小，波束宽，可以满足设计要求。本次研究中以E面喇叭天线作为测试探头，但是由于耦合会对测试探头产生一定的影响，因此还需要通过双扼流环喇叭探头进行仿真优化，以减少影响。

1.4 实时校准补偿技术

对多探头测试技术的分析可以看出，虽然能够提升测试系统的速度、效率，但是存在探头通道之间幅度、相位不一致的问题，也就是说会影响到后续的测量，造成极大误差，所以需要对幅度相位进行校准与补偿。具体来看，就是当测试探头通道末端与探头连接后，分析仪对双端口直通S21幅度、相位测试很难完成，所以得不到通道幅度与相位的实时信息。为了解决这个问题，本次研究中，采用二端口实时校准件加以解决；从功能看，可以实现端口切换，然后通过计算机、分别切换开路、短路、匹配端，因此也称之为OSM校准法。

2 OSM校准方法

第一，从微波网络的散射特性方面分析，微波系统、微波电路抽象化物理模型，就是微波网络，主要由微波元件、均匀传输线共同组成一个较为封闭的媒质空间；以麦克斯韦方程组对内部与边界面进行场量约束；订发是对网络外部特性加以研究；通常以网络参量进行这种特性的表示或描述；若2个端口信号设为（a1，b1）、（a2，b2），则可以用归一化入射波、归一化反射波来加以定义，并要据微波网络理论得到；

。若=0，就可以进一步得到

若，则

因此，就有：

再根据微波网络互易定理就可以得到微波网络的散射矩阵S为对称矩阵。

第二，从微波网络的级联方面看，微波网络的级联散射矩阵、微波网络与理想网络级联的散射矩阵要求实时校准件能够通过其校准方法而得到与理想的O、S、M，从而得到测试通道的实时S21幅度、相位信息。

3 OSM校准方法的仿真与测试验证

3.1 OSM校准方法的仿真验证

3.1.1 在相控天线测试系统测试探头通道方面，主要选择单刀4掷微波开关通过稳相电缆级联而成，开关网络以2级开关级联1分16通道为主。可以获得各通道的实时传输，并命名其中的幅度相位一致性得到消除。

3.1.2 微波开关实时校准应用仿真主要是以简单结构的单刀双掷开关SPDT的ADS仿真电路图完成通路导通，并利用OSM校准方法，对通路传输损耗S21信息加以获取，然后进行仿真幅度、相关差值结果的进行比较。通常可以得到二者的差值数量级在10-5，因此仿真值基本吻合。

3.2 OSM校准方法的实验验证

3.2.1 设计实时校准应用程序，在计算机系统界面，做好手动输入起始频率、终止频率，可选择的初始值为15.5GHz、16.5GHz。

3.2.2 需要进行电缆校准方法应用分析，稳相电缆以微波领域电缆为主，这样可以使相位、损耗、传输效率得到有效保障。

3.2.3 在第一次测试时，需要将电缆——矢量网络分析仪端口1进行连接，而另一端则与O、S、M端分别连接，操作主要是读取三种终端状态下的电缆输入端的S11、S21幅度、相位单端口OSM测量值，最后利用分析仪得到S21双端口直通测量值，再比较两组测量值幅度、相位之后，就可以获得差值的相关信息。

4 OSM实时校准方法的应用

在OSM实时校准方法的应用方面，需要做好应用仿真、应用测试与应用程序的设计及测试，然后通过具体的测试实现实时校准，并提高相控阵天线测试系统的精准性。以下就从这三个方面展开具体的应用说明：

4.1 实时校准方法应用仿真

该测试系统探头通道由2级单刀4掷开关级联而成，所以是1分16开关网络，可以建立起ADS仿真模型，然后以TTL电压控制通路12导通，并截止其余通道；需要在任一通道末端连接二端口实时校准件，然后实现OSM校准方法所获的通路12传输特性，如S21单端口OSM仿

真值。

4.2 实时校准方法应用测试

测试实验需要改变稳压电源连接，从而实现OSM的实时校准或切换；当得到通路S21的单端口OSM测量值时，通过矢量网络分析仪2个端口进行分别连接，使通道两端连通，就可以对其双端口直通进行测量并得到两组不同的测量值。根据测试结果可以看出，OSM实时校准法所得的单端口OSM测量值与矢量网络分析仪直接测试的双端口直通测量值之间的幅度差值在频率范围15.5～16.5GHz及-0.3～0.1dB范围内，相位差值在14～15之间。然后按照温漂、波动、误差性影响等因素的存在，开展第二次测量，根据测试结果可知，第二次测试实时校准法所得的单端口OSM测量值与双端口直通测量值之间的幅度差值在频率范围15.5～16.5GHz及

-0.3～0dB范围内，相位差值在13.5～15之间。对两次测试结果进行比较发现，差值补偿可以提高测试系统中测量值、实际值之间的不接近，从而对其加以补充。

4.3 实时校准方法应用流程

具体的校准流程为：校准开始→控制计算机控制该通道导通（需切换至下一通道）→控制通道实时校准件进行O、S、M依次切换→以实时校准法获通道S21单端口OSM测量值→将测试始得差值补偿给单端口OSM测量值→得到通道实时S21信息→是否是最后一个通道（与控制计算机相连）→补偿各通道幅度相位→校准结束。

5 结语

总之，在新的时代就要坚持与时俱进、因时制宜、因技制宜，尤其要以可持续发展的理念作为指导原则。通过上文分析可以看出，相控阵雷达主要还是以多功能电扫描雷达为主，属于新体制型的雷达扫描技术，在提高相控阵列天线测试系统方面，主要集中于速度与效率，而真正能够满足这一要求的技术就是对于多探头测试技术的良好应用。另外，由于这种探头测试组件幅度相位往往会因其本身的不一致性而对该技术的应用产生某些影响，所以还需要通过一系列的探头通道测试，以及对其进行实时校准方法的研究。这种研究所获得的结果或者解决办法就是通过OSM实时校准来达到对系统测试通道的幅度相位信息的测试、校准与补偿，从而解决了这种不一致性带来的相关问题。

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