阵列天线相位一致性测试方法研究

苗成浩 江彪

南京科瑞达电子装备有限责任公司 江苏 南京 211100

引言

干涉仪天线阵是干涉仪测向系统的重要组成部分，而天线阵单元间的相位一致性将会影响系统的相位精度，造成测向误差，所以天线阵的相位一致性校正将成为干涉仪测向必不可少的前提步骤。本文基于紧缩场测试系统利用射频矩阵开关进行不停切换实现转台旋转一圈将全部天线单元原始幅度相位都进行采集的功能，并利用干涉仪测向原理进行数据的处理。

1 基本原理

一个由两个天线单元组成的单基线干涉仪天线阵，其结构如图1，其平面波来波方向与天线阵法线方向夹角为θ，两天线之间的距离为基线长度L。当入射波信号到达两个天线时，天线1和天线2之间的相位差为 ：

图1 单基线干涉仪测向原理图

其中： 为入射波波长。

对公式（1）中的主要参数夹角θ、波长λ、基线长度L进行全微分求导可得相位差波动与各参数的关系为：

由此可以得出保证两个天线之间的相位差测试精度需要满足四个条件：确定入射波为平面波且入射方向角θ，波长λ，基线长度L的数值精确。

通常平面波的产生由远场和紧缩场两种，但考虑到远场测试发射天线与接收天线之间距离 需满足：

其中：D为待测目标最大截面积。

可以看出，远场法需要庞大的测试场地，远距离信号的衰减将会对测试精度带来影响。

紧缩场法是产生平面波的一种有效方法[1]。将待测天线正对于来波方向安装，转台转动，改变入射波相对于目标的入射方向，转台转动的角度即为入射波来波方向角θ，入射波长λ由仪表发射频率确定，基线长度L为已知条件，按式（2）可忽略相位差波动。分别测试天线1和天线2方向图，得到天线1原始相位 和天线2原始相位 ，作差得实际相位差 ，根据单基线测向原理计算得出理论相位差 ，两天线单元间的相位一致性 即为：

2 测试方案验证

本文中的射频矩阵开关型号为RC-2SP6T-40，该射频矩阵开关利用网线或串口连接计算机对其进行控制，如图2实现端口7与端口1-6之间的通断切换。在6~18GHz范围内，通道之间引入的相位差经过实测最大不超过1°，所有通道的插损小于0.8dB[2]。

图2 射频矩阵开关接口示意图

以5单元干涉仪天线阵列为待测天线如图3，其中L1=300mm，L2=100mm，L3=80mm，L4=80mm。紧缩场测试系统如图4所示，将天线A1-A5分别用等相位射频电缆接入射频矩阵开关端口1-5，端口6接50Ω负载，射频矩阵开关的端口7和发射天线分别接入矢网的输入和输出端口。

图3 天线阵示意图

图4 紧缩场测试系统

基于LabVIEW软件编写控制测试程序，实现自动化测试。转台每转1个角度，射频矩阵开关进行自动切换，实现端口7依次分别与端口1-5之间的通断，控制矢网采集并传输5组幅相数据给计算机。

部分指标要求：

测试频率：6~18GHz

方位扫描角度：-55°~+55°

俯仰角：0°

3 数据分析与结论

将以上每个角度测得的5组数据更改基线按式1和式3进行计算即可得两单元之间相位一致性 、 、 、 。经数据处理结果如图5：

图5 快速测试法单元相位一致性

便于对比，将阵列天线按照传统更换相位中心进行测试的 方法进行了测试，测得的相位一致性如图6：

图6 传统测试法单元相位一致性

由于两种测试方案存在某些实际客观影响参数，如紧缩场产生的波实际为非理想化的伪平面波，可能导致θ产生误差而造成两种测试方案相位一致性会有一定的偏差。但通过对比以上两种测试结果，可以看出两种方案的相位一致性曲线基本一致[3-4]。

上述天线阵测试过程中转台每转一个角度转台转动加稳定时间大约为2s，射频矩阵开关切换时间为0.5s。经过实际测试，快速测试法与传统测试法测试精度与完成时间如表1所示：

表1 两种测试方法对比

在保证测试条件准确性的前提下，可以看出本文研究的测试方法可靠，测试结果偏差小，且精简了测试步骤，大大缩短了测试时间，在诸如天线相位一致性、天线罩插入相移（IPD）的调试测试场景具有很好的实践意义。