方志鵬

摘要：文章以相控陣天線測(cè)試系統(tǒng)為研究主題，探討了與其相關(guān)的實(shí)時(shí)校準(zhǔn)方法構(gòu)架和分析問題，首先結(jié)合當(dāng)今雷達(dá)發(fā)展的情況對(duì)其進(jìn)行了概述，主要介紹了相控陣天線測(cè)試技術(shù)方面的原理、系統(tǒng)構(gòu)架、多探頭測(cè)試技術(shù)、OSM校準(zhǔn)方法與測(cè)試驗(yàn)證；其次闡述了OSM實(shí)時(shí)校準(zhǔn)方法的應(yīng)用。

關(guān)鍵詞：相控陣天線測(cè)試系統(tǒng)；實(shí)時(shí)校準(zhǔn)方法；雷達(dá)；多探頭測(cè)試技術(shù)；OSM校準(zhǔn)方法 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

中圖分類號(hào)：TN965 文章編號(hào)：1009-2374（2016）25-0079-03 DOI：10.13535/j.cnki.11-4406/n.2016.25.038

在現(xiàn)代雷達(dá)發(fā)展方面，主要以相控陣?yán)走_(dá)作為主流，這是由它獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)所決定，比如對(duì)于高速運(yùn)動(dòng)目標(biāo)的觀測(cè)、將多種雷達(dá)功能加以實(shí)現(xiàn)或者對(duì)多個(gè)目標(biāo)進(jìn)行跟蹤以及在雷達(dá)作用距離方面加以推遠(yuǎn)等。所謂的相控陣?yán)走_(dá)主要還是以多功能電掃描雷達(dá)為主，屬于新體制型的雷達(dá)掃描技術(shù)。從目前來看，它的技術(shù)含量依然非常高，而且在資金投入方面占比相當(dāng)大，而其中比較重要的就是相控陣天線分系統(tǒng)，它是決定該雷達(dá)進(jìn)行系統(tǒng)實(shí)施的主要推動(dòng)因素與實(shí)施方案的基礎(chǔ)。

1 相控陣天線測(cè)試系統(tǒng)

1.1 相控陣天線測(cè)試技術(shù)

相控陣天線測(cè)試包括天線輻射特性、電路特性兩個(gè)方面的測(cè)試，從測(cè)試項(xiàng)目看，主要是方向圖、增益。具體是對(duì)方向特性的符合性進(jìn)行檢測(cè)，目的在于通過校標(biāo)使其光軸、電軸、機(jī)械軸達(dá)到重合。由于天線輻射場(chǎng)區(qū)可以劃分為電抗近場(chǎng)、輻射近場(chǎng)、輻射遠(yuǎn)場(chǎng)，所以有對(duì)應(yīng)于這三個(gè)區(qū)域的測(cè)量技術(shù)，比如在近場(chǎng)測(cè)量法方面就包括平面近場(chǎng)掃描、柱面近場(chǎng)掃描、球面近場(chǎng)掃描，而在遠(yuǎn)場(chǎng)測(cè)量方面則主要集中于高架場(chǎng)法、斜矩場(chǎng)法、反射場(chǎng)法等。

1.2 系統(tǒng)測(cè)試原理、系統(tǒng)框架

1.2.1 由于相控陣天線輻射場(chǎng)分布輻射近場(chǎng)區(qū)時(shí)具有規(guī)律性，具體就是伴隨距離R不斷增加，而造成天線軸向功率密度以1/R2的比例下降，因此就得到了工作頻率較低的小口徑天線測(cè)試遠(yuǎn)場(chǎng)距離10λ，而工作頻率較大的口徑天線則可以表示為R/（2D2/λ）>0.5；根據(jù)這一下降規(guī)律，還可以得到近似于滿足遠(yuǎn)場(chǎng)的條件，R/（2D2/λ）>0.5>1。

1.2.2 中場(chǎng)的測(cè)試方面，則是在中場(chǎng)距離范圍內(nèi)利用測(cè)試探頭，然后進(jìn)行相應(yīng)的陣列面單元通道依次選通，以高速、高效的形式完成全陣面測(cè)試。因此按照相關(guān)的測(cè)試要求與系統(tǒng)功能的設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)，該測(cè)試系統(tǒng)就需要按照矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀、控制計(jì)算機(jī)、測(cè)試探頭組件、波控分棉、測(cè)試附件等共同構(gòu)成。具體的系統(tǒng)構(gòu)架圖如圖1所示：

1.3 多探頭測(cè)試技術(shù)分析

多探頭測(cè)試技術(shù)主要由四部分構(gòu)成，具體是控制計(jì)算機(jī)、矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀、相控陣天線、測(cè)試探頭陣列、測(cè)試探頭通道。具體是通過GPIB控制將計(jì)算機(jī)與矢量?jī)x連接，然后再分接到測(cè)試探頭通道與相控陣天線，而計(jì)算機(jī)又通過對(duì)開關(guān)矩陣與實(shí)時(shí)校準(zhǔn)件的控制來達(dá)到測(cè)試目的。與單探頭測(cè)試相比，這種技術(shù)可以均勻地分出子陣，所以可以提高陣列面測(cè)試速度與效率。從測(cè)試探頭陣列設(shè)計(jì)來看，利用喇叭天線，在結(jié)構(gòu)、饋電、頻帶、功率容量、增益方面都獲得了較好的優(yōu)勢(shì)，口徑小，波束寬，可以滿足設(shè)計(jì)要求。本次研究中以E面喇叭天線作為測(cè)試探頭，但是由于耦合會(huì)對(duì)測(cè)試探頭產(chǎn)生一定的影響，因此還需要通過雙扼流環(huán)喇叭探頭進(jìn)行仿真優(yōu)化，以減少影響。

1.4 實(shí)時(shí)校準(zhǔn)補(bǔ)償技術(shù)

對(duì)多探頭測(cè)試技術(shù)的分析可以看出，雖然能夠提升測(cè)試系統(tǒng)的速度、效率，但是存在探頭通道之間幅度、相位不一致的問題，也就是說會(huì)影響到后續(xù)的測(cè)量，造成極大誤差，所以需要對(duì)幅度相位進(jìn)行校準(zhǔn)與補(bǔ)償。具體來看，就是當(dāng)測(cè)試探頭通道末端與探頭連接后，分析儀對(duì)雙端口直通S21幅度、相位測(cè)試很難完成，所以得不到通道幅度與相位的實(shí)時(shí)信息。為了解決這個(gè)問題，本次研究中，采用二端口實(shí)時(shí)校準(zhǔn)件加以解決；從功能看，可以實(shí)現(xiàn)端口切換，然后通過計(jì)算機(jī)、分別切換開路、短路、匹配端，因此也稱之為OSM校準(zhǔn)法。

2 OSM校準(zhǔn)方法

第一，從微波網(wǎng)絡(luò)的散射特性方面分析，微波系統(tǒng)、微波電路抽象化物理模型，就是微波網(wǎng)絡(luò)，主要由微波元件、均勻傳輸線共同組成一個(gè)較為封閉的媒質(zhì)空間；以麥克斯韋方程組對(duì)內(nèi)部與邊界面進(jìn)行場(chǎng)量約束；訂發(fā)是對(duì)網(wǎng)絡(luò)外部特性加以研究；通常以網(wǎng)絡(luò)參量進(jìn)行這種特性的表示或描述；若2個(gè)端口信號(hào)設(shè)為（a1，b1）、（a2，b2），則可以用歸一化入射波、歸一化反射波來加以定義，并要據(jù)微波網(wǎng)絡(luò)理論得到；

。若=0，就可以進(jìn)一步得到

若，則

因此，就有：

再根據(jù)微波網(wǎng)絡(luò)互易定理就可以得到微波網(wǎng)絡(luò)的散射矩陣S為對(duì)稱矩陣。

第二，從微波網(wǎng)絡(luò)的級(jí)聯(lián)方面看，微波網(wǎng)絡(luò)的級(jí)聯(lián)散射矩陣、微波網(wǎng)絡(luò)與理想網(wǎng)絡(luò)級(jí)聯(lián)的散射矩陣要求實(shí)時(shí)校準(zhǔn)件能夠通過其校準(zhǔn)方法而得到與理想的O、S、M，從而得到測(cè)試通道的實(shí)時(shí)S21幅度、相位信息。

3 OSM校準(zhǔn)方法的仿真與測(cè)試驗(yàn)證

3.1 OSM校準(zhǔn)方法的仿真驗(yàn)證

3.1.1 在相控天線測(cè)試系統(tǒng)測(cè)試探頭通道方面，主要選擇單刀4擲微波開關(guān)通過穩(wěn)相電纜級(jí)聯(lián)而成，開關(guān)網(wǎng)絡(luò)以2級(jí)開關(guān)級(jí)聯(lián)1分16通道為主?？梢垣@得各通道的實(shí)時(shí)傳輸，并命名其中的幅度相位一致性得到消除。

3.1.2 微波開關(guān)實(shí)時(shí)校準(zhǔn)應(yīng)用仿真主要是以簡(jiǎn)單結(jié)構(gòu)的單刀雙擲開關(guān)SPDT的ADS仿真電路圖完成通路導(dǎo)通，并利用OSM校準(zhǔn)方法，對(duì)通路傳輸損耗S21信息加以獲取，然后進(jìn)行仿真幅度、相關(guān)差值結(jié)果的進(jìn)行比較。通常可以得到二者的差值數(shù)量級(jí)在10-5，因此仿真值基本吻合。

3.2 OSM校準(zhǔn)方法的實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

3.2.1 設(shè)計(jì)實(shí)時(shí)校準(zhǔn)應(yīng)用程序，在計(jì)算機(jī)系統(tǒng)界面，做好手動(dòng)輸入起始頻率、終止頻率，可選擇的初始值為15.5GHz、16.5GHz。

3.2.2 需要進(jìn)行電纜校準(zhǔn)方法應(yīng)用分析，穩(wěn)相電纜以微波領(lǐng)域電纜為主，這樣可以使相位、損耗、傳輸效率得到有效保障。

3.2.3 在第一次測(cè)試時(shí)，需要將電纜——矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀端口1進(jìn)行連接，而另一端則與O、S、M端分別連接，操作主要是讀取三種終端狀態(tài)下的電纜輸入端的S11、S21幅度、相位單端口OSM測(cè)量值，最后利用分析儀得到S21雙端口直通測(cè)量值，再比較兩組測(cè)量值幅度、相位之后，就可以獲得差值的相關(guān)信息。

4 OSM實(shí)時(shí)校準(zhǔn)方法的應(yīng)用

在OSM實(shí)時(shí)校準(zhǔn)方法的應(yīng)用方面，需要做好應(yīng)用仿真、應(yīng)用測(cè)試與應(yīng)用程序的設(shè)計(jì)及測(cè)試，然后通過具體的測(cè)試實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)校準(zhǔn)，并提高相控陣天線測(cè)試系統(tǒng)的精準(zhǔn)性。以下就從這三個(gè)方面展開具體的應(yīng)用說明：

4.1 實(shí)時(shí)校準(zhǔn)方法應(yīng)用仿真

該測(cè)試系統(tǒng)探頭通道由2級(jí)單刀4擲開關(guān)級(jí)聯(lián)而成，所以是1分16開關(guān)網(wǎng)絡(luò)，可以建立起ADS仿真模型，然后以TTL電壓控制通路12導(dǎo)通，并截止其余通道；需要在任一通道末端連接二端口實(shí)時(shí)校準(zhǔn)件，然后實(shí)現(xiàn)OSM校準(zhǔn)方法所獲的通路12傳輸特性，如S21單端口OSM仿

真值。

4.2 實(shí)時(shí)校準(zhǔn)方法應(yīng)用測(cè)試

測(cè)試實(shí)驗(yàn)需要改變穩(wěn)壓電源連接，從而實(shí)現(xiàn)OSM的實(shí)時(shí)校準(zhǔn)或切換；當(dāng)?shù)玫酵稴21的單端口OSM測(cè)量值時(shí)，通過矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀2個(gè)端口進(jìn)行分別連接，使通道兩端連通，就可以對(duì)其雙端口直通進(jìn)行測(cè)量并得到兩組不同的測(cè)量值。根據(jù)測(cè)試結(jié)果可以看出，OSM實(shí)時(shí)校準(zhǔn)法所得的單端口OSM測(cè)量值與矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀直接測(cè)試的雙端口直通測(cè)量值之間的幅度差值在頻率范圍15.5～16.5GHz及-0.3～0.1dB范圍內(nèi)，相位差值在14～15之間。然后按照溫漂、波動(dòng)、誤差性影響等因素的存在，開展第二次測(cè)量，根據(jù)測(cè)試結(jié)果可知，第二次測(cè)試實(shí)時(shí)校準(zhǔn)法所得的單端口OSM測(cè)量值與雙端口直通測(cè)量值之間的幅度差值在頻率范圍15.5～16.5GHz及

-0.3～0dB范圍內(nèi)，相位差值在13.5～15之間。對(duì)兩次測(cè)試結(jié)果進(jìn)行比較發(fā)現(xiàn)，差值補(bǔ)償可以提高測(cè)試系統(tǒng)中測(cè)量值、實(shí)際值之間的不接近，從而對(duì)其加以補(bǔ)充。

4.3 實(shí)時(shí)校準(zhǔn)方法應(yīng)用流程

具體的校準(zhǔn)流程為：校準(zhǔn)開始→控制計(jì)算機(jī)控制該通道導(dǎo)通（需切換至下一通道）→控制通道實(shí)時(shí)校準(zhǔn)件進(jìn)行O、S、M依次切換→以實(shí)時(shí)校準(zhǔn)法獲通道S21單端口OSM測(cè)量值→將測(cè)試始得差值補(bǔ)償給單端口OSM測(cè)量值→得到通道實(shí)時(shí)S21信息→是否是最后一個(gè)通道（與控制計(jì)算機(jī)相連）→補(bǔ)償各通道幅度相位→校準(zhǔn)結(jié)束。

5 結(jié)語

總之，在新的時(shí)代就要堅(jiān)持與時(shí)俱進(jìn)、因時(shí)制宜、因技制宜，尤其要以可持續(xù)發(fā)展的理念作為指導(dǎo)原則。通過上文分析可以看出，相控陣?yán)走_(dá)主要還是以多功能電掃描雷達(dá)為主，屬于新體制型的雷達(dá)掃描技術(shù)，在提高相控陣列天線測(cè)試系統(tǒng)方面，主要集中于速度與效率，而真正能夠滿足這一要求的技術(shù)就是對(duì)于多探頭測(cè)試技術(shù)的良好應(yīng)用。另外，由于這種探頭測(cè)試組件幅度相位往往會(huì)因其本身的不一致性而對(duì)該技術(shù)的應(yīng)用產(chǎn)生某些影響，所以還需要通過一系列的探頭通道測(cè)試，以及對(duì)其進(jìn)行實(shí)時(shí)校準(zhǔn)方法的研究。這種研究所獲得的結(jié)果或者解決辦法就是通過OSM實(shí)時(shí)校準(zhǔn)來達(dá)到對(duì)系統(tǒng)測(cè)試通道的幅度相位信息的測(cè)試、校準(zhǔn)與補(bǔ)償，從而解決了這種不一致性帶來的相關(guān)問題。

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（責(zé)任編輯：王 波）