一種改進的天線罩瞄準線誤差計算方法

楊 冬, 吳秉橫, 張漠杰, 劉元云

(1.中國人民解放軍駐上海地區(qū)航天系統(tǒng)軍事代表室;2.上海無線電設備研究所,上海200090)

0 引言

長期以來,作為衡量天線罩產品性能是否合格的重要標準之一,天線罩的電性能測試一直是天線罩領域和微波測量領域亟待解決的一個問題。瞄準線誤差是衡量天線罩電性能的重要技術指標之一。

在測試過程中,由于單脈沖天線的差方向圖在零深附近的增益電平很低,經常受到噪聲的干擾導致天線罩的零深位置產生偏差,造成測試誤差,因此確定一種穩(wěn)定而且精度高的天線罩瞄準線誤差測量和數據處理方法對于天線罩測試技術的發(fā)展具有重要的意義。

本文借助單脈沖天線差方向圖在電軸附近的對稱性,提出了一種改進的天線罩瞄準線誤差計算方法,借助等電平平均法對開環(huán)尋零法測得的天線輻射方向圖數據進行處理,計算天線輻射方向圖的零深位置,確定天線罩的瞄準線誤差。

1 天線罩瞄準線誤差測量方法和系統(tǒng)

天線輻射的電磁波穿透天線罩,傳播方向會發(fā)生變化。對于單脈沖天線而言,天線的電瞄準軸線會發(fā)生偏析,通常稱其為瞄準線誤差。由于單脈沖天線的差波束零深代表瞄準軸,因此天線罩瞄準線誤差主要體現(xiàn)在天線差方向圖的零深位置發(fā)生偏移。

目前測量天線罩的瞄準線誤差主要有兩種方法,即尋零方法和電子定標方法[1],基于這兩種方法衍生出兩種最為常見的測試系統(tǒng)[2]:尋零測試系統(tǒng)和電子定標測試系統(tǒng)。

1.1 尋零法

基于尋零法的測試系統(tǒng)根據處理方法不同分為閉環(huán)尋零系統(tǒng)和開環(huán)尋零系統(tǒng)[3]。天線罩電性能閉環(huán)尋零測試系統(tǒng)工作流程圖如圖1所示。當發(fā)射天線偏離瞄準軸時,檢測網絡會輸出誤差信號,測試程序對瞄準線的偏移做出預測,并將掃描架移動量反饋給伺服系統(tǒng),驅動尋零器使發(fā)射天線再次對準測試天線,同時記錄尋零器的位移量,經過數據轉換網絡將位移量轉化為角度信號并記錄。

對比有罩與無罩狀態(tài)下的記錄角度信號的變化便可獲得天線罩的瞄準線誤差。通過對天線掃描不同角度時天線罩瞄準線誤差的記錄,便可得出天線罩瞄準線誤差隨天線罩轉角的變化情況,進而可以求出天線罩瞄準線誤差斜率。

圖1 天線罩電性能閉環(huán)尋零測試系統(tǒng)工作流程圖

開環(huán)尋零系統(tǒng)與閉環(huán)尋零系統(tǒng)的區(qū)別是開環(huán)尋零系統(tǒng)在測試過程中并沒有對瞄準線偏移的預測過程,即在測試過程中不會根據系統(tǒng)反饋的信息移動尋零器使發(fā)射天線再次對準測試天線。開環(huán)尋零測試通過掃描架帶動發(fā)射天線在一段掃描范圍內移動,獲取在該范圍內天線的輻射方向圖,并記錄下來。

通過對該測試方向圖的后處理,通過確定方向圖電平的最小值判斷天線的零深位置,即瞄準軸。相對閉環(huán)尋零方法,開環(huán)尋零法的測試程序要簡單易行,但是測試效率相對較低。

1.2 電子定標法

電子定標測試系統(tǒng)發(fā)射天線固定不動[4],在加罩前需要將接收天線的電軸與發(fā)射天線的電軸調整重合,此時檢測網絡輸出為零或最小。加罩后,根據檢測網絡輸出電壓的幅度和信號便可以實現(xiàn)對瞄準線誤差的測試,其中檢測網絡輸出電壓的幅度與瞄準線誤差的大小成正比,符號反映了瞄準線誤差偏移的方向。

電子定標測試系統(tǒng)的優(yōu)點是不需要一套結構上復雜、精密的尋零器和伺服系統(tǒng),天線的間距可以減小。

對比兩種測試方法和系統(tǒng),電子定標法對系統(tǒng)的需求較尋零法簡單,但尋零系統(tǒng)更接近天線罩的實際工作狀態(tài)。目前,基于電子定標法的測試系統(tǒng)主要應用于機載天線罩電性能的測試,而尋零法測試系統(tǒng)則在導彈天線罩電性能測試中應用廣泛。

2 天線罩瞄準線誤差計算方法改進

2.1 理論基礎

天線罩引起的瞄準線誤差在單脈沖天線方向圖中,可用差方向圖波束軸上的零值位置的偏移來描述。由于天線罩引起的零值位置的偏移只有零點幾度,因此只需要對方向圖的一小部分進行測試和計算。

然而由于天線在零值位置附近的增益電平很低,比較容易受到周邊環(huán)境噪聲的干擾,造成零值位置計算偏差,因此采用測試方向圖最小值的位置作為零值位置有時具有一定的局限性。

由陣列綜合理論可知,單脈沖天線的差方向圖在零值左右理論上應該是對稱的,如圖2所示為單脈沖天線的差方向圖。在測試過程中,該方向圖可以通過開環(huán)尋零測試系統(tǒng)中的掃描架帶動發(fā)射天線移動一定行程,記錄固定不變的接收天線收到的電平得出。

圖2 單脈沖天線的差方向圖

根據單脈沖天線的該特點,結合測試系統(tǒng)的測試原理,在對天線罩的瞄準線誤差進行計算時,可以在天線的方向圖上選擇某個大于零值電平的電平值,將等于該電平值的掃描架位置記錄下來。零值位置左右兩個等于該電平的掃描架位置值的平均,理論分析應該是天線差方向圖的零值位置。為了提高零值位置,可以選擇多個電平值,將根據每個電平值計算的零值位置進行平均,得出最終的零值位置。

如圖3所示天線的零值位置計算示意圖。

圖3 天線的零值位置計算示意圖

在天線方向圖上,接收電平分別為-10 dB的兩個點對應的掃描架坐標為a1和b1,通過上述的理論可以判斷基于該電平的天線零值位置:

同樣道理,可以求出根據不同電平求出的天線零值位置

對上述計算值取平均,便得出根據等電平平均法計算得出的天線零值位置:

對比加天線罩與不加天線罩時零值位置的偏移Δ,便可計算得出天線罩的瞄準線誤差BSE:

式中:L為測試系統(tǒng)收發(fā)天線之間的距離。

2.2 天線罩瞄準線誤差計算結果對比

借助等電平平均法,通過對一個天線罩的測試數據進行處理,計算得出天線罩的瞄準線誤差,將該瞄準線誤差隨與技術指標要求的瞄準線誤差相除,得出歸一化瞄準線誤差如圖4所示,圖中同時給出了采用直接讀取天線方向圖最小值的傳統(tǒng)方法得出的歸一化瞄準線誤差值。

圖4 天線罩瞄準線誤差對比示意圖

從圖中可以看出,采用傳統(tǒng)方法計算得出的天線罩瞄準線誤差在某些轉角的變化非常劇烈,初步判斷是由于周邊環(huán)境和噪聲的影響造成天線零值位置發(fā)生了抖動和突變;而采用改進的處理方法,天線罩的瞄準線誤差曲線與采用傳統(tǒng)方法得出的曲線變化趨勢一致,但變化更為光滑。

由此可以看出,使用等電平平均方法計算天線罩瞄準線誤差可以有效減小周邊環(huán)境和噪聲的影響。采用此方法對天線罩的瞄準線誤差進行計算,并與借助電磁仿真軟件仿真的結果進行比較,從圖5中天線罩歸一化瞄準線誤差測試與仿真結果可以看出,采用等電平平均法計算天線罩瞄準線誤差具有較高的準確性。

圖5 天線罩瞄準線誤差測試與仿真結果示意圖

3 結論

本文以單脈沖天線差方向圖在電軸附近的對稱性為理論基礎,提出了一種天線罩瞄準線誤差等電平平均計算方法。

該方法大大降低了測試場地對天線方向圖的影響,有效提高了天線罩瞄準線誤差的測試準確度。

[1] 彭望澤.防空導彈天線罩[M].北京:宇航出版社,1993.

[2] 宋銀鎖.高性能導彈天線罩測試系統(tǒng)[J].微波學報,2007(8):28-30.

[3] 徐杰,黃敬健,等.導彈天線罩電性能測試系統(tǒng)集成與實現(xiàn)[J].計算機測量與控制,2008,16(12):1900-1902.

[4] 李順禮,劉立國,等.基于電子定標法的天線罩電參數測試系統(tǒng)設計[J].自動化儀表,2009,30(10):57-60.