相控阵天线驻波测试方法研究

刘举　王永海　谷加臣

摘  要：天线辐射信号时，自身会存在一定大小的驻波，而相控阵天线的单元间还存在互耦效应，使得天线的驻波增大，会对发射机功放组件造成一定的损坏，因此，在设计相控阵天线时，必须考虑驻波的大小及其影响。针对此问题提出了一种测试相控阵天线驻波大小的方法，将驻波分为自耦部分和互耦部分，分别进行测试，并相加得到总的驻波，并与仿真结果进行了对比验证，证明了测试方法的有效性。

关键词：相控阵;驻波;互耦

中图分类号：TN822       文献标识码：A 文章编号：2096-4706（2020）02-0074-04

Abstract：Antenna has standing wave when radiating signals，and there is mutual coupling between units of phased-array antenna，which increases the standing wave and does great harm to the power amplifiers of the transmitter. Therefore，the effects of standing wave need to be taken into consideration when designing a phased-array antenna. Based on the problem，a test method of standing wave in phased-array antenna is put forward. Standing wave can be divided into self coupling and mutual coupling，testing each of them and the total standing wave is obtained by adding. The results are compared with the simulation results，which proves the validity of the test method.

Keywords：phased-array;standing wave;mutual coupling

0  引  言

随着相控阵技术的飞速发展，越来越多的雷达采用相控阵天线，其优点是增益高、波束易于控制，在目标搜索和跟踪过程中起着至关重要的作用。在相控阵雷达的性能指标测试中，天线的性能测试是十分重要的内容。由于相控阵天线的天线阵列间存在互耦效应，在发射信号时，互耦效应与天线自身的自耦效应相叠加，使得天线的驻波增大，可能会对发射机的功放组件产生安全隐患[1]。因此，在测试相控阵天线性能时，必须考虑驻波的影响。

相控阵天线的单元数从几十个到几千个不等，为得到相控阵天线的驻波大小，通常的方法是测试相控阵天线中每个天线单元的驻波以及单元之间的互耦系数，而为得到单元间的互耦系数，又需要用矢量网络分析仪与两待测天线单元连接，测试完毕后再更换天线单元[2]。此测试方法工作量大，效率低。

针对以上问题，笔者作为实验中心的研究人员提出了一种测试相控阵天线驻波的方法，通过测试单个天线单元的自耦功率和其余所有单元对其的互耦功率，得到总的驻波大小，将仿真结果与实际测试结果对比，验证了测试方法的有效性，此测试方法能有效提高测试效率，降低测试成本，有一定的参考价值。

1  驻波测试方法

相控阵天线驻波的形成主要来自两方面，一方面是天线自身特性，输入的信号并不会完全辐射出去，少部分信号会反射至发射通道，该部分信号功率称为自耦功率;另一方面是天线单元间存在的互耦效应，某个天线单元周围的单元辐射出的部分信号会耦合至该天线单元，使得驻波增大，该部分信号功率称为互耦功率[3，4]。本文采用的驻波测试方法将天线自耦功率与互耦功率分开进行测试，然后将两者相加，得到总的反射功率，从而计算出总的驻波大小。

1.1  自耦功率测试

在自耦功率的测试过程中，只需对单个天线单元进行测试，此过程用到了矢量网络分析仪和定向耦合器，测试过程如图1所示。

设置矢量网络分析仪的端口1输出固定幅度的信号，通过定向耦合器接至天线单元，大部分信号通过天线单元辐射出去，少部分信号由于自耦效应反射回去，通过定向耦合器接到矢量网络分析仪的端口2，则端口2测得的信号功率P0除以耦合系数γ就是从天线单元反射的信号功率，即天线接口处自耦功率P天线自耦功率可表示为：

1.2  互耦功率测试

在相控阵天线中，各个天线单元之间均存在互耦效应，以256阵元的相控阵天线为例，如果分别对每两个单元的互耦系数进行测试，那么需要频繁地拆接线，工作量大，且会导致电缆和接头磨损较大。因此，采取一种简便的方法，即在断开所测天线单元输入的同时，直接测量其他天线单元互耦功率的叠加值，其测试过程如图2所示。

首先断开被测通道与天线单元的电缆，然后设置相控阵发射机被测通道断开，其他通道开启，被测通道的天线端口连接频谱仪，最后打开信号源，读取频谱仪测得的功率值P1，设测试电缆的衰减值为β1。互耦引起的反射功率P天线互耦功率可表示为：

计算得到各通道的扫描馈电相位（即各通道的相位完全一致），其中，n=1，2，…，5，dy为行与行的间距，dx为列与列的间距，freq为输入信号频率，单位为GHz，θ和φ分别为方位扫描角度和俯仰扫描角度。

仿真得到天线阵在不同扫描角度的驻波。结果如图3、图4所示，其中横坐标为频率，纵坐标为驻波比。

从仿真结果分析可知，驻波在大部分频点处都较小，只在部分频点处较大，不同的天线单元对应的驻波大小随频率的变化趋势基本一致。

3  实例验证

在测试过程中，选取了4个不同位置的天线单元，分别测试了在波束俯仰指向为0°、方位指向为5°和波束俯仰指向為0°、方位指向为15°时的反射功率，并计算出相应的驻波大小。测试结果如图5、图6所示，其中横坐标为频率，纵坐标为驻波比。

由测试结果可知，驻波在大部分频点处都较小，只在部分频点处较大，不同的天线单元对应的驻波大小与频率的变化趋势基本一致。通过仿真分析和实例测试，验证了文中提出的测试方法的有效性。

4  结  论

通过将总反射功率拆分为自耦功率和互耦功率，分别测试其大小，将测得的结果相加，得到总的反射功率及驻波大小，然后将测试结果与仿真结果进行对比，表明该测试方法切实有效，能反映实际的驻波情况。相比于测量每组天线单元互耦系数的测试方法，文中所提测试方法工作量较小，测试效率较高，在相控阵天线的驻波测量与安全评估中有一定的参考价值。

参考文献：

[1] 肖小锋，蔡金燕，梁玉英.雷达驻波比测量方法研究 [J].弹箭与制导学报，2006，26（S1）：286-288.

[2] 何毅.船舶后端天线信号源驻波检测电路分析 [J].舰船科学技术，2018，40（24）：136-138.

[3] 张清泉.西德UHF发射天线驻波比测试与结果分析 [J].测试技术学报，1999，13（1）：52-54.

[4] 张兴伟.基于槽隙波导的低副瓣驻波天线设计方法研究 [J].电子设计工程，2018，26（22）：81-85.

作者简介：刘举（1994-），男，汉族，湖北仙桃人，技术人员，助理工程师，学士学位，本科，研究方向：雷达对抗;王永海（1981-），男，汉族，甘肃阿克塞人，技术人员，工程师，学士学位，本科，研究方向：雷达对抗;谷加臣（1979-），男，汉族，山东巨野人，技术人员，工程师，学士学位，本科，研究方向：雷达对抗。