机载天线方向图外场测试技术研究

赵东涛， 徐宏宇

1.中国飞行试验研究院，陕西 西安 710089； 2.中国北方工业有限公司，北京 100053)

机载射频天线装机后，天线方向图[1]不仅与天线自身有关，而且会受到其在机上安装位置、机体形状和蒙皮材料等多方面的影响，这些会使天线的方向图发生不可忽视的畸变，导致天线的性能偏离预期效果。因此，只有准确地得到机载天线方向图的畸变特性，才能采取相应的技术措施，以确保装机天线性能参数满足使用要求。装机天线方向图等参数的高精度测试，对于指导装机天线的合理布局和畸变补偿，以及提升飞机通信导航和雷达性能均具有重要的意义。

装机天线由于飞机机体尺寸较大，对整机进行天线测试的暗室静区尺寸要求也过大，故外场测量是一种可替代的方法。外场测试过程中一般需要转台实现飞机和天线旋转、移动等操作，对转台的承重和尺寸要求都很高，因此，外场通常不旋转飞机平台，而是采用移动配套辅助天线的方式进行自动化测试[2-15]。许多文献中的测试方法能够实现天线方向图外场自动化测试，但未考虑天线在机上的安装位置、机体形状和蒙皮材料等多方面耦合后机体环境对测试结果的影响。

本文设计了一套装机天线外场环境测试平台，提出了一种装机天线外场天线方向图校准方法，测试过程中不需要将飞机安置在测试转台上，在被测天线固定不动的情况下，利用车载测试设备对装机天线进行移动式测量，实现了装机天线不同频点的方向图等参数的测量和校准，本测试平台及校准方法具有高效率和高精度测试的优点。

1 天线方向图外场测试方法

根据天线方向图的定义“一个圆心位于天线内部、表面位于待测天线远场区的大球状图形，用于表征天线辐射的电磁场在空间的分布特征”，天线方向图测量首先要满足远场测试条件，如式(1)所示。

(1)

式中:R为辅助天线和待测天线之间的最小距离，单位为m；D为待测天线最大截面尺寸，单位为m；λ为最短波长，单位为m。

对于宽带天线，当天线口径固定时，天线最高工作频率决定了测试的最小距离。根据机载天线不同工作频率天线的口径，分别确定测试的最小距离。

外场测试通常采用高架测试方法，测试几何关系如图1所示，采用这种测试方法时，被测天线和辅助天线架设在一定高度，以此来减少地面和周围环境产生的反射干扰。

图1 高架远场测试几何关系

图1中，h为被测天线或辅助天线的中心高度；D为被测天线最大截面尺寸；R为辅助天线和被测天线之间的水平距离。

2 测试系统组成

机载天线外场测量系统由射频网络系统、天线定位系统和软件控制系统3个基本系统组成，系统组成框图如图2所示。在主控系统控制下，射频网络系统、数据采集记录系统和天线扫描对准系统协调工作，共同完成机载天线外场测量任务。

图2 机载天线方向图测量系统组成示意图

射频网络系统用于产生标准机载射频信号，采用半实物模拟的方式，利用SystemVue仿真软件，产生典型机载射频传感器所需的复杂波形数据，将波形数据下载到M8190A任意波形产生器，经E8267D矢量信号发生器上变频至载波频率，然后对数据波形进行播放产生射频信号。产生的标准射频信号利用矢量信号分析仪N9010A和示波器DSOZ504A对信号IQ调制器输出信号平坦度和非线性相位失真进行校准。机载射频信号生成半实物仿真系统方案示意图如图3所示。

图3 机载射频信号生成半实物仿真系统方案示意图

方向图测试过程中，辅助天线的最大辐射方向应对准被测天线。天线定位系统是天线测试系统的主要硬件装置；辅助天线安装在扫描架的滑轨上，由主控系统控制辅助天线在扫描架滑轨上移动，采用全站仪测试辅助天线与被测天线之间的坐标位置，完成辅助天线与被测天线之间相对位置关系的测量。

天线测试系统软件作为整个测试系统所有任务功能的最终体现，是整个测试系统的控制中心和数据采集处理中心，系统软件交互界面如图4所示。控制中心通过主控计算机LAN接口控制射频仪器输出信号类型、频率和幅度，控制辅助天线在扫描架上的运动参数(运动高度、运动速度和极化方式)，实现射频仪器和辅助天线运动的协调工作。数据采集处理中心完成数据的同步采集记录、处理和数据管理显示功能。

图4 软件交互界面

3 外场测试流程

外场法测试原理如图5所示。机载被测天线保持位置固定，辅助天线在地面随牵引车以被测天线参考点为圆心做圆周运动；采用全站仪动态跟踪被测天线与辅助天线之间的距离和角度提供姿态信息，并确保被测天线与辅助天线之间的距离相同。通过这种方式来掌握被测天线与辅助天线之间的相对距离和角度之间的变化情况，记录不同角度下待测天线接收到的相对场强大小，即可得到该截面内的天线方向图。

图5 装机天线测试示意图

3.1 测试站点的可测试角度确定

外场天线测试过程中，方位向通过天线车的移动来完成不同方位向方向图的测试，俯仰向通过辅助天线在扫描架上移动来完成不同俯仰向的方向图测试。在选取好初始测试站点之后，后续测试站点都是通过天线车等角度间隔运动来完成的，针对每一个测试站点，利用全站仪检测跟踪辅助天线与被试天线之间所处位置关系，主控软件可以根据全站仪跟踪得到的位置信息计算出被测天线和辅助天线之间的角度和距离信息。

如果测试角度范围从为θ1～θ2，测试方向图的角度分辨率为Δ，则测天线方向图所需要的角度总数n为

n=(θ2-θ1)/Δ

(2)

其中,待测试角度集合表示为

{θ1,θ1+Δ,θ1+2Δ,…,θ1+(n-1)Δ,θ2}

由于对每一个测试站点的可测试角度进行测试得到的只是天线方向图中的一部分，因此在最终测试完一个站点后，需要将在这个站点下测试的方向图数据进行拼合，整个测试过程中，分别在方位上和俯仰上通过全站仪的配合不断调整测试站点位置完成扫描测试，最终得到完整的天线方向图。

3.2 方位向天线方向图测试

方位向测试依次分别在P1，P2，…，Pi，Pn点控制测试平台按照设定频点输出射频信号，机载射频接收机采集记录对应频点的信号，分别完成不同方位角上方向图测试，方位测试示意图如图6所示。

图6 装机天线方位测试示意图

3.3 俯仰向天线方向图测试

俯仰向在P1，P2，…，Pi，Pn点再分别标定出H、H1和H2高度，控制测试平台按照设定频点输出射频信号，机载射频接收机采集记录对应频点的信号，分别完成不同俯仰角上方向图测试。H、H1和H2位置如图7所示。

图7 装机天线俯仰测试示意图

机载天线方向图测试就是获得天线口面辐射场的准确S1(θ1)，S2(θ2)，…，Sn(θn)数据；通过这些数据，可得到描述天线方向图，从方向图中可得到主瓣宽度、半功率角、副瓣宽度、副瓣电平等参数，以便于分析天线性能。

4 测试过程中关键技术

4.1 高精度角度对准方法

外场天线测试首先解决被测天线与辅助天线之间的对准问题，对于电轴和光轴一致的天线，相位中心和天线物理中心近似重合，只需要保证被测天线与辅助天线的物理对准即可。天线对准可通过全站仪使辅助天线口面的法线方向指向被测天线的几何中心，该位置可作为测试天线的零位方向，对准后效果如图8所示。需要说明的是，零点定位的准确性与方向图测试的精度有直接联系。

图8 天线对准示意图

测试过程中，在每一个方位测试点，根据辅助天线可测的角度信息，计算天线在不同测试角度相对零位的高度和俯仰角，其中高度和俯仰角一一对应，将计算结果保存到Excel工作簿文件，然后调用串口控制命令，控制辅助天线按照Excel工作簿中的位置步进扫描，完成一个方位角下的不同俯仰角测试，天线车移动到下一个方位测试点，重复上述测试过程，并保存相应的测试数据，直至完成所有的测试站点的测试工作，从而实现天线方向图的高精度自动化测试。

4.2 测试环境干扰消除

在外场进行测量时，不可避免地会受到场地环境对测试精度的影响。当测试场为开阔环境时，机载天线方向图测量环境干扰影响主要是由地面带来的，特别是被测天线在俯仰面方向图上受地面的影响最大，如图7所示。所以在测量时，为了消除地面干扰，首先采用时域测量技术获得测量场地在时域反射特性，找到地面反射最强的对应位置，然后可以采用铺设吸波材料和时域门等手段降低来自地面反射波的影响。

如图7中所示，主瓣达地点到标准天线口面的距离为γ=H·cos(ψ/2)，ψ为标准天线波束宽度。根据入射、反射的关系，判断反射波能否直达机载天线端口。在波束主瓣达地点强反射区域布设吸波材料，同时，也在其他次强反射区域布施吸波材料。

4.3 距离补偿方法

天线测试过程中，理论上测试车应沿圆周运动，测试设备与被测天线间距离理论上保持不变。而实际测试过程中，测试车在行进过程中，测试距离因圆周定位误差呈动态变化，辅助天线姿态因路面平整度和天线上下扫描出现变化，因此，需要对测试距离和天线姿态进行修正。

测试过程中，假设天线对正位置距离为R0，接收信号幅度为Pr0(dB)；更换测试点位置后，距离为R1，接收信号幅度为Pr1(dB)。在不同的位置上，距离归一化补偿即为补偿Rr0与Rr1间的差值为

(3)

在天线外场测试数据处理中，按照式(3)进行距离归一化补偿。根据辅助天线的方向图和姿态信息，对测量结果进行进一步修正。

5 试验结果与分析

在某外场试验场，对某型机载天线方向图进行测试，辅助天线与被测天线距离13.5 m，信号源工作频点为10 GHz，幅度为0 dBm，机载天线方位向方向图测试结果如图9所示，俯仰-30°～15°范围内方向图测试结果如图10所示。

图9 机载天线方位向方向图测试结果

图10 机载天线俯仰向方向图测试结果

从图9中可以看出，机载天线方位向方向图测试结果与暗室天线方向图对比，虽然测试结果与理想状态有偏差，但经过校正补偿后的天线方向图得到了明显的改善。从图10中可以看出，机载天线俯仰向15°以上受飞机机翼遮挡，使天线方向图发生畸变，实际使用过程中，需要考虑到机翼对天线的遮挡效应，同时，机载天线在安装前可以通过合理的布局，来规避机体环境对天线辐射特性的影响，发挥天线的最大效能，达到天线最初的设计要求。

6 结束语

设计并实现了机载天线方向图外场校准系统，解决了天线方向图测试受外场环境影响，以及天线不易转动或移动限制的问题，在真实的使用环境下对装机天线状态进行测试，实现测评数据基准溯源。该方法可应用于机载平台上天线总体设计和天线集成验证，也可用于装机天线性能外场快速测试和检测，为装备外场排故、维护保障提供支撑。