1 引言
随着现代空间技术的发展,对天线的尺寸要求越来越大,现有的仿真计算手段可以很容易地计算出其理论的电性能,但是如何测出这种天线的实际方向图和电性能参数,是当前天线测量的一个难题。传统的天线方向图测量方法有远场测量方法和近场测量方法。
对于远场测试而言,对于较大口径的天线,测量其天线特性有许多困难:首先需要较大的测试场地:按照远场测试条件(R=2D²/λ,D为天线直径,λ为波长),测试场地需要使发射和接收天线之间的距离达千米甚至几千米;其次,在外场测试还存在运输、安装及环境影响等方面的困难,最后,对于非笔形波束天线,需要在测试过程中改变天线的姿态,并需要承载性能好的三维转台;另外,对于容易变形的天线,还需要确保天线姿态改变过程中安全的保型结构工装。这将导致天线测试成本高昂、测试时间较长,并存在一定的安全风险。
用近场测量来解决这些大型天线的测试,就具有重要的现实意义。随着科学技术水平的不断发展,世界各地相继建立了大小不同、形式各异的天线近场测量系统,在各种近场扫描技术中,平面近场测量受到重视。据悉,目前绝大部分的平面近场都是单探头型,测试速度慢。然而,对于尺寸较大的天线,一方面现有的垂直扫描高度不能满足其采样范围需求,另一方面,按照Nyquest采样定理进行扫描测试一次时间太长且工作量太大。法国的Satimo公司,研制成功一种多探头的近场测量系统,西安海天天线公司对引进的SG128球面近场多探头测试系统进行了创新改造工作,这种系统测试速度比传统的二维远场测试法速度提高约40倍,但是这种测试系统适应于小型宽波束天线系统测试;另外,这一测试系统的软件和硬件与平面近场扫描系统有根本的区别,且轴向尼龙推力轴承承载的重量有限,不能承载重量达到吨级的天线。
如何利用现有的暗室和平面近场测试系统,采用较低的成本、精确、快速、高效的方法,完成一些特定天线的测试,是当前的一个重要的研究方向。为此,我们开展了多探头多区域测试方法探讨。
2 多探头多区域测试方法介绍
现有的近场测试系统见图1,习惯上平面近场测量用矩形网格进行采样。本文的多探头多区域就是在此基础上,对图1中的扫描架(承载探头)部分进行局部改造实现的。所谓多探头,就是在原来单探头的基础上,增加探头的数量,使得天线测试过程中可以通过微波开关的控制,将单个探头的任务分配给多个探头与扫描架的运行同步完成,从而提高测试效率,有效地缩短测试周期。所谓多区域,就现有的平面近场测试系统而言,可以根据被测天线的扫描范围需求,将扫描平面在水平和\或垂直方向上进行区域分割(或扩展后再分割),不同的区域由不同的探头进行扫描,这些探头通过结构过渡件安装在扫描架上,并且通过伺服机构的控制实现同步采样。各个探头在不同区域的采样数据经过误差分析与数据处理后,进行拼接成为一个完整的同一平面上的二维采样数据,然后根据近场推远场波瓣的公式推算出天线的远场波瓣性能。
图1 近场测试系统
2.1双探头双区域测试
为了实现对较大口径反射面天线的二维方向图的测试,充分利用现有的暗室顶空资源,确保天线垂直向较高的测试范围,并提高测试效率,开展了双探头双区域测试。下面给出该测试方法的介绍。
采用现有的单扫描架,通过对扫描架安装探头的部分进行局部改造,设计加工一个安装双探头的结构过渡件,可以实现双探头双区域测试。该测试方法是通过将两个电性能一致的探头装在过渡件的上下两端,探头后面接幅相一致性良好且稳幅稳相的电缆(幅相一致性要求与被测天线的频段有关),从而构成两个采样性能一致性良好的采样通道;探头之间的距离Dy或D为垂直采样间距的整数倍;结构过渡件的机械尺寸和稳定及形变参数满足电性能要求,以确保两个探头在扫描运行过程中采样点为同一平面上矩形网格点。两个探头与扫描架同步运行,在伺服机构的控制和驱动下,分别完成各自运行区域的采样。然后对采样得到的两组数据进行误差补偿与数据处理,然后拼接成同一扫描平面上的近场采样数据,最后根据近场推远场的公式计算得到远场波瓣图及电性能参数。
图2 单扫描架双探头垂直双区域示意图
图3 单扫描架多探头多区域示意图
常用双探头垂直双区域的测试方法有两种,具体示例见图2和3。图2的双探头双区域测试可以充分利用现有的暗室扫描架顶部的空间,拓展垂直面扫描区域,从而满足垂直面扫描范围大于现有垂直扫描范围的需求,具体可以扩展的空间大小,取决于暗室的高度和安装探头的结构过渡件的尺寸,这种情况下的结构过渡件尺寸较大,需要优化设计结构过渡件,以确保其结构参数性能满足测试过程中采样点的位置要求。图3的双探头双区域测试可以充分将需要扫描的空间分成高度相等的上下两部分区域,分别由两个探头进行同步采样完成,这种情况的结构过渡件的尺寸明显小于图2情况,其设计和结构性能容易控制和实现。该方法可以将采样时间缩短一半。从而提高一倍的测试效率。
该方法也可以扩展至双探头水平双区域测试。
2.2多探头多区域测试
借鉴双探头双区域方法的原理,可以将整个扫描空域分为采样面积相等的左、右、上、下四个区域,分别由四个探头分别承担采样任务,最后将采样数据进行误差分析和数据处理,并将四组采样数据拼接成同一扫描平面上的近场采样数据,根据近场推远场的公式计算得到远场波瓣图及电性能参数。但是四区域四探头的结构过渡件的复杂度大大提高,对其结构精度和结构稳定性等要求也有所提高,其成本相对双区域双探头测试法有所提高;但这种测试方法明显可以节省四分之三的测试时间。从理论上,更多探头和更多区域的测试方法,也可以进行拓展。
3 实例
下面给出一个赋形反射面天线的双区域双探头测试实例。
3.1测试范围需求分析
为了保证采样数据的完整性,测出天线的实际方向图和电性能参数,需要首先确定天线的采样范围。通常,对于一维平面扫描的情况,参见图4(a),近场测量的取样面的尺寸L与口径面尺寸D的关系如下(d为取样平面到被测天线口面的距离):
公式1 近场测量的取样面的尺寸L与口径面尺寸D的关系
通常工程上要求与幅度方向图副瓣电平误差≤0.5dB,在此条件下,取样面的尺寸可按公式2选取。式中,X|E=40dB为低于取样面中心场强40dB处的位置坐标。
公式2 取样面尺寸的计算公式
根据上述理论公式分析,对于被测天线为扇形波束情况,垂直面采样范围不低于21米。但是该被测天线不是简单的扇形波束,而是俯仰面40°范围内的赋形;另外,现有的微波暗室可用净高为15米左右(水平尺寸可以满足被测天线需求)。针对现有的测试条件和被测天线需求,确定具体的测试范围(即图4(b)中的AA’和BB’),以确保测试数据的有效性,这是测试工作的首要前提。
图4 被测天线采样范围图示
为此对天线取样范围采用进行了理论分析,下图给出了采样范围的变化与天线波瓣形状的对比,根据下图可以进行测试有效范围的分析和确定,并预测出测试范围对天线波瓣性能的影响。由下图可以看出:垂直面采样范围在15米左右时,实测数据的有效俯仰面范围为-5°~38°。
图5 被测天线垂直采样范围与波瓣性能对比图示
3.2测试示例
本例是对被测赋形天线进行双区域双探头测试,见下图所示。具体方法是通过对现有暗室的扫描架局部改造,有效利用了扫描架上方的7.8米的空间,实现了垂直面扫描15.18米的范围;基本满足了天线对俯仰面测试范围的需求(见3.1节);再将两个区域的数据(计入幅相补偿误差)进行拼接;最后,将拼接后的近场测试数据推算并分析天线的远场波瓣。
图6 单扫描架双探头垂直双区域测试实例及系统框图
3.3实测结果及分析
实测结果见下图。需要说明的是:采用FEKO6.2进行理论仿真时,未计入实际加工公差和暗室中被测天线左右两侧其它产品的结构件影响,这些因素对方位面波瓣影响较大,尤其会引起方位副瓣区域的起伏,而这些因素对天线俯仰面波瓣影响较小。因此,图7中方位面实测波瓣与FEKO仿真结果有所出入;而在俯仰面测试有效范围内,俯仰面波瓣实测值和理论仿真值基本吻合。对比结果表明:该天线测试数据有效。该技术可推广用于相同测试需求的天线测试。
图7 天线方位面和俯仰面波瓣实测值与理论值对比
4 结论与展望
多区域多探头测试方法是在现有的暗室资源的基础上,主要通过对扫描架和探头部分进行改造实现的。该方法改造成本较低,可以降低测试时间,并可以拓展测试的空间区域,有效地解决有较大测试范围需求的天线测试问题。因此,开展多探头双区域测试方法的研究和搭建将具有重要的科研和工程价值。
然而,近场测量系统是个复杂的系统,对单探头天线测量有影响的误差源有18项之多。对于多区域多探头测试方法,存在的误差更多。如何对被测天线采样平面的近场信息进行正确的计算仿真,合理的给出最小的有效测试范围,是实现低成本、高效率测试并确保测试有效的首要之冲;另外,如何对多探头通道的误差(幅相误差、探头一致性误差、采样位置误差)进行仿真评估,最终在数据处理时进行合理补偿,是一个需要深入研究的问题。这些问题的研究和开展,有助推动天线测试技术的发展,在工程上具有降本增效的重要意义。
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本文标题:多探头多区域测试与CAE仿真方法探讨