天線波束角測量誤差分析-多普勒雷達(dá)天線波束角測量誤差分析課件

天線測量誤差分析

——多普勒雷達(dá)天線波束角測量誤差分析引言

要確定天線的實際性能，例如增益、方向圖、極化、頻帶寬度等，精確的測量是必不可少的。天線在不同的應(yīng)用場合各有其嚴(yán)格的指標(biāo)要求。例如，多普勒導(dǎo)航雷達(dá)的天線，需要精確測量天線波束在以天線相位中心為原點的坐標(biāo)軸內(nèi)的指向角。主要內(nèi)容天線遠(yuǎn)場測量天線近場測量多普勒導(dǎo)航雷達(dá)天線波束指向角測量誤差分析天線輻射場區(qū)劃分

在緊鄰天線的空間，坡印亭矢量是虛數(shù)，電場或磁場同距離的高次冪成反比，隨著離開天線距離的增加迅速減小，稱此區(qū)域為電抗近場區(qū)。越過電抗區(qū)就到了輻射場區(qū)，此時坡印亭矢量是實數(shù)且場隨距離成反比，按離開天線距離的遠(yuǎn)近又把輻射場區(qū)分為輻射近場區(qū)或菲涅爾區(qū)，以及輻射遠(yuǎn)場區(qū)或夫瑯和費(fèi)區(qū)。天線遠(yuǎn)場測量

天線遠(yuǎn)場測量是在滿足遠(yuǎn)場條件下，借助輔助天線根據(jù)天線互易定理測量待測天線的電性能參數(shù)的方法，在大多數(shù)場合下，待測天線工作在接收狀態(tài)，遠(yuǎn)場測量可以在室外進(jìn)行，也可以在室內(nèi)。室外測試場為避免地面反射波的影響，把收發(fā)天線架設(shè)在水泥塔或相鄰高大建筑物的頂上，主要分為：零點偏離地面的高架測試場、零點指向地面的高架測試場和斜天線測試場。室內(nèi)測試場在無反射室內(nèi)工作——微波暗室，它是以吸波材料作襯里的房間，能吸收入射到六個壁上的大部分電磁能量，較好地模擬自由空間測試條件。室內(nèi)測試場又分為：室內(nèi)遠(yuǎn)場和緊縮場。室外測試場

零點偏離地面的高架測試場

采用銳方向的發(fā)射天線，使方向圖的第一零點剛好指向待測天線塔的底部，待測天線的架高至少為其直徑D的5倍，hr≥5D。室外測試場

零點指向地面的高架測試場

采用銳方向發(fā)射天線，使方向圖的第一個零點指向地面反射點，此時hr≥3.3D。室外測試場

斜天線測試場

斜天線測試場就是收發(fā)天線架設(shè)高度不等的一種測試場。通常把待測天線架設(shè)在比較高的塔上，且作接收使用，把輔助發(fā)射天線靠近地面架設(shè)，由于發(fā)射天線相對待測天線有一定仰角，適當(dāng)調(diào)整它的高度，使自由空間方向圖的最大輻射方向?qū)?zhǔn)待測天線口面中心，零輻射方向?qū)?zhǔn)地面，就能有效抑制地面反射。天線遠(yuǎn)場測量

室內(nèi)測試場

相對于室外測試場，室內(nèi)遠(yuǎn)場具有全天候、保密、對昂貴待測系統(tǒng)起到保護(hù)作用以及能夠避免外界電磁干擾等眾多優(yōu)勢。國內(nèi)許多高校、研究所、天線公司都配備有高精度的暗室測量系統(tǒng)。緊縮場室內(nèi)遠(yuǎn)場測試需要很大的空間，如果采用射線光學(xué)原理，就可以在較小空間產(chǎn)生理想的平面波照射，根據(jù)這個原理，緊縮場應(yīng)運(yùn)而生。大多數(shù)緊縮場天線由一架或多架反射鏡組成，測試場通常設(shè)置在暗室內(nèi)，但特別大的緊縮場天線也會被置于室外，如射電望遠(yuǎn)鏡。天線遠(yuǎn)場測量天線近場測量

近場測量是在小于最小遠(yuǎn)區(qū)距離內(nèi)，求得天線遠(yuǎn)場特性的測量。其不需要龐大的室外、室內(nèi)測試場，具有測試精度高、可全天候工作以及一次測量可得到全部遠(yuǎn)場信息等一系列優(yōu)點，一直是天線測量領(lǐng)域研究的重點課題。近場測量包括場源分布法、縮距法、聚焦法、外推法和近場掃描法，目前最常用的是近場掃描法。

天線近場測量

近場掃描法是在離開被測天線3一10入距離上，用一個電特性已知的探頭在被測天線近區(qū)某一平面或曲面上掃描抽樣(按照取樣定理進(jìn)行抽樣)電磁場的幅度和相位數(shù)據(jù)，再經(jīng)過嚴(yán)格的數(shù)學(xué)變換(快速傅立葉變換)計算出被測天線遠(yuǎn)場區(qū)的電特性。若被測體是輻射體(通常是天線)，則稱之為輻射近場測量，當(dāng)被測體是散射體時，則稱之為散射近場測量。根據(jù)取樣表面的不同，可分為平面掃描技術(shù)，柱面掃描技術(shù)和球面掃描技術(shù)。天線近場測量多普勒導(dǎo)航雷達(dá)簡介

測速原理以多普勒效應(yīng)為基礎(chǔ)，基于測量雷達(dá)輻射的電磁波與回波之間的頻率差異來得到速度信息，頻率上的差異即多普勒頻率偏移。當(dāng)雷達(dá)參數(shù)確定之后，多普勒頻率fd僅僅與雷達(dá)載體相對于地面的運(yùn)動速度有關(guān)。通過三波束天線測量得到的雷達(dá)載體速度矢量的各個分量（即沿著航向的縱向速度、與航向垂直的橫向速度和垂直速度）供導(dǎo)航使用。

天線波束具有一定寬度，因此，從地面返回的回波有一定的頻譜寬度，由于多普勒效應(yīng)，中心頻率相對發(fā)射頻率有一個偏移，偏移量fd與速度在信號輻射方向上的投影成正比

式中：V—地速矢量

λ—發(fā)射信號波長

γ—波束中心線與地速矢量之間的夾角多普勒雷達(dá)天線為固定多波束斜指向波導(dǎo)縫隙陣，采用三個波束Y型配置，能連續(xù)測量三個波束的多普勒頻移fd1、fd2、fd3

多普勒雷達(dá)波束配置圖

坐標(biāo)軸各方向上的速度矢量可按下列公式計算：γ---波束中心線與X軸的夾角δ---波束中心線在YOZ平面的投影與Y軸夾角φ---波束中心線與Z軸的夾角PL---偏流角

由于多普勒頻移的解算與天線波束指向角密切相關(guān)，而測速精度又與多普勒頻移測量密切相關(guān)，因此精確測量多普勒雷達(dá)天線的波束指向角極其關(guān)鍵。波束指向角高精度測量要求±0.03°。以下從遠(yuǎn)場測量、近場測量兩個方面進(jìn)行波束角測量誤差分析。

遠(yuǎn)場測量法天線安裝及測量示意圖測試工裝誤差，天線安裝在測試工裝并固定于轉(zhuǎn)臺，主要有以下幾點誤差：

1）天線口徑面與轉(zhuǎn)臺垂直誤差為±0.05°2)天線的方位面中心線與轉(zhuǎn)臺平面平行度為0.053）天線與工裝的安裝定位誤差測試轉(zhuǎn)臺精度

以色列ORBIT公司AL-4270-1型轉(zhuǎn)臺，在方位和俯仰面的同步性精度為0.03°，最大回差0.06，轉(zhuǎn)臺平行度為0.05。雙軸對準(zhǔn)誤差遠(yuǎn)場測量時，轉(zhuǎn)臺的方位面轉(zhuǎn)軸與發(fā)射天線相位中心軸的對準(zhǔn)存在隨機(jī)誤差。

歸納起來，方向圖角度測量誤差概括為：角度測量裝置產(chǎn)生的角度誤差?θ1，功率測量不精確產(chǎn)生的角度誤差?θ2，待測天線相位中心與轉(zhuǎn)臺轉(zhuǎn)軸產(chǎn)生的角度誤差?θ3

由于?θ1，?θ2是隨機(jī)且相互獨立的，?θ3是系統(tǒng)誤差，總誤差角可表示為近場掃描法示意圖這種測量技術(shù)的主要優(yōu)點：

1）測量在待測天線的近場進(jìn)行，沒有遠(yuǎn)場距離、轉(zhuǎn)臺精度等要求；

2）考慮了探頭對待測天線的天線輻射的場影響；

3）根據(jù)測量可以計算天線完整的空間方向圖；

4）一種有用的診斷工具，逆推口徑場分布，容易找出陣列中有缺陷的單元；

5）只要仔細(xì)測量，可以準(zhǔn)確的確定超低旁瓣（-55dB）天線的遠(yuǎn)場波瓣圖。近場掃描的步驟：

1）對探頭特性進(jìn)行校準(zhǔn)，即測出探頭的方向圖并對算法進(jìn)行補(bǔ)償；

2）確定天線的架設(shè)高度，掃描探頭作為接收，被測天線作為發(fā)射，確定收發(fā)之間的距離，將探頭對準(zhǔn)被測天線的幾何中心；

3）在待測天線近區(qū)某一選定表面上，用探頭兩種獨立的取向（如相互正交的兩種取向）以合適的抽樣間隔抽樣測量各個網(wǎng)格位置的場的幅度、相位分布；

4）用快速傅里葉變換（FFT）完成天線遠(yuǎn)場方向圖計算。近場掃描法采用光學(xué)校準(zhǔn)系統(tǒng)將待測天線的電軸坐標(biāo)系與掃描平面坐標(biāo)系校準(zhǔn)，這樣可較精確測得多波束斜指向天線的各波束相對于天線電軸的偏角。測試數(shù)據(jù)進(jìn)行后處理，近場測量系統(tǒng)中接收機(jī)的靈敏度為±0.15dB，即增益最大值及對應(yīng)角度的測量存在一定誤差。此外，天線歸一化增益方向圖主瓣不完全對稱，增益最大值通常不在主瓣的能量中心。因此，需要對數(shù)據(jù)進(jìn)行后處理，以確定天線增益方向圖的能量中心及對應(yīng)角度，以此作為天線的波束指向角。天