P波段雷达天线室外远场测试
摘 要：为了设计一个适用于P波段雷达天线测试的天线测试场，针对P波段雷达天线在室外远场测试时较难控制的地面反射问题，采用几何光学方法，结合具体实例，对斜距场法、等高场法、脉冲测试法和地面反射场法几种室外远场测试方法进行了分析；根据分析结果并结合实际地形条件，选取了地面反射场法作为测试方案；应用FEKO软件对测试场静区处的幅度和相位进行了仿真，得到该场地静区处的合成场能够满足天线远场测试要求的结论。
关键词：P波段； 远场测试； 斜距场； 等高场； 脉冲测试； 地面反射场
中图分类号：TN82-34文献标识码：A
文章编号：1004-373X(2011)01-0067-03
Outdoor Far-field Measurement for P-band Radar Antenna
ZHANG Yi-qian1，2
(1.Department of Electronics Information and Electric Engineering, Shanghai Jiaotong University, Shanghai 200240, China;
2.AVIC Radar and Avionics Institute, Wuxi 214062, China)
Abstract： In order to design an antenna testing range for P-band radar antenna measurement, in view of the difficulties about ground reflection control of P-band radar antenna in outdoor far-field measurement, several far-field measurement methods including slant range method, elevated range method, pulsed measurement method and ground reflection range method are analyzed by using geometrical optics approach. The ground reflection method was selected as the test range solution by considering analysis results and practical topographic conditions. The amplitude and phase of the quiet zone were simulated by applying FEKO. It shows that the synthetic range in the quiet zone can satisfy the requirements on antenna far-field measurement.
Keywords： P-band; far-field measurement; slant range; elevated range; pulsed measurement; ground reflection range
0 引 言
天线是雷达系统的重要组成部分，天线性能的好坏，直接影响雷达性能的优劣。天线测试是完成天线系统工程研制的重要环节之一，采用适当的测试方法来验证天线的性能是一个关键问题。对于雷达天线的测试来说，测试系统的发展相对比较成熟，难点往往在于测试方法的选取和设计。
频率范围在230～1 000 MHz之间称为P波段\1 室外远场测试法比较
常用的天线测试方法有远场测试、近场测试和紧缩场测试。近场测试和紧缩场测试都在微波暗室内进行，远场测试又分室内远场和室外远场。每种测试方法都有各自的特点，不同的测试方法有各自适应的测试内容和一定的局限性。
对于雷达天线来说，P波段的波长较长，通常用于此波段的天线尺寸较大。远场测试距离需满足最小测试距离条件\D为被测天线的最大口径，λ为测试波长。P波段的雷达天线根据此条件所确定的远场测试距离通常达到一两百米。
若P波段雷达天线采用室内远场测试，则暗室长度需满足远场测试距离的条件，测试静区的尺寸需大于天线口径，而巨型微波暗室的建设成本相当高，所以通常不被采用。若采用近场测试，为了保证扫描范围，则需要足够大的机械扫描架和微波暗室；若采用紧缩场测试，为了保证静区尺寸，则需要足够大的反射面天线和微波暗室。然而当扫描架和反射面天线的尺寸大到一定程度后，工程实现上都比较困难，建设成本也相当高。另一种方法就是用室外远场法来测试P波段雷达天线，即利用开阔的室外场地。室外远场测试法又有斜距场法、等高场法、脉冲测试法、反射场法等多种方法。
为了讨论方便，以直径7 m，波长为0.5 m的天线为例，讨论用室外远场的几种方法测试P波段雷达天线的可行性。
根据远场最小测试距离条件可以得出，对于D=7 m，λ=0.5 m的天线，最小测试距离Rmin=196 m。为了计算方便，取测试距离R=200 m。
1.1 斜距场法
对于P波段的雷达天线，被测天线尺寸及重量都较大。如果采用斜距场法，首先想到的是源天线高架斜距场，即把被测天线置于地面附近，源天线架高，如图1所示。
图1 源天线高架斜距场示意图
由于P波段源天线通常波束较宽，地面反射严重，即源天线主波束入射的能量和地面反射后入射的能量会产生叠加，从而带来很大的测试误差。消除地面反射的影响可采用在主反射区铺设防水防紫外线的吸波材料或在主反射区设置多重金属反射屏的方法。但由于材料价格贵，铺设面积大而难于适用。
另一种斜距场法是被测天线高架的斜距场，可通过将被测天线高架到足够高度，使源天线的第一零点指向地面反射点，以此来降低地面反射的影响，如图2所示。图中，ht为源天线架设的高度;hr为被测天线架设的高度。若选用波束宽度为60°的源天线，则第一零点的指向与主瓣方向的夹角约为60°，要满足测试距离200 m的条件，被测天线至少需要高架到100 m的高度。由于P波段雷达天线通常尺寸及重量都较大，故被测天线高架的方法可操作性不强。若具备合适的地形条件，可以考虑采用此方法。
1.2 等高场法
等高场法是将源天线和被测天线架高到同一高度的高架测试场，由于源天线通常波束较宽，同样存在严重的地面反射影响问题。等高场法设计时，为了抑制地面反射，同样可以采用使源天线的第一零点指向地面反射点的方法。等高场的地面反射点在场地的中心。仍以波束宽度为60°的源天线来讨论，则源天线和被测天线需要架高的高度为ht=hr=R/2×tan 60°=173 m，如图3所示。可见，利用高架天线来抑制地面反射的等高场法也很难实现。
图2 被测天线高架斜距场场示意图
图3 等高场示意图
1.3 脉冲测试法
脉冲测试法是利用接收机的脉冲测试功能将到达被测天线空间的直接辐射信号与反射路径信号从到达时间上区分开来。
如果采用脉冲测试，那么脉冲的最小宽度通常就是考虑的场分辨率，也就是最小能识别的从源天线经过不同路径到被测试天线的时间间隔。资料显示，目前常用的接收机最小脉冲宽度是100 ns，那么接收机能识别的在距离上场的分辨率就是30 m，也就意味着只有和直线路径有着30 m以上的行程差的信号才能被脉冲测试的方法消除。
这就需要根据接收机的场分辨率合理设计源天线和被测天线的架设高度，以确保从源天线到接收天线的直线路径与反射路径信号的行程差满足分辨率的要求。以等高场情况为例，测试距离为200 m，则反射路径至少要达到230 m，源天线和被测天线需要架高的高度h≥(230/2)2－(200/2)2=57 m，才能满足最低的分辨率要求。
另外，在脉冲测试状态下，系统的动态范围会受到影响，脉冲占空比对动态范围的损耗为20×lg(占空比)，即占空比为10%时，动态范围的损耗是-20 dB。
如果采用脉冲测试法，需要根据自由空间衰减\1.4 地面反射场法
地面反射场法是在满足远场条件下，利用直射信号与地面反射信号的最佳合成场，是实现天线远场测试的一种方法。
根据垂直面合成场分析，当测试距离满足远场条件，同时满足条件hr≥4D，ht=λR/(4hr)时，在被测天线处可以得到直射信号与地面反射信号的最佳合成场\2 仿真结果
在应用实例中，具备开阔平坦的测试场地的条件，根据实际情况选择了地面反射场法进行设计。借助FEKO仿真电大尺寸的高效性，构建出一个逼近真实测试环境的收发天线系统，得到测试静区处合成场幅度和相位的变化情况。图4给出了某频点测试静区处8 m×8 m×8 m范围内合成场幅度和相位变化的仿真曲线。
远场测试条件要求幅度变化小于0.25 dB,相位变化小于\3 结 语
P波段雷达天线室外远场测试面临的主要问题是
地面反射的影响。为了抑制地面反射往往需要建设很
高的测试塔，成本相当高，甚至根本不可行。在具备开阔平坦的测试场地的条件下，利用地面反射，采用反射场法是一个不错的选择。应用FEKO软件对测试静区处的合成场进行了仿真。仿真结果证明，地面反射场法能满足P波段雷达天线室外远场测试的要求。
图4 测试静区仿真曲线
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作者简介：
张译芡 女，1979年出生,重庆人，硕士，工程师。主要研究方向为天线测试技术。
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