單反射面緊縮場接收機(jī)靈敏度要求評估方法

歐乃銘 白 明 梁 彬 苗俊剛

(北京航空航天大學(xué) 電子信息工程學(xué)院，北京 100191)

緊縮場［1］通常建于微波暗室內(nèi)，采用高精度反射面，將位于反射面焦點(diǎn)處饋源產(chǎn)生的電磁波轉(zhuǎn)化為滿足遠(yuǎn)場測試條件的接近理想的平面波，其在天線測試及目標(biāo)RCS(Radar Cross Section)測試方面有著廣泛的應(yīng)用.緊縮場有多種形式［2－9］，其中最常用的是由一個(gè)偏置的旋轉(zhuǎn)拋物面和位于其下前方焦點(diǎn)處的饋源組成的偏饋式單反射面緊縮場.

緊縮場系統(tǒng)靈敏度與場地尺寸、發(fā)射功率、饋源性能、工作頻率、系統(tǒng)結(jié)構(gòu)以及接收機(jī)靈敏度等諸多因素有關(guān)，它反映了緊縮場系統(tǒng)的最小可測RCS電平.對緊縮場系統(tǒng)靈敏度的要求也可反映為對接收機(jī)靈敏度的要求.當(dāng)RCS減小(即對系統(tǒng)靈敏度的要求提高)、工作頻率提高時(shí)，對于接收機(jī)靈敏度的要求非常高.因此在構(gòu)建緊縮場時(shí)，正確評估系統(tǒng)對接收機(jī)靈敏度的要求，是十分重要的.

1 問題的提出

對緊縮場接收機(jī)靈敏度要求的評估，比較普遍采用的是利用雷達(dá)方程導(dǎo)出的天線測試相應(yīng)的理論公式［10－11］:

式(1)能夠根據(jù)目標(biāo)RCS值、系統(tǒng)發(fā)射功率、工作頻率、天線增益以及緊縮場饋源相位中心到緊縮場反射面中心點(diǎn)的距離估計(jì)出系統(tǒng)對接收機(jī)靈敏度的要求.利用該公式進(jìn)行接收機(jī)靈敏度要求的評估，沒有全面考慮到反射面具體形狀尺寸、反射面邊齒結(jié)構(gòu)、反射面邊緣繞射、緊縮場靜區(qū)中心位置等因素的影響，它忽略了緊縮場自身性能在其靈敏度評估過程中的影響，具有一定的近似性和片面性.

本文對單反射面緊縮場接收機(jī)靈敏度進(jìn)行了研究，根據(jù)洛倫茲互易定理，提出了一種對緊縮場接收機(jī)靈敏度要求進(jìn)行評估的方法.該方法能夠全面反應(yīng)目標(biāo)RCS值、系統(tǒng)發(fā)射功率、工作頻率、饋源性能、反射面形狀尺寸、反射面邊齒結(jié)構(gòu)、反射面邊緣繞射、緊縮場靜區(qū)中心位置等因素的影響.文中利用該方法，對北京航空航天大學(xué)微波暗室接收機(jī)靈敏度要求進(jìn)行評估，并與實(shí)驗(yàn)測試的結(jié)果進(jìn)行比較，對此評估方法的有效性和正確性進(jìn)行驗(yàn)證.

2 評估方法

緊縮場測試系統(tǒng)中，可以視緊縮場饋源(主動源)和反射面組成一個(gè)天線整體，視位于靜區(qū)中心的標(biāo)準(zhǔn)定標(biāo)球?yàn)橐粋€(gè)待測天線(被動源)，將標(biāo)準(zhǔn)定標(biāo)球通過散射緊縮場平面波(該平面波是主動源激勵的電磁波通過反射面的反射而得到的)而形成的球面波視為其激勵的場，取位于反射面和靜區(qū)中間的任意平面作為上述兩個(gè)天線系統(tǒng)的天線口面.同時(shí)假定存在一個(gè)虛擬源，其發(fā)射的電磁波通過天線口面上每一點(diǎn)的功率流方向與主動源完全相反、大小與主動源完全相同，該虛擬源可視為另一個(gè)待測天線.

這樣，緊縮場饋源、反射面組成的天線整體可分別與被動源、虛擬源組成天線測量系統(tǒng).通過系統(tǒng)仿真計(jì)算，可得到緊縮場饋源與反射面組成的天線整體、被動源、虛擬源在天線口面上的電磁場近場分布.其中虛擬源在天線口面上的近場分布，可直接通過將緊縮場饋源在天線口面上的電場取共軛、磁場相位滯后180°后取共軛的方法得到;被動源在天線口面上的近場分布與定標(biāo)球的RCS值有關(guān).圖1為單反射面緊縮場的系統(tǒng)示意圖.

圖1 緊縮場系統(tǒng)示意圖

在天線測量系統(tǒng)中，利用洛倫茲互易定理［12］，可以求得接收天線系統(tǒng)接收到的來自待測天線系統(tǒng)的電磁波信號的強(qiáng)度.洛倫茲互易定理可表述為

其中，S為包含某一無源區(qū)的封閉曲面;EA，HA和EB，HB分別為待測天線A、接收天線B作為激勵時(shí)在該封閉曲面上的電磁波近場分布.

待測天線A、接收天線B、封閉曲面S的相對位置關(guān)系如圖2所示，其中閉合曲面S=S0+S∞+ΣB.

圖2 天線測試系統(tǒng)系統(tǒng)示意圖

無源區(qū)V是由封閉曲面S限定的區(qū)域，將洛倫茲互易定理應(yīng)用于該區(qū)域，可得接收天線B接收到的來自待測天線A的信號，即接收天線B的輸出為

VB正比于待測天線A激勵時(shí)接收天線B的接收電壓，那么正比于待測天線A激勵時(shí)接收天線B的接收功率.

在求得緊縮場饋源與反射面組成的天線整體、被動源、虛擬源在天線口面上的電磁場近場分布后，利用式(3)可得到緊縮場饋源接收到的來自被動源(標(biāo)準(zhǔn)定標(biāo)球)的信號VS，以及緊縮場饋源接收到的來自虛擬源的信號VX.

由虛擬源的定義可知，其在天線口面上的通過功率P能夠完全被緊縮場饋源接收，那么緊縮場饋源接收到的來自被動源的實(shí)際功率為

反射面效率η，是指緊縮場饋源在天線口面上的通過功率P與其發(fā)射功率Pt的比值，則式(4)可改寫為

Pr即為在一定的目標(biāo)RCS值和饋源發(fā)射功率下，系統(tǒng)對接收機(jī)靈敏度的要求.

3 數(shù)值仿真

針對上述分析，結(jié)合圖1所示系統(tǒng)，利用物理光學(xué)法計(jì)算主動源、被動源、虛擬源在天線口面處的近場分布，仿真模型按照北京航空航天大學(xué)微波暗室的實(shí)際尺寸進(jìn)行搭建(靜區(qū)尺寸2m).計(jì)算頻點(diǎn)10GHz，被動源為－15 dBsm定標(biāo)球，采用電場水平極化方式.圖3～圖5分別為各激勵源在天線口面處切向電場的幅值、相位分布.

圖3 主動源在參考平面處近場分布

圖4 被動源在參考平面處近場分布

圖5 虛擬源在參考平面處近場分布

利用上述近場數(shù)據(jù)及式(3)，可求得|VS|=1.413524 ×10－7，|VX|=1.435 85 ×10－3;通過計(jì)算緊縮場饋源口面處的通過功率和其與反射面組成天線整體在天線口面處的通過功率，可求得反射面效率為28.15%.那么當(dāng)饋源發(fā)射功率為0 dBm時(shí)，通過式(5)可得到系統(tǒng)對接收機(jī)靈敏度的要求為:Pr= －85.64 dBm.

表1中列出了利用上述方法求得的在常用頻率 f為 5，10，15，20GHz，發(fā)射功率為 0 dBm，RCS為－15～－45 dBsm時(shí)，系統(tǒng)對接收機(jī)靈敏度Pr的要求.

表1 緊縮場系統(tǒng)對接收機(jī)靈敏度P r的要求 dBm

4 實(shí)驗(yàn)測試

為驗(yàn)證本文提出的評估方法，在真實(shí)場景中進(jìn)行實(shí)驗(yàn)測試.測試條件為:8.5～12GHz掃頻測試，測試目標(biāo)為－15 dBsm標(biāo)準(zhǔn)定標(biāo)球，測量參量為S21(接收功率與發(fā)射功率的比值)，發(fā)射功率為0 dBm.測試結(jié)果如圖6所示.

根據(jù)目標(biāo)RCS測試相關(guān)理論，要想得到饋源接收到的通過定標(biāo)球反射回來的能量，首先需用圖6中的目標(biāo)測試數(shù)據(jù)減去單純的背景測試數(shù)據(jù)，將相應(yīng)的結(jié)果通過逆傅里葉變換由頻域轉(zhuǎn)換到空間域，并在空間域進(jìn)行加窗濾波，如圖7所示;然后再將濾波后的空間域數(shù)據(jù)通過傅里葉變換轉(zhuǎn)回頻域，如圖8所示.

圖6 －15 dBsm定標(biāo)球測試原始接收數(shù)據(jù)

圖7 利用矩形窗進(jìn)行空間域?yàn)V波的示意圖

從圖8中可以看出，在10GHz頻點(diǎn)處，矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀接收端口與發(fā)射端口的能量傳輸比為－94.07 dB.而第3節(jié)中的評估結(jié)果為接收饋源與發(fā)射饋源的能量傳輸比，為此需要得到由矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀發(fā)射端口到發(fā)射饋源以及由接收饋源到矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀接收端口的傳輸線損耗和駐波損耗.通過實(shí)驗(yàn)可知，10 GHz時(shí)該部分損耗為－8.56 dB，那么實(shí)驗(yàn)中接收饋源與發(fā)射饋源的能量傳輸比為－85.51 dB.

圖8 處理后的目標(biāo)頻域數(shù)據(jù)曲線

由于發(fā)射功率為0 dBm，那么接收功率為－85.51 dBm.該結(jié)果與第3節(jié)中的分析結(jié)果基本一致，這就驗(yàn)證了本文根據(jù)洛倫茲互易定理，提出的對單反射面緊縮場接收機(jī)靈敏度要求進(jìn)行評估的方法的有效性和正確性.

5 結(jié)束語

本文對單反射面緊縮場接收機(jī)靈敏度要求進(jìn)行了研究，根據(jù)洛倫茲互易定理，提出了一種通過數(shù)值仿真對緊縮場接收機(jī)靈敏度要求進(jìn)行評估的方法，并結(jié)合實(shí)驗(yàn)測試的結(jié)果驗(yàn)證了該方法的正確性.該方法相對于傳統(tǒng)理論公式的評估方法，考慮了反射面具體形狀尺寸、反射面邊齒結(jié)構(gòu)、反射面邊緣繞射等因素的影響，是結(jié)合緊縮場實(shí)際尺寸、結(jié)構(gòu)的一種評估方法，具有較高的評估精度和廣泛的適用性，對緊縮場接收機(jī)靈敏度要求的評估工作具有一定的意義.

References)

［1］ Olver A D.Compact antenna test ranges［C］ //ICAP 91.Seventh International Conference on Antennas and Propagation.London:IEE，1991:99 －108

［2］ Karttunen A，Ala-Laurinaho J，Vaaja M，et al.Antenna tests with a hologram-based CATR at 650 GH ［J］.IEEE Transactions on Antennas and Propagation，2009，57(3):711 －720

［3］ Descardeci J R，Parini C G.Trireflector compact antenna test range［C］//IEE Proceedings on Microwaves Antennas and Propagation.London:IEE，1997，144(5):305 －310

［4］ Rieckmann C，Rayner M R，Parini CG.Optimisation of cross-polarisation performance for tri-reflector CATR with spherical main reflector［J］.Electronics Letter，1999，135(17):1403 － 1404

［5］ Limbach M，Gabler B，Horn R，et al.DLR-HR compact test range facility［C］//EuCAP 2009 3rd European Conference on Antennas and Propagation.Piscataway，NJ:IEEE，2009:2186 －2189

［6］ Marti-Canales J，Ligthart L P，Roederer A G.Performance analysis of a compact range in the time domain ［J］.IEEE Transactions on Antennas and Propagation，2002，50(4):511 －516

［7］ Janse van Rensburg D J，Pistorius CW I.The compact antenna test range(CATR)at the University of Pretoria［C］ //Africon 92’Proceedings.3rd Africon Conference.Piscataway，NJ:IEEE，1992:175－177

［8］ Chang Dau-Chyrh，Liao Chao-Hsiang，Wu Chih-Chun.Compact antenna test range without reflector edge treatment and RF anechoic chamber［J］.IEEE Antennas and Propagation Magazine，2004，46(4):27 －37

［9］ Hakli J，Koskinen T，Ala-Laurinaho J，et al.Dual reflector feed system for hologram-based compact antenna test range［J］.IEEE Transactions on Antennas and Propagation，2005，53(12):3940－3948

［10］ Dybdal R B.Radar cross section measurements［C］//Proceedings of the IEEE.Piscataway，NJ:IEEE，1987，75(4):498 －516

［11］何國瑜，盧才成，洪家才，等.電磁散射的計(jì)算和測量［M］.北京:北京航空航天大學(xué)出版社，2006:310－311 He Guoyu，Lu Caicheng，Hong Jiacai，et al.Electromagnetic scattering computations and measurements［M］.Beijing:Beijing University of Aeronautics and Astronautics Press，2006:310－311(in Chinese)

［12］毛乃宏，俱新德.天線測量手冊［M］.北京:國防工業(yè)出版社，1987:232－233 Mao Naihong，Ju Xinde.Antenna test manual［M］.Beijing:National Defence Industry Press，1987:232 － 233(in Chinese)