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      前饋拋物面天線平面近場測試

      2018-08-23 05:22:44李立哲王進凱
      無線電通信技術(shù) 2018年5期
      關鍵詞:波束寬度副瓣饋源

      李立哲,李 科,宋 鋒,王進凱

      (中國電子科技集團公司第五十四研究所,河北 石家莊 050081)

      0 引言

      天線近場測試可以克服大天線遠場測試時測試距離的限制,其中平面近場測試因其數(shù)學計算簡單,在大天線測試中應用廣泛[1-3],它是用一個特性已知的掃描探頭在距待測天線(3~5)λ處的某一表面進行掃描,記錄下探頭接收電壓的相位和幅度隨位置變化的關系,由這些數(shù)據(jù)通過近遠場變換,確定天線的遠場特性[4-8]。然而測試過程中也會遇到這樣的問題:比如口徑為2.4 m,工作于X波段的前饋拋物面天線[9-12],其饋源后部與反射面之間的距離為1 234 mm,大約為38λ,這種情況下,若掃描探頭距離天線口面(3~5)λ,掃描探頭進行掃描采集數(shù)據(jù)的過程中會受到饋源的阻擋,無法完成數(shù)據(jù)的采集,若饋源不遮擋,掃描探頭與天線口面之間的距離至少為38λ,不滿足(3~5)λ,為了驗證在這種情況下平面近場測量的正確性,首先用簡單易測的喇叭天線驗證了近場范圍內(nèi)測試距離對測試結(jié)果的影響,然后將掃描探頭置于該前饋拋物面天線口面前40λ處,進行了平面近場測試,并將測試結(jié)果與遠場測試結(jié)果進行了比較。

      1 平面近場測試

      1.1 近場測試原理

      近場測試是通過測試天線近場區(qū)的數(shù)據(jù),然后應用嚴格的模式展開理論,從而得到天線的遠場特性,位于待測天線近場區(qū)的探頭以平面形式采集數(shù)據(jù)時,為平面近場測量,根據(jù)高等電磁理論,均勻無源區(qū)域中,空間任一點的電磁場可以表示為[12]:

      (1)

      (2)

      1.2 平面近場測試系統(tǒng)

      天線測試所用的平面近場測試系統(tǒng)框圖如圖1所示。

      圖1 平面近場測試系統(tǒng)框圖

      測試時,矢網(wǎng)作為接收機通過計算機總線控制發(fā)射源和本振源,發(fā)射源發(fā)出的信號經(jīng)過定向耦合器分為兩路,一路由待測天線發(fā)出,另一路輸入?yún)⒖蓟祛l單元,作為參考信號輸出到中頻分配單元,送入到矢網(wǎng)。掃描探頭接收到待測天線發(fā)射的信號后,輸入到測試混頻模塊,變換成中頻信號后輸入到放大器進行放大,放大后的測試信號輸入到中頻分配單元,輸出到矢網(wǎng)。本振源產(chǎn)生的本振信號送入中頻分配單元85309A,被分成2路,送入85320B作本振信號,另一路送入85320A作為本振信號。中頻分配單元將參考信號和測試信號進行處理,輸出兩路信號到矢網(wǎng),一路測試信號,一路參考信號[13],探頭在距待測天線d的平面上以間距Δx、Δy采集離散點場強,矢網(wǎng)不斷采集到這些數(shù)據(jù),采集完成后經(jīng)過數(shù)據(jù)處理變換成所需的天線遠場特性,通常,Δx≤λ/2,Δy≤λ/2,d取(3-5)λ[14-16]。

      2 喇叭天線的近場測試

      若平面近場測試時掃描探頭與待測天線之間的距離對測試結(jié)果影響很小,那么前饋拋物面天線就可以將掃描探頭置于距天線口面40λ處,這樣就解決了掃描過程中饋源遮擋的問題。為了驗證測試距離對測試結(jié)果的影響,以喇叭天線為例,在喇叭天線近場范圍內(nèi)使用平面近場測試系統(tǒng)測試了掃描探頭距天線口面為3λ、5λ、10λ、20λ時的方向圖,所得E面和H面方向圖如圖2和圖3所示,并對方向圖E面和H面內(nèi)的波束寬度以及副瓣電平進行了分析比較,測量選用的掃描面大小以及方向圖的波束寬度、副瓣電平如表1所示。

      圖2 E面方向圖

      圖3 H面方向圖

      表1 不同測試間距下的掃描參數(shù)、截斷電平以及測試結(jié)果

      喇叭天線與掃描探頭之間的距離掃描面大小/mm2截斷電平/dBE面波束寬度E面副瓣電平H面波束寬度H面副瓣電平3λ336 ×308 -3517.82-28.0317.38-9.225λ448 ×420 -3517.82-28.0317.38-9.2210λ784 ×756 -3517.80-28.0317.36-9.2220λ1 428 ×1 400 -3517.78-28.0017.35-9.20

      當掃描探頭距天線口面分別為3λ、5λ、10λ、20λ時,選取合適的掃描面,使截斷電平達到-35 dB[17-18],采用近場測試所得的E面內(nèi)波束寬度的誤差為0.05 dB,H面內(nèi)的波束寬度誤差為0.03 dB,E面內(nèi)副瓣的誤差為0.03 dB,H面內(nèi)的副瓣的誤差為0.03 dB,在工程上這個誤差是可以忽略的。

      由此可見,在近場范圍內(nèi),增大天線口面與掃描探頭之間的距離,同時適當增大掃描面積,保證-35 dB的截斷電平,工程上對測試結(jié)果沒有影響。但是對于普通的面天線來說,增大測試間距是以犧牲測試時間為代價的,對于像前饋拋物面天線這種掃描探頭與待測天線口面之間的距離為(3~5)λ時饋源會影響掃描進程的,可以增大掃描探頭與天線口面之間的距離,避免饋源遮擋,再選取合適的掃描面,可以使用平面近場測試,解決了這一類前饋反射面天線的近場測試問題。

      3 2.4 m前饋拋物面天線的平面近場測試

      為了驗證上述結(jié)論,在近場測試環(huán)境中,對引言中提到的2.4 m前饋拋物反射面天線進行了測試,測試時掃描探頭距待測天線1 300 mm,約為40λ,掃描面積5 012 mm×5 012 mm,截斷電平-35 dB,測試所得E面和H面內(nèi)的方向圖如圖4和圖5所示。

      圖4 E面方向圖

      圖5 H面方向圖

      兩個主平面內(nèi)的波束寬度以及副瓣電平與遠場測試的結(jié)果比較如表2所示。

      表2 2.4 m天線近場測試和遠場測試結(jié)果比較

      測試結(jié)果E面波束寬度/(°)E面副瓣H面波束寬度/(°)H面副瓣近場1.10-25.601.07-24.20遠場1.15-25.901.10-24.55

      采用平面近場測試所得的E面、H面波束寬度和遠場測試結(jié)果的誤差為0.05°,采用平面近場測試所得的E面、H面第一副瓣和遠場測試結(jié)果的誤差為0.35°,這個誤差在工程中可以忽略,近場測試結(jié)果和遠場測試結(jié)果吻合,說明了平面近場測量結(jié)果的準確性,對于前饋反射面天線,可以采用近場測試方法進行測量。

      4 結(jié)束語

      在工程實際中采用平面近場測量方法,將掃描探頭置于距拋物反射面天線口面40λ處,采用平面近場測試系統(tǒng)得到的方向圖與遠場測試方向圖吻合。在保證足夠的截斷電平下,在一定范圍內(nèi),探頭與待測天線之間的距離對測試結(jié)果的影響工程上可以忽略,但是需要增加測試時間為代價,在工程上解決了前饋反射面天線采用近場測試的問題。適用于平面近場測試的距離可以到多少還有待進一步研究。

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