[发明专利]全空域有源多波束球面相控阵天线方向图测量系统

说明书

技术领域

本发明涉及一种全空域有源多波束球面相控阵天线方向图测量系统结构。

背景技术

近年来，相控阵天线作为民用和军用天线技术的一个重要发展方向备受关注。在相控阵天线中，有源多波束天线信号收发系统是指能够产生2个或2个以上的独立可控的波束,且每个波束能对准目标,独立完成对每个目标的信号发射或接收。相控阵天线波束由计算机控制，在空间几乎是无惯性扫描，具有很大的灵活性，其天线最大辐射方向随着灵活的波束扫描而发生变化；除此之外，天线的阵元排列方式、阵元间距和加权函数等因素均对相控阵天线方向图有很大影响。由于有源多波束天线系统波束作用空域很宽,要求单元天线的方向图近似全向方向图。在几百阵元拼阵条件下,阵列法线方向产生波束的半功率波束宽度亦有4～6度左右。相控阵天线的方向图由阵的结构决定，如果己知阵元结构，理论上天线方向图可以精确计算的。由于相控阵天线阵面通常由几千个阵元组成，因此计算量很大。同时，相控阵天线扫描角每变化一次就要重新解算一次增益，计算非常繁杂。通常相控阵天线的阵元结构并不一定完全已知，且工程实现也会使得方向图与理论计算值有差异，而且在实际的相控阵天线系统中，由于存在着随机的幅度与相位误差，天线阵上各单元的激励电流的幅度和相位不可能完全保持一致。引起这些随机幅相误差的原因很多，如天线单元方向图的不一致，天线单元的安装误差，天线单元的损坏，天线单元间的互耦和射频通道间的幅相误差，天线旋转半径引起的距离变化带来的空间衰减误差等。但是不管是哪种原因引起的误差，归根结底都可以幅相误差来表示。在进行波束成形时，由于这些随机误差的存在，使得阵列的输出与理想情况下存在偏差。因此需要对相控阵天线进行实际测量以确认其指标达到设计预期。

在传统测量中通过测量出天线增益及高功放馈给天线的净功率二者的乘积，而在有源多波束天线系统中，每一个天线阵列单元有一个功放组件，一定数量的收发组件组成阵列的并行通道，其阵列天线增益与等效功放输出功率不易直接测量获得。在有源多波束天线方向图的测试中，传统天线方向图测试一般采用二维的方法测量出天线方位面和俯仰面。波束方向的改变是依靠各阵元天线方向图测试方法进行方向图测试。传统方向图测试采用二维的方法测出天线方位面和俯仰面的方向图,其基本点是波束指向的法线方向与天线口面是固定不变的,波束方向的改变依靠天线机械运动来实现。由于波束天线的波束数量多、波束指向要用三维空间特征来表示，因此有源多波束天线方向图的测试要复杂的多。有源多波束天线方向图测量不同于常规无源天线方向图的测量,如果按照常规的天线方向图测试方法，只能测试其某一切割面的方向图，不能完成立体方向图的测试。有源多波束天线立体方向图测量，一般是在地面高架测试场完成有源多波束天线立体方向图测试,这不仅收发天线之间的距离要满足最小远场测试距离条件,而且需要建立高精度的三轴测试转台。

在全空域有源多波束球面相控阵测控系统中，由于设计的等效口径较大，且作用范围要覆盖到整个空域，天线的阵元数目、外型尺寸、重量必然很大。对于大型球面相控阵天线方向图测量，常规的方向图测试方法分为两类：一是在微波暗室环境,利用天线近场测量系统来测量天线近场的幅度和相位分布,由近场测试数据推算天线的远场性能完成天线方向图的测量，建设微波暗室需和天线近场方向重合；搭建近场测量系统需要很高的成本。二是在自由空间测试环境，通过远场标校塔架设辅助天线，配备三轴转台带动待测天线机械匀速转动，以机械扫描的方式获得远场方向图数据。对大型全空域有源多波束球面相控阵天线而言，采用常规的方向图测试方法会遇到以下问题：

1、在微波暗室环境的近场测量搭建测试环境成本高昂，对外型尺寸太大的天线甚至难以实现；

2、常规自由空间测试环境的远场测量方法对大型球面相控阵天线也不太适用，因为天线重量能够达到数吨，通过给天线配备三轴机械伺服转台，带动天线方位俯仰的转动实现要求很高，成本高昂。

发明内容

本发明的目的是针对上述现有大型球面相控阵天线方向图测量存在的问题，提供一种简单实用、易于实现、控制灵活，成本低、波束指向精度高,采用电扫描取代机械扫描，避免机械转动波束指向误差的全空域有源多波束球面相控阵天线方向图测量系统。