什么是相控陣天線有源駐波測試？

摘要：天線在實際工作時，除了輻射信號，由于自身的原因會在其端口存在駐波，而相控陣天線的天線單元間還存在互耦效應，使得天線的駐波增大，會對發射機功放組件造成一定損壞。因此在設計相控陣天線時，必須考慮此駐波及其影響。針對相控陣天線有源駐波測試的需求，提出利用多通道相參信號源模擬相控陣實際掃描狀態，從而進行相控陣輻射狀態下的有源駐波測試。

1.引言

相控陣天線處于工作狀態（發射或者接收）時，天線單元之間存在一定的電磁能量耦合，即互耦效應?；ヱ钚拇嬖诟淖兞颂炀€單元的阻抗特性，影響了陣列天線的波束形狀和增益?；ヱ钚鹛炀€單元失配，從而產生的駐波在降低了天線輻射功率的同時卻增加了T/R設備組件的承受功率，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是相控陣天線性能的一個關鍵指標?？紤]到陣列天線的多樣性和缺乏統一有效的理論模型，想通過理論精確計算得到有源駐波參數非常困難。傳統的測試系統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，重現相控陣天線掃描時的實際工作狀態，通過計算機控制完成對相控陣天線有源駐波參數的快速準確測量。

2.有源駐波概念

互耦效應引起的有源駐波參數可以采用單元間耦合系數的散射矩陣法進行分析，它對任何形式的陣列單元結構都適用。具有n個陣元的陣列可以看成是n端口網絡，設n個端口上進波和出波分別為a1,a2,…,an 和b1,b2,…,bn ，它們之間的散射關系可表示為

（1）

Sij就表示第i單元和第j單元之間的耦合系數，該方程全面考慮了n個進波對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）。存在互耦效應時，在有源S參數矩陣里，第i單元的反射系數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單元的進波，因此，有

（3）

第i單元的駐波比由下式給出

(4)

表達式（4）給出了第i個單元的有源駐波參數（i=1,2,…n）。陣列天線中單元的阻抗包括自阻抗和互阻抗，表達式（3）中當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，即互耦效應引起的單元反射量的大小。如果沒有互耦效應，Ri僅表示自阻抗，方程（4）的駐波比也僅表示無源狀態下的陣列天線單元的駐波性能。

3.測試系統實現

根據有源駐波測試系統測試要求，系統組成如下圖所示：

測試系統實現的核心為多路相參信號源，筆者使用的是中星聯華多通道相參信號源，此信號源中每路輸出信號的幅度/相位可以精確調節，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。

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分別測試得到相控陣天線各端口在不同掃描狀態下的端口駐波，也就是有源駐波。

為了精確測試，在測試之前可以利用校準件對整個系統進行矢量校準，利用誤差修正算法得到系統誤差，保證整個測試系統的測試精度。

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

• 產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/相位進行精確控制，模擬相控陣天線實際動態掃描的場景；
• 多通道陣列天線有源端口參數、靜態端口參數、各單元駐波參數的測試功能；
• 相控陣天線端口駐波調試功能，可以對天線陣中的互耦特性進行調試優化；
• 通道一致性校準功能，系統幅度和相位自動校準功能；
• 實時誤差修正功能，可以對測試系統進行矢量校準，同時可以在測試過程中對系統進行實時誤差修正；
• 自動化數據采集、數據處理、校準功能；
• 測試報告定制化和自動生成測試報告功能。

4 結論

有源駐波測試系統利用中星聯華多路相參信號源精確的幅度相位調整功能，模擬相控陣天線實際波束掃描狀態，可以精確的測試出相控陣天線工作狀態下的駐波、互耦等有源參數，為相控陣的調試、優化提供便利。

參考文獻

學術著作：張光義，相控陣雷達原理．出版地：國防工業出版社，2009.12．134-147

產品手冊： 中星聯華科技（北京）有限公司．多通道微波信號源，2021

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