雷达天线方向图是表征雷达系统空间辐射能量分布的核心性能指标，其精确测量直接关系到雷达的探测精度、分辨力、抗干扰能力及电磁兼容性。方向图的形态，包括主瓣宽度、旁瓣电平、前后比及波束指向精度等参数，决定了雷达在特定应用场景下的效能边界。

一、 检测项目的详细分类与技术原理

天线方向图检测项目可系统性地分为幅度方向图、相位方向图及极化特性三大类。

  1. 幅度方向图检测：这是最基础的检测项目，旨在测量天线辐射场强或功率随空间角度的变化关系。

    • 关键技术参数：

      • 主瓣宽度：通常指3dB波束宽度，反映了雷达的角度分辨能力。其测量原理是记录辐射功率降至波束中心最大值一半时所对应的两个角度之间的差值。

      • 旁瓣电平：最大旁瓣的峰值电平相对于主瓣峰值的比值，通常以分贝(dB)表示。低旁瓣电平对于抑制杂波、避免虚假目标至关重要。测量时需在暗室环境中精确扫描整个空间。

      • 前后比：主瓣最大值与后瓣最大值之间的比值，体现了天线的后向辐射抑制能力，对降低多径效应和自身干扰有重要意义。

    • 技术原理：主要采用远场测量法、紧缩场法和近场扫描法。远场法要求待测天线与探针天线之间的距离满足夫琅禾费远场条件（R ≥ 2D²/λ，其中D为天线口径，λ为波长），通过转台旋转待测天线，探针在固定位置接收信号，从而构建方向图。近场扫描法则在待测天线近场区采样幅相数据，通过严格的数学变换（如傅里叶变换）计算出远场方向图。

  2. 相位方向图检测：测量天线辐射场的相位中心随角度的变化。这对于需要高精度测距和测角的雷达（如导航、目标跟踪雷达）尤为重要。相位方向图的均匀性直接影响波束形成的质量和指向精度。测量需采用矢量网络分析仪，同步记录信号的幅度和相位信息。

  3. 极化特性检测：测量天线在不同极化状态（如水平、垂直、左旋圆极化、右旋圆极化）下的辐射性能。

    • 关键技术参数：交叉极化隔离度。它定义了天线在发射某一极化波时，在其正交极化方向上产生的不期望辐射电平。在气象雷达中，高隔离度是准确识别降水粒子相态（雨、雪、冰雹）的关键。

二、 各行业的检测范围和应用场景

不同行业的雷达系统因其功能使命迥异，对天线方向图的检测重点和范围也各有侧重。

  • 搜救雷达（海事、航空）：此类雷达要求尽可能大的覆盖范围和对小目标的探测能力。检测重点在于水平面方向图的低俯仰角区域性能，确保主瓣能够贴近海平面或地平线，同时要求极低的旁瓣以抑制海杂波和气象杂波。方向图检测需验证其在恶劣环境下（如高湿度、盐雾）的性能稳定性。

  • 导航雷达（舰船、机场地面探测）：侧重于高角度分辨力和精确的目标方位测定。检测核心是方位面方向图的主瓣宽度和对称性。窄主瓣能分辨角度相近的目标，而方向图的对称性则保证了角度读数的准确性。此外，前后比也是一个重要指标，以减少船体或机场建筑物反射造成的干扰。

  • 气象雷达：这是对天线方向图性能要求最为严苛的领域之一。其检测范围覆盖了幅度、相位和极化的全方位性能。

    • 低旁瓣电平：必须优于-35dB甚至更低，以避免强降水区产生的旁瓣回波被误认为是主瓣内的弱降水信号，从而造成数据失真。

    • 高极化隔离度：通常要求优于-30dB，这是实现双极化探测的基础，用于反演降雨率、粒子形状和尺寸分布，区分雨、雪和冰雹。

    • 波束指向精度与稳定性：微小的指向误差会导致对风暴中心定位的偏差，影响预报准确性。

  • 军用雷达（火控、预警）：检测项目最为全面和极端。除了超低旁瓣、高前后比外，还对天线罩对方向图的影响进行专门测试。天线罩在保护天线的同时，其形变和介质特性会扭曲波前，导致方向图畸变、旁瓣抬升和指向误差，必须进行一体化测量与校准。

三、 国内外检测标准的对比分析

雷达天线方向图的测量遵循着一系列严格的国际与国内标准，以确保数据的一致性和可比性。

  • 国际标准：

    • IEEE Std 149：是天线测试的奠基性标准，详细规定了远场、近场和紧缩场等测试方法的场地要求、配置和不确定性分析。

    • IEEE Std 1720：针对近场测量的推荐实践，对探头补偿、采样间距、误差校正等提供了详细指导。

    • ITU-R Recommendations：如ITU-R F.699、ITU-R S.465，规定了用于固定业务和卫星业务的天线方向图模板，特别是旁瓣包络的要求，是设备入网认证的依据。

  • 国内标准：

    • GB/T 9410（等效于IEC 60050）系列：定义了天线相关的术语和基本参数。

    • GJB系列：如GJB 系列中关于机载、舰载雷达天线的测试方法标准。这些军用标准通常比民用标准更为严苛，特别强调了在振动、冲击、温度循环等环境应力下的方向图稳定性测试，即环境适应性验证。

  • 对比分析：

    • 技术趋同：在核心测量原理、方法和关键参数定义上，国内外标准已高度融合，IEEE系列标准是全球（包括中国）科研和产业界的主要参考。

    • 侧重点差异：国际标准（如IEEE, ITU）更侧重于通用方法论和全球频谱管理的协调。而国内标准，特别是国军标（GJB），则更加强调工程实用性和恶劣环境下的性能保障，引入了更多针对特定军事应用场景的测试条件和验收准则。

    • 更新速度：国际标准组织（IEEE, ITU）的标准更新迭代相对更快，能迅速反映新技术（如相控阵、MIMO）。国内标准在采纳国际先进经验的同时，会结合本国工业基础和国防需求进行转化和细化。

四、 主要检测仪器的技术参数和用途

一套完整的天线方向图测试系统是多种高精度仪器的集成。

  1. 矢量网络分析仪：系统的核心，用于产生射频信号并接收测量信号。

    • 关键参数：频率范围需覆盖待测雷达波段；动态范围应大于80dB，以确保能同时精确测量高增益主瓣和极低旁瓣；幅度稳定度和相位稳定度是保证测量重复性的基础。

    • 用途：提供激励信号，并高精度地测量从探针天线返回的信号的幅度和相位。

  2. 定位转台系统：

    • 关键参数：定位精度（可达角秒量级）和轴系正交度。转台的角度定位误差会直接转化为方向图的角坐标误差。

    • 用途：精确控制待测天线在方位和俯仰维度的转动，实现对整个空域的扫描。

  3. 标准增益天线/探针：

    • 关键参数：已知的精确增益值、低电压驻波比（VSWR） 和稳定的相位中心。

    • 用途：作为校准的基准，用于系统增益的定标，将网络分析仪的读数转化为绝对的辐射功率或场强。

  4. 微波暗室：

    • 关键参数：静区性能（静区幅度纹波、相位纹波）、屏蔽效能（通常>80dB）。

    • 用途：提供一个无反射、无干扰的自由空间模拟环境，是进行精确方向图测量，特别是低旁瓣测量的先决条件。

综上所述，雷达天线方向图的检测是一个涉及多学科、多参数的系统工程。随着相控阵雷达和毫米波雷达的普及，对方向图测试的自动化、智能化以及多通道、多波束同时测试能力提出了更高要求，推动着测试技术与仪器的持续演进。