相控阵雷达天线谐波辐射发射测试技术研究

周海军，石昕阳

（1.海装装备技术合作中心,北京 100841； 2.武汉船舶通信研究所,武汉 430205）

引言

相控阵雷达天线能够控制每个阵元产生电磁波的相位与幅度，以此强化电磁波在制定方向上的强度，并压制其他方向的幅度，从而实现电磁波束的方向发生改变。相控阵天线较之传统天线具有无机械运动、阵元数量多、快速切换、抗干扰能力强等特点，因而相控阵天线的研究和应用越来越受到各军事强国的重视[1]。

相控阵天线的电性能参数主要包括：有效辐射功率、天线方向图、电压驻波比、增益和谐波杂散。其中，谐波杂散即谐波与乱真辐射发射测试是检验相控阵天线阵面性能的一个最为关键的参数测试[2]。据报道，美国雷声公司近日对即将安装在“伯克III”驱逐舰“杰克卢卡斯”号上的SPY6（V）1型相控阵雷达完成了微波暗室内的近场测试，验证了多个工作频率下，天线扫描到不同角度，不同工作模式下（如窄波瓣/宽波瓣、低副瓣、和差波束、多波束等）的天线方向图、驻波、有效辐射功率，以判断其性能是否达标。基于微波暗室的相控阵天线球面远场测试系统如图1所示。

图1 基于微波暗室的单探头球面远场测试系统示意图

由于谐波发射为频率是中心频率发射整数倍的杂散辐射，谐波辐射发射量是相控阵天线性能的表征参数之一，也是相控阵天线电磁兼容性特征指标之一。因此，谐波辐射发射测试属于相控阵天线电磁兼容性测试范畴，而相控阵天线的一般工作在C波段或者X波段，同时其物理尺寸D一般较大，根据菲涅尔-弗朗和费定理计算的远场条件R一般大于通用的微波暗室物理长度，而相控阵雷达天线谐波辐射发射测试需要满足远场条件，因此，其相控阵天线阵面的谐波测试一般不在微波暗室内测试。

本文第一部分基于MIL-STD-461G-2015[3]与GJB 151B-2013[4]标准，比较了CE106 天线端口传导发射与RE103 天线谐波辐射发射的区别，给出了远场条件，并首次详细推导了相控阵雷达天线辐射发射的有效辐射功率公式，第二部分以某型相控阵雷达为例，提出了一种相控阵雷达天线谐波辐射发射改进型现场测试方法，第三部分对实测的相控阵雷达天线的谐波辐射发射量指标。最后，给出相关结论。

1 相控阵天线谐波辐射发射测试的理论基础

1.1 天线端口传导发射与天线谐波辐射发射的区别

MIL-STD-461G-2015Requirements for the control of electromagnetic interference characteristics of subsystems and equipments以及GJB 151B-2013《军用设备和分系统电磁发射和敏感度要求与测量》标准，明确给出了关于发射机天线的发射测试项目，即CE106 10 kHz～40 GHz天线端口传导发射与RE103 10 kHz～40 GHz天线谐波和乱真输出辐射发射。其中，CE106测试项目不考虑任何与天线频响特性相关的任何抑制，只考虑天线端口传导直接耦合，不考虑天线系统特性的影响，适用于天线可拆卸的发射机。RE103测试项目对谐波和乱真输出的辐射发射进行控制，包括对天线辐射特性效应的评估，适用于天线不可拆卸的发射机。相控阵雷达属于带有固定不可拆卸相控阵天线的发射机，因此，相控阵雷达天线谐波和乱真输出辐射发射遵循标准中的RE103的要求。前已有述，相控阵雷达天线的RE103测试不满足在微波暗室测量的条件，主要是远场条件受限所致。

1.2 远场条件公式

相控阵雷达天线谐波辐射发射需要在远场条件下进行[5]。最小远场测试距离按如下公式确定：

当相控阵雷达天线发射中心频率不高于1.24 GHz时，按式（1）和（2）计算并取大者；

当相控阵雷达天线发射中心频率高于1.24 GHz时，按式（3）和（4）计算。

上述各式中：

Rmin—发射天线与接收天线间的距离，即最小远场测试距离，m；

D—发射天线的最大物理尺寸，m；

d—接收天线的最大物理尺寸，m；

λ—相控阵雷达天线发射频率的波长，m。

1.3 谐波发射抑制度公式的详细推导

谐波发射抑制度可用来表征相控阵雷达天线谐波辐射发射的电磁参数。从电磁兼容测试角度看，谐波抑制度可等效为实测谐波的有效辐射功率值（dBW）与实测基波有效辐射功率值（dBW）之差。由上述可知，谐波发射核心电磁参数应为发射机有效辐射功率。

发射机发射的有效辐射功率ERP也可以表示为：

式中：

相控阵天线辐射场强E可表示为：

式中：

EV/m—发射机Rm前方距离处的电场强度；

R—发射机天线和接收天线间的距离。

（6）式用对数表示，可变成为：

即为：

另一方面，从场强测量的角度来讲，发射机R m前方距离处的电场强度还可表示为：

式中：

联立公式（5）（8）（9）（10），可得：

式中：

2 相控阵雷达天线谐波辐射发射改进型现场测试方法

传统微波暗室测量方法由于远场条件受限，不能满足相控阵雷达天线的天线谐波辐射发射测量的需求。本文提出了一种改进型谐波辐射发射测试方法，如图2所示。图中，待测相控阵天线阵面安装在外部联调现场或开阔场中，已知性能参数的EMC接收天线组件（包括10 kHz～30 MHz单极振子天线、30～200 MHz双锥天线、200 MHz～1 GHz对数周期天线、1～18 GHz双脊喇叭天线、18～40 GHz角锥喇叭）与待测天线等高架设。两天线分别由尽可能短的高性能射频屏蔽线缆与发射机和EMI测量接收机可靠互联。EMI接收机与自动控制系统放置在屏蔽室1中，待测相控阵天线的发射机放置在屏蔽室2中。

传统方法对被测天线的物理尺寸和工作频段要求不高，但是测试空间内本底电磁环境较好，但较难获取理想的谐波发射抑制度，而改进型测量方法对被测天线的物理尺寸和工作频段没有特殊限制，且较易于满足远场测试条件，在较小的分辨率带宽条件下，即可获取较理想的谐波发射抑制度。

MIL-STD-461G-2015以 及ITU SM.329-2011[6]中规定的杂散域无用信号暗室测试方法中包含信号功率90 %的推荐的必要带宽为：10～30 MHz频段的带宽为10 kHz，30 MHz～1 GHz频段的 带宽为100 kHz，1～40 GHz频段的带宽为1 MHz。在实际开阔场测试中，较高带宽会导致测试不准确，基波与谐波会被本底信号淹没，因此本文推荐全频段测试的必要带宽为50 kHz或更低。在实际开阔场测试过程中，应先对空间损耗和天线增益进行修正，并且需要在相控阵天线方向图的方位角和仰角上对谐波发射进行搜索，以测量最大的谐波信号电平值。

图2 改进型相控阵天线谐波辐射发射测试示意图

图3 相控阵天线谐波辐射发射测量曲线（F=8.8 GHz，RBW=50 kHz）

表1 相控阵天线谐波发射抑制测量数据一览表

3 案例分析

本文以某型相控阵雷达天线为例，其天线基本参数如下：天线阵面最大物理尺寸D为150 cm，发射信号中心频率F为8.8 GHz，对应工作波长为3.41 cm，接收用的双脊喇叭天线为最大物理尺寸d为24.2 cm。由公式（4）计算的最小远场测试距离R为88.99 m，本次谐波辐射发射测试实际选择远场测试具体为100 m。

图3所示为基于改进型现场测试方法测试的相控阵天线谐波辐射发射测量曲线。图中分析可知，最小分辨率带宽设置为50 kHz，基波、二次谐波和三次谐波接收机实测读数分别为3.93 dBm、-71.06 dBm和-82.44 dBm。校准的接收天线因子在基波和二、三次谐波处分别为37.1 dB（1/m）、46.3 dB（1/m）、39.5 dB（1/m），由公式（12）和公式（13）计算的相控阵谐波抑制度，如表1所示。

结果分析可知，10 kHz～40 GHz频段内，该型相控阵雷达天线的谐波辐射发射二次谐波抑制度约为65 dB，三次及高次谐波抑制度高于80 dB。侧面也验证了改进型谐波辐射发射抑制测试方法具有较好的工程可操作性与可行性。

4 结论

本文提出了一种基于开阔场的相控阵雷达天线谐波辐射发射改进型测试方法，构建了相控阵雷达天线谐波测试系统，并以某型相控阵雷达天线谐波辐射发射测试为例，验证了该方法在雷达天线有效辐射功率测定，分辨率带宽设置等谐波辐射发射测试细节等方面，具有较强的工程可行性。