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相控阵天线有源驻波测试

2022-10-26 来源：微波射频网作者：中星联华科技字号：大中小

摘要：天线在实际工作时，除了辐射信号，由于自身的原因会在其端口存在驻波，而相控阵天线的天线单元间还存在互耦效应，使得天线的驻波增大，会对发射机功放组件造成一定损坏。因此在设计相控阵天线时，必须考虑此驻波及其影响。针对相控阵天线有源驻波测试的需求，提出利用多通道相参信号源模拟相控阵实际扫描状态，从而进行相控阵辐射状态下的有源驻波测试。

关键词：相控阵天线，多通道信号源，有源驻波

Abstract: Antenna has standing wave when radiating signals, and there is mutual coupling between units of phased-array antenna, which increased the standing wave and does great harm to the power amplifiers of the transmitter. Therefore, the effects of standing wave need to be taken into consideration when designing a phased-array antenna. According to the requirements of active VSWR test of phased array antenna, a multi-channel coherent signal source is proposed to simulate the actual scanning state of phased array antenna to test the active VSWR under the radiation state of phased array.

Keywords: Phased-Array Antenna, Multi-channel Signal Generator, Active VSWR

1 引言

相控阵天线处于工作状态（发射或者接收）时，天线单元之间存在一定的电磁能量耦合，即互耦效应。互耦效应的存在改变了天线单元的阻抗特性，影响了阵列天线的波束形状和增益。互耦效应引起天线单元失配，从而产生的驻波在降低了天线辐射功率的同时却增加了T/R设备组件的承受功率，对T/R组件的安全性也是一大隐患。

因此，相控阵天线的有源驻波参数是相控阵天线性能的一个关键指标。考虑到阵列天线的多样性和缺乏统一有效的理论模型，想通过理论精确计算得到有源驻波参数非常困难。传统的测试系统又不具备多通道有源驻波测试能力，本文建议的相控阵天线有源驻波测试，利用多路相参信号源的幅度相位变化，重现相控阵天线扫描时的实际工作状态，通过计算机控制完成对相控阵天线有源驻波参数的快速准确测量。

2 有源驻波概念

互耦效应引起的有源驻波参数可以采用单元间耦合系数的散射矩阵法进行分析，它对任何形式的阵列单元结构都适用。具有n个阵元的阵列可以看成是n端口网络，设n个端口上进波和出波分别为a1,a2,…,an 和b1,b2,…,bn ，它们之间的散射关系可表示为

（1）

Sij就表示第i单元和第j单元之间的耦合系数，该方程全面考虑了n个进波对n个出波的所有可能的影响，具有一般性。

若用矩阵方式，方程（1）可写为

b=Sa（2）

式中a=[a1a2…an]T表示进波矩阵，b=[b1b2…bn]T 表示出波矩阵，S是散射矩阵（或S矩阵）。存在互耦效应时，在有源S参数矩阵里，第i单元的反射系数Ri定义为为阵列中所有单元在第i单元上的总出波除以第i单元的进波，因此，有

（3）

第i单元的驻波比由下式给出

（4）

表达式（4）给出了第i个单元的有源驻波参数（i=1,2,…n）。阵列天线中单元的阻抗包括自阻抗和互阻抗，表达式（3）中当j=i 时，反映了单元的自阻抗特性，时，反映了单元的互阻抗性能，即互耦效应引起的单元反射量的大小。如果没有互耦效应，Ri仅表示自阻抗，方程（4）的驻波比也仅表示无源状态下的阵列天线单元的驻波性能。

3 测试系统实现