相控陣雷達天線諧波輻射發射測試技術研究

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本文提出了一種相控陣雷達天線諧波輻射發射改進型現場測試方法，並基於ITU-R SM.329-11-2011和MIL-STD-461G-2015標準，進行了天線的諧波輻射發射指標實測。結果表明：改進型現場測試方法在雷達天線有效輻射功率測定，解析度帶寬設置等方面，比基於微波暗室的測量方法，有更好的可操作性和可行性。

前 言

相控陣雷達天線能夠控制每個陣元產生電磁波的相位與幅度，以此強化電磁波在制定方向上的強度，並壓制其他方向的幅度，從而實現電磁波束的方向發生改變。相控陣天線較之傳統天線具有無機械運動、陣元數量多、快速切換、抗幹擾能力強等特點，因而相控陣天線的研究和應用越來越受到各軍事強國的重視。

相控陣天線的電性能參數主要包括：有效輻射功率、天線方向圖、電壓駐波比、增益和諧波雜散。其中，諧波雜散即諧波與亂真輻射發射測試是檢驗相控陣天線陣面性能的一個最為關鍵的參數測試。據報導，美國雷聲公司近日對即將安裝在「伯克III」驅逐艦「傑克盧卡斯」號上的SPY6（V）1型相控陣雷達完成了微波暗室內的近場測試，驗證了多個工作頻率下，天線掃描到不同角度，不同工作模式下（如窄波瓣/寬波瓣、低副瓣、和差波束、多波束等）的天線方向圖、駐波、有效輻射功率，以判斷其性能是否達標。基於微波暗室的相控陣天線球面遠場測試系統如圖1所示。

圖 3 控制、限幅、測量通道過載策略設

由於諧波發射為頻率是中心頻率發射整數倍的雜散輻射，諧波輻射發射量是相控陣天線性能的表徵參數之一，也是相控陣天線電磁兼容性特徵指標之一。因此，諧波輻射發射測試屬於相控陣天線電磁兼容性測試範疇，而相控陣天線的一般工作在C波段或者X波段，同時其物理尺寸D一般較大，根據菲涅爾-弗朗和費定理計算的遠場條件R一般大於通用的微波暗室物理長度，而相控陣雷達天線諧波輻射發射測試需要滿足遠場條件，因此，其相控陣天線陣面的諧波測試一般不在微波暗室內測試。

後文第一部分基於MIL-STD-461G-2015與GJB151B-2013標準，比較了CE106 天線埠傳導發射與RE103 天線諧波輻射發射的區別，給出了遠場條件，並首次詳細推導了相控陣雷達天線輻射發射的有效輻射功率公式，第二部分以某型相控陣雷達為例，提出了一種相控陣雷達天線諧波輻射發射改進型現場測試方法，第三部分對實測的相控陣雷達天線的諧波輻射發射量指標。最後，給出相關結論。

1.相控陣天線諧波輻射發射測試的理論基礎

1.1天線埠傳導發射與天線諧波輻射發射的區別

MIL-STD-461G-2015 Requirements for the control of electromagnetic interference characteristics of subsystems and equipments 以及GJB151B-2013《軍用設備和分系統電磁發射和敏感度要求與測量》標準，明確給出了關於發射機天線的發射測試項目，即CE106 10kHz-40GHz天線埠傳導發射與RE103 10kHz-40GHz天線諧波和亂真輸出輻射發射。其中，CE106測試項目不考慮任何與天線頻響特性相關的任何抑制，只考慮天線埠傳導直接耦合，不考慮天線系統特性的影響，適用於天線可拆卸的發射機。RE103測試項目對諧波和亂真輸出的輻射發射進行控制，包括對天線輻射特性效應的評估，適用於天線不可拆卸的發射機。相控陣雷達屬於帶有固定不可拆卸相控陣天線的發射機，因此，相控陣雷達天線諧波和亂真輸出輻射發射遵循標準中的RE103的要求。前已有述，相控陣雷達天線的RE103測試不滿足在微波暗室測量的條件，主要是遠場條件受限所致。

1.2遠場條件公式

相控陣雷達天線諧波輻射發射需要在遠場條件下進行。最小遠場測試距離按如下公式確定：

當相控陣雷達天線發射中心頻率不高於1.24GHz時，按式（1）和（2）計算並取大者；

(1)

(2)

當相控陣雷達天線發射中心頻率高於1.24GHz時，按式（3）和（4）計算。

(3)

(4)

上述各式中：

Rm--發射天線與接收天線間的距離，即最小遠場測試距離，m；

D--發射天線的最大物理尺寸，m；

d--接收天線的最大物理尺寸，m；

λ--相控陣雷達天線發射頻率的波長，m。

1.3 諧波發射抑制度公式的詳細推導

諧波發射抑制度可用來表徵相控陣雷達天線諧波輻射發射的電磁參數。從電磁兼容測試角度看，諧波抑制度可等效為實測諧波的有效輻射功率值（dBW）與實測基波有效輻射功率值（dBW）之差。由上述可知，諧波發射核心電磁參數應為發射機有效輻射功率。

發射機發射的有效輻射功率也可以表示為：

(5)

式中:

Pt--發射機輸出功率；

Gt--相控陣發射天線增益。

相控陣天線輻射場強E可表示為：

(6)

式中:

EV/m--發射機米前方距離處的電場強度；

R--發射機天線和接收天線間的距離。

(6)式用對數表示，可變成為：

(7)

即為：

(8)

另一方面，從場強測量的角度來講，發射機R米前方距離處的電場強度EdBμv/m還可表示為：

(9)

(10)

式中:

Vr,dBμV--測量接收機埠電壓讀數值，

AFr,dB/m--接收天線的天線係數，

Lloss,dB--接收測試迴路的線纜損耗，

Pr,dBm--測量接收機功率讀數值。

聯立公式（5）（8）（9）（10），可得：

(11)

(12)

(13)

式中:

HSdB--諧波發射抑制度。

2.相控陣雷達天線諧波輻射發射改進型現場測試方法

傳統微波暗室測量方法由於遠場條件受限，不能滿足相控陣雷達天線的天線諧波輻射發射測量的需求。本文提出了一種改進型諧波輻射發射測試方法，如圖2所示。圖中，待測相控陣天線陣面安裝在外部聯調現場或開闊場中，已知性能參數的EMC接收天線組件（包括10kHz-30MHz單極振子天線、30MHz-200MHz雙錐天線、200MHz-1GHz對數周期天線、1GHz-18GHz雙脊喇叭天線、18GHz-40GHz角錐喇叭）與待測天線等高架設。兩天線分別由儘可能短的高性能射頻屏蔽線纜與發射機和EMI測量接收機可靠互聯。EMI接收機與自動控制系統放置在屏蔽室1中，待測相控陣天線的發射機放置在屏蔽室2中。

圖2 改進型相控陣天線諧波輻射發射測試

傳統方法對被測天線的物理尺寸和工作頻段要求不高，但是測試空間內本底電磁環境較好，但較難獲取理想的諧波發射抑制度，而改進型測量方法對被測天線的物理尺寸和工作頻段沒有特殊限制，且較易於滿足遠場測試條件，在較小的解析度帶寬條件下，即可獲取較理想的諧波發射抑制度。

MIL-STD-461G-2015以及ITU SM.329-2011中規定的雜散域無用信號暗室測試方法中包含信號功率90%的推薦的必要帶寬為：10MHz-30MHz頻段的帶寬為10kHz,30MHz-1GHz頻段的帶寬為100kHz,1GHz-40GHz頻段的帶寬為1MHz。在實際開闊場測試中，較高帶寬會導致測試不準確，基波與諧波會被本底信號淹沒，因此本文推薦全頻段測試的必要帶寬為50kHz或更低。在實際開闊場測試過程中，應先對空間損耗和天線增益進行修正，並且需要在相控陣天線方向圖的方位角和仰角上對諧波發射進行搜索，以測量最大的諧波信號電平值。

3.案例分析

本文以某型相控陣雷達天線為例，其天線基本參數如下：天線陣面最大物理尺寸D為150cm,發射信號中心頻率F為8.8GHz,對應工作波長為3.41cm,接收用的雙脊喇叭天線為最大物理尺寸d為24.2cm。由公式(4)計算的最小遠場測試距離R為88.99m,本次諧波輻射發射測試實際選擇遠場測試具體為100m。

(a)垂直極化,1GHz-18GHz

(b)垂直極化,18GHz-26.5GHz

圖3 相控陣天線諧波輻射發射測量曲線（F=8.8GHz，RBW=50kHz）

圖3所示為基於改進型現場測試方法測試的相控陣天線諧波輻射發射測量曲線。圖中分析可知，最小解析度帶寬設置為50kHz，基波、二次諧波和三次諧波接收機實測讀數分別為3.93dBm、-71.06dBm和-82.44dBm。校準的接收天線因子在基波和二、三次諧波處分別為37.1 dB(1/m)、46.3dB(1/m)、39.5 dB(1/m)，由公式（12）和公式（13）計算的相控陣諧波抑制度，如表1所示。

表1 相控陣天線諧波發射抑制測量數據一

結果分析可知，10kHz-40GHz頻段內，該型相控陣雷達天線的諧波輻射發射二次諧波抑制度約為65dB，三次及高次諧波抑制度高於80dB。側面也驗證了改進型諧波輻射發射抑制測試方法具有較好的工程可操作性與可行性。

4 結論與建議

本文提出了一種基於開闊場的相控陣雷達天線諧波輻射發射改進型測試方法，構建了相控陣雷達天線諧波測試系統，並以某型相控陣雷達天線諧波輻射發射測試為例，驗證了該方法在雷達天線有效輻射功率測定，解析度帶寬設置等諧波輻射發射測試細節等方面，具有較強的工程可行性。

本文節選自2020年《環境技術》第4期

文章：相控陣雷達天線諧波輻射發射測試技術研究
作者：周海軍1，石昕陽2
單位：1.海裝裝備技術合作中心；2.武漢船舶通信研究所

專家簡介：周海軍，男，工程師，研究方向:動力機械及工程、電磁兼容、裝備保障。

@《環境技術》中國科技核心期刊