【电子行业标准(SJ)】 相控阵天线测试方法

中华人民共和国电子行业军用标准FL5800
2003-12-15发布
相控阵天线测试方法
SJ20884—2003
Testing method for phased array antenna2004-03-01实施
中华人民共和国信息产业部批准前言
本标准由信息产业部电子第四研究所归口。本标准起草单位：中国电子科技集团公司第十四研究所。本标准主要起草人：束咸荣、孙兆军、何炳发。SJ208842003
1范围
相控阵天线测试方法
本标准规定了相控阵天线方向图、增益等的测试原理、测试方法和测试步骤。本标准适用于相控阵天线的测试。2引用文件
SJ20884—2003
下列文件中的有关条款通过引用而成为本标准的条款。凡注日期或版次的引用文件，其后的任何修改单（不包括勘误的内容）或修订版本都不适用于本标准，但提倡使用本标准的各方探讨使用其最新版本的可能性。凡不注日期或版次的引用文件，其最新版本适用于本标准。GB3784雷达名词术语
GJB74A军用地面雷达通用规范
雷达天线分系统性能测试方法
法增益
GJB3262
GJB3310雷达天线分系统性能测试方法方向图3术语和定义
GB3784、GJB74A、GJB3262、GJB3310确立的以及下列术语利定义适用于本标准。3.1有源相控阵天线active phased array antenna由天线辐射单元(或子阵)与发射功率放大器、低噪声接收放大器(TR模块)和移相器等有源部件所构成的相控阵列天线。
3.2无源相控阵天线passive phased array antenna由天线辐射单元（或子阵)与无源(或光学）馈电网络和移相器等部件所构成的相控阵列天线。3.3多波束阵列天线multi-beam array antenna利用波束形成网络，在空间不同方向同时并独立地形成多个波束的阵列天线。3.4子阵sub array
阵列天线孔径如分成若干个较小的阵列，这样的小阵列称为子阵。3.5 副瓣电平 sidelobe levei
副瓣最大值相对于主瓣最大值的比值。3.6远区副瓣remote sidelobe
方向图中离主瓣较远的指定角域内的副瓣，也称为宽角副瓣。3.7和方向图sumpattern
即天线方向图，是天线辐射特性（功率通量密度、场强、相位和极化）作为空间坐标函数的图形表示。
3.8差方向图differencepattern由单个低电平零值分隔的一对反相主瓣和一簇副瓣表征的辐射方向图。3.9零值深度nulidepth
差方向图零值位置电平与其较大一个主瓣电平的比值。3.10零值飘移drift of nullposition差方向图零值位置因工作频率等因素产生的偏移。3.11 差斜率 slope of difference pattern差方向图零值位置附近的值对角度的变化率。1
SJ20884—2003
3.12极化polarization
在垂直于传播方向的平面内，电场矢量端点随时间变化的轨迹。3.13线极化linear poiarization电场矢量端点随时间变化的轨迹为直线时称为线极化。3.14圆极化circular polarization电场矢量端点随时间变化的轨迹为圆时称为圆极化。手的拇指顺着波的传播方向，若左（右）手的四个手指与合成电场矢量的旋向吻合，就是左（右）旋圆极化。3.15轴比axis ratio
电场矢量端点随时间变化的轨迹为椭圆时，椭圆的长轴与短轴之比。3.16交叉极化crosspolarization在一个含有参考极化椭圆的指定平面内，与参考极化正交的极化。3.17功率容量power carrying capacity在规定条件下天线正常工作时所能承受的最大功率。3.18扫描范围scan coverage
保证方向图性能的波束最大值在空间扫描的角域。3.f9阵中单元方向图elementpatterninanarray阵列天线中的单个辐射单元在其它辐射单元端接匹配负载时所辐射的方向图。3.20 电压驻波比voltage standing wave ratio指定测试端口的电压最大值与最小值之比。3.21 电轴 electronic boresight天线的和方向图最大值方向。通常采用-3dB、-10dB、-20dB点的平均值作为电轨方向。单脉冲体制的天线电轴为该天线差方向图的零值方向。3.22天线舜功率传输系数powertransmittedfactor of radome电磁波通过天线罩后的功率与该电磁波入射到天线罩上的功率之比。3.23天线罩波束瞄准误差boresight error of radome天线辐射同样电磁波在有、无天线罩时电轴之间的角偏差。3.24天线罩方向图畸变patterndistortionfromradome因天线罩影响造成的较之无天线罩时原天线的方向图变化的现象。3.25天线测试场 antenna measurement range具有测试天线辐射特性所需的专用设备和满足天线测试要求的场地。3.26自由空间测试场free space measurementrange周围环境的影响小到容许天线测试的天线测试场。3.27 等高架测试场 equal high placed measurementrange被测天线和辅助天线架设在同一高度的自由空间测试场。3.28 斜式测试场 slant measurement range被测天线和辅助天线架设在不同高度的自由空间测试场。3.29 近场测试 near field measurement用特性已知的探头在距离天线口径3~10个波长的某一个表面上进行采样，得到天线口径幅相分布，获得天线性能的测试。3.30微波暗室anechoic chamber在特定的频段内，内侧壁能充分吸收散射回波，形成准自由空间场条件而特殊设计的房室。3.31缩距场测试 compact range measurement用聚束器件在较短距离上产生一个均匀照射被测天线的准平面波对该天线进行测试。2
4一般试验要求
4.1测试中使用的常用坐标系如图1所示。SJ208842003
4.2测试设备的精度应优于被测参数允许误差的三分之一。所有仪表设备都应在计量检定的有效期内。4.3测试线极化天线主极化方向图时，辅助天线的极化应和被测天线的极化相向；测试交叉极化方向图时，辅助天线的极化应和被测天线的极化正交。4.4避免或尽量减少外界电磁干扰（银河系辐射、大气静电干扰、地球热辐射以及人为机电干扰等）对测试的影响。
4.5被测天线、测试仪表和设备应良好接地，严格按照规程操作。4.6高功率测试时，要确保环境（包括暗室吸波材料）、仪表、设备和人员的安全。4.7测试在天线工作频带内的高、中、低三个频点或技术条件规定的频点进行。N
天线位置
0=90°
5试验方法
5.1方向图测试
相控阵天线方向图测试有下列四种方法：等高架远场测试；
斜式远场测试：
近场测试：
d）缩距场测试。
=180°
Φ=90*
常用坐标系
其中a)、b)、d)可获得被测天线在转台旋转平面内的方向图，c)可获得被测天线全空域方向图信息。四种方法等同有效，应根据被测天线的工作频率、类型、尺寸以及测试设备进行具体选取。5.1.1等高架远场测试
5.1.1.1几何关系
几何关系如图2所示。
SJ208842003
轴助天线
h被测天线或辅助天线的相位中心高度；D—被测天线口径（等效口径）的最大线尺寸；R
被测天线和辅助天线相位中心之间的水平距离。被测天线
图2等高架远场测试几何关系
5.1.1.2环境要求
测试地面应平坦（由于地面不平而引起的误差应在允许的范围内）。可采取下述措施抑制地面及周围环境对测试的影响：
a）选择方向图合适的辅助天线：b)排除测试区域内的有害障碍物：将照射到无法移开的障碍物上的能量改变方向或吸收（设置金属反射屏或吸波材料）：c
）采用特殊的信号处理技术（如对所需要的信号加调制标记或使用时域方法）。5.1.1.3测试距离
测试距离按公式（1）计算：
式中：
R≥ KD2
R一被测天线和辅助天线相位中心之间的水平距离，m：K—根据天线副瓣电平等性能指标及具体测试精度要求而定的系数，K≥2；D一被测天线口径（等效口径）的最大线尺寸，m；a—工作频带内最短工作波长，m。5.1.1.4被测天线和辅助天线的架设高度被测天线和辅助天线的架设高度一般应满足公式（2）或公式（3）的要求：h≥ tance
式中：
h-—被测天线和辅助天线的架设高度，m;Di -
被测天线垂直面口径尺寸，m；
BW。—辅助天线垂直面零功率点波束宽度，。工作频带内最短工作波长，m。
5.1.1.5系统框图
发射方向图和接收方向图的测试系统框图分别如图3和图4所示。如果相控阵天线发射支路中的移相器和其它元器件都是互易的，则可只测接收方向图。4
衰减器
接收机或
功率计
信号源
LEEE488
5.1.1.6测试方法
轴助天线
计算机
解调制
轴助天线
解调制
“解调制
转台及
同步系统
同步信号
计算机
发射方向图测试框图
同步信号
计算机
解调制
转台及
同步系统
接收方向图测试框图
SJ20884—2003
波控装置
计算机
信号源1
波控装置
接收机或
功率计
计算机
相控阵天线远场方向图的测试通常在水乎面和垂直面两个相互正交的主平面内进行。测试接收方向图时，首先使被测天线与辅助天线极化一致并使被测天线的电轴对准辅助天线。固定天线方位，转动天线俯仰，测试系统画出俯仰方向图。再将被测天线的电轴对准辅助天线，固定天线俯仰，转动天线方位，测试系统画出方位方向图。测试发射方向图时，被测相控阵天线发射信号，测试系统从辅助天线接收信号。使被测天线与辅助天线极化一致并使被测天线的电轴对准辅助天线。固定天线方位，转动天线俯仰，测试系统画出俯仰方向图。再将被测天线的电轴对准辅助天线，固定天线俯仰，转动天线方位，测试系统画出方位方向图。利用波控装置，完成被测天线主平面发射和接收扫描方向图的测试。5.1.2斜式远场测试
5.1.2.1几何关系Www.bzxZ.net
斜式远场测试的几何关系如图5所示。一般辅助天线架设在高处，被测天线及转台架设在地面上。转台适当倾斜，使得能切割天线主平面。5.1.2.2环境要求
同5.1.1.2。
5.1.2.3被测天线与辅助天线的斜距被测天线与辅助天线之间的斜距R应满足公式（1）的要求。5
SJ208842003
被测天线
h——被测天线相位中心高度：
H——辅助天线相位中心高度：
R被测天线与辅助天线相位中心之间的斜距：R'
被测天线与辅助天线相位中心之间的水平距离R
一被测天线与辅助天线相位中心之间的连线与水平面之间的夹角：轴助天线
一地面几何反射点A和辅助天线相位中心之间的连线与水乎面之间的夹角。图5斜式远场测试几何关系
5.1.2.4斜式远场测试反射点位置斜式远场测试时，辅助天线垂直面方向图的第一零点应指向地面几何反射点A。在点A处应铺设面积适当的吸波材料或反射屏。点A与被测天线的水平距离按公式（4）计算：BA
式中：
一地面几何反射点A与被测天线的水平距离，m；被测天线相位中心高度，m；
一被测天线与辅助天线之间的水平距离，m；辅助天线相位中心高度，m。
5.1.2.5测试系统框图
同图3和图4。
5.1.2.6测试方法
同5.1.1.6。
5.1.3近场测试
近场测试分为平面近场、柱面近场和球面近场测试。本标准适用平面近场测试。5.1.3.1环境要求
近场测试应在微波暗室进行。测试高功率发射方向图时，暗室的吸波材料和设备耐功率应符合功率容量要求，测试仪表和参试人员应有可靠的安全防护措施。5.1.3.2探头要求
近场测试时，探头应满足：
a）探头及连接装置引起的场失真应在测试精度允许的范围内；b)
探头是低散射的；
采样间隔应小于半波长。对窄波束天线，如果只要计算一个小角域内的方向图，采样间隔可以c
增大至接近半波长。对宽波束天线，取样间隔应比半波长小得多；探头到阵列单元的距离d一般为3～10个波长；d
探头在天线口径切向移动范围应满足公式（5）要求：式中：
L≥D+2dtan
L—探头在天线口径切向移动范围，m：D
被测天线口径，m；
一辅助天线口径，m；
可信角域，。
SJ20884-2003
探头对天线口径法向与切向位置误差4R.、4Rx、应分别小于天线阵面平整度的1/3，当d小f
于D/12时，△Rz△Rx分别按公式（6）和公式（7）计算：AR
式中：
一探头对天线口径法向位置误差，m：AR
d-探头与阵面之间的距离，m;
元-一工作频带内最短工作波长，m；D一一被测天线口径（等效口径）的最大几柯尺寸，m；ARr.y
探头对天线口径切向位置误差，m。5.1.3.3系统框图
接收方向图和发射方向图测试系统框图分别如图6和图7所示。信号源
采样装置
计算机一幅相接收机
测试软件
参考信号
图6近场测试接收方向图系统框图探头
采样装置
测试软件
幅相接收机
5.1.3.4测试方法
+计算机
参考信号
波控装置
波控装置
信号源及
发射组件
选通控制
近场测试发射方向图系统框图
计算机
计算机
测试接收方向图时，按图6连接设备。利用波控装置，设置天线扫描角。移动探头，采集天线口径场幅相分布，通过经确认的近一远场变换，获得天线在该扫描角的远场接收方向图及相关参数（波束指7
SJ20884—2003
向、波束宽度、副瓣电平、增益、差方向图零深、差方向图分离角、差斜率等）。测试发射方向图时，按图7连接设备。利用波控装置，设置天线扫描角。移动探头，采集天线口径场幅相分布，通过经确认的近一远场变换，获得天线在该扫描角的远场发射方向图及相关参数（波束指向、波束宽度、副瓣电平、增益等）。5.1.4缩距场测试
缩距场测试通常在微波暗室进行。被测天线安装于暗室的静区处，接收来自波源天线的平面波照射。5.1.4.1测试示意图
缩距场测试示意图如图8所示。
5.1.4.2被测天线位置
被测天线
吸波材料
图8缩距场测试示意图
被测天线放在缩距场的有效工作区内。5.1.4.3被测天线口径尺寸
被测天线口径应小于波源天线形成均匀平面波口径的三分之一5.1.4.4测试方法
同5.1.1.6。
5.2增益测试
波源天线
相控阵天线增益测试有等高架远场测试、斜式远场测试、缩距场测试和近场测试等四种方法。四种方法等同有效，应根据被测天线的工作频率、类型、尺寸以及测试设备进行具体选取，一般应选择与方向图测试相同的测试方法。
相控阵天线增益通常采用比较法在接收状态测试，即在相同测试条件下，把接收状态的被测天线与标准增益天线两者增益进行比较。标准增益天线的选用与被测天线两者的增益差应小于20dB，两者与测试传输线具有相近的阻抗匹配。5.2.1等高架远场测试
5.2.1.1几何关系
同图2。
5.2.1.2环境要求
同5.1.1.2。
5.2.1.3测试距离
同5.1.1.3。
5.2.1.4被测天线和辅助天线架设高度同5.1.1.4。
5.2.1.5测试方法
5.2.1.5.1线极化天线增益测试
a）测试框图如图9所示：
接收机
测试步骤如下：
式中：
被测天
图9线极化天线增益测试框图
按图9连接仪表、被测天线和辅助天线；辅助
■信号源
调整被测天线和辅助天线，保证两者电轴相互对准，极化取向一致；信号源输出稳定后，测出被测天线的接收功率Pr；SJ20884--2003
保持测试条件不变，用标准增益天线替换被测天线，调整标准增益天线和辅助天线，保证两者电轴相互对准，极化取向一致，测出标准增益天线接收功率Ps：重复步骤3)和4)，操作3～5次,得到算术平均值Pr和Ps：按公式（8）计算出被测天线增益：G=G,+10 lg (P/P) -(G,-L,)
被测天线增益，dB；
标准增益天线增益，dB：
被测天线接收功率算术平均值，W；-标准增益天线接收功率算术平均值，W接收通道中有源器件总增益，dB；接收通道总插损，dB。
7）若测试场地存在反射，需对P进行如下修正：将标准增益天线以原架设高度为中心，保持电轴对准辅助天线，连续改变架设高度h，记录如图10所示的接收信号。P的修正值为P按公式（9）计算：
式中：
F.—标准增益天线高度改变时，接收功率最大值的平均值，W；P.
一标准增益天线高度改变时，接收功率最小值的平均值，W。th
图10标准增益天线接收功率随架设高度变化曲线5.2.1.5.2圆极化天线增益测试
小提示：此标准内容仅展示完整标准里的部分截取内容，若需要完整标准请到上方自行免费下载完整标准文档。