阵元失效条件下的阵列天线性能测试方法

2015-03-15王茂磊肖胜红赵景斐

无线电工程 2015年8期

关键词：测试方法

王茂磊，张　达，肖胜红，赵景斐

(1.北京卫星导航中心，北京 100094；2.中科院上海天文台，上海 200030)

阵元失效条件下的阵列天线性能测试方法

王茂磊1，2，张达1，肖胜红1，赵景斐1

(1.北京卫星导航中心，北京 100094；2.中科院上海天文台，上海 200030)

摘要针对阵元失效条件下阵列天线性能测试的问题，分析了阵元失效对阵列天线方向图造成影响的机理，并给出了失效条件下方向图的仿真结果。针对阵列天线的阵列形式及系统架构，设计了一种阵元失效条件下阵列天线性能指标的测试方法，并进行了试验测试验证，试验结果表明了该方法的可行性和正确性。

关键词阵列天线；阵元失效；测试方法

Methodfor Testing Array Antenna Performance in Presence of Element Failure

WANG Mao-lei1,2,ZHANG Da1,XIAO Sheng-hong1,ZHAO Jing-fei1

(1.BeijingSatelliteNavigationCenter,Beijing100094,China;

2.ShanghaiAstronomicalObservatory,Shanghai200030,China)

AbstractThe test of array antenna performance inpresence of element failure is discussed in the paper.The the effect of element failure on array antenna beam-pattern is analyzed,and the pattern simulation results in presence of element failure are provided.A new method of array antenna performance test in presence of element failure is given based on the array shape and system structure.The method is used in an array antenna test experiment and the results prove itsfeasibility and correctness.

Key wordsarray antenna;element failure;testing method

0引言

阵列天线是由许多相同的单元天线按一定规律排列组成的天线系统，通过控制各个单元天线的幅度、相位值可以在指定的方向上形成指向性的波束，实现对各通道信号的汇聚增强[1]。阵列天线通过电子扫描的工作方式来完成波束指向的变化，具有波束灵活捷变的特点，使得其在通信、雷达和测控等领域取得了广泛的应用。常用的阵列天线有模拟相控阵天线、数字多波束天线和自适应抗干扰天线等形式。

为了提高阵列天线工作的可靠性，通常会对阵列天线的通道进行冗余备份设计，使得少量阵元通道失效情况下，阵列天线的整体性能仍能满足工作使用需求。但当失效数目超过一定数量时，将会导致系统指标严重恶化甚至降级。因此在进行阵列天线的测试验收过程中应当进行失效模式下的天线性能指标测试。这是阵列天线区别于常规天线的特别之处[2]。

目前阵列天线性能测试方法的研究主要集中在阵列天线正常工作模式下，结合工程中对阵列天线冗余能力测试评估的需求，分析了阵元失效对阵列天线性能的影响，并提出了一种针对阵列天线失效模式下的性能测试方法，该方法能够保证测试结果的遍历性，同时简化了测试过程，具有较强的工程应用价值。

1阵元失效分析

阵列天线不可避免的存在阵元失效的情况，阵元失效所造成的影响在很多方面类似于随机误差，它除了造成旁瓣抬高外，还会导致阵列天线的增益严重下降[3]。文献[4]中对阵元失效场景下的阵列天线的场强波瓣分析如下：

阵元失效可用表征阵元是否损坏的随机变量rn来描述。假定rn可取2个值：rn=1，表示阵元完好；rn=0表示阵元损坏，并设

(1)

式中，p可以理解为阵元失效概率。同时有以下公式成立：

(2)

理想和有误差的场强波瓣分别为：

(3)

(4)

式中，

u=sinθcosφ-sinθ0cosφ0；

v=sinθsinφ-sinθ0sinφ0；

Jn=In(1+δn)exp(jΨn))；

在随机相位误差、位置误差以及阵元失效并存的情况下，阵元的幅相分布可以描述为：

Jn=rnIn(1+δn)exp(jΨn)。

(5)

从而有，

(6)

(7)

需要特别指出的是，上面的近似式仅在随机幅相误差和位置误差以及失效阵元数目不多的时候才能成立[5]。

以6×6规模的矩形平面阵为例，在10%通道(4个通道)失效情况下，利用Ansoft的电磁场仿真工具HFSS对阵列的场强波瓣性能进行仿真分析，设置了4种随机失效场景，如图1所示。

图1　4种失效场景

4个选中的阵元为失效单元；4种失效场景失效前后方向图仿真结果如图2所示，其中实线表示失效前方向图，虚线表示失效后方向图。

图2　4种失效场景下场强波瓣仿真分析

仿真数据分析如表1所示。

表1　阵元失效场景下场强波瓣性能

从表1数据可以看出，在10%阵元通道(4个通道)失效情况下，归一化电平最大约下降1 dB，同理论值相当；波束的主副比和前后比略有变化：副瓣最大增高约3 dB，最大降低约2dB。阵元失效对阵列天线的场强波瓣性能造成了一定的影响，但这些变化并不影响阵列天线的正常使用[6]。

上述对阵列天线一定数目阵元失效情况下的场强波瓣性能进行了分析，而在具体工程应用中，更关心的是阵元失效对阵列天线性能指标的影响[7]。阵元失效情况下的阵列天线性能指标需要对阵列天线设置不同的失效场景，并分别在每种场景下对其性能指标进行测试评估，判断其是否满足工程应用需求。

2阵元失效条件下的性能测试方案设计

阵元失效条件下性能指标测试的主要目的是：通过对失效场景下阵列天线系统的性能指标进行测试，判断其能否满足工程使用需求，同时也对阵列天线系统的冗余备份能力进行评估[8]。

对于阵元失效条件下的阵列天线系统测试主要问题是遍历性问题，包括阵元失效模式的遍历性和指标测试的遍历性两部分。对2种遍历性做如下分析：

② 除去阵元失效组合种类之外，一套阵列天线系统有大小十几个甚至几十个指标，每种指标又有多个测试步骤和测试程序，若每种失效组合种类都测试一遍，相当于重新完成了一次测试，即使选取少数的阵元失效种类，其测试量也非常繁重。

从上述分析中可以看出，在一个规模较小的阵列条件下阵元失效模式的组合数量极大，因此如果对阵元失效模式下的阵列天线系统指标直接进行遍历性测试，测试工作量几乎不可能完成。为此需要设计有效可行的方法进行测试。

对于问题①可以先对问题做如下分析，假定50阵列规模的阵列天线失效比例是10%，即5个，对于失效数目是1、2、3、4时不做考核，而是直接考核失效数目为5个情况，将不会对测试结果产生影响。其依据是失效数目为1、2、3、4时，其失效组合已经包含在失效数目5个的组合情况中，这样就可以大幅减少测试组合种类。其次，对于失效阵元数目为5个的情况按照阵列形式进行针对性失效设计，具体做法是综合阵列天线的系统结构、天线形式和工作方式等因素，有针对性设计几种典型失效模式作为测试用失效组合，这样既能够真实地考核到各种可能的失效情况，使失效组合设计逼近于设备真实工作时的各种可能情况，又大幅度减少了失效组合种类。

对于问题②同样可以根据系统的应用场合，选择对系统应用结果有直接影响的指标进行测试。如阵列天线的EIRP指标以及与方向图有关的指标应纳入考核范围，原因如下：EIRP若产生明显降低意味着阵列天线系统发射功率的降低，会使接收端收到的信号电平降低，影响接收端的测量精度，并恶化系统指标。方向图类指标也是如此，波束宽度、旁瓣电平和指向精度等指标的变化，都会不同程度地影响系统的最终性能。测试指标的选择是根据具体的阵列天线应用特点而设定的，对于其他应用领域的阵列天线可根据自身的情况选择合适的技术指标。

通过上述分析，解决了阵元失效时的指标不可测试问题，同时又充分考虑到了各种典型的失效组合情况下的系统主要指标变化情况，以下给出工程实例来验证方案的可行性。

3失效条件下的阵列天线性能测试试验

以一套25×25规模的平面发射阵列天线为例，根据上述提出的测试方法进行失效模式下的天线性能测试试验，阵列天线布阵形式如图3所示。

图3　阵列天线布阵示意

如图3所示，阵列天线为方形平面阵列，图中的每个方格代表一个单元天线的安装位置，按照从左到右、从上到下的顺序进行编号，则所有阵元均可以二维坐标进行定位，如左上角的第一个阵元可以定位为(1，1)，依次类推。每一个单元天线下面连接一个独立的信号源，为单元天线提供激励信号。每个独立的信号源需要在配套的时频信号、监控信号、本振信号以及电源的辅助下才能正常工作，因此需要建立多种类、大规模的网络单元才能满足全阵通道的正常工作，这里采用了多级分路网络单元的设计思想。

根据阵列天线系统的系统组成和工作原理，在实际使用过程中，最有可能导致阵元失效的主要因素分为2类：① 由于为信号源提供电源和配套信号的网络分路单元故障，导致整行25个阵元同时失效；② 由于一体化发射组件在长期的高热、强电磁环境下工作时发生的故障，这类故障点较为随机。综合上述情况，设计2种基本故障模式，即整行失效和随机失效，其中整行失效时，2行为50个阵元，3行为75个阵元，此时需要将第3行中的12个阵元设置为正常工作。在测试指标选择上，鉴于该阵列天线为发射天线，因此重点关注波束性能指标、EIRP指标以及波束指向精度指标3大类。

至此，将该阵列天线在失效模式下的测试方案定义为在整行失效和随机失效两种模式下波束性能指标、EIRP指标以及天线相位中心指标失效前后的对比情况。阵元失效模式设计表如表2所示。

表2　阵元失效模式设计表

在上述2种失效模式下分别测试如下指标：① 波束性能测试；② EIRP能力测试；③ 波束指向精度测试。测试结果如表3、表4和表5所示。失效前后波束方向图如图4所示。

表3　阵元失效模式设计表

表4　阵元失效模式设计表

表5　阵元失效模式设计表

图4　失效前后的波束方向图

从测试结果可以发现，采用冗余设计思想的阵列天线系统失效模式下的性能指标同正常模式下相比并无显著下降或恶化，且满足系统的指标要求。

4结束语

提出了一种阵元失效条件下阵列天线性能指标测试的方法，并通过试验测试进行了验证。该方法根据阵列天线的布阵形式及系统架构进行了失效模式设计和测试指标选取，从种类数量复杂的失效场景中挑选几种典型代表性场景，从众多性能指标中挑选受失效影响敏感的指标，进而提炼出一种简化可实施的测试方法。试验结果证明，该测试方法具有完备性和准确性，能够通过几种针对性的失效组合反映出阵元失效条件下的天线性能，为失效模式下阵列天线的指标测试提供了可借鉴的经验，具有较强的工程应用价值。

参考文献

[1]尹继凯，蔚保国，徐文娟．数字多波束天线的校准测试方法[J].无线电工程,2012,42(2):42-45.

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[5]束咸荣，何炳发，高铁.相控阵雷达天线[M].北京：国防工业出版社,2007：331-333.

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[7]张光义，赵玉洁.相控阵雷达技术[M].北京：电子工业出版社,2006：203-204.

[8]MAXILLOUXR J.相控阵天线手册[M].南京电子技术研究所，译.北京：电子工业出版社,2007：23-24.

王茂磊男，(1979—)，工程师。主要研究方向：卫星导航。

张达女，(1980—)，工程师。主要研究方向：卫星导航。

作者简介