成都电子科技大学硕士研究生文献综述报告表

成都电子科技大学研究生文献综述

成都电子科技大学

硕士文献阅读综述

班学号：201121070130

姓名：李玮

指导教师：田书林

学科专业：仪器科学与技术

所在学院：自动化工程学院

研究方向：电子系统综合测试与故障诊断

指导教师阅读后签字：田书林

填表说明

1.研究生在学位论文开题之前完成，和开题报告一起交到研究生科；

2.必须阅读本学科前沿国内外文献20篇以上，其中外文文献10篇以上；

3.写出4000字左右的文献综述报告，附上不少于1000字的英文摘要；

4.综述报告应提出值得研究和解决的学术或技术问题，并在此基础上完成相应的开题报告；

5.导师签字以后有效。

文献综述

相控阵雷达又称作相位阵列雷达，是一种以改变雷达波相位来改变波束方向的雷达。与机械雷达相比，相控阵雷达更灵活、性能更可靠、抗干扰能力更强，能快速适应战场条件的变化，适用于多目标、多方向、多层次空袭的作战环境。特别是近年来随着电子计算机及微电子技术的发展，超大规模集成电路、各个波段的固态功率器件及数字移相器等技术的日趋成熟和成本幅度的降低，以及数字波束的形成、自适应理论和技术、低副瓣技术及智能化理论和技术的不断发展，使得相控阵雷达在性价比上具有了很大的吸引力，使得相控阵雷达在地面远程预警系统、机载和舰载防空系统、机载和舰载系统、炮位测量、靶场测量等方面得到了广泛应用。美国“爱国者”防空系统的AN/MPQ-53雷达、舰载“宙斯盾”指挥控制系统中的雷达、B-1B轰炸机上的APQ-164雷达、俄罗斯C-300防空武器系统的多功能雷达等都是典型的相控阵雷达。

相控阵天线是五十年代开始发展起来的一种新型电扫描天线，作为相控阵雷达的关键系统，在整部雷达中发挥着举足轻重的作用。鉴于它组成的相控阵雷达能同时探测和跟踪众多的空中目标，因此它在反导弹防御系统中具有独特的功能，而且在卫星通信、射电天文学、航天以及空中交通管制等方面也发挥着重要的作用。由于相控阵天线能够迅速改变波束指向，形成特种方向图并且一部相控阵天线兼有多部其它品种的天线才能完成的功能，因而使得相控阵雷达备受关注。要使相控阵天线的功能付诸实现，在它的研制和试验过程中还必须进行大量的工作。这些工作包括对相控阵天线各通道幅、相的检测与调整，阵内故障或失效单元的排除以及测定相控阵天线及其所属系统在各种工作状态下相对应的发射或接收方向图。

相控阵天线在各种军用战略雷达（如超远程预警雷达、机载预警雷达、超视距雷达、星载预警雷达）和战术雷达（如搜索雷达、引导雷达、火控雷达、制导雷达）等雷达上的广泛应用也带来了诸多新的问题，系统复杂度的增加、辐射单元数量的增多，使得相控阵天线的研制和使用维护变得十分困难，实现设计性能的相控阵天线并在使用过程中保持设计性能的问题日益突出，使得人们对相控阵天线的可靠性和快速维护性也提出了越来越高的要求。而快速测量辐射单元达数万个的现代相控阵天线的辐射特性并将故障隔离至具体的某个辐射单元目前仍是一个复杂的技术课题，是相控阵雷达研制和使用过程中亟待解决的重大问题。

目前国内外对相控阵天线的测量大多集中在常规性能参数的测试上，对于出现异常的天线则无法对具体的故障单元进行隔离和定位。国际上虽然已出现了部分针对雷达天线的诊断方法，但是由于对成千上万的辐射单元进行快速定位存在很大技术难题，再加之国外机构对核心技术保密的原因，使得我国在相控阵天线快速诊断技术方面仍然处于空白，特别是外场测试与维修技术，始终难以保障我军相控阵雷达技战术性能的充分发挥。

二、国内外研究现状和发展态势

相控阵天线的快速测量和诊断一直是相控阵雷达测试领域内的研究热点问题。相控阵天线的测试技术除包含一般天线测量技术的内涵（测试、诊断和调试）外，还包含相控阵天线组装好之后的性能校准和相控阵雷达使用过程中阵面性能的监测，该技术贯穿于相控阵雷达天线研制、生产、使用整个过程。目前国内外对相控阵天线的测试诊断可分为两部分工作，一是对相控阵雷达整部天线的外场性能测试，如发射功率、天线增益、灵敏度、损耗等，通常采用相控阵雷达的近场/远场测试；二是通过性能监测发现天线系统异常后，通过相应的诊断策略可将故障直接定位至具体的辐射单元，即相控阵天线的故障诊断。其中，对相控阵天线的诊断是这部分工作的难点，由于相控阵雷达庞大的天线阵元数，使得辐射单元的故障隔离和快速定位仍是目前世界范围内的技术难题。（1）国内研究现状

我国在上世纪70年代末80年代初，天线近场测量技术才开始起步。近几年来, 在一些大专院校和科研单位, 建立了不少天线平面近场测量系统, 例如：

①西安电子科技大学与中国电子科技集团公司第14研究所共建的微波技术与天线国防科技重点实验室，是中国大学中唯一的天线与电磁散射研究机构，实验室瞄准未来我军武器装备需要，在先进相控阵研制技术方面取得了重大突破，在多功能相控阵技术、组件技术、有源子阵技术、隐身技术等方面取得了重要成果，许多方面已经进入国际前沿。

②中国电子科技集团公司第14研究所自行研制生产了10m×10m的平面近场扫描系统, 测量设备为HP8530系列，同时为中国航天科工集团二院第23研究所设计制造了相同尺寸的平面扫描系统。

③中国兵器工业集团第206研究所引进了一套由ORBIT公司生产的的框架式平面扫描系统。

④中国电子科技集团公司第29研究所引进了一套由美国NSI公司生产的450型近场球面扫描系统，测量设备为HP8530系列。

⑤中科院空间中心, 也建立了自己的天线近场测量系统。

由于我国起步较晚, 这些测量系统与国外的测量系统相比都不够完善。总体来说，我国近场测量技术的研究从八十年代初开始至今取得了不小的成果，但在研究的深度和系统性等方面与国际先进水平相比还存在较大差距。

相对于天线近场测试，国内关于相控阵雷达的监测技术方面的报道并不多，且只有少数研究所和高校从事这方面的研究工作。总的来看，目前国内在相控阵天线的测试诊断领域，研究主要还是集中在对天线方向图、功率、增益、损耗等性能的近场测试上，这种研究基本上是以天线是否正常工作、是否满足性能要求为测试目的，但对于阵面中出现的异常天线单元则无法进行有效地诊断和定位。在有关相控阵天线故障诊断方面，国内目前还鲜有相关的研究报道和文献，特别是针对大型相控阵雷达阵面的外场测试诊断技术目前尚无较为有效和成熟方法。因此随着相控阵雷达的广泛应用，开展相控阵雷达的外场测试及诊断技术的研究显得十分迫切。

（2）国外研究现状

在世界范围内，关于相控阵天线的测试一直是相控阵雷达研制和使用过程中的关键技术。常规远场测量天线的方法由于在实施中存在诸多困难，有时甚至无能为力，因此近场测试方法在实际工程应用中得到了广泛应用。自从Barrett等人在50年代采用离开天线口面几个波长来测量其波前的幅相特性，实验结果令人大为振奋，由此掀开了近场测量研究的序幕。从五十年代至今，天线近场测量技术，经历了四十多年的历程，并且由理论研究进人了大量的工程应用。尤其是近场平面扫描技术，它不仅能够用来测量天线的辐射特性，而且能够用来“诊断”天线的口面场分布情况，为大型平面阵天线的设计、研究提供可靠准确的设计依据，从而对此类天线的研究提供了新的手段。

在近场测量理论研究方面，在Barrett等人的实验之后，Richnlond等人用空气和介质填充的开口波导分别测量了微波天线的近场，并把由近场测量所计算得到的方向图

与直接远场法测得的结果相比较，其方向图在主瓣和第一副瓣吻合较好，由于探头是非理想起点源所致，远副瓣和远场法相差较大，为此出现了各种方法的探头修正理论。直到1963年Karns等人提出了平面波分析理论才从理论上严格地解决了非点源探头修正的问题，与此同时 Paris和Leach等人用洛伦兹互易定理也推出了含有探头修正的平面波与柱面波展开表达式。Joy等人也给出了含有探头修正下的球波展开式及其应用。

至此频域近场测量模式展开理论己完全成熟，因此研究者的目光投向了应用领域，在随后的若干年里，美国标准局(NBS)等研究机构进行了大量的实验证明此方法的准确性，其中取样间隔、探头型式的选择以及误差分析是研究者们关心的热门问题。①取样间隔及取样间距。由于模式展开理论是建立在傅立叶变换的基础上，根据傅立叶变换中抽样定理，对带宽有限的函数，用求和代替积分，用增量代替积分元不引入计算误差，面平面、柱面、球面的模式展开式对辐射场而言都是带宽有限的函数，忽略探头与被测天线间的电抗耦合(取样间距选取的准则)；②探头型式的选取。无论是采用何种扫描形式，测量常规非扫描天线方向图，都希望探头的极化纯度高、弱方向性且前向无零点，满足这几个条件的理想探头为偶极子和开口波导。由于测试系统动态范围限制，因此用这种探头测量低副瓣天线会引入较大的测量误差。所以Grimm等人提出了用“零探头”的方法进行测量，Hannssen等人用此方法对副瓣为-49dB的天线进行了测量，并与直接远场法测量结果进行了比较，其结论是“零探头的测量结果更接近于理论值”；③误差分析。天线近场测量系统是个复杂的系统，研究结果表明：辐射近场测量的主要误差源为18项，大致可以分为4个方面，即探头误差、计算误差、测量系统误差、以及测量环境误差。到目前为止，对于平面扫描的情况，这些误差对天线参数影响的上界已由Newen等人给出了解析表达式，并由Jensen等人进行计算机模拟。对于柱面和球面扫描，这些误差源对天线电参数的影响的误差上界尚未完成。此外，近场测量还有待完善和解决的问题有：与被测天线多次反射耦合公式、近场测量对天线口径场诊断的精度、近场扫频测量的研究、平面散射近场的误差分析、单发单收测量方法的严格理论推导、时域平面散射近场测量理论证明等。

在近场测量系统工程研究方面，世界各国的研究部门，尤其是一些著名的电子、宇航、通信公司，相继建立了大小不同，型式各异的天线平面近场测量系统。根据用途的

不同，有的安装在微波暗室内，有的安装在舰艇上，有的使用频率高达550GHz。从型式上讲，小型平面扫描架一般采用框架结构，大型平面扫描架多数采用了塔架结构型式，有些采用龙门架结构型式，探头朝向地面扫描，这样，被测天线就可平躺在地面上，方便了被测天线的架设。美国国家标准局从1953年开始, 对天线近场测量从理论上进行了分析，1960年制作了框架式X/Y平面扫描系统, 使用频率范围可达50GHz；美国的休斯飞机公司, 不同大小的天线近场测量系统分别分布在通信和空间部、雷达部、导弹部等，其中最大的一套面积达100平方米；1997年，美国近场测量公司NSI, 为日本东芝公司建成了世界上最大的天线平面近场测量系统, 扫描尺寸为33m×16m。按尺寸大小划分, 小尺寸的平面扫描架主要分布在美国Harris公司、休斯公司、TRW公司、美国加州州立大学、以色列等。中等尺寸的平面扫描架主要分布在美国宇航局、休斯公司、休斯导弹系统部、NASA、Raython、马丁公司、劳拉公司、安德鲁公司、加拿大SPAR 公司等；大尺寸的平面扫描架主要分布在美国休斯公司、马丁公司、劳拉公司空间系统部、美国海军、法国的Alcatel、意大利的Alenia、德国的MBB公司、以色列国防部、荷兰海军等。除此之外, 在印度、西班牙、瑞典、丹麦、英国等都有自己的平面近场测量系统, 其中丹麦也是世界上最早研究近场测量的国家之一。

在天线故障诊断方面，世界各国学者相继提出了各种理论。1982年日本学者S.Mano 和T.Katagi首先提出了旋转电矢量法测量单元的幅相激励并应用于相控阵天线的校准上。日本学者Nobuyasu等人在2001年提出了考虑移相器相位误差的旋转电矢量法，该方法的基本思想是接收探头置于被测天线阵面的前方，被测天线单元逐次换相，而其它天线单元相位不变。通过接收探头接收到信号能量的最大值和最小值的比值和信号能量最大值时所在的移相器状态，便可以确定被测天线单元的幅相特性和检测出故障。该方法在概念上很简单，但是在测量过程中由于仅有一个天线单元换相，所以探头的接收信号变化很不敏感，测量误差较大，测量时间也比较长。

美国学者Aumann M和Fenn J等人在1989年提出了利用相控阵单元互耦来快速校准相控阵天线的方法，之后国内学者把互耦校准方法应用到大型的有源相控阵天线中。美国学者Silverstein D在1996年提出了用开关矩阵编码方法来测量和校准通讯卫星上相控阵天线的方法，该方法的基本思想是当相控阵天线在通讯卫星上工作时，用开关

矩阵对相控阵天线的各单元幅相激励进行编码，地球基站在接收到信号后对接收信号进行解码，便可复原出被测天线的幅相激励。

前苏联科学家在上世纪80年代中后期提出了相控阵天线换相测量法，并将该方法应用于相控阵天线的测量和诊断中。该方法的基本思想是在相控阵天线和测量探头均保持固定的情况下，测量相控阵天线不同配相状态下探头的接收信号幅相，然后用数学算法对实验数据进行处理即可确定任意配相状态下各通道激励的幅相，从而可以计算出各种波束指向时的方向图，该方法充分利用了相控阵天线相位可控的优点，利用了相控阵天线本身的结构信息和特点，能大大减少测量和诊断时间，对环境要求也低，同时可进行单元故障鉴别，与其它测量法相比有很大的优点。

（3）发展态势

目前国外提出的许多有源相控阵天线的监测校准技术，大致可分为近场诊断技术(频域和时域)、性能鉴别与故障隔离校准技术、旋转矢量法技术及阵面换相技术等，但对于某些大型相控阵雷达(天线很长)的测试由于受到设备、场地时间等因素的限制，使得测试与校准较困难。因此，有关相控阵雷达天线的快速测试及诊断一直是国外工程技术领域及学术界的研究热点问题。

三、主要参考文献

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备注：请于2012年12月30日前交至学院研究生科（主楼C1-116室）