季一钧，邹 慧，朱玉权

(中国船舶重工集团公司第七二三研究所，江苏 扬州 225101)

0 引 言

随着电子技术的飞速发展，现代电子战设备以及战术体系逐渐趋于高集成度、数字化形式。阵列天线作为一种电扫描天线(ESA)，相比于传统的机械扫描天线，可灵活改变各通道单元的幅度、相位来实现波束赋形，具有扫描速度快、目标数据率高、多目标跟踪能力强等优点，满足了现代电子战通用性、一体化、综合化的设计理念[1-2]。

阵列天线的多通道、数字化等特点在提供设计便利性的同时，也对其测试方法以及使用条件提出了更严格的限定。内场测试环境往往会受到场地以及设施的影响，不可避免地带来测量误差。

本文通过对比阵列单元数、口径大小以及测试距离之间的关系，分析了远场条件的选取对通道测试中单元采样数据的幅相影响情况以及方向图的增益、副瓣、主波束指向的影响情况。

1 远场条件分析及对单元通道数据的影响

阵列天线的核心为前端收发(TR)组件，全数字阵列天线的每个通道都对应一个TR组件。为确保每个通道的一致性，避免由于通道的幅相差异导致方向图的畸变，首先要对阵列的各个通道进行校准。目前，主流的通道校准方式包括近场校准测试、远场校准测试。对于近场校准测试，则需要1套完整的近场测试系统，主要是通过使用测试探头在距离天线单元3～5个波长距离上对通道进行幅相采集，并将数据制作成校准表，当阵列工作时可下发给波束控制系统，从而抵消通道误差。而远场测试则相对容易实现，即通过采集远端辐射天线的信号，将各单元的数据对比参考通道，制作成校准表。近场测试由于受测试环境影响小，具有更高的测试精度，但昂贵的购置成本也在一定程度上限制了此方法的广泛推广。当采用远场校准方式时，为了避免不必要的反射以及外界干扰信号对测试结果的影响，微波暗室是一个良好的选择。

对于天线单元，其辐射场在近区主要以倏逝波的形式存在，随着距离的增加，传播场占据主要部分。以偶极子天线为例，其远场条件为kr≥5(其中k为对应测试频率点的波数，r为测试距离)[3]。

对于阵列天线这样的口径天线，为了满足远场近似平面波的条件，普遍采用的远场最小测试距离为[4]：

(1)

式中：D为待测天线最大尺寸；λ为天线工作波长。

由公式(1)容易看出：阵列天线的远场距离大于单元天线的最小远场距离，因此，阵列天线远场条件一旦满足，则单元天线的远场条件也能满足；且最小作用距离随阵列口径的增加呈二次方增加。

天线增益可表示为[4]：

(2)

式中：A为天线口径的有效面积，其值正比于天线的最大口径D2。

因此，为了获得更高的天线增益，必须增加天线口径，同时也不可避免地增加远场最小测试距离。以10 GHz中心频率为例，其1 m口径的阵列天线，最小远场距离达到了67 m。因此，常规微波暗室很难满足此条件。

图1 阵列天线工作的拓扑结构

以一维阵列为例，并在阵列中心建立直角坐标系，则各个单元对应的方向图表示为：

An=cos2θn

(3)

图2 天线单元幅度差随的变化关系

(4)

图3 天线单元相位差随的变化关系

由上分析，若远场条件无法严格满足，则需要对通道校准数据进行准远场条件误差校正。

2 远场条件选取对阵列方向图的影响

为了验证阵列天线或者相控阵电子战设备的作战性能，首先需要在内场按照作战工作模式对天线方向图进行测试。

对于全阵工作状态，方位(俯仰)方向图可由如下公式表示：

(5)

式中：θc为波控指向。

图4 远场方向图随的变化关系

相控阵列的操作灵活性使得电子战设备能够按照指令进行分子阵独立工作，从而在保证设备性能的同时大大提高了工作数据率。对于左右均匀分阵的情况，波束控制取0°时，各子阵方向图由图5所示。

图5 分子阵远场方向图随的变化关系

图6 分子阵左右波束指向偏差

3 结束语

本文以一维阵列为例，分析了远场条件的选取对通道测试中单元数据的幅相影响情况以及方向图的形状、指向的影响情况。理想条件下假定测试距离无穷远，但实际情况会受到测试内场条件的限值。

本文通过定量分析，推导了各通道数据的幅相误差计算公式，并给出了幅相误差随远场条件变化的曲线图，可用于相控阵天线远场通道校准的幅相补偿；推导了有限远情况下的远场方向图，并分析了远场条件的选取对方向图主、副瓣的影响；分子阵工作情况下波束指向畸变情况也进行了具体讨论。不合适的远场条件将会使得方向图增益下降，副瓣抬高，子阵指向畸变严重。对应于电子战设备的作战性能测试：阵列天线增益下降使得电子支援(ESM)灵敏度下降、电子干扰(ECM)的有效辐射功率下降；阵列天线副瓣抬高使得侦察目标增批严重；子阵指向畸变使得多目标跟踪转干扰效能下降。