雷達吸波材料反射率測試技術概述

王超杰 劉永峙 宋宇華 于萬增 厲寧 郭宇

1 前言

雷達隱身技術的實現(xiàn)是雷達利用無線電波來發(fā)現(xiàn)目標，并測定其位置，由于雷達波具有恒速、定向傳播，因此，當雷達波碰到飛行目標時，一部分雷達波便會反射回來。由此可見，如若要想降低由雷達檢測到飛行目標的概率不被雷達波輕易發(fā)現(xiàn)，那么雷達散射截面這個參數(shù)就成了研究隱身雷達波材料的重要數(shù)據(jù)。雷達吸波材料的研制、使用、發(fā)展將成為研究雷達隱身技術的重中之重，對未來戰(zhàn)爭中的成敗起決定性的作用[1]。

隨著軍事高科技的迅猛發(fā)展，世界其他國家防御系統(tǒng)探測，跟蹤和攻擊能力的成長，滲透陸地、海洋的能力，所有的武器和軍事目標的生存能力受到越來越嚴重的威脅，所以隱身技術的發(fā)展是今后發(fā)展的大趨勢。隱身技術分為2種，即外形隱身和材料隱身，其中材料隱身是指在裝備外形不能改變的前提下來實現(xiàn)隱身技術，降低被探測率，提高自身的生存率[2]。

為了能夠進一步研究雷達吸波材料，需要找到幾種測試技術來更準確的測量吸波材料的吸波性能，常用的雷達波反射率的測試技術有弓形法測試技術、同軸測試技術、遠場雷達散射截面（RCS）測試技術和樣板空間平移測試技術。弓行測試技術是國內(nèi)外一致推薦的衡量吸波材料性能指標的最簡單最容易操作的測試技術。

2 反射率測試技術概述

2.1 弓形測試技術

弓形測試技術適用于一般實驗室，對實驗室環(huán)境沒有特定的要求。該技術采取掃頻方式[3]，測試吸波材料測試樣板反射率。設計弓形支架，將發(fā)射和接收天線對稱地放置在一個圓弧上，所在平面垂直于吸波材料平面，吸收材料產(chǎn)生的吸收特性會因為不同偏振和不同的入射角展示出不同，在測試時發(fā)射天線和接收天線在相同偏振情況下工作。當標準板受到發(fā)射天線電磁波的散射之后，接收天線會接到，此時網(wǎng)絡分析儀會記錄下數(shù)據(jù)，然后我們在標準板上放置待測吸波材料測試樣板，按照同樣的測試方法，獲得通過待測吸波材料測試樣板反射回來的電磁波，網(wǎng)絡分析會將2種信號進行做差比對，即可得到吸波材料測試樣板材料板的反射率，設計出的弓形支架如圖1。

從圖1可以看出：入射角的變化主要是由發(fā)射天線位置來決定的，發(fā)射天線是可以根據(jù)測試所需要的數(shù)據(jù)來移動的，一旦入射角發(fā)生變化，接收天線也會隨之相應移動。由于發(fā)射天線和接收天線位置發(fā)生改變時，極化偏振方向也要隨之改變，所以會選擇極化天線。

2.2 微波暗室測試技術

微波暗室吸波材料測試樣板測試法顧名思義是在具有昏暗的實驗室中進行的。同樣是采用掃頻方式，測試吸波材料測試樣板反射率。

如今，隱身技術的發(fā)展已經(jīng)進入到相當高的水平，戰(zhàn)斗機前向RCS達到-20dB已不再是難以實現(xiàn)，縮放系數(shù)為1：10的戰(zhàn)斗機模型前向RCS可以打到-40dB，這就需要測試現(xiàn)場的背景電平比被測物體RCS值低20dB以上。因此，在設計研究微波暗室時，對其電性能、特定的體積，背景電平的反射率等要求更為嚴格，設計好的吸波暗室如圖2。

有系統(tǒng)示意圖可以看出：發(fā)射天線由一個狹窄的激勵脈沖電磁波輻射到空間中，之后被吸收材料反射之后由另一接收天線接收。按照相同的程序，把金屬參照物替換為吸波材料，二次測得的信號數(shù)據(jù)經(jīng)過矢量儀處理后得到該吸波材料在一定波段內(nèi)反射率系數(shù)。

2.3 同軸測試技術

同軸測試法同弓形法一樣適用于任何普通的實驗室，對實驗室環(huán)境沒有特定的要求，不同的是可以不受外部電磁干擾即能無誤地測量吸收材料的反射率。為了正確的和方便的測試雷達波材料（吸波材料測試樣板）的吸收特性，采用HP8722ET矢量網(wǎng)絡分析儀和APC—7mm空氣減震器簡單測量的方法，測試系統(tǒng)如圖3所示。

研究實驗表明：同軸測試技術測出的實驗數(shù)據(jù)與理論值非常一致，比弓形測試技術具有更高的精度。該測試技術同樣也可以應用到其他種類的矢量網(wǎng)絡分析儀和同軸空氣線路測試系統(tǒng)組成。首先先測量沒有吸波材料時短路器所接收電磁波經(jīng)矢量分析儀所測出的頻率S1（f），其次在將吸波材料放上去測試出放上吸波材時矢量分析儀所測出的吸波頻率S2（f），最后可得出反射率見式（1）：

由微波理論表明，同軸空氣線路由2個同軸圓柱導體的制導系統(tǒng)，TEM波（指電磁波的電場和磁場都在垂直于傳播方向的平面上）是可以傳輸?shù)?；當在同軸線路的TEM波傳輸時，電磁波的傳輸方向和同軸線的橫截面是互相垂直的。所以，可垂直于入射電磁波被認為是APC—7mm同軸空氣管線中的吸波材料橫截面。

2.4 樣板空間平移測試技術

吸波材料測試樣板反射率樣板空間平移測試法適用于在無強電磁干擾的一般實驗室里進行測量，采用點頻方式，測試吸波材料測試樣板反射率，測量時要求其實驗支架模型后面的背景要無回聲，所以就要采用微波暗室里面所采用的背景吸波材料，后續(xù)會有介紹。其基本原理是，在一般的實驗室，借助于微波測量線，測量的吸波材料測試樣板在空間平移時電場強度所生成的變化，實現(xiàn)自由空間吸波材料測試樣板反射測量。

在測試過程中，打開交流電源，電壓在220V時，需要開啟和預熱信號發(fā)射源以及選頻放大器，調(diào)整正在工作信號源的頻率之后，該金屬參照物被放置在模板支架，接受檢查知道選出最大反射點，調(diào)整所選擇頻率的放大器，使它的指針達到滿刻度。驅動移動支架模型，記錄顯示器顯示最大和最小電流差△Ι1作為基準值，再將需要測量的吸波材料板替換金屬參照物同樣驅動移動樣板支架，記錄顯示器顯示最大和最小電流差△Ι2，用已得到的2個數(shù)據(jù)計算為當前板載吸波材料測試樣板反射率之間的差異見式（2）：

r=201g（△Ι2/△Ι1） （2）

由此可知，該測試方法的基本原理是通過吸波材料板在空間平移過程中所產(chǎn)生的電場強度的變化，借助微波測量線來實現(xiàn)自由空間下測量吸波材料樣板的反射率，測試系統(tǒng)如圖4所示。

3 測試系統(tǒng)的誤差來源及分析

3.1 弓形測試技術的誤差來源及分析

3.1.1 吸波材料測試樣板形狀對測試結果的影響

當使用矢量網(wǎng)絡分析測試吸波材料的反射率時，吸波材料測試樣板的大小形狀要和標準板的尺寸相同，要以減少吸波材料測試樣板所產(chǎn)生測量誤差為標準，吸波材料測試樣板的正確形狀和大小的選取可以再次被降低，包括所引起的測量誤差邊緣散射和喇叭天線輻射模式。

經(jīng)過各國的研究，參考同一區(qū)域反射的金屬標準版制備成正方形，圓形，四周鋸齒形，該基準正方形金屬標準板帶來的測量誤差的最小的最終的實驗結果。一般要求金屬標準板邊的長度尺寸一般為5～15倍波長。還要注意的是：在放置金屬標準板和吸波材料測試樣板時，2板之間的縫隙要在2～3mm的誤差之內(nèi)，以便避免反射和漏波。

3.1.2 大角度入射對測試結果的影響

大角度入射情況下對吸波材料測試樣板反射率的產(chǎn)生的誤差較大，因為發(fā)射和接收天線之間的耦合是非常嚴重的，而且耦合問題難以解決。在一個典型的情況下，例如，所述的弧形框架的半徑是2m，吸波材料測試樣板長寬高尺寸是60cm×60cm×60cm，天線相對于地面吸波材料測試樣板的入射角為60°。在圖5所示的天線角度，從發(fā)射天線輻射出來能量會散落到地面或者吸波材料測試樣板的側面影響板的吸波性能，而此時接收天線所接受到的能量也會隨之影響矢量網(wǎng)絡分析儀的測試結果，為了避免發(fā)射天線輻射的直漏，可以用吸波屏住散落的能量，但是吸波屏與吸波材料測試樣板的距離會小于25cm，會對測試結果產(chǎn)生一定的誤差。所以當入射角≥60°時，測試結果更糟糕，已經(jīng)不能使用吸波屏來控制發(fā)射天線的直漏能量了，所以弓形測試技術在大入射角情況下是不太建議使用的。

3.1.3 天線間雜散耦合對測試結果的影響

在弓形法測試工程中，如果接收天線和發(fā)射天線之間的距離不斷縮小，那么發(fā)射天線所輻射出的波會多多少少的由接收天線直接吸收，這種現(xiàn)象被稱為天線間的耦合[4]。既然這一情況不可避免，那么就要估摸出天線間的耦合所產(chǎn)生誤差的大小。如果收發(fā)天線間的耦合電平≥吸波材料測試樣板所能衰減的電平，那么接收天線將無法區(qū)分出是耦合電平還是吸波材料反射回來的電平，那么所測試的數(shù)據(jù)是無用的。所以筆者在測試吸波材料測試樣板反射率時，選擇金屬板作為標板，將吸波材料測試樣板放置在金屬板上能夠有效隔離天線間的直接耦合。

3.1.4 客觀因素對測試結果的影響

除了以上3個對誤差有重大影響的因素，還有一些客觀的因素。比如，測試系統(tǒng)中所使用的網(wǎng)絡分析儀和頻譜分析儀自身就會存在一定的小誤差；背景誤差是鋪設在地面上的一種吸波材料，能使其反射率低于-40d B，還要保證整個房間的反射率在一定可控范圍內(nèi)；弓形支架要做到對稱表面光滑，但是在現(xiàn)實實施制作組合過程中會避免不了輕微的摩擦，也不能絕對保證對稱；吸波材料測試樣板會隨著溫度硬度的變化而使性能出現(xiàn)微小的變化，頻繁使用過程中也會出現(xiàn)磨損等。

3.2 微波暗室測試系統(tǒng)存在的誤差來源及分析

3.2.1 測試位置誤差

雖然定標時采用了定標儀，但是不能保證目標待測物和收發(fā)天線等高、旋轉支架的轉軸和待測物中心重合，所產(chǎn)生的誤差直接會影響測試結果[5]，反復測量取平均值

3.2.2 定標體引入的校準誤差

目標RCS做出準確的測試一般情況下使用金屬球做校準體，其做工與工藝精度會對結果產(chǎn)生一些誤差。在校準過程中，矢量網(wǎng)絡分析儀記錄的標準球的反射電平不是最大值，校準不夠準確，導致測量測試結果不準確。為了測試校準值的準確度，可以校準后，測量標準球的RCS值，再通過公式，得到標準金屬球RCS理論值，再將理論值和測量值進行對比。如果測量誤差在±0.5范圍內(nèi)，則校準結果是準確的，如果測量誤差在±0.5范圍外，說明校準結果是不準確的，我們需要重新校準。

3.2.3 背景回波產(chǎn)生的誤差

在測試過程中，微波暗室的四壁，地板和天花板的關會導致電磁波多重反射，從而接收天線收到的反射波由幾個信號的波形組成：開始是直接耦合到接收天線的信從發(fā)送天線發(fā)出；然后，經(jīng)過背景吸收材料反射到天線接收的信號；最后，由環(huán)境中其他平面物體產(chǎn)生的反射信號。如果測試場地滿足上一章所要求的設置條件，那么其他平面雜散反射信號總是滯后于有用信號，可以通過時域函數(shù)的測量儀器和數(shù)字信號處理技術將有用的信號提取出來。

3.2.4 客觀因素產(chǎn)生的誤差

收發(fā)天線間的副瓣特性引入的誤差；測試支架、測試電纜和天線對場的擾動、散射引入的誤差；頻譜分析儀幅值線性引入的誤差；收發(fā)天線的位置和極化失配引入的誤差；電纜損耗平坦度引入的誤差；信號源、功率放大器穩(wěn)定度及系統(tǒng)噪聲引入的誤差。

4 結語

綜上所述，上文介紹了雷達波隱身材料的吸波特性的4種測試技術，并進行了原理概述。通過對2種測試技術進行的誤差分析，希望對研究吸波材料的吸波性能后續(xù)的工作具有一定的指導意義。當然，很多問題還有待進一步深入的研究：吸波材料電磁參數(shù)變溫測試技術研究；全極化米波雷達反隱身及極化信息處理研究；對于已涂覆于飛行器表面的雷達吸波材料吸波性能測試的研究；將誤差分析后的結果糾正到所開發(fā)測試系統(tǒng)軟件的結果。

參考文獻

[1] 朱洪立，葉智書，陳開來，等.寬頻雷達吸波材料研究[J].工程塑料應用，2006，34（2）：14-16.

[2] 王磊，張玉軍，張偉儒，等.吸波材料的研究現(xiàn)狀與發(fā)展趨勢[J].現(xiàn)代陶瓷技術，2004（4）：23-25.

[3] 郭權國，蔣全興.拱形法中收發(fā)天線雜散耦合對測試結果的影響[J].宇航計測技術，2005（1）：33-37.

[4] 周松林.天線測試距離對測量結果的影響[J].電視技術，2005（5）：64-66.

[5] 郭靜.微波暗室目標RCS測試方法的研究與試驗[D].南京：南京航空航天大學，2008.