張寬負(fù) 張立佳

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毫米波雷達(dá)天線測(cè)試系統(tǒng)的研究

張寬負(fù) 張立佳

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天線測(cè)試是分析和設(shè)計(jì)天線的重要方式，因此精確的測(cè)量天線參數(shù)對(duì)了解天線的性能至關(guān)重要。的主要任務(wù)是天線的自動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。利用Labview實(shí)現(xiàn)天線自動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)的程序編程，以虛擬儀器技術(shù)和天線遠(yuǎn)場(chǎng)測(cè)量技術(shù)為基礎(chǔ)，通過(guò)AV4036頻譜分析儀測(cè)量信號(hào)，通過(guò)雷達(dá)距離方程的計(jì)算得到所需的結(jié)果。首先對(duì)毫米波天線及天線測(cè)試的背景和國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀進(jìn)行了解，研究天線遠(yuǎn)場(chǎng)測(cè)試系統(tǒng)最小測(cè)試距離、測(cè)試場(chǎng)地等理論，推導(dǎo)雷達(dá)距離方程公式作為計(jì)算待測(cè)天線參數(shù)的理論基礎(chǔ)。

自動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)；雷達(dá)距離方程

引言

隨著軍事電子等技術(shù)的迅速發(fā)展，占有和利用頻率資源，形成新競(jìng)爭(zhēng)態(tài)勢(shì)，雷達(dá)由著微波段向著毫米波段發(fā)展已經(jīng)成為必然趨勢(shì)。當(dāng)前的毫米波的工作波段在1mm到10mm，毫米波從20世紀(jì)80年代之后備受關(guān)注并取得了突飛猛進(jìn)的發(fā)展，其在雷達(dá)、電子對(duì)抗、導(dǎo)航和通信等領(lǐng)域，特別是在軍工領(lǐng)域的發(fā)展和應(yīng)用日益受到重視。天線作為雷達(dá)發(fā)射和接收信號(hào)的核心部件，其性能的優(yōu)劣直接影響到整個(gè)雷達(dá)系統(tǒng)的工作性能。

1 天線概述

天線是一種導(dǎo)行波與自由空間波之間的轉(zhuǎn)換器件或者換能器。即天線把在傳輸線上傳播的導(dǎo)行波，變換成在無(wú)界媒介中傳播的電磁波，或者進(jìn)行相反的變換。無(wú)線電通信、廣播、電視、雷達(dá)、導(dǎo)航、電子對(duì)抗、遙感、射電天文等工程系統(tǒng)，都要使用天線發(fā)射或者接收電磁波來(lái)進(jìn)行來(lái)完成信息傳遞工作。另外，在利用電磁波傳送能量時(shí)，也需要天線，盡管這時(shí)候傳播的僅僅是能量而非載有信息的信號(hào)。天線的互易定理指出，一般天線都具有可逆性，即同一副天線既可用作發(fā)射天線，也可用作接收天線。同一天線作為發(fā)射或接收的基本特性參數(shù)是相同的。想要評(píng)價(jià)一副天線性能的好壞，就要知道它的特性參數(shù)[1]。表征天線性能的主要參數(shù)有方向圖，增益，輸入阻抗，駐波比，極化方式等。天線的輸入阻抗：天線的輸入阻抗是天線饋電端輸入電壓與輸入電流的比值。輸入阻抗具有電阻分量和電抗分量[2]。天線與饋線的連接，最理想的情況是天線輸入阻抗是純電阻，并且等于饋線的特性阻抗。天線的匹配工作就是消除天線輸入阻抗中的電抗分量，使電阻分量盡可能地接近饋線的特性阻抗。天線的帶寬：無(wú)論是發(fā)射天線還是接收天線，它們總是在一定的頻率范圍內(nèi)工作的。通常，工作在中心頻率時(shí)天線所能輸送的功率最大，偏離中心頻率時(shí)期輸送的功率會(huì)減小。由于不同的工作領(lǐng)域所關(guān)注的天線參數(shù)有所不同，所以天線的帶寬有多種定義。通常的是指在天線的增益、方向性系數(shù)、輸入阻抗等各項(xiàng)電參數(shù)均滿足規(guī)定要求時(shí)，天線用作接收時(shí)向饋線輸送的功率下降為中心頻率處輸出功率的一半時(shí)所對(duì)應(yīng)的兩個(gè)頻率之差。也稱之為天線的頻帶寬度。天線方向性：天線所輻射的電磁波能量在空間上的分布，通常是不均勻的。天線的方向性參數(shù)是描述天線在輻射空間不同方向的不同特性。對(duì)應(yīng)發(fā)射天線，它在不同方向上輻射電磁波的能量不同，對(duì)于接收天線，它對(duì)來(lái)自空間不同方向、強(qiáng)度相同的電磁波相對(duì)接收的能力不同。天線的輻射方向圖是天線的輻射參量隨著空間方向變化的圖形表示。包括功率、場(chǎng)強(qiáng)、相位和極化等多個(gè)輻射參量中，通常人們最關(guān)心的是天線輻射能量的空間分布。所以，輻射方向圖一般的指的是功率通量密度的空間分布，有時(shí)也指場(chǎng)強(qiáng)的空間分布。

2 天線輻射場(chǎng)區(qū)的介紹

天線不斷向四周輻射信號(hào)能量，不同的距離處的能量、場(chǎng)強(qiáng)、波瓣圖是有區(qū)別的。經(jīng)研究按照離天線距離的遠(yuǎn)近將場(chǎng)區(qū)分為電抗性的近場(chǎng)區(qū)（弧度球），輻射近場(chǎng)或菲涅耳區(qū)和輻射遠(yuǎn)場(chǎng)或夫瑯和費(fèi)區(qū)。其輻射波瓣圖如下：

圖1 天線輻射波瓣圖

從輻射波瓣圖可以看出，不同距離的波瓣圖有很大差別，那么測(cè)試時(shí)要得到完整的天線特性參數(shù)，選擇正確的輻射場(chǎng)區(qū)是非常重要的，直接影響測(cè)試的精度和準(zhǔn)確度。場(chǎng)區(qū)的選擇成為天線測(cè)試的基礎(chǔ)必備條件，因而對(duì)天線測(cè)試場(chǎng)區(qū)的了解是十分必要的[3]。

3 毫米波雷達(dá)天線測(cè)試系統(tǒng)設(shè)計(jì)

毫米波測(cè)試的難點(diǎn)是由于頻率高，導(dǎo)致控件衰減和射頻電纜衰減大，普通的測(cè)試系統(tǒng)已經(jīng)無(wú)法滿足測(cè)試需求。目前測(cè)試儀器的頻率一般在50Hz，50Hz以上的測(cè)試儀器價(jià)格相對(duì)比較昂貴。若以簡(jiǎn)單的使用高性能的儀表作為測(cè)試硬件，會(huì)大大的提高毫米波的測(cè)試成本。業(yè)界較為普遍的解決方案是采用混頻方案，即通過(guò)下混頻降低射頻電纜中傳輸?shù)男盘?hào)頻率已減少傳輸損壞和減小噪聲對(duì)測(cè)試結(jié)果的影響。射頻電路原理是信號(hào)源輸出的信號(hào)先通過(guò)功率放大器將信號(hào)放大，然后經(jīng)過(guò)倍頻單元將信號(hào)頻率倍頻到測(cè)試信號(hào)頻率，經(jīng)過(guò)定向耦合器分成兩路。一路信號(hào)經(jīng)過(guò)變頻單元下混頻到中頻信號(hào)作為參考信號(hào)，另一路信號(hào)作為發(fā)射信號(hào)經(jīng)過(guò)發(fā)射天線。被測(cè)信號(hào)經(jīng)過(guò)倍頻和變頻單元將毫米波信號(hào)下混頻到中頻信號(hào)。射頻信號(hào)和參考信號(hào)經(jīng)過(guò)中頻分配單元后將信號(hào)傳輸給矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀進(jìn)行數(shù)據(jù)采集。毫米波測(cè)試系統(tǒng)射頻電路示意框圖如下：

圖2 毫米波系統(tǒng)簡(jiǎn)易框圖

毫米波測(cè)試系統(tǒng)軟件，是整個(gè)自動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)的核心部分。通過(guò)控制伺服系統(tǒng)和測(cè)試儀表，自動(dòng)化的采集天線的遠(yuǎn)場(chǎng)或者近場(chǎng)的幅度和相位數(shù)據(jù)。近場(chǎng)采集的平面數(shù)據(jù)、柱面數(shù)據(jù)或者球面數(shù)據(jù)，通過(guò)傅里葉變換計(jì)算出天線的遠(yuǎn)場(chǎng)方向圖，進(jìn)而獲得天線的各項(xiàng)性能參數(shù)。毫米波測(cè)試系統(tǒng)的軟件流程圖：

圖3 毫米波測(cè)試系統(tǒng)軟件簡(jiǎn)易流程圖

圖4 軟件示例

圖5 軟件數(shù)據(jù)處理示例

4 結(jié)論

綜上所述，主要介紹了天線遠(yuǎn)場(chǎng)測(cè)試技術(shù)的理論基礎(chǔ)。利用 Labview 編程語(yǔ)言，設(shè)計(jì)了一套性價(jià)比高、測(cè)試速度較快、測(cè)試精度較高的毫米波雷達(dá)天線的自動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)。測(cè)試系統(tǒng)完成了計(jì)算機(jī)控制儀器設(shè)備、數(shù)據(jù)的采集和處理等功能。選擇了合適的硬件搭建天線測(cè)試系統(tǒng)，從測(cè)試結(jié)果看，本文設(shè)計(jì)的毫米波天線測(cè)試系統(tǒng)是可行的，能夠滿足測(cè)試所要達(dá)到的要求。

[1]郝麗，趙偉，王坤.基于LabVIEW的一起控制教學(xué)示例[J].電氣電子教學(xué)學(xué)報(bào)，2012，34（4）；80-83.

[2]張磊.利用VISA控制儀器設(shè)備各種接口[J].電子測(cè)試，2008（10）：58-61.

[3]蔣新文，張寧，楊三序.基于虛擬儀器的測(cè)控系統(tǒng)[J].微計(jì)算機(jī)信息，2007（23）：30-32.

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