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用于商用飞机雷达天线罩测试的球形近场测试系统

Kefeng Liu，ETS-Lindgren公司；Anbang Liu，南京曼杰科公司；Dennis Lewis，波音公司

商用飞机防风雨雷达天线罩的认证及天线罩修理后的重新认证，若根据最新版RTCA DO213A-Change 1A标准进行天线方向图测试，往往耗时较长。过去研发的远场、紧缩场和近场(NF)三种测试系统虽能满足基本要求^1-3，但部分系统需升级改造才能符合最新RTCA DO213A-Change 1A标准——特别是近场测试方法中λ/4偏移的要求。本文介绍了一种独特的、完全符合标准的球形近场(SNF)测试系统，在满足精度要求的同时保持了测试效率。

设计考虑

SNF测试方法是根据本项目所需的被测天线（AUT）体积和可用测试空间而选择的。然而，由于根据奈奎斯特采样定理在NF扫描面上所需的测试点数量大，SNF方法耗时较长：

测试系统还必须适应三种不同尺寸的商用飞机雷达罩，并适应9.333和9.345GHz的测试频率。最大的天线罩需要2.2米的D_min来适应。当选择9.5GHz来计算采样点时，需要ΔΦ=Δθ=0.8度的角度采样增量作为扫描采样区域的公分母。如果采用SNF测试方法扫描整个4π实角，则总共需要测试202500个测试点，耗时过长。我们考虑了测试子系统的设计参数，以消除多余的方向图测试，从而实现最佳性能。此外，还利用AUT特性来缩短测试时间。

测试距离

在选择测试距离时，要考虑在X波段频率范围内可行的2λ加上所需的λ/4偏移的最小间隔。探头天线应始终避开最大的天线罩，并增加测试距离，以满足最小间距的要求。本测试系统设计的主要目的是最大限度地增加测试长度，将探头与AUT的耦合误差减小到可忽略不计的程度，这样就可以证明不需要λ/4偏移，从而节省测试时间。因此，选择了2.5米的标称测试距离。

暗室

电波暗室的屏蔽间尺寸为6.5（长）×6.5（宽）×6.1米（高），用于安装SNF测试系统和AUT定位器。暗室经过微波吸收器处理，在测试范围中心直径2.5米的静区内，地板反射噪声小于-50dB。使用单轨吊系统可方便地将天线罩放置在定位器上。

AUT定位器

在设计AUT定位器子系统时，如图1所示，要考虑使SNF系统扫描区域和平板天线在整个测试序列中保持固定。因此，雷达罩和平板天线之间相对角度的变化是通过改变雷达罩的方向而不是平板天线的方向来实现的。该定位子系统由以下七个运动轴组成：

1、方位定位器1，SNF方位扫描轴（±180度）

2、方位角定位器2，天线罩方位角α轴（±100度）

3、仰角定位器，雷达罩EL ε轴（±30度）

4、雷达罩滚动定位器，雷达罩γ轴（±30度）

5、天线罩纵向线性定位器（0至500毫米）

6、平板天线方位超距锁定器

7、平板天线方位角超量程反作用装置

轴(6)和(7)是补偿轴，允许天线罩移动到极端方位角，同时允许平板天线保持在其原始中心位置。

图1：AUT和探头定位器子系统。

12通道探头子系统

为加快SNF数据采集速度，采用了六个双极化X波段环形波导探头，并配有高速电子开关，可同时从12个射频通道采集数据。如图2所示，探头定位器有以下动作：

1、仰角滑动定位器，SNF仰角扫描轴（±80度）

2、径向线性滑动，λ/4偏移（0至50毫米）

值得注意的是，射频吸收器与六个低指向性双偏振探头的孔径保持一定距离，以避免温度和湿度变化。射频吸收器特性的变化会影响探头的校准路径损耗，从而对SNF系统的稳定性产生负面影响。

图2：探头扫描定位器子系统。

坐标系转换

雷达罩测试实验室很少配备安装在商用飞机鼻锥上的EL/AZ或AZ/EL平板天线万向节。使用天线罩定位器模拟相对角运动将导致相反的坐标系。例如，EL/AZ天线罩定位系统将模拟一个相对坐标系，就好像平板天线有一个AZ/EL万向节系统。如果希望提供一个天线罩定位系统来模拟平板天线的EL/AZ和AZ/EL万向节系统的天线罩测试，则应添加一个滚动轴，如图3所示。

图3：(a) EL/AZ (θ/Φ)万向节系统和(b) AZ/EL (ε/α)万向节系统中的平板天线。

如图1所示，EL/AZ雷达天线罩定位器本质上只模拟图3(b)中的AZ/EL万向节坐标。利用滚动轴γ，可以通过一组坐标变换计算出到EL/AZ万向节坐标系的转换。在EL/AZ (θ/Φ)万向节坐标系中：

在AZ/EL (ε/α)万向节坐标系中，在仰角轴内增加一个滚动轴γ：

要求平板天线的极化与EL/AZ万向节中给定(θ,Φ)的极化保持一致，可以得到(α,ε,γ)的以下三个唯一解：

可以建立一个定位表来快速实现(α,ε,γ)，以模拟所需的(θ,Φ)万向节方位。因此，AUT定位系统的设计可以实现EL/AZ和AZ/EL两种万向节坐标系。

射频子系统

图4显示了测试射频子系统。最靠近AUT的定向耦合器用于测量雷达罩的反射，而第二个定向耦合器则用于测量参考输入功率。输入端口使用射频功率放大器来提高系统的动态范围，从而加快数据采集速度。该射频子系统的信号动态范围小于80dB。

图4：射频子系统图

测试系统控制和NF2FF软件

定位器控制器和系统软件（包括NF2FF转换软件包）由南京曼杰科工程有限公司提供。

系统性能评估

图5显示了进行一次不用雷达罩和三次采用雷达罩的射频性能评估的四种机械设置，以证明所安装的SNF测试系统的有效性和合规性。

图5：AUT设置：(a)不用天线罩，(b)带有较小天线罩，(c)带有较大天线罩和(d)带有最大天线罩。

扫描表面截断（Truncation）和误差因素

为加快SNF数据的采集，应选择部分扫描表面，以包括极高比例的AUT能量，因此不应出现超过-33dB的边瓣电平(SLL)。由于AUT是一种高增益天线，因此无论是用或不用天线罩，都需要一小部分实体角。表1列出了所需的SLL及其在方位角和仰角方向图中的允许变化。

为此选择了方位角为±40度、仰角为±28.8度的扫描面。使用方位角为±60度、仰角为±38.4度的扫描面重新扫描AUT验证了这一点。

图6表明，使用放大的扫描面无法进一步看到-45dB以上的SLL细节。因此，没有必要在参考扫描面之外进一步放大扫描面。通过使用参考扫描面设置，202500个测试点中只有14746个需要测试。因此，方位角和仰角方向图的SNF方向图测试可在三分钟内完成。

图6：(a)方位参考扫描、(b)仰角参考扫描、(c)方位放大扫描和(d)仰角放大扫描的方向图。

测试系统的稳定性

由于测试时间的要求，SNF测试系统的测试数据必须与几天前获得的测试数据进行比较。测试数据在一段时间内的稳定性至关重要。表2显示了在平板天线固定的情况下对比的辐射偏离方向图峰值。表2a显示的是标称测试距离下的值，表2b显示的是标称测试距离加上四分之一波长偏移下的值，表2c显示的是表2a和表2b的平均值。这些偏移模拟了天线罩定向到21x11角度位置。在每个雷达天线罩定位器设置处进行SNF扫描并转换为远场。峰值增益值作为雷达天线罩传输效率（TE）参考数据输入表格。五天后，还测量了同样的231次SNF扫描，并将结果进行比较，以评估测试系统的稳定性。数据包括六天内因温度和湿度等环境变化而产生的变化。

经测试发现，在六天的时间跨度内，两组方向图测试之间所有峰值的最大差异在-0.011和+0.027dB之间。此外，根据RTCA测试计划，在11个仰角中，两次测试的最大平均偏差小于0.00417dB，即0.096%。因此，系统稳定性导致的总体平均TE偏差小于0.0027dB，即0.062%。该测试还证明了只测量一个参考方向图峰值而非231次重复测量的潜力，因为变化非常小，可以忽略不计。

远场天线方向图验证

第一个验证是通过比较SNF数据中的转换远场方向图和远场中获得的方向图评估波束宽度及其SLL。我们将水平面和垂直面两种方向图切割与室外远场测得的远场方向图进行了比较。图7显示了相互比较的天线方向图。

图7：大型雷达间比较测量的远场：(a)来自该SNF的方位角、(b)来自该SNF的仰角、(c)来自室外远场方向图的方位角和(d)来自室外远场方向图的仰角。

可以看出，在扫描的方位角和仰角范围内，两组方向图在主波束和SLL（低至-45dB）方面都很相近。

测试距离λ/4偏移

在最新的RTCA测试计划中，需要进行λ/4偏移，以利用SNF方法平均由于探头与AUT之间的NF耦合而产生的方向图峰值变化。这种SNF系统通过在多探头架上提供线性滑动来实现这一功能。在9.333GHz时，λ/4径向偏移在标称2500mm测试距离上增加了8.03mm。

据观察，当SNF范围内的测试距离超过75λ的电气长度时，λ/4偏移带来的方向图峰值变化在TE测量中可忽略不计。

传输效率验证

在SNF测试系统鉴定之后，最耗时的TE测量是通过完成一组231个平板天线径向偏移方向图来进行的。由于预计不需要进行λ/4偏移方向图测试来平均NF耦合误差，因此在进行不用天线罩的测量时，不收集测试距离中λ/4偏移的数据。

在使用天线罩的情况下，在标称距离和包含λ/4偏移的距离上测量所有231个可能的天线罩/天线方向的方向图峰值。TE应通过将其方向图峰值与相应的雷达天线参考峰值进行比较来获得。然后将标称和λ/4偏移的平均TE与室外远场的结果进行比较。

表2列出了带有面板雷达天线的大型商用天线罩的测量TE。总体平均TE为89.8%，11个仰角中的最小平均TE为87.5%；所有231个点中的最小TE为85.5%。根据公布的雷达罩等级评定，这是一个B级雷达罩。同一雷达罩在室外远场进行了测试，报告显示其总体平均TE为90.8%，11个仰角中的最小平均TE为88.6%，所有231个点中的最小TE为83.0%。室外远场报告也将其评为B级天线罩。尽管两个测试方法完全不同，且两种测试方法之间的时间跨度为两个月，但在最坏情况下产生的最小TE差异不到2.5%。

在TE读数和雷达罩分级方面，采用两种不同面板雷达天线的三种不同尺寸的所有雷达罩的TE结果都与两个室外测试场的测试结果相近。此外，测试距离发生λ/4变化时的测试结果也没有明显差异，所有三种雷达天线罩在使用两种不同系统天线时的差异都远小于0.1dB。这些变化不会导致雷达天线罩分类发生任何变化。因此，如果测试距离大于75λ，在SNF测试范围内应省略测试距离有λ/4偏移的TE测试。

雷达罩入射反射测量

可在连接平板天线的X波段波导输入端口，以及平板天线安装在不用雷达罩时进行响应和隔离校准。校准后的SNF可轻松实现小于1.02的本底驻波比或-40dB射频系统本底反射噪声。当天线罩安装在平板天线前面时，在平板天线入射到天线罩的15个不同位置测量入射反射(IR)。表3显示了商用飞机最大天线罩的入射反射样本。

波束偏转、方向图畸变和SLL

首先在不用雷达罩时对波束偏转和方向图畸变进行了超过48小时的方向图稳定性测试。结果表明，SNF测试系统在最坏情况下的峰值差异小于0.003dB，波束宽度差异小于0.002，即两个方位方向图结果之间的变化约为0.09%。在-35dB SSL时，最大旁瓣差为0.79dB。测试是针对雷达罩不用和使用之间波束峰值偏转较小的雷达罩进行的。测试结果表明，使用雷达天线罩时的波束峰值指向误差小于±0.2度。标称距离和λ/4偏移距离下的平均小天线罩天线方向图波束宽度失真测试数据也显示波束峰值指向误差小于±0.2度。经验证，SSL符合测试要求，并与其他地点的测试报告一致。

结论

多探头SNF测试系统具有多项独特功能，可执行完全符合最新RTCA DO213A-Change 1A要求的所有天线方向图测试。该系统的准确性和可重复性已经过验证，表现出卓越的性能。通过正确选择SNF扫描测试参数和仔细考虑AUT能量浓度，多探头测试系统还能有效缩短测试时间。

固定平板天线位置和固定扫描表面范围是影响该测试系统准确性和可重复性的关键因素。通过在雷达罩处理过程中添加滚动定位器，可以模拟和测试平板天线的EL/AZ和AZ/EL万向节系统在使用雷达罩时的AUT方向图。

此外，通过在SNF系统中使用更长的测试距离，不用天线罩和使用天线罩时方向图测试中的NF耦合误差可以忽略不计。这样就可以省去冗余、耗时的TE方向图测试，从而进一步缩短测试时间。

致谢

作者衷心感谢波音天津复合材料公司和波音西雅图公司的技术人员在整个项目过程中提供的帮助和支持。非常感谢ETS-Lindgren中国和南京曼杰科电子工程公司的工程团队，他们克服了许多不可预见的困难，尤其是在COVID期间。没有他们的团队合作，本项目不可能顺利完成。

参考文献

1. 1.D. W. Hess, R. Luna and J. McKenna, “Electromagnetic Radome Measurements: A Review of Automated Systems,” January 2005.
2. 2.M. L. Goff, N. Adnet, N. Gross, L. Duchesne, A. Gandois and L. Durand, “A Novel and Innovative Near-Field System for Testing Radomes of Commercial Aircrafts,” Proc. AMTA 2017, October 15-20, 2017.
3. 3.J. Wilbur, “Low Cost Automated RTCA DO/213 Compliant Radome Test System,” Proc. AMTA 2011, October 16-21, 2011.