制導(dǎo)艙微波暗室靜區(qū)性能的測量方法

陳奇平， 王萬富， 徐耀年， 武亞君

（1.上海市航空航天器電磁環(huán)境效應(yīng)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，上海200438；2.電磁散射重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，上海200090）

0 引言

制導(dǎo)艙微波暗室是制導(dǎo)艙性能測試的關(guān)鍵試驗(yàn)場地，制導(dǎo)艙測試系統(tǒng)中的目標(biāo)模擬器置于暗室靜區(qū)內(nèi)，利用控制系統(tǒng)模擬不同的目標(biāo)姿態(tài)。暗室靜區(qū)性能的好壞直接影響了制導(dǎo)艙測試系統(tǒng)的測試精度。為了使微波暗室靜區(qū)具有良好的低反射性能，避免由于內(nèi)壁的反射而引起測量誤差，微波暗室靜區(qū)反射必須要滿足一定的指標(biāo)要求。本文結(jié)合制導(dǎo)艙微波暗室的功能和特點(diǎn)，介紹了暗室反射率電平的測試原理和方法，并以實(shí)際測試為例，詳細(xì)介紹了測試過程、測試系統(tǒng)組成和測試數(shù)據(jù)處理分析方法，對(duì)制導(dǎo)艙微波暗室靜區(qū)性能的評(píng)估、檢測具有一定的指導(dǎo)作用，對(duì)使用微波暗室進(jìn)行天線輻射特性及目標(biāo)電磁散射特性測量也具有一定的參考意義。

1 測試原理和方法

制導(dǎo)艙是集眾多技術(shù)為一體的復(fù)雜機(jī)電裝置，主要包括導(dǎo)引頭和引信兩大部分。制導(dǎo)艙綜合測試需要在微波暗室內(nèi)進(jìn)行，根據(jù)空間目標(biāo)模擬理論，利用各種模擬設(shè)備，按照導(dǎo)引頭、引信的工作原理和程序，測試其各項(xiàng)技術(shù)參數(shù)。

微波暗室為制導(dǎo)艙綜合測試提供良好的自由空間環(huán)境。反射率電平是評(píng)價(jià)微波暗室性能最重要的參數(shù)，實(shí)際應(yīng)用中也都是以測試得到的靜區(qū)反射電平作為評(píng)價(jià)暗室性能的依據(jù)［1］。反射率電平定義為微波暗室內(nèi)任意點(diǎn)的等效反射場與入射場之比［2］，計(jì)算式為

式中：Ed為微波暗室的入射場；Er為由反射、繞射和散射在測試點(diǎn)合成的等效反射場；φd 為Ed與暗室軸線方向的夾角；φr 為Er與暗室軸線方向的夾角。

微波暗室反射率電平的測量方法主要有自由空間電壓駐波比法（簡稱VSWR 法）、天線方向圖比較法（簡稱APC法）、場-探針繪制法、等效雷達(dá)截面測量法和偽隨機(jī)碼調(diào)制載波法等五種方法［3］。自由空間電壓駐波比法由于可操作性強(qiáng)、數(shù)據(jù)準(zhǔn)確度高，是較為常用的測量方法。根據(jù)空間電磁波傳播理論，空間駐波法的測試原理：在微波暗室內(nèi)，從發(fā)射天線直接到達(dá)接收天線的直射波與經(jīng)墻面、地面的反射波在空間進(jìn)行矢量合成，形成駐波，通過測量駐波的波峰和波谷，再經(jīng)分析計(jì)算可確定直射波與反射波的比值，從而推算出靜區(qū)反射率電平。

圖1為微波暗室內(nèi)直射波與反射波相干示意圖。圖中，從發(fā)射天線直接到達(dá)接收天線的波用符號(hào)Ed表示，而經(jīng)由暗室內(nèi)壁反射的波用符號(hào)Er表示。

圖1 直射波與反射波相干示意

當(dāng)接收天線在靜區(qū)內(nèi)移動(dòng)時(shí)，可測得暗室靜區(qū)的駐波曲線。根據(jù)駐波電壓的最大值Emax和最小值Emin可以確定反射率電平［4］。駐波電壓最大值、最小值的計(jì)算式為

根據(jù)式（2）和式（3）可得直射波和反射波的幅值Ed、Er，計(jì)算式分別為

定義σ為駐波電壓峰峰比，它的計(jì)算式為

則反射率電平Γ為

根據(jù)以上分析可知，通過在靜區(qū)進(jìn)行天線移動(dòng)掃描測量，可獲得暗室靜區(qū)駐波曲線，并根據(jù)式（7）可計(jì)算出暗室靜區(qū)的反射率電平。測試時(shí)，通常將發(fā)射天線置于暗室一端，將接收天線置于靜區(qū)，進(jìn)行移動(dòng)掃描測量。對(duì)于制導(dǎo)艙微波暗室，根據(jù)天線的互易性和制導(dǎo)艙測試系統(tǒng)的實(shí)際應(yīng)用情況，將發(fā)射天線架于靜區(qū)內(nèi)的掃描架上（可以直接利用目標(biāo)模擬器作為發(fā)射天線掃描架），接收天線置于暗室一端，并滿足遠(yuǎn)場測試距離。

在此需要說明一點(diǎn)，式（7）適用于采用全向天線作為接收天線的情況，當(dāng)接收天線具有方向性時(shí)，測得的駐波曲線就會(huì)受到天線方向性的影響。圖2為受天線方向性影響的駐波曲線，圖中曲線A 為接收天線方向圖。

圖2 受天線方向性影響的駐波曲線

2 測試數(shù)據(jù)判定和修正

為了得到準(zhǔn)確的反射率電平測試結(jié)果，需要對(duì)測試結(jié)果進(jìn)行分析判定或修正，具體的操作方法可以歸納為兩種。

（1）利用計(jì)算公式進(jìn)行修正

假設(shè)天線在接收方向θ上的天線增益比主瓣增益低ΔG，駐波電壓峰峰比為σθ，則可根據(jù)式（8）計(jì)算出在此方向上的反射率電平Γθ。

除此之外，還可直接將測試曲線與天線方向性曲線相減，即消除天線方向性的影響，得到駐波電壓峰峰比，再根據(jù)式（7）求出靜區(qū)反射率電平。

以上修正處理方法是基于天線方向圖已知的情況下，當(dāng)天線方向圖未知時(shí)，可以通過對(duì)測試曲線作曲線擬合處理，擬合出天線方向圖，然后進(jìn)行相減處理，得到反射率電平。

（2）根據(jù)反射率電平關(guān)系圖進(jìn)行判定

圖3 天線方向性、峰峰比與反射率電平關(guān)系示意圖

圖4為天線方向性、峰峰比與反射率電平關(guān)系圖，根據(jù)式（8）計(jì)算而得。根據(jù)測得的峰峰比、天線方向性相對(duì)于主瓣差值，對(duì)照?qǐng)D3可以直接推算出反射率電平。由圖舉例來說，假設(shè)在相對(duì)主瓣增益-10dB 的情況下測得峰峰比為0.3 dB，則暗室的反射率電平約為-45dB。

3 測試實(shí)例

3.1 測試內(nèi)容和過程

以某制導(dǎo)艙微波暗室為例，介紹暗室靜區(qū)反射率電平測試的詳細(xì)過程。待測的制導(dǎo)艙微波暗室如圖4所示，暗室指標(biāo)要求為靜區(qū)反射電平優(yōu)于-30dB。

圖4 制導(dǎo)艙微波暗室示意圖

測試時(shí)，利用目標(biāo)模擬器代替二維掃描架，將發(fā)射天線放置在目標(biāo)模擬器上，接收天線放置在天線支架上，并調(diào)整收發(fā)射天線指向，使其主瓣方向正對(duì)靜區(qū)中心。根據(jù)測試區(qū)域要求，發(fā)射天線進(jìn)行水平向或垂直向移動(dòng)，測出暗室靜區(qū)主截面的直達(dá)波與反射波相干作用產(chǎn)生的靜區(qū)駐波分布曲線，分析駐波電壓峰峰比，從而計(jì)算出暗室靜區(qū)反射率電平，為了滿足測量精度，測量選用的等距離采樣間隔小于1／8波長。

3.2 測試系統(tǒng)組成

制導(dǎo)艙微波暗室靜區(qū)反射率電平測試系統(tǒng)主要包括射頻部分、目標(biāo)模擬器及控制部分、系統(tǒng)自動(dòng)化控制部分，測試系統(tǒng)組成示意圖如圖5所示。

目標(biāo)模擬器及控制部分安裝發(fā)射天線，并帶動(dòng)天線按照設(shè)定的運(yùn)動(dòng)軌跡進(jìn)行勻速運(yùn)動(dòng)，完成指定區(qū)域的掃描測量。射頻部分主要包括E8257C信號(hào)發(fā)生器、E4407B 頻譜分析儀、收發(fā)天線以及微波電纜。信號(hào)發(fā)生器起雷達(dá)發(fā)射源的作用，由其產(chǎn)生指定頻率的射頻信號(hào)，利用頻譜分析儀接收測試信號(hào)。系統(tǒng)自動(dòng)化控制部分是協(xié)調(diào)整個(gè)系統(tǒng)自動(dòng)化測量的關(guān)鍵部分，主要包括控制計(jì)算機(jī)和自動(dòng)化控制軟件，利用自動(dòng)化軟件實(shí)現(xiàn)射頻部分的參數(shù)設(shè)置、同步測試和數(shù)據(jù)采集。

圖5 測試系統(tǒng)組成示意圖

圖6 某頻率點(diǎn)靜區(qū)水平向反射率電平測試與分析曲線

3.3 測試結(jié)果

為了能較完整地測試靜區(qū)反射率電平，在靜區(qū)水平向和垂直向選擇了多個(gè)位置進(jìn)行掃描測量。圖6為某頻率的靜區(qū)中心位置水平向反射率電平測試與分析曲線，水平向移動(dòng)行程為600mm。

圖6（a）顯示的是帶有天線方向性的駐波曲線，圖中實(shí)線表示駐波分布測試曲線，虛線為對(duì)測試曲線進(jìn)行擬合后的天線方向性曲線，將實(shí)線與虛線進(jìn)行相減處理，即可得到圖6（b）所示的駐波分布曲線。由曲線可知，駐波電壓峰峰比為0.11dB，根據(jù)式（7）可計(jì)算出反射率電平為-44dB，靜區(qū)反射率電平滿足設(shè)計(jì)指標(biāo)。

4 結(jié)束語

制導(dǎo)艙微波暗室是開展制導(dǎo)艙測試的重要場所，本文根據(jù)制導(dǎo)艙微波暗室的工作特點(diǎn)，詳細(xì)介紹了基于空間駐波比法的靜區(qū)反射率電平測試方法和測試系統(tǒng)。針對(duì)測試天線為定向天線的情況，提出利用計(jì)算公式修正和關(guān)系圖判定兩種處理方法，本測試方法已成功應(yīng)用于某型號(hào)制導(dǎo)艙微波暗室的測試。

［1］ 鄭星，樊友誼，等.射頻仿真暗室靜區(qū)性能測量與優(yōu)化［J］.電訊技術(shù)，2010，50（7）：140-144.

［2］ 朱傳煥.微波暗室反射率電平對(duì)微波場強(qiáng)校準(zhǔn)的影響［J］.計(jì)量、測試與校準(zhǔn)，2008，28（4）：31-34.

［3］ 陳云，周軍.采用自由空間駐波法測試微波暗室反射電平［J］，通信對(duì)抗，2005，（3）：57-59.

［4］ 王志宇，喬閃，等.微波暗室靜區(qū)性能的測量方法［J］.微波學(xué)報(bào)，2007，（23）：69-72.