CN116223924A - 一种基于移相控制的可变极化阵列天线强辐射场模拟系统 - Google Patents

一种基于移相控制的可变极化阵列天线强辐射场模拟系统 Download PDF

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冀航
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Abstract

本发明公开了一种基于移相控制的可变极化阵列天线强辐射场模拟系统，属于天线及射频微波辐射场环境的模拟技术领域，针对高强度射频辐射敏感度试验中，需模拟产生大照射范围、高辐射场强、且需要在水平极化和垂直极化状态切换的技术需求，提出一种基于移相控制的可变极化阵列天线强辐射场模拟系统，辐射系统采用大功率射频功率放大器阵列和发射天线阵列结构体制，可以模拟满足要求的高强度射频辐射场，且水平极化和垂直极化的转换方便快捷，可靠性高，便于在实验室开展电子设备的辐射敏感性试验研究和考核评价。

Description

一种基于移相控制的可变极化阵列天线强辐射场模拟系统
技术领域
本发明属于天线及射频微波辐射场环境的模拟技术领域，更具体地，涉及一种基于移相控制的可变极化阵列天线强辐射场环境模拟系统。
背景技术
在开展电子设备的辐射敏感性试验考核时(频率范围要求10kHz～45GHz，或按实际可能遭受的环境要求进行)，通常采用信号源、射频功率放大器和发射天线组成发射系统，在试验空间产生标准要求的射频辐射场电磁环境，试验过程中，通常需要开展水平和垂直两个极化方向的辐射场照射试验(在频率低于30MHz以下时，所采用的发射天线的尺寸通常较大，辐射场受周围边界环境的影响较大，没有水平和垂直极化照射的要求)。通常情况下发射天线与射频功率放大器采用射频电缆或软波导连接，发射天线为尺寸较小的单天线。由于单台射频功率放大器的功率输出以及单个发射天线的功率容量、照射范围等限制，辐射场强一般在数十至数百V/m量级，大部分频段的天线尺寸也较小，可以通过将发射天线旋转90度的方式，实现发射天线水平极化和垂直极化的转换。
但针对峰值场强高达数十kV/m的外部高强辐射场试验时，宽带射频功率放大器的功率要求达到百千瓦量级，单个功率放大器和单个发射天线单元不能满足试验要求，需要采用阵列辐射的方式。为了减小微波段射频传输损耗，功率放大器单元与天线单元采用尽量短的刚性传输线连接。改变辐射场的极化方式，可以考虑以下几种方式来实现：(1)将每个天线单元增加一个旋转关节和驱动装置(或设置限位开关进行人工旋转实现水平和垂直极化的切换)，通过旋转改变每一个天线单元使所有天线单元统一处于水平或垂直极化的状态，从而使整个天线阵列进行水平或垂直极化场的辐射；(2)布置两套天线阵列，一套阵列的天线单元全部为水平极化，另一套阵列的天线单元全部为垂直极化，两组天线阵列之间采用极化切换开关与射频功率放大器阵列相连，通过射频极化切换开关的机械动作，进行水平极化和垂直极化两组辐射天线阵列的切换，实现水平和垂直极化辐射场的转换；(3)将射频功率放大器阵列与发射天线阵列一起进行整体旋转90度，实现水平和垂直极化辐射场的转换。以上三种方案均存在一定的问题。方案(1)使用起来过于复杂，工作量较大，当天线单元达到几百甚至上千时，或者天线单元布置紧凑，间隙较小时，难以实现；方案(2)比较简单可行，但频繁动作的大功率射频极化切换开关阵列要求可靠性很高，否则如果切换开关动作不到位，会导致射频通道失配甚至短路，引起反射系数加大，轻则使辐射场强减小，严重的还会导致射频功率放大器烧毁，造成严重损失；方案(3)适用于体积重量较小的机柜，但功率达到数十千瓦甚至数百千瓦量级的射频功率放大器阵列机柜的尺寸会达到3米左右，重量达到数吨以上，机柜上还有供电、控制、冷却各种保障分系统的连接，使得整体旋转90度改变极化难度很大，系统的尺寸更大，不适合实验室使用。
发明内容
针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明提出了一种基于移相控制的可变极化阵列天线强辐射场模拟系统，主要解决高强度射频辐射敏感度试验中，宽频带、大照射范围、高强度射频辐射场的产生，以及试验过程中辐射场进行水平极化和垂直极化两种极化方式的便捷切换问题。可适用于高强度射频辐射场电磁环境的模拟、电子设备射频辐射敏感性试验等领域中。
为实现上述目的，本发明提供了一种基于移相控制的可变极化阵列天线强辐射场模拟系统，包括：前级功率放大器、功率分配器、幅相控制器以及平面阵列天线；
所述平面阵列天线包括若干个辐射单元，每个所述辐射单元由两个正交布置的天线单元组成，每个天线单元均包括依次连接的数控移相器、数控衰减器、末级功率放大器、隔离器及发射天线；
输入的射频信号通过所述前级功率放大器放大后，由所述功率分配器进行分配，将射频信号路数拓展至天线单元的数量，且每一路信号的幅值满足末级功率放大器的驱动电平，并能使末级功率放大器产生足够的输出功率；
功率分配器输出的每一路射频信号，通过数控移相器、数控衰减器、末级功率放大器、隔离器后，馈送至相应的发射天线，由每一路发射天线向空中辐射，在指定区域合成产生满足要求的高强度射频辐射场；
针对垂直极化辐射场试验或者水平极化辐射场试验，通过控制幅相控制器，调整功率分配器输出的每一路射频信号通道的数控移相器和数控衰减器，以调整馈送到天线单元的射频信号的相位和幅度。
在一些可选的实施方案中，所述辐射单元中的两个正交布置的天线单元的极化方向与竖直方向均成45度角对称布置。
在一些可选的实施方案中，所述辐射单元中的两正交布置的天线单元采用一体化加工，由底部两个同轴端口分别给两天线单元馈电。
在一些可选的实施方案中，所述辐射单元中的两正交布置的天线单元采用工作带宽不小于一个倍频程、线极化特性较好的Vivaldi天线或双脊喇叭天线。
在一些可选的实施方案中，所述末级功率放大器采用同一型号、具有基本相同幅相特性的射频功率放大器模块；所述隔离器采用同一型号，具有基本相同的幅相特性。
在一些可选的实施方案中，开展垂直极化辐射场试验时，通过控制幅相控制器，调整功率分配器输出的每一路射频信号通道的数控移相器和数控衰减器，使馈送到辐射单元中的两正交布置的天线单元射频信号的相位相同，幅度相同。
在一些可选的实施方案中，开展水平极化辐射场试验时，通过控制幅相控制器，调整功率分配器输出的每一路射频信号通道的数控移相器和数控衰减器，使馈送到辐射单元中的两正交布置的天线单元射频信号的相位相反，幅度相同。
在一些可选的实施方案中，通过调整各辐射单元的相位差，对平面阵列天线的方向图进行调整，实现照射波束在俯仰方向和水平方向一定范围内进行扫描。
总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案与现有技术相比，解决了宽频带、高强度射频辐射的实验室模拟难题，能够取得下列有益效果：
采用空间合成的方式，有效解决单个功率放大器模块功率较小、单个辐射天线单元的功率容量较小，不足以在试验区域产生所需的高强度射频辐射场的问题；利用移相控制的方法，方便地解决了阵列天线的水平和垂直极化辐射场的转换问题。
附图说明
图1是本发明实施例提供的一种平面阵列天线布置示意图；
图2是本发明实施例提供的一种辐射单元(双极化Vivaldi天线)结构示意图，其中，(a)为侧面结构示意图，(b)为底部馈电点示意图；
图3是本发明实施例提供的一种系统总体组成原理框图；
图4是本发明实施例提供的一种极化合成原理示意图，其中，(a)为垂直极化，(b)为水平极化；
图5是本发明实施例提供的一种天线阵列分布示意图；
图6是本发明实施例提供的一种4GHz场强分布结果仿真图；
图7是本发明实施例提供的一种5GHz场强分布结果仿真图；
图8是本发明实施例提供的一种6GHz场强分布结果仿真图；
图9是本发明实施例提供的一种7GHz场强分布结果仿真图；
图10是本发明实施例提供的一种8GHz场强分布结果仿真图。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。
本发明针对高强度射频辐射敏感度试验中，需模拟产生大照射范围、高辐射场强、且需要在水平极化和垂直极化状态切换的技术需求，提出一种基于移相控制的可变极化阵列天线强辐射场模拟系统，辐射系统采用大功率射频功率放大器阵列和发射天线阵列结构体制，可以模拟满足要求的高强度射频辐射场，且水平极化和垂直极化的转换方便快捷，可靠性高，便于在实验室开展电子设备的辐射敏感性试验研究和考核评价。
本发明提出了一种基于移相控制的可变极化阵列天线强辐射场模拟系统，包括：
(1)采用平面阵列天线辐射的方式，利用空间合成的原理，在试验区域一定范围内产生试验所需要的高场强，平面阵列天线的辐射单元Tij的数量为m×n(如图1所示)，i＝1,2,…,m，j＝1,2,…,n；
(2)阵列天线的每一组辐射单元Tij由两个正交布置的天线单元aij和bij组成，两天线单元aij和bij的极化方向与竖直方向均成45度角对称布置(如图1所示中的天线辐射单元布置方式)；
(3)采用紧耦合布置方式，辐射单元Tij中两正交布置的天线单元aij和bij采用一体化加工(如图2所示，其中，(a)为侧面结构示意图，(b)为底部馈电点示意图)，由底部两个同轴端口分别给两天线单元aij和bij馈电；
(4)天线单元aij和bij采用工作带宽不小于一个倍频程、线极化特性较好的Vivaldi天线或双脊喇叭天线，根据工作频段及其加工难度进行合适的选择；
(5)输入的射频信号通过前级功率放大器放大后，由功率分配器进行分配，可采用逐级放大和逐级分配的方式，将射频信号路数拓展至天线单元的数量m×n×2，且每一路信号Saij、Sbij的幅值满足末级功率放大器的驱动电平，并能使末级功率放大器产生足够的输出功率，所有末级功率放大器采用同一型号、具有基本相同幅相特性的射频功率放大器模块；同样，所有隔离器也为同一型号，具有基本相同的幅相特性；
(6)功率分配器输出的每一路射频信号Saij、Sbij，通过数控移相器、数控衰减器、末级功率放大器、隔离器后，馈送至相应的发射天线，由每一路发射天线向空中辐射，在指定区域合成产生满足要求的高强度射频辐射场，如图3所示；
(7)开展垂直极化辐射场试验时，通过系统软件控制幅相控制器，调整Saij、Sbij信号通道的数控移相器和数控衰减器，使馈送到天线单元aij和bij射频信号的相位相同，幅度相同，即：
Figure BDA0004169698000000061
|Iaij|＝|Ibij| (2)
式中i＝1,2,…,m；j＝1,2,…,n。
如图4中(a)所示，此时，水平极化分量相反，相互抵消，而垂直极化分量相同，叠加后整体呈现垂直极化；
(8)开展水平极化辐射场试验时，通过系统软件控制幅相控制器，调整Saij、Sbij信号通道的数控移相器和数控衰减器，使馈送到天线单元aij和bij射频信号的相位相反，幅度相同，即：
Figure BDA0004169698000000062
|Iaij|＝|Ibij| (4)
式中i＝1,2,…,m；j＝1,2,…,n。
如图4中(b)所示，此时，水平极化分量方向相同，叠加后加强，而垂直极化分量方向相反，相互抵消，叠加后整体呈现水平极化；
(9)可以根据需要，调整各辐射单元Tij的相位差，对阵列天线的方向图进行调整，实现照射波束在俯仰方向和水平方向一定范围内进行扫描。
实施例
为了模拟某一频段高强射频辐射场，设系统工作频率范围为4GHz～8GHz，在距发射天线1m处产生峰值场强要求如表1所示：
表1系统峰值场强要求(距发射天线≥1m处)
频率范围(GHz) 峰值场强(V/m) 3dB场强要求(V/m)
4～6 ≥21000 ≥14850
6～7 ≥15000 ≥10610
7～8 ≥8000 ≥5660
3dB场强焦斑直径不小于0.3m。
根据上述系统要求，结合功率放大组件及系统排布设计，天线阵列采用实元96元辐射单元设计，辐射单元采用两个极化正交的全金属Vivaldi天线一体化加工成形(如图2所示)，以10×10规模的辐射单元天线阵列为基础，共计200个Vivaldi天线单元。Vivaldi天线单元在4GHz～8GHz频率范围内驻波比VSWR≤2，增益6dB～11.5dB。在阵面的四角各设置1个辐射单元为虚元。为了降低天线单元有源驻波，保证天线单元方向图不发生畸变，在阵列边缘设计2列虚元天线，如图5所示。
单个末级功率放大器的输出峰值功率在4GHz～6GHz不小于1kW，在6GHz～8GHz不小于0.9kW。
对该矩形阵列的辐射场分布进行优化设计，使其在距阵面1m处的辐射场分布达到类圆形分布状态。
采用高频电磁仿真软件ANSYS HFSS，对上述天线阵列进行建模和仿真设计，在阵列口面前方1m处设置一个直径300mm的场强观察面，观察口面上的场强分布。
保持各辐射实元的输出功率不变(为功率放大器模块的饱合输出功率)，利用遗传算法完成对相位的调控，相位值在0～π之间变化，实现近场方向图优化，得到一个副瓣较低、主瓣顶部较为平坦的波束形状。
以10元线阵为例进行检验，遗传算法优化得到的典型相位优化分布结果如表2所示。
表2相位优化分布典型结果
阵元 相位分布(rad)
1 0
2 0.5718
3 0.5681
4 0.5725
5 0.5699
6 0.5699
7 0.5725
8 0.5681
9 0.5718
10 0
对阵列天线法线前方1m处直径0.3m区域内的场分布进行仿真，得到各频点的场分布云图如图6～图10所示，阵面法线方向距阵面1m处0.3m焦斑范围内的峰值场强和边沿场强均满足表1要求。
通过系统软件调整辐射单元中两天线单元的相位差，可以方便地调整辐射场的极化特性。当天线单元aij和bij同相时，阵列天线辐射垂直极化场；当天线单元aij和bij反相时，阵列天线辐射水平极化场。
由于每一路射频信号从信号源至发射天线单元的路径长度存在差异(由电路工艺、器件特性、馈线长度等引起)，进行幅相调整前应对这些因素引起的幅相差进行校准。数控移相器和数控衰减器的工作模式为步进方式，最终调控的效果不可能绝对的同相或反相，会存在一定的相位误差，影响线极化的纯度；天线单元辐射电平的幅度一致性会影响线极化的方向。选用高性能的数控移相器和数控衰减器，可以将极化纯度及极化方向的误差控制在试验可接受的范围内。
需要指出，根据实施的需要，可将本申请中描述的各个步骤/部件拆分为更多步骤/部件，也可将两个或多个步骤/部件或者步骤/部件的部分操作组合成新的步骤/部件，以实现本发明的目的。
本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种基于移相控制的可变极化阵列天线强辐射场模拟系统，其特征在于，包括：前级功率放大器、功率分配器、幅相控制器以及平面阵列天线；
所述平面阵列天线包括若干个辐射单元，每个所述辐射单元由两个正交布置的天线单元组成，每个天线单元均包括依次连接的数控移相器、数控衰减器、末级功率放大器、隔离器及发射天线；
输入的射频信号通过所述前级功率放大器放大后，由所述功率分配器进行分配，将射频信号路数拓展至天线单元的数量，且每一路信号的幅值满足末级功率放大器的驱动电平，并能使末级功率放大器产生足够的输出功率；
功率分配器输出的每一路射频信号，通过数控移相器、数控衰减器、末级功率放大器、隔离器后，馈送至相应的发射天线，由每一路发射天线向空中辐射，在指定区域合成产生满足要求的高强度射频辐射场；
针对垂直极化辐射场试验或者水平极化辐射场试验，通过控制幅相控制器，调整功率分配器输出的每一路射频信号通道的数控移相器和数控衰减器，以调整馈送到天线单元的射频信号的相位和幅度。
2.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述辐射单元中的两个正交布置的天线单元的极化方向与竖直方向均成45度角对称布置。
3.根据权利要求2所述的系统，其特征在于，所述辐射单元中的两正交布置的天线单元采用一体化加工，由底部两个同轴端口分别给两天线单元馈电。
4.根据权利要求3所述的系统，其特征在于，所述辐射单元中的两正交布置的天线单元采用工作带宽不小于一个倍频程、线极化特性较好的Vivaldi天线或双脊喇叭天线。
5.根据权利要求1至4任意一项所述的系统，其特征在于，所述末级功率放大器采用同一型号、具有基本相同幅相特性的射频功率放大器模块；所述隔离器采用同一型号，具有基本相同的幅相特性。
6.根据权利要求5所述的系统，其特征在于，开展垂直极化辐射场试验时，通过控制幅相控制器，调整功率分配器输出的每一路射频信号通道的数控移相器和数控衰减器，使馈送到辐射单元中的两正交布置的天线单元射频信号的相位相同，幅度相同。
7.根据权利要求5所述的系统，其特征在于，开展水平极化辐射场试验时，通过控制幅相控制器，调整功率分配器输出的每一路射频信号通道的数控移相器和数控衰减器，使馈送到辐射单元中的两正交布置的天线单元射频信号的相位相反，幅度相同。
8.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，通过调整各辐射单元的相位差，对平面阵列天线的方向图进行调整，实现照射波束在俯仰方向和水平方向一定范围内进行扫描。
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