CN108877393A - 一种基于抛物面天线的雷达方向图测量方法 - Google Patents

一种基于抛物面天线的雷达方向图测量方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种基于抛物面天线的雷达方向图测量方法，将用于测量的辅助天线作为发射天线，将被测抛物面天线当做接收天线；通过辅助调节装置调整抛物面天线的馈源处于正焦位置并锁定相对位置；转动抛物面天线，记录当选频放大器的指针偏转最大时，抛物面天线的方位角度即为测量起始角度；继续调整天线至选频放大器指示为0，确定测量终止角；从测量起始角度到终止角之间，每隔角度Δθ读取选频放大器的指示读数，以抛物面天线的方向角度和选频放大器的指示读数为各点参数，分别在直角坐标系和极坐标系中绘制出各点的位置，将各点以曲线相连即可得相应的抛物面天线水平面方向图。本发明测量过程简单，测量结果可靠，尤其适用于演示性试验。

Description

一种基于抛物面天线的雷达方向图测量方法
技术领域
本发明属于雷达天线方向图测量领域，涉及一种雷达天线方向图的测量方法，具体涉及一种基于抛物面天线的雷达方向图测量方法。
背景技术
天线方向图，表征了天线辐射能量在空间的分布，反映了天线的性能指标与工作状态。通过测量天线方向图可以确定天线的方向系数、增益、半功率波束宽度和副瓣电平等重要天线参数、对天线的辐射特性进行分析，可以为天线在使用过程中的调试、安装、维护、检修提供分析数据，判定天线性能指标是否符合要求，天线是否存在故障。
为了更好的展开教学、辅助学员更好的掌握天线基础知识、理解雷达系统整体构架，建设相应的实验平台，利用实验设备进行天线方向图测量，从而辅助学员更好的定性和定量的了解掌握天线的各项参数、性能，为后续实装课程的学习夯实基础。对实现实战化教学具有十分重要的意义。
目前，通过旋转天线的方式测量天线方向图的方法主要有两种：
1.被测天线不动，通过转动辅助天线，选定运动观测源，利用观测源信号与被测天线和辅助天线数据间的相关性，测量被测天线方向图。这种方法主要针对的是一些无法转动的大型天线方向图的测量。测量需满足：观测源与被测天线相对运动，观测源运动轨迹掠过被测天线方向图主瓣中心，观测源与辅助天线相对静止，辅助天线指向始终跟踪观测源转动，观测源信号具有良好的相关性。且观测源的运动主要通过安装在机动设备上，如：轨道、飞机上来实现可移动，信号不稳定、成本高。
2.辅助天线固定不动，把被测天线放置在转台上，通过电机驱动转台的转动来实现被测天线在水平面360°范围内旋转，通过测控软件实施参数设置和控制，自动测量记录不同方位的读数，归一化后即可画出天线的水平平面方向图，如果欲测垂直平面方向图，可将被测天线改为俯仰转动或将天线口面绕水平轴扭转90°。测量过程中，天线的相位中心应与转台的转轴重合。这种方法通过步进电机驱动转台转动，限制了测试过程中的灵活性，测试成本也较高；测试仪器、软件的性能限制了方向图测量范围、步进、精度；测试软件自动快速的测量、记录测试数据，不利于学员对实验教学过程的理解、对天线方向图测量知识的掌握，主观能动性减弱，对设备的依赖性增强。
发明内容
本发明的目的是针对以上测量天线方向图方法的不足，提供一种被测或者辅助天线可上、下、左、右、前、后六个方向转动，可实现多个终端同时测量，满足水平、垂直、正焦、偏焦等多种形式天线方向图的测量方法。相比较靠电机带动的转台式天线、轨道式转动天线及其固定后无法转动的辅助天线而言，具有测试条件易于满足、测试过程简易、工作量小、测量方便、成本低、对测量场地要求低、方便拆卸组装灵活等优势。同时为了获得更丰富的方向图效果，也可实现被测天线与辅助天线的互换，实现原来的被测天线与发射机相连，作为发射天线使用，原来的辅助天线与接收机相连作为接收天线使用，拆卸方便，方式方法灵活，同时主辅天线的极化方式也均可实现可调。实现多人同时教学，解决雷达装备少，学员多，天线概念抽象不好理解的问题。
为了解决上述技术问题，本发明采用的技术方案是：
一种基于抛物面天线的雷达方向图测量方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤一、将用于测量的辅助天线作为发射天线，将被测抛物面天线当做接收天线，根据信号源波长和天线尺寸设置好发射天线和接收天线之间的距离；
步骤二、将发射天线连接至发射机，并设置好信号源的参数；
步骤三、将接收天线连接至接收机，将接收机接收的信号接入选频放大器；
步骤四、抛物面天线校正，通过辅助调节装置调整被测抛物面天线的馈源处于正焦位置，记下此时被测抛物面天线位置信息，并锁定馈源和正焦位置的相对位置；
步骤五、被测抛物面天线方位零度标定，转动整个被测抛物面天线，改变抛物面天线角度，同时观察选频放大器的指针偏转情况，当指针偏转最大时，记此指示值为Imax，同时记录此时被测抛物面天线方位角度，并定义为零度，即测量起始角度；
步骤六、确定测量终止角度，从步骤五中记录的测量起始角度开始，分别沿顺时针和逆时针方向改变被测抛物面天线的方位角度，调整天线指向，直至选频放大器指示为0，记录此时被测抛物面天线的角度值分别为θ0和360°-θ0，θ0和360°-θ0即为天线测量的两端终止角；
步骤七、天线正焦时方向图测量，从测量起始角度开始，调整被测抛物面天线的指向，每隔角度Δθ读取选频放大器的指示读数，直到测量终止角为止；
步骤八、数据处理，根据步骤七中记录的数据，以被测抛物面天线的方向角度和选频放大器的指示读数为各点参数，分别在直角坐标系和极坐标系中绘制出各点的位置，然后将各点以曲线相连即可得相应的抛物面天线水平面方向图。
作为改进，步骤一中，发射天线和接收天线之间的距离r需要满足r＞2D2/λ，D为接收天线的最大尺寸，λ为信号源波长。
作为改进，步骤三中，在选频放大器之前设置将调制信号还原出脉冲波的检波器。
作为改进，步骤五中，选频放大器的指示值为Imax在选频放大器指针刻度盘的1/2-5/6之间。
作为改进，步骤七中，测量点数也即被测抛物面天线转动角度间隔大小Δθ根据实际天线波瓣宽度可添加或减少。
作为改进，步骤七中，间隔角度Δθ范围为0.5°-2°。
作为改进，在步骤七测量过程中，记录选频放大器指针偏转到0.5Imax时，被测抛物面天线的角度值，并在步骤八中标出半功率点的位置。
作为改进，所述发射天线为喇叭形发射天线。
本发明的有益效果是：
本发明提供一种被测或者辅助天线可上、下、左、右、前、后六个方向转动，可实现多个终端同时测量，满足水平、垂直、正焦、偏焦等多种形式天线方向图的测量方法。相比较靠电机带动的转台式天线、轨道式转动天线及其固定后无法转动的辅助天线而言，具有测试条件易于满足、测试过程简易、工作量小、测量方便、成本低、对测量场地要求低、方便拆卸组装灵活等优势。同时为了获得更丰富的方向图效果，也可实现被测抛物面天线与辅助天线的互换，实现原来的被测抛物面天线与发射机相连，作为发射天线使用，原来的辅助天线与接收机相连作为接收天线使用，拆卸方便，方式方法灵活，同时主辅天线的极化方式也均可实现可调。实现多人同时教学，解决雷达装备少，学员多，天线概念抽象不好理解的问题。
附图说明
图1本发明雷达方向图测量结构框图。
图2单个实验系统组成结构图。
图3为以转动角度θ为横坐标，以选频放大器的指示读数I为纵坐标，直角坐标系中抛物面天线水平面方向图。
图4为以转动角度θ为极角，以选频放大器的指示读数I为极径，极坐标系中抛物面天线水平面方向图。
1-接收天线，2-发射天线，3-馈源，4-馈源支架，5-焦距纵向调整装置，6-焦距锁紧螺丝，7-馈源升降装置，8-焦距横向调整装置，9-抛物天线升降装置，10-俯仰调整装置，11-天线方位调节盘，12-接收机，13-发射机。
具体实施方式
下面结合附图对本发明进行举例说明，
本发明基本原理是电磁波自由空间传播理论。被测天线接收信号的功率表达式为：
其中，P1为被测天线接收功率，P0为发射天线2的等效全向辐射功率，G0为发射天线2增益，G1为被测天线增益，λ为信号源波长，为被测天线场强归一化方向性函数，其中，θ为方位角，为俯仰角，r为发射天线2到被测天线的传播距离，L为发射信号到被测天线的大气损耗。
测量需满足远场条件：(辅助天线与主天线之间的距离r＞2D2/λ，D为被测抛物面天线(接收天线1)的最大尺寸(抛物面最大直径)。
为了减弱来自附近物体的反射，可以使用方向性很强的发射天线2，例如使用喇叭形发射天线2或抛物面反射器，当测量主天线的低旁瓣电平时，这一点显得特别重要，可以在适当的位置上布设吸收性材料，以减弱物体反射。
如图1所示，被测抛物面天线(即接收天线1)与接收机12相连，接收机12包括可变衰减器(直接连接收天线1)、检波器和选频放大器，其中选频放大器包括测量放大器和指示器，检波器将调制信号还原出脉冲波，选频放大器用对选定频率的信号进行增益放大显示，便于读数；辅助天线(发射天线2)与发射机13相连，发射机13包括匹配器、衰减器、信号源、频率计和调制器，匹配器直接连发射天线2，信号源连衰减器，衰减器连匹配器。
其一般测量方法为：从固定在远方的辅助天线进行发射，转动被测方向图的接收天线1，记下各个角度上接收天线1上的场强和方位角位置。
如图2所示，发射天线2为喇叭形天线，固定在支架上，接收天线1为抛物面天线，具体抛物面天线通过俯仰调整装置10安装在竖直支架顶部，竖直支架通过天线方位调节盘11安装基座上，横向支架一端通过馈源升降装置7安装在竖直支架上，馈源支架4底部通过焦距纵向调整装置5安装在横向支架上，馈源3安装在馈源支架4顶部，横向支架靠近竖直支架处还设有焦距横向调整装置8，通过焦距横向调整装置8可调整馈源3横向位置，通过焦距纵向调整装置5可调整馈源3纵向位置，通过馈源升降装置7可以调整馈源3高度，保证馈源3与抛物面天线的正焦重合，之后通过焦距锁紧螺丝6将馈源3和抛物面天线的正焦相对位置锁定，通过天线方位调节盘11可使抛物面天线和馈源3同步转动，满足测量需求，天线方位调节盘11上还设有转动角度指针，竖直支架顶部还设有调节抛物面天线高度的抛物天线升降装置9。
一种基于抛物面天线的雷达方向图测量方法，包括以下步骤：
步骤一、将用于测量的辅助天线作为发射天线2，将被测抛物面天线当做接收天线1，根据信号源波长和天线尺寸设置好发射天线2和接收天线1之间的距离；
步骤二、将发射天线2连接至发射机13，并设置好信号源的参数，包括信号源输出频率、波形样式等；
步骤三、将接收天线1连接至接收机12，将接收机12接收的信号接入选频放大器，具体为将抛物面的接收天线1信号输出口连接至无滤波通道的“信号输入”口，经接收机12系统内部放大后，信号由接收机12背面的“信号输出”端口输出，然后通过检波器(检波器将调制信号还原出脉冲波)送至接收机12正面的选频放大器“信号输入”口送至选频放大器。默认情况下，先将选频放大器增益调节旋钮放在30dB处；
步骤四、抛物面天线校正，通过辅助调节装置调整被测抛物面天线的馈源3处于正焦位置，记下此时被测抛物面天线位置信息，并锁定馈源3和正焦位置的相对位置，分别调节馈源升降装置7、焦距横向调整装置8和焦距纵向调整装置5，使馈源支架4、焦距支架和照射器支架处于“0”刻度处，然后拧紧相应的锁紧螺丝即完成了抛物面天线的校准；
步骤五、被测抛物面天线方位零度标定，松开馈源支架4锁紧螺丝，顺时针和逆时针拧动方位调整螺丝，转动整个被测抛物面天线，改变抛物面天线角度，同时观察选频放大器的指针偏转情况，当指针偏转最大时，记此指示值为Imax，同时记录此时被测抛物面天线方位角度，并定义为零度，即测量起始角度，此时，调整天线方位调整盘的刻度指示箭头，使之对准刻度盘上的“0”刻度，并固定好指示箭头，在后续实验过程中不能调整此指示箭头；
步骤六、确定测量终止角度，从步骤五中记录的测量起始角度开始，分别顺时针和逆时针拧动方位调整螺丝，沿顺时针和逆时针方向改变被测抛物面天线的方位角度，调整天线指向，直至选频放大器指示为0，记录此时被测抛物面天线的角度值分别为θ0和360°-θ0，θ0和360°-θ0即为天线测量的两端终止角；
步骤七、天线正焦时方向图测量，从测量起始角度开始，调整被测抛物面天线的指向，每隔角度Δθ(取值范围0.5°-2°)读取选频放大器的指示读数，直到测量终止角为止，另外还记录选频放大器指针偏转到0.5Imax时，被测抛物面天线的角度值；
步骤八、数据处理，根据步骤七中记录的数据，以被测抛物面天线的方向角度和选频放大器的指示读数为各点参数，分别在直角坐标系和极坐标系中绘制出各点的位置，然后将各点以曲线相连即可得相应的抛物面天线水平面方向图，并标出半功率点的位置。。
接收天线1最强信号点值为：选频放大器的指示值为Imax在选频放大器指针刻度盘的1/2-5/6之间。
测量点数也即被测抛物面天线转动角度间隔大小Δθ根据实际天线波瓣宽度可添加或减少。

Claims (8)

1.一种基于抛物面天线的雷达方向图测量方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤一、将用于测量的辅助天线作为发射天线，将被测抛物面天线当做接收天线，根据信号源波长和天线尺寸设置好发射天线和接收天线之间的距离；
步骤二、将发射天线连接至发射机，并设置好信号源的参数；
步骤三、将接收天线连接至接收机，将接收机接收的信号接入选频放大器；
步骤四、抛物面天线校正，通过辅助调节装置调整被测抛物面天线的馈源处于正焦位置，记下此时被测抛物面天线位置信息，并锁定馈源和正焦位置的相对位置；
步骤五、被测抛物面天线方位零度标定，转动整个被测抛物面天线，改变抛物面天线角度，同时观察选频放大器的指针偏转情况，当指针偏转最大时，记此指示值为Imax，同时记录此时被测抛物面天线方位角度，并定义为零度，即测量起始角度；
步骤六、确定测量终止角度，从步骤五中记录的测量起始角度开始，分别沿顺时针和逆时针方向改变被测抛物面天线的方位角度，调整天线指向，直至选频放大器指示为0，记录此时被测抛物面天线的角度值分别为θ0和360°-θ0，θ0和360°-θ0即为天线测量的两端终止角；
步骤七、天线正焦时方向图测量，从测量起始角度开始，调整被测抛物面天线的指向，每隔角度Δθ读取选频放大器的指示读数，直到测量终止角为止；
步骤八、数据处理，根据步骤七中记录的数据，以被测抛物面天线的方向角度和选频放大器的指示读数为各点参数，分别在直角坐标系和极坐标系中绘制出各点的位置，然后将各点以曲线相连即可得相应的抛物面天线水平面方向图。
2.如权利要求1所述的雷达方向图测量方法，其特征在于：步骤一中，发射天线和接收天线之间的距离r需要满足r＞2D2/λ，D为接收天线的最大尺寸，λ为信号源波长。
3.如权利要求1所述的雷达方向图测量方法，其特征在于：步骤三中，在选频放大器之前设置将调制信号还原出脉冲波的检波器。
4.如权利要求1所述的雷达方向图测量方法，其特征在于：步骤五中，选频放大器的指示值为Imax在选频放大器指针刻度盘的1/2-5/6之间。
5.如权利要求1所述的雷达方向图测量方法，其特征在于：步骤七中，测量点数也即被测抛物面天线转动角度间隔大小Δθ根据实际天线波瓣宽度可添加或减少。
6.如权利要求1所述的雷达方向图测量方法，其特征在于：步骤七中，间隔角度Δθ范围为0.5°-2°。
7.如权利要求1所述的雷达方向图测量方法，其特征在于：在步骤七测量过程中，记录选频放大器指针偏转到0.5Imax时，被测抛物面天线的角度值，并在步骤八中标出半功率点的位置。
8.如权利要求1所述的雷达方向图测量方法，其特征在于：所述发射天线为喇叭形发射天线。
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