天线罩电性能远场测试系统的研究与构建

张三爱

摘要：随着电子设备自动测试技术的发展，自动测试技术已广泛应用于各个行业，为完成天线罩电性能测试任务，经研究分析，需要建立天线罩电性能远场测试系统。因此，天线罩测试系统的构建需要经多次论证、分析最终确立最优化设计。

关键词：全封闭微波暗室；天线罩电性能；测试系统；主反射区；暗室静区

中图分类号：TP274 文献标识码：A 文章编号：1009-2374（2013）11-0018-03

随着自动测试技术的发展，机载加装各类天线、雷达日益增多，大量的电性能测试任务需要完成，面对繁重测试任务和大量测试费用以及不断延长的测试周期，故投资建设天线罩电性能测试系统，以减少测试经费、缩短试验周期。

1 天线罩电性能远场测试微波暗室的构建

1.1 发射支架高度与转台放置高度的设计及对测试的影响

1.1.1 天线罩测试架设离地面高度的设计依据公式（1）进行计算：

H——天线中心到地面的距离（m）

R——收/发天线之间的距离（m）

φ——发射天线方向图主瓣最大值与第一个副瓣之间的夹角（rad）

一般天线安装高度应大于或等于收发天线距离乘以天线副瓣的最小值与主波束夹角的乘积，避免第一副瓣在地面的反射波进入接收天线（即保证被测件完全处于暗室静区内，较小，消除系统误差），引起测试误差。

1.1.2 天线发射支架的具体设计思路为天线罩发射支架是用于天线罩测试时进行信号发射或接收的支架，保证发射支架天线的相位中心与接收天线的相位中心一致。发射天线支架由水平、垂直及极化旋转三自由度组成。发射支架分为5个部分：滑动机构、固定底盘、Y向支架、X向支架、极化旋转等。滚动机构用来进行不同天线测试时的测试距离的改变，固定底盘为承重件，承受天线和仪器设备的重量，Y向支架主要用于实现高度尺寸，X向支架发射和接收距离微调节，极化旋转主要用于试验时的信号极化转换。在天线罩测试时收发天线的测试距离的选择应充分满足天线罩远场测试要求，距离计算公式：

式中：

R——收/发天线之间的距离（m）

D1——发射天线的口径（m）

D2——接收天线的口径（m）

λ——发射机的工作波长（m）

C——光速

f——测试时候的最低频率点

按公式计算出收发天线的测试距离，调节收发天线水平方位，使得频谱分析仪上接收到的信号最大，说明测试系统距离选择完毕。

1.2 天线罩测试暗室的设计

天线罩测试暗室是一个全封闭微波暗室，信号的发射与接收在暗室内部完成，暗室的净尺寸：28×14×14，该尺寸设计考虑到大尺寸天线罩的测试，长度确定因素依据被检测天线罩尺寸和使用的最高频率。这些因素确定平面波照射的远场特点，为了满足天线口面上电磁波的最大相位差不大于π/8，必须：R≥2D2/λ（2D发射接收天线口面相等）。一般待测天线到暗室后墙的距离约等于暗室宽度W的一半，发射天线距暗室前墙的距离R1约1m到W/2，暗室总长：L=2D2/λ+W/2+ R1；暗室的宽度和高度由材料允许的入射角决定。或W=Rcotθ。要求入射角θ<60°。原因：（1）为了最有效应用吸波材料，当入射角

θ>60°时，吸波材料性能下降很大，直接影响暗室性能。（2）兼顾多频段试验，入射角θ与吸波材料L/λ的大小和斜入射性能相关。考虑经济和最佳电性能等选用长宽比例在2∶1～3∶1之间。（3）选用暗室高度等于宽度，交叉极化特性好同时减少信号损耗，测试大门应避开暗室主反射区。

1.3 吸波材料的选择

角锥形泡沫吸波材料，其角锥或楔形结构使传输阻抗尽可能与周围的空气介质的阻抗接近。角锥长度与欲吸收的电磁波频率有关。频率愈低，则角锥长度愈大。通常应大于或等于最低吸收频率的1/4波长。选用的吸波材料，具体的计算公式为（3）：

f——测试用最低频率

c——光速度

L——吸波材料角锥高度

1.4 转台的选择

对于天线罩电性能测试，模拟实际天线与罩子状态，转台选用4自由度的三轴电机自动控制转台，通过自控系统进行测试精度定位。转台的4自由度对天线罩的方位、俯仰、横滚以及前后的运转，天线罩测试转台方位设置有可拆卸限位装置，方便满足测试要求。

1.5 仪器设备和测试系统的选择

测试系统通过GPIB卡、电缆及测试软件将频谱分析仪、信号源、矢量网络分析仪、天线罩测试台、发射支架或转台、监视器、对讲电话等连接在一起构成，测试系统可完成天线罩的功率传输系数、方向图、功率反射系数、波束偏移、插入相位延迟等多项性能指标测试。

2 测试系统的构建

2.1 测试软件的设计

测试软件包括转台、仪器控制和数据采集两大部分：转台控制软件可进行转台3个自由度控制，自由选择转角和转动控制模式，可在控制界面上观察信号传输的正确性，具体反馈跟踪实际的转角；仪器控制软件将频谱分析仪、信号源、矢量网络分析仪、天线罩测试转台集成在一起，通过GPIB卡、光缆和软件界面仪器设备的初始化设置，完成初始设置；数据采集软件主要完成测试数据的采集和记录，并且进行处理和保存，最终输出。

2.2 仪器设备的集成

仪器设备的集成依据图1所示的连接图：

3 测试方法的选择分析

3.1 功率传输系数

当天线罩和天线的位置确定后，功率传输系数|T|2用加罩天线方向图主瓣功率最大值Ps（∝Es2）与加罩前天线方向图主瓣功率最大值P0（∝E02）比值的百分比或分贝数标识，即：

|T|2（%）=（Ps/P0）×100%或|T|2 （dB）=10lg

（Ps/P0）（dB）

式中：

T——功率传输系数

Ps——有罩时接收机接收的功率值

P0——无罩时接收机接收的功率值

3.2 功率反射系数

功率反射系数即天线罩引起的反射功率与入射功率的比值。

R=（10S11有/10-10S11无/10）×100 %

式中：

R——功率传输系数

S11有——有罩时引起的反射功率值

S11无——无罩时接收机接收的功率

3.3 方向图畸变

比较接收天线空台和带罩方向图，判断雷达罩的引入对天线方向图引起的失真现象。记录罩子与天线同步扫描的各采样点上的和差信号，即可绘制出方向图曲线。测试框图如图2。

3.4 波束偏移

不安装天线罩，用矢量网络分析仪测出接收天线的差信号，用求出的差信号和相对应的位置关系建立定标曲线；加上罩子后通过天线罩每一位置的差信号值查定标曲线从而得出瞄准误差的值，然后建立天线罩每一个位置的瞄准误差曲线。

3.5 插入相位延迟

天线罩的相位延迟是指穿过天线罩电磁波的相位相对于移去罩后电磁波在同一点的相位差。可用矢量网络分析仪来测量。

4 天线罩工装夹具的设计

天线罩形状、大小不一，对转台来说不可能满足所有天线罩的尺寸，这就需做大量工装夹具，夹具的设计不但要满足实际天线与罩子的转动状态，而且还要满足转台和罩子间相对尺寸的变化。

5 数据分析及数据处理

按照每个测试项目要求及计算公式分别计算各俯仰、方位状态下的测值，分析功率传输系数、功率反射系数、瞄准误差、方向图畸变等测试数据指标，是否符合技术要求。最终进行试验合格性判定，判断各项试验数据是否满足技术指标的要求

6 测试系统误差分析

测试系统中引起测试误差的因素：（1）测试系统设备不稳定引起的；（2）测试方法及测试人为引起的；（3）测试系统中转台、夹具以及强反射体的裸露部分反射、绕射等引起的；（4）被测体外形尺寸、厚度、生产工艺等的合理性引起的；（5）测试暗室修建的合理性（测试距离、架设高度、吸波材料等）引起的；（6）软件采集系统设置的合理性引起的等。

因此，天线罩测试系统的构建需要经多次论证、分析最终确立最优化设计，兼顾各方面的要求，达到经济、最佳电性能试验的目的。

（责任编辑：周 琼）