一种平面近场测试宽带探头补偿方法

2020-06-23陈玉山李业强

舰船电子对抗 2020年2期

陈玉山，李业强

(中国船舶重工集团公司第七二三研究所，江苏扬州225101)

0 引言

相控阵天线具有灵活多变的波束，随之而来的是巨大的测试和校准工作。针对其特点，通常需要定制一套近场测试系统。为缩短测试时间，常用的测试方法有2种：多探头测量和多波位测量。通常情况下，多探头测量需要解决探头之间的互耦及一致性的问题。多波位测量是在一次扫描过程中，尽可能多地获取测量信息。目前国内外相控阵设备近场测试通常采用单探头、多波位测量。单探头特点是线极化纯度较高，方向图弱且前向无零点。

对于超宽带相控阵面，近场测试通常采用多个波导探头。分频段测试导致效率低、测试时间过长。在任务时间紧迫的条件下，需要一种能够缩短近场测试的通用方法，且该方法能适用于其他阵面。

本文设计一种3倍频宽带加脊喇叭作为宽带探头，利用VB脚本编程[1-2]，对天线近场测试结果处理，得到待测天线方向图与标准探头在主波束120°范围内测试结果吻合，满足实际工程需求。

1 宽带探头设计

1.1 理论设计

对于探头方向图的选择，在待测天线远场方向图任意需要精确测量的方向上，探头方向图都不应该出现零点，否则在进行探头补偿时会出现零点。同时，探头需要阻抗匹配以减小多次反射[3]。

常用的探头类型有2种：

(1)小振子与小环天线，优点是对测试场的扰动小，并且方向图接近理想电源，从而方向图校正与否影响不大；缺点是辐射电阻小，难与实际馈电网络匹配。

(2)开口波导探头，基模TE10模工作，相对带宽较宽，主极化辐射方向图具有简单近似公式，可应用于一般的探头补偿软件；缺点是不能双极化状态工作。

如何保证探头方向图在3倍频范围内需要精确测量的方向上不出现零点，成为设计的难点。

工作频率为6～18 GHz，采用H面张开的650脊波导喇叭，E 面的口面为高频的半波长左右，则E面具有较宽的波束宽度。同时为满足辐射条件，H面口面应大于半波长。为减小边缘绕射，喇叭壁应足够薄。喇叭可看做逐渐张开的波导探头，其方向图由自由空间波导探头的E 面、H面归一化函数[4]可近似得到：

式中：a p为波导宽边尺寸；b p为波导窄边尺寸；λ为工作频率波长；θ为圆锥角。

1.2 宽带探头仿真设计

由理论公式分析，在HFSS中仿真建模[5-6]，通过参数优化，得到E面开口尺寸为8.2 mm，H面开口尺寸为25 mm，天线长度为250 mm，为低频段的5个波长。仿真模型及结果如图1～图4所示。宽带探头E面波束较宽，覆盖±90°，H面波束在±60°范围内没有零点。

图1 宽带探头仿真模型

2 宽带探头补偿方法

对于近场测量，必须考虑探头补偿才能准确得到待测天线的远场方向图，探头模型的选取直接影响补偿效果。对于线极化测试，待测天线E 面和H面方向图简化公式[2]为：

图2 宽带探头仿真驻波

图3 仿真E面方向图(6～18 GHz/1 GHz)

图4 仿真H面方向图(6～18 GHz/1GHz)

式中：FEn和FHn为不考虑探头补偿时，待测天线的E 面和H面方向图；FEp和FHp为探头的E面和H面方向图；FE和FH为补偿后待测天线E 面和H面方向图。

由近远场变换得到未补偿的待测天线主平面内远场方向图，公式(1)和(2)得到宽带探头主平面内的方向图，待测天线的远场方向图可由公式(3)和(4)计算得到。

图5 宽带探头实物图

图6 宽带探头实测驻波

3 实测结果

3.1 宽带探头辐射性能测试结果

参考标准波导探头的结构形式，加工并实测了宽带探头的辐射性能。如图7～图12，将喇叭的仿真、实测与自由空间波导探头的E面、H面归一化函数对比可知，实测曲线与理论公式计算吻合。

图8 H面f=6 GHz

图9 E面f=12 GHz

图10 H面f=12 GHz

图11 E面f=18 GHz

图12 H面f=18 GHz

3.2 实测结果

为便于比较，选取的待测天线为水平极化，E 面波束较宽，H面波束较窄。利用上节中宽带探头方向图补偿方法，对宽带探头测得的近场方向图数据进行补偿，得到3个典型频点方向图。由图13～图18结果可以看出，对于宽带探头的近场测试数据，必须进行有效补偿，才能与标准波导探头吻合。由于补偿采用探头理论公式(1)和(2)，对于E 面方向图，某些角度上具有一定误差；对于H面方向图，f=18 GHz时，宽带探头H面主波束60°以外波束起伏较大，导致此区域内的结果与标准探头不一致。