大型雙反射緊縮場(chǎng)幅相特性校準(zhǔn)技術(shù)研究

馬永光 楊金濤 吳 翔 何 鑫 黃承祖 黃建領(lǐng)

(北京無(wú)線電計(jì)量測(cè)試研究所，北京 100039)

1 引 言

緊縮場(chǎng)是采用精密的反射面，安裝于專門設(shè)計(jì)的微波暗室內(nèi)，在近距離內(nèi)將饋源發(fā)出的球面波變換為準(zhǔn)平面波的測(cè)量系統(tǒng)。與傳統(tǒng)的其它類型測(cè)量場(chǎng)相比，緊縮場(chǎng)具有占地小、背景電平低、可全天候測(cè)量、保密性好等優(yōu)點(diǎn)，已逐步成為隱身研究、高性能雷達(dá)天線測(cè)試、衛(wèi)星整星測(cè)試、毫米波天線及毫米波系統(tǒng)性能測(cè)試等各種高精度測(cè)量的必要設(shè)備。

當(dāng)前，國(guó)內(nèi)已陸續(xù)建造了幾十個(gè)緊縮場(chǎng)，各緊縮場(chǎng)類型及靜區(qū)尺寸不盡相同，各緊縮場(chǎng)的靜區(qū)性能差異也較大。早期建造的緊縮場(chǎng)，它的電氣設(shè)計(jì)停留在較早期的水平，口面、邊齒設(shè)計(jì)等優(yōu)化不足，面板的加工、拼裝精度等相對(duì)較低，有的緊縮場(chǎng)在建造時(shí)，甚至沒(méi)有進(jìn)行電氣調(diào)整和性能檢測(cè)。隨著長(zhǎng)時(shí)間的使用，緊縮場(chǎng)環(huán)境內(nèi)吸波材料的老化、緊縮場(chǎng)反射面面板的形變、饋源及反射面的相對(duì)幾何位置的改變、邊齒的形變等因素都可能會(huì)導(dǎo)致緊縮場(chǎng)的靜區(qū)性能發(fā)生改變[1-5]，所有這些都需要專業(yè)的計(jì)量校準(zhǔn)機(jī)構(gòu)定期校準(zhǔn)緊縮場(chǎng)的靜區(qū)性能。

研究大型緊縮場(chǎng)靜區(qū)性能校準(zhǔn)技術(shù)可為緊縮場(chǎng)新建、使用和維護(hù)過(guò)程隨時(shí)提供進(jìn)行質(zhì)量控制的技術(shù)手段，通過(guò)對(duì)緊縮場(chǎng)靜區(qū)性能進(jìn)行校準(zhǔn)，可實(shí)現(xiàn)量值溯源，可以掌握緊縮場(chǎng)測(cè)試系統(tǒng)的靜區(qū)性能是否符合測(cè)試指標(biāo)要求，可為分析測(cè)量結(jié)果引入的測(cè)量不確定度提供實(shí)際數(shù)據(jù)，會(huì)對(duì)準(zhǔn)確的緊縮場(chǎng)實(shí)驗(yàn)室評(píng)價(jià)提供幫助；通過(guò)定期的緊縮場(chǎng)性能校準(zhǔn)，可對(duì)緊縮場(chǎng)測(cè)試系統(tǒng)性能進(jìn)行監(jiān)測(cè)，有效驗(yàn)證各緊縮場(chǎng)實(shí)驗(yàn)室的測(cè)量技術(shù)能力，還可以識(shí)別發(fā)現(xiàn)各緊縮場(chǎng)實(shí)驗(yàn)室存在的問(wèn)題，從而可以采取糾正措施，向?qū)嶒?yàn)室的客戶提供更高的可信度，以保證武器型號(hào)中使用的天線、天線罩及目標(biāo)RCS測(cè)試結(jié)果的準(zhǔn)確可靠性。本文以大型雙柱面緊縮場(chǎng)待校為例，從現(xiàn)場(chǎng)計(jì)量幅相系統(tǒng)構(gòu)建、大型復(fù)雜掃描系統(tǒng)設(shè)計(jì)、現(xiàn)場(chǎng)計(jì)量實(shí)施等方面詳細(xì)分析了緊縮場(chǎng)靜區(qū)性能現(xiàn)場(chǎng)校準(zhǔn)相關(guān)技術(shù)[6-8]。

2 校準(zhǔn)系統(tǒng)分析

本文分析的待校雙反射面緊縮場(chǎng)是雙柱面緊縮場(chǎng)，布局示意圖如圖1所示，采用兩個(gè)彎曲面互相垂直的拋物柱面校準(zhǔn)饋源發(fā)出的球面波，副面首先校準(zhǔn)一維波前形成柱面波，主面校準(zhǔn)另外一維波前而獲得平面波靜區(qū)。通過(guò)副面的補(bǔ)償作用會(huì)抵消一部分由于偏饋拋物面聚焦所帶來(lái)的誤差，其靜區(qū)性能較單反射面緊縮場(chǎng)有所提升。其主面等效的焦徑比大于單反射面緊縮場(chǎng)的焦徑比，一定程度上可以減小空間衰減的不均勻，同時(shí)交叉極化也略有提升。由于電磁波經(jīng)過(guò)兩個(gè)反射面，使得傳播光程更長(zhǎng)，使得在RCS測(cè)試中，目標(biāo)回波光程與暗室墻壁的直接回波有較大的光程差，更易于實(shí)現(xiàn)較低的RCS背景電平。

圖1 雙柱面緊縮場(chǎng)工作原理布局圖Fig.1 Double cylinder compaction field working principle layout

圖2 雙柱面緊縮場(chǎng)現(xiàn)場(chǎng)計(jì)量幅相系統(tǒng)構(gòu)建圖Fig.2 Construction diagram of on-site measuring amplitude and phase system of double cylinder compaction field

大型緊縮場(chǎng)靜區(qū)平面波幅相性能校準(zhǔn)主要采用探頭掃描法，現(xiàn)場(chǎng)計(jì)量幅相系統(tǒng)主要由微波幅相系統(tǒng)和掃描設(shè)備系統(tǒng)組成，布局示意圖如圖2所示。微波幅相系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)對(duì)探頭接收信號(hào)進(jìn)行幅度和相位測(cè)量，掃描設(shè)備系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)控制檢測(cè)探頭的接收位置和姿態(tài)。掃描架系統(tǒng)是現(xiàn)場(chǎng)校準(zhǔn)的關(guān)鍵設(shè)備，需要其平面度指標(biāo)達(dá)到百分之一個(gè)波長(zhǎng)，隨著工作頻率的升高，精度指標(biāo)越難實(shí)現(xiàn)。本課題組研制的高精度掃描系統(tǒng)運(yùn)動(dòng)功能由天線部件(包括天線極化轉(zhuǎn)臺(tái)、進(jìn)給補(bǔ)償機(jī)構(gòu)和激光靶標(biāo)組件)、直線運(yùn)動(dòng)模塊、主旋轉(zhuǎn)模塊、方位調(diào)整模塊、俯仰調(diào)整模塊、動(dòng)態(tài)配重模塊等6個(gè)功能模塊聯(lián)合工作實(shí)現(xiàn)，共計(jì)7個(gè)運(yùn)動(dòng)自由度，實(shí)現(xiàn)了高自動(dòng)化、高精度的設(shè)計(jì)目標(biāo)，半徑式安裝模式工作行程達(dá)6m，直徑式安裝模式工作行程達(dá)3m，安裝中心高度可達(dá)(4～10)m，經(jīng)計(jì)量人員現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)，設(shè)備平面度指標(biāo)RMS值可達(dá)0.05mm。現(xiàn)場(chǎng)安裝后對(duì)掃描架架身整體掛裝吸波材料，減少架體散射對(duì)現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量的影響，探頭天線周圍也均覆蓋吸波材料進(jìn)行遮擋。

雙反射面緊縮場(chǎng)不同于單反射面緊縮場(chǎng)，一般雙反射面緊縮場(chǎng)布局饋源與反射面不在同一個(gè)房間內(nèi)，發(fā)射饋源與緊縮場(chǎng)靜區(qū)天線距離較遠(yuǎn)，所以微波幅相系統(tǒng)不采用單獨(dú)使用矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀的發(fā)收方式，而由信號(hào)源單獨(dú)產(chǎn)生發(fā)射信號(hào)后通過(guò)饋源及反射面輻射出去，利用矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀接收測(cè)試天線和參考天線兩路信號(hào)獲取幅相信息，利用掃描架設(shè)備控制接收天線的位置，可進(jìn)行不同靜區(qū)位置的選擇測(cè)試，系統(tǒng)連接框圖如圖3所示。

圖3 檢測(cè)系統(tǒng)框圖Fig.3 Detection system block diagram

現(xiàn)場(chǎng)計(jì)量時(shí)，需要利用激光跟蹤儀對(duì)接收天線在緊縮場(chǎng)靜區(qū)中的位置進(jìn)行精確定位，對(duì)掃描架的掃描運(yùn)動(dòng)平面進(jìn)行校準(zhǔn)，通過(guò)對(duì)接收天線移動(dòng)軌跡的直線度和平面度指標(biāo)進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)，必要時(shí)根據(jù)實(shí)際需要利用檢測(cè)數(shù)據(jù)對(duì)靜區(qū)平面波相位性能結(jié)果進(jìn)行補(bǔ)償修正，實(shí)現(xiàn)相位高精度測(cè)量。

3 現(xiàn)場(chǎng)計(jì)量實(shí)施

根據(jù)雙柱面緊縮場(chǎng)現(xiàn)場(chǎng)計(jì)量需求，在現(xiàn)場(chǎng)安裝了高精度大型掃描設(shè)備，大型掃描架分為水平方向掃描和豎直方向掃描姿態(tài)，如圖4所示。掃描方向坐標(biāo)示意圖如圖5所示。在靜區(qū)內(nèi)架設(shè)大型多自由度高性能掃描架，可控制掃描面方位、俯仰角度偏差，利用不同頻段探頭接收天線覆蓋待校頻率，通過(guò)半徑掃描數(shù)據(jù)拼接實(shí)現(xiàn)靜區(qū)全范圍幅相特性計(jì)量。

圖4 現(xiàn)場(chǎng)計(jì)量所用大型極坐標(biāo)掃描設(shè)備實(shí)物圖Fig.4 Physical map of large polar coordinate scanning equipment used for on-site measurement

圖5 現(xiàn)場(chǎng)計(jì)量掃描坐標(biāo)示意圖Fig.5 On-site metrology scan coordinate diagram

其中，某極化條件下水平方向幅相計(jì)量結(jié)果如圖6所示，靜區(qū)邊緣位置交叉極化現(xiàn)場(chǎng)計(jì)量結(jié)果如圖7所示。

圖6 水平方向幅相計(jì)量結(jié)果曲線圖Fig.6 Horizontal amplitude and phase measurement results of a certain frequency point

圖7 交叉極化計(jì)量結(jié)果曲線圖Fig.7 Cross-polarization measurement result of a certain frequency point

圖6中,幅度錐削(幅度擬合曲線變化最大差值)，單位dB；幅度波紋(幅度實(shí)測(cè)曲線與擬合曲線最大差值)，單位dB；相位起伏(相位實(shí)測(cè)曲線與擬合曲線最大差值)；幅度錐削表征靜區(qū)截線上某極化條件下幅度理論設(shè)計(jì)情況，幅度紋波表征幅度實(shí)際變化分布與理論設(shè)計(jì)分布的差別，幅度波紋主要由于靜區(qū)內(nèi)場(chǎng)干擾源在靜區(qū)內(nèi)疊加干擾場(chǎng)而引起的，干擾源主要包括反射面邊齒、饋源直漏及暗室反射。因此其可以評(píng)估邊齒設(shè)計(jì)、饋源副瓣特性、暗室設(shè)計(jì)等，同時(shí)當(dāng)饋源主瓣出現(xiàn)紋波時(shí)，也可引起靜區(qū)內(nèi)的紋波。圖7交叉極化表征靜區(qū)場(chǎng)相應(yīng)位置靜區(qū)邊緣接收極化與饋源極化方向正交的極化幅度分量，主極化分量與交叉極化分量之差，反映了靜區(qū)內(nèi)的極化純度，主要受反射面的布局影響，通過(guò)在固定點(diǎn)連續(xù)旋轉(zhuǎn)法測(cè)量。

4 結(jié)束語(yǔ)

該緊縮場(chǎng)在某極化條件下，幅度錐削0.8dB，幅度波紋0.5dB，相位波紋6°，交叉極化-40.1dB，均滿足緊縮場(chǎng)各項(xiàng)設(shè)計(jì)指標(biāo)要求。本文以某單位大型雙反射面緊縮場(chǎng)現(xiàn)場(chǎng)校準(zhǔn)需求為例，詳細(xì)分析了大型緊縮場(chǎng)靜區(qū)校準(zhǔn)所涉及的幅相系統(tǒng)構(gòu)建、大型掃描裝置設(shè)計(jì)、現(xiàn)場(chǎng)計(jì)量分析等相關(guān)校準(zhǔn)技術(shù)，實(shí)施效果滿足緊縮場(chǎng)用戶需求。通過(guò)對(duì)緊縮場(chǎng)靜區(qū)性能定期校準(zhǔn)，可以幫助緊縮場(chǎng)用戶加深對(duì)緊縮場(chǎng)靜區(qū)特性的了解，引起用戶對(duì)緊縮場(chǎng)性能可能發(fā)生變化的因素加以重視，可為測(cè)量結(jié)果引入的測(cè)量不確定度分析提供依據(jù)，可有助于實(shí)現(xiàn)各緊縮場(chǎng)系統(tǒng)量值統(tǒng)一。