射頻信號極化模擬技術研究與實現(xiàn)*

尹　彬,王帥雷,陳振興

(北京華航無線電測量研究所,北京 100013)

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·工程應用·

射頻信號極化模擬技術研究與實現(xiàn)*

尹彬,王帥雷,陳振興

(北京華航無線電測量研究所,北京 100013)

極化信息在雷達目標檢測和識別中起到越來越重要的作用。射頻信號極化模擬技術利用正交雙極化寬帶天線產生軸比可調、旋向可調、傾角可調的平面波，模擬雷達信號極化特性。極化模擬裝置具有本地控制、遠程控制、外場數(shù)據(jù)回放和自動化校準等功能，實現(xiàn)了線極化、圓極化和橢圓極化等高精度、大帶寬極化狀態(tài)的快速模擬，可滿足工程應用要求。

極化特性；模擬；實現(xiàn)

0　引言

雷達極化技術涉及目標散射波的極化信息處理，受到國內外學術界的高度重視，已應用在很多領域，如大地觀測、災難救助和遙感等。雷達目標散射中的極化信息與目標回波的幅度、相位、多普勒頻率、波形等信息一樣，是非常有用的信息，它在抗有源干擾和雜波干擾、目標信號濾波和增強、目標檢測和目標識別中有著巨大的應用潛力。

本文針對射頻信號極化模擬技術進行理論研究，提出了極化模擬裝置硬件、軟件的實現(xiàn)途徑，以及極化模擬裝置的相關功能。實現(xiàn)了極化模擬裝置的本地極化控制、遠程極化控制、極化數(shù)據(jù)回放和自動校準等功能。該極化模擬裝置可準確地模擬極化特性變化，實現(xiàn)線極化、圓極化和橢圓極化等高精度、大帶寬極化狀態(tài)的快速模擬，頻率帶寬范圍為0.8～18GHz，功率控制誤差在0～30dB時≤±0.5dB，30～50dB時≤±1dB，相位控制誤差≤±3°，輸出功率平坦度≤±1dB(0.8～18GHz，衰減器、移相器置零)，極化狀態(tài)刷新周期≤10ms。

1　極化模擬理論

極化模擬裝置利用雙極化寬帶天線產生軸比可調、旋向可調、傾角可調的平面波，模擬雷達信號極化特性，以供雷達目標極化特性測試。

均勻平面波是指波陣面(等相位面)是一個平面，并且在波陣面上各點的電場強度和磁場強度的大小和方向都分別相等的電磁波。設均勻平面波沿z方向傳播，則等相位面為z為常數(shù)的平面，如圖1所示。

圖1　平面波

波的極化是指在相對于大地平面的電磁波傳播空間給定點處，電場強度矢量的端點隨時間變化的軌跡。極化的形式則根據(jù)電場的矢端軌跡來確定。一般情況下，沿z方向傳播的均勻平面波的電場為：

E=axEx+ayEy

式中，ω為信號角頻率,k=2π/λ為波數(shù),φx,φy分別為x，y方向的初始相位。

當Ex和Ey同向時就得到線極化，即φx=φy=0，合成電場強度為：

合成電場大小為：

合成矢量與x軸夾角為：

可見，合成場強的方向始終保持與x軸成α角方向，電場矢端是一條直線，故稱為線極化波，如圖2所示。工程上常把E的方向平行于地面的直線波稱為水平極化波，把垂直于地面的直線波稱為垂直極化波。

圖2　線極化

當Ex和Ey的振幅相等，相位差90°時，得到圓極化。即Exm=Eym=Em，φy=φx+90°，則合成電場強度為：

所以合成場強大小為：

即：α=ω t-kz-φx。

可見，合成場強大小不變，方向隨時間線性變化，矢端軌跡為一個圓，故稱圓極化，如圖3所示，給出z=0的平面上合成的場強的矢端軌跡。

合成矢量E的旋轉方向與波的傳播方向之間符合右手螺旋關系的圓極化波，稱為右旋圓極化波，而符合左手螺旋關系的圓極化波，稱為左旋圓極化波。按這一規(guī)定，Ey分量相位落后Ex90°，就得到右旋圓極化波，Ey分量相位提前Ex90°，就得到左旋圓極化波。

圖3　右旋圓極化

當Ex和Ey的振幅不相等，相位差不固定時，得到橢圓極化。設φx=0，φy=φ，則有：

(1)

式(1)是典型橢圓參數(shù)方程，在式(1)中消去ω t，得：

(2)

式(2)是個橢圓方程，E的矢端軌跡為橢圓，稱為橢圓極化波，如圖4所示。

圖4　橢圓極化波

通過分別控制雙極化輸入端的信號幅度和相位，在z處的平面上，根據(jù)平面波極化原理模擬不同的平面波極化，如圖5所示。

圖5　平面波極化模擬

2　極化模擬設計和實現(xiàn)2.1　總體設計

極化模擬裝置用于模擬目標雷達極化變化，實現(xiàn)對測角精度指標的評估。極化模擬裝置具備以下功能特點：

1) 與正交雙極化天線、信號源配合，改變雙極化天線兩端口的幅度比、相位差，模擬不同極化特性雷達信號；

2) 具有以太網接口，可與雷達控制臺實現(xiàn)遠程通訊及控制，實現(xiàn)測試自動化；

3) 可載入外場雷達實測數(shù)據(jù)，實現(xiàn)外場數(shù)據(jù)回放；

4) 與矢量網絡分析儀連接，實現(xiàn)自動化校準。

極化模擬裝置由顯控單元、饋電單元和電源單元組成。顯控單元接收本地控制參數(shù)或通過以太網接收雷達控制臺遠控參數(shù)，包括頻率、幅度比、相位差等，查表計算相應的控制碼實現(xiàn)對饋電單元控制。饋電單元完成水平極化通道和垂直極化通道的幅相調制。電源單元提供系統(tǒng)用電。極化模擬裝置系統(tǒng)組成如圖6所示。

圖6　極化模擬裝置系統(tǒng)組成框圖

2.2硬件設計

顯控單元包括顯示、鍵盤、網絡接口、主控計算機和數(shù)字I/O接口板等幾個模塊。采用8.4英寸彩色觸屏顯示器，分辨率1024×768，鍵盤采用8×8鍵盤陣列。極化控制所需幅相參數(shù)可由鍵盤輸入，或通過標準的RJ45網絡接口遠程輸入。

饋電單元包括水平極化幅相控制通道、垂直極化幅相控制通道。饋電單元用于實現(xiàn)雙極化寬帶天線輸入信號的調制，產生軸比可調、旋向可調、傾角可調的平面波。實現(xiàn)原理為：射頻信號通過功分器分別給垂直和水平支路，根據(jù)頻率通過開關選擇0.8～2GHz和2～18GHz支路，射頻信號通過移相器和衰減器調節(jié)功率以及相位產生制定軸比、旋向、傾角的兩路射頻信號，然后通過開關選擇并通過功率放大器將垂直極化和水平極化射頻信號輸出給雙極化寬帶天線輻射給被試設備。水平垂直幅相控制通道原理框圖如圖7所示。

圖7　水平垂直幅相控制通道示意圖

電源包括：給主控計算機及數(shù)字I/O板供電的開關電源和給微波器件供電的線性電源。開關電源采用標準CPCI電源，總功率250W，電壓包括3.3V、5V、12V、-12V。線性電源主要給放大器、移相器和開關供電，電壓包括±5V、9V、12V、±15V等。

2.3軟件設計

極化模擬裝置軟件包括極化控制軟件和極化校準軟件兩部分，其中極化控制軟件實現(xiàn)模擬不同極化特性雷達信號的功能，極化校準軟件為極化控制提供所需的衰減器、移相器表格及初值表格。其中，極化控制流程圖如圖8所示。極化校準流程圖如圖9所示。

圖8　極化控制流程圖

圖9　極化校準流程圖

極化模擬裝置軟件可通過選擇“本地控制”、“遠程控制”、“數(shù)據(jù)回放”或“校準模式”按鈕，切換到相應的工作模式。

3　極化模擬測試結果

極化模擬裝置可以模擬不同極化特性的雷達信號，其主要技術指標如下：

1) 功率控制誤差：0～30dB時≤±0.5dB；30～50dB時≤±1dB；2) 最大輸出功率：≥+17dBm；3) 相位控制范圍：0～360°；4) 相位控制誤差：±3°；5) 輸出功率平坦度：1dB(0.8～18GHz，衰減器、移相器置零)。

利用矢量網絡分析儀測試上述技術指標，具體測試結果如圖10～14所示。

圖10　輸出功率平坦度結果

圖10為水平通道和垂直通道在0.8GHz、1.5GHz、1.95GHz、2GHz、4GHz、8GHz、10GHz、13GHz、15GHz和18GHz時測試的插損值。根據(jù)數(shù)據(jù)分析可知，水平通道和垂直通道插損范圍在1dB范圍內，且均不大于1dB，即最大輸出功率大于等于17dBm(輸入功率為20dBm時)。

圖11　水平通道相位控制范圍及準確度結果

圖12　垂直通道相位控制范圍及準確度結果

圖11～12為水平通道和垂直通道在0.8GHz、1.5GHz、1.95GHz、2GHz、10GHz和18GHz時輸出相位控制范圍和控制準確度測試結果。根據(jù)數(shù)據(jù)分析可知，水平通道和垂直通道相位控制范圍為0～360°，控制誤差滿足±3°以內。

圖13～14為水平通道和垂直通道在0.8GHz、1.5GHz、1.95GHz、2GHz、10GHz和18GHz時輸出功率控制范圍和控制準確度測試結果。根據(jù)上述測試結果可知，水平通道和垂直通道功率控制誤差滿足0～30dB時≤±0.5dB；30～50dB時≤±1dB。

圖13　水平通道功率控制范圍及準確度結果

圖14垂直通道功率控制范圍及準確度結果

控制極化狀態(tài)通過雙極化天線將射頻信號在空間輻射，采用單極化天線旋轉360°接收射頻信號(保證發(fā)射天線與接收天線位于同一軸線上)，測試接收射頻信號幅、相分布圖，繪制電場強度矢量端點的軌跡測試其極化特性。

以5GHz的橢圓極化為例，分別繪制軸比為5dB、10dB，傾角為0°的左旋橢圓極化模擬信號的幅、相分布圖如圖15～16所示，此時對應極化模擬裝置設置參數(shù)分別為垂直通道與水平通道幅度比為-5dB、-10dB，相位差為90°。

圖15　5GHz, 5dB軸比的左旋圓極化幅相分布圖

在圖15～16中，以實測值水平極化幅相值為幅相基準畫出理論左旋圓極化幅相分布圖，并與實測值進行比較。5dB軸比時， 最大幅度差為0.4203dB, 平均幅

圖16　5GHz, 10dB軸比的左旋圓極化幅相分布圖

度差為0.1235 dB，方差為0.1776 dB，傾角為-2.0861°；10dB軸比時，最大幅度差為0.8538dB, 平均幅度差為0.1554dB，方差為0.2858dB，傾角為-2.9252°。由結果可見，極化模擬裝置的極化控制結果與理論值有較高的擬合度，其極化失真度較低，滿足工程應用。

4　結束語

本文提出的極化模擬裝置具備本地控制、遠程控制和外場數(shù)據(jù)回放等功能，能夠實現(xiàn)高精度、大帶寬的極化狀態(tài)的快速模擬，為被試設備測試模擬雷達極化變化，完成整機調試、極化補償、交驗測試等工作。目前，該極化模擬裝置已完成了與被試設備的對接聯(lián)試試驗并交付使用，使用過程中，設備狀態(tài)穩(wěn)定可靠，極化特性模擬準確。■

[1]黃培康，殷洪成，許小劍. 雷達目標特性[M]. 北京：電子工業(yè)出版社，2005.

[2]肖順平. 寬帶極化雷達目標識別的理論與應用[D].長沙：國防科技大學，1995.

[3]莊釗文，肖順平，王雪松. 雷達極化信息處理及應用[M]. 北京：國防工業(yè)出版社，1999.

[4]王雪松，王劍，王濤，等. 雷達目標極化散射矩陣的瞬時測量方法[J]. 電子學報，2006，34(6)：1020-1025.

Research and implementation of RF signal polarization simulation technology

Yin Bin, Wang Shuailei, Chen Zhenxing

(Beijing Huahang Radio Measurement & Research Institute, Beijing 100013, China)

Polarization information plays a more and more important role in radar target detection and recognition. Simulation of RF signal polarization technology uses dual-polarized broadband antenna to produce axial ratio adjustable, rotation adjustable, angle adjustable plane wave which can simulate radar signal polarization characteristics. RF signal polarization simulator can realize local control, remote control, data playback and automatic calibration. It can realize the simulation of line polarization, circular polarization and elliptical polarization in high accuracy and wide band for engineering application.

polarization property;simulation;implementation

國防基礎科研計劃資助項目(A0420132308)

2015-10-17；2016-05-19修回。

尹彬(1988-)，男，工程師，碩士，研究方向為雷達系統(tǒng)仿真與試驗驗證技術。

TN974

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