利用多通道相參信號源模擬相控陣實現(xiàn)有源駐波測試

1 引言

相控陣天線處于工作狀態(tài)（發(fā)射或者接收）時，天線單元之間存在一定的電磁能量耦合，即互耦效應(yīng)?；ヱ钚?yīng)的存在改變了天線單元的阻抗特性，影響了陣列天線的波束形狀和增益?；ヱ钚?yīng)引起天線單元失配，從而產(chǎn)生的駐波在降低了天線輻射功率的同時卻增加了T/R設(shè)備組件的承受功率，對T/R組件的安全性也是一大隱患。

因此，相控陣天線的有源駐波參數(shù)是相控陣天線性能的一個關(guān)鍵指標(biāo)。考慮到陣列天線的多樣性和缺乏統(tǒng)一有效的理論模型，想通過理論精確計算得到有源駐波參數(shù)非常困難。傳統(tǒng)的測試系統(tǒng)又不具備多通道有源駐波測試能力，本文建議的相控陣天線有源駐波測試，利用多路相參信號源的幅度相位變化，重現(xiàn)相控陣天線掃描時的實際工作狀態(tài)，通過計算機(jī)控制完成對相控陣天線有源駐波參數(shù)的快速準(zhǔn)確測量。

2 有源駐波概念

互耦效應(yīng)引起的有源駐波參數(shù)可以采用單元間耦合系數(shù)的散射矩陣法進(jìn)行分析，它對任何形式的陣列單元結(jié)構(gòu)都適用。具有n個陣元的陣列可以看成是n端口網(wǎng)絡(luò)，設(shè)n個端口上進(jìn)波和出波分別為a1，a2，…，an 和b1，b2，…，bn ，它們之間的散射關(guān)系可表示為

（1）

Sij就表示第i單元和第j單元之間的耦合系數(shù)，該方程全面考慮了n個進(jìn)波對n個出波的所有可能的影響，具有一般性。

若用矩陣方式，方程（1）可寫為

（2）

式中a=［a1a2…an］T表示進(jìn)波矩陣，b=［b1b2…bn］T 表示出波矩陣，S是散射矩陣（或S矩陣）。存在互耦效應(yīng)時，在有源S參數(shù)矩陣?yán)铮趇單元的反射系數(shù)Ri定義為為陣列中所有單元在第i單元上的總出波除以第i單元的進(jìn)波，因此，有

（3）

第i單元的駐波比由下式給出

（4）

表達(dá)式（4）給出了第i個單元的有源駐波參數(shù)（i=1，2，…n）。陣列天線中單元的阻抗包括自阻抗和互阻抗，表達(dá)式（3）中當(dāng)j=i 時，反映了單元的自阻抗特性，時，反映了單元的互阻抗性能，即互耦效應(yīng)引起的單元反射量的大小。如果沒有互耦效應(yīng)，Ri僅表示自阻抗，方程（4）的駐波比也僅表示無源狀態(tài)下的陣列天線單元的駐波性能。

3 測試系統(tǒng)實現(xiàn)

根據(jù)有源駐波測試系統(tǒng)測試要求，系統(tǒng)組成如下圖所示：

測試系統(tǒng)實現(xiàn)的核心為多路相參信號源，此信號源中每路輸出信號的幅度/相位可以精確調(diào)節(jié)，這樣各路激勵信號可以加到被測相控陣單元的各端口，從而模擬相控陣天線在實際工作時的掃描狀態(tài)。

通過雙定向耦合器分別將各端口的入射信號和反射信號提取出來，通過多通道幅相接收機(jī)分別測試得到相控陣天線各端口在不同掃描狀態(tài)下的端口駐波，也就是有源駐波。

為了精確測試，在測試之前可以利用校準(zhǔn)件對整個系統(tǒng)進(jìn)行矢量校準(zhǔn)，利用誤差修正算法得到系統(tǒng)誤差，保證整個測試系統(tǒng)的測試精度。

相控陣天線有源駐波系統(tǒng)測試可以模擬相控陣天線動態(tài)掃描時陣列各單元上在加有真實激勵情況下的有源參數(shù)，其主要功能特點(diǎn)如下：

產(chǎn)生多通道相參激勵信號的功能，且能通過幅度相位控制分別對每一路激勵信號的幅度/相位進(jìn)行精確控制，模擬相控陣天線實際動態(tài)掃描的場景；

多通道陣列天線有源端口參數(shù)、靜態(tài)端口參數(shù)、各單元駐波參數(shù)的測試功能；

相控陣天線端口駐波調(diào)試功能，可以對天線陣中的互耦特性進(jìn)行調(diào)試優(yōu)化；

通道一致性校準(zhǔn)功能，系統(tǒng)幅度和相位自動校準(zhǔn)功能；

實時誤差修正功能，可以對測試系統(tǒng)進(jìn)行矢量校準(zhǔn)，同時可以在測試過程中對系統(tǒng)進(jìn)行實時誤差修正；

自動化數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)處理、校準(zhǔn)功能；

測試報告定制化和自動生成測試報告功能。

4 結(jié)論

有源駐波測試系統(tǒng)利用多路相參信號源精確的幅度相位調(diào)整功能，模擬相控陣天線實際波束掃描狀態(tài)，可以精確的測試出相控陣天線工作狀態(tài)下的駐波、互耦等有源參數(shù)，為相控陣的調(diào)試、優(yōu)化提供便利。