硬件時(shí)域門(mén)技術(shù)在寬頻帶天線罩測(cè)試中的應(yīng)用

徐國(guó)昆 趙代岳 劉尚吉

0 引言

用于測(cè)試天線罩的微波暗室均存在多路徑反射，而寬頻帶天線罩測(cè)試時(shí)，與之匹配的待測(cè)天線波束較寬，更容易受場(chǎng)地側(cè)壁和地面等引起的多徑信號(hào)干擾[1]，導(dǎo)致寬頻帶天線罩傳輸效率測(cè)試結(jié)果存在“超百”或“近零”現(xiàn)象。

目前頻域測(cè)量技術(shù)依托于提高吸波材料的性能，來(lái)達(dá)到降低多路徑反射影響，吸波材料電磁吸收性能已至瓶頸，且造價(jià)高昂。為進(jìn)一步精確測(cè)試，減小誤差，需對(duì)各種干擾信號(hào)加以抑制或消除。寬頻帶天線罩測(cè)試發(fā)展至今，經(jīng)過(guò)多年研究與工程實(shí)現(xiàn)，目前已將軟件時(shí)域門(mén)濾波技術(shù)廣泛應(yīng)用時(shí)域測(cè)量中[2]。與軟件時(shí)域門(mén)相比，硬件時(shí)域門(mén)技術(shù)在去除干擾、提高信噪比、提高測(cè)試穩(wěn)定性方面存在先天獨(dú)特優(yōu)勢(shì)。目前尚未存在硬件時(shí)域門(mén)技術(shù)與寬頻帶天線罩測(cè)試相結(jié)合的文獻(xiàn)資料和工程應(yīng)用案例。

本文將詳細(xì)闡述寬頻帶天線罩測(cè)試中結(jié)合硬件時(shí)域門(mén)技術(shù)原理與方法，并對(duì)比試驗(yàn)軟件時(shí)域門(mén)、硬件時(shí)域門(mén)對(duì)同一寬頻帶天線罩進(jìn)行傳輸效率測(cè)試結(jié)果，驗(yàn)證該方法在工程應(yīng)用的可行性與測(cè)試精度。

1 寬頻帶雷達(dá)罩傳輸效率測(cè)試

1.1 測(cè)試原理

功率傳輸效率反映天線罩對(duì)被測(cè)天線射頻能量的失配損失、熱損耗等情況，是天線罩重要的電性能參數(shù)。天線罩功率傳輸效率一般指單程功率傳輸效率。具體是指對(duì)特定的天線和天線罩，在給定工作頻率和天線掃描位置的情況下，經(jīng)過(guò)天線罩后天線接收到的功率PS與不帶天線罩時(shí)天線接收的功率PA之比，即根據(jù)天線互易定理[3]，天線處于發(fā)射狀態(tài)和接收狀態(tài)下天線罩的功率傳輸是相同的，因此測(cè)試時(shí)通常將天線工作為接收狀態(tài)時(shí)進(jìn)行天線罩功率傳輸?shù)脑囼?yàn)。

1.2 系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)

測(cè)試系統(tǒng)及場(chǎng)地示意圖如圖1所示，該系統(tǒng)能夠根據(jù)測(cè)試需求在不拆卸系統(tǒng)的情況下同時(shí)滿足硬件時(shí)域門(mén)和軟件時(shí)域門(mén)的測(cè)試。

圖1測(cè)試系統(tǒng)及場(chǎng)地示意圖

某測(cè)試系統(tǒng)為典型的微波暗室遠(yuǎn)場(chǎng)測(cè)試系統(tǒng)，長(zhǎng)×寬×高為34m×16m×15m，微波暗室地面、側(cè)壁、頂部鋪設(shè)吸波材料。射頻系統(tǒng)采用單矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀模式（以下簡(jiǎn)稱矢網(wǎng)），矢網(wǎng)配有時(shí)域選件，脈沖觸發(fā)和調(diào)制選件，滿足硬件時(shí)域門(mén)和軟件時(shí)域門(mén)的測(cè)試需求。矢網(wǎng)端口1經(jīng)功率放大器與發(fā)射天線相連，作為微波信號(hào)發(fā)射端，端口2經(jīng)低噪聲放大器與測(cè)試天線相連，作為微波信號(hào)接收端。發(fā)射天線安裝于發(fā)射架，接收天線安裝于待測(cè)轉(zhuǎn)臺(tái)，待測(cè)轉(zhuǎn)臺(tái)可以進(jìn)行空域范圍內(nèi)方位轉(zhuǎn)動(dòng)，接收天線的相位中心與轉(zhuǎn)臺(tái)轉(zhuǎn)動(dòng)中心重合，接收天線隨轉(zhuǎn)臺(tái)方位隨動(dòng)。接收天線處于方位零度時(shí)，收發(fā)天線電軸對(duì)準(zhǔn)。

2 硬件時(shí)域門(mén)應(yīng)用原理

硬件時(shí)域門(mén)原理如圖2所示，軟件時(shí)域門(mén)原理如圖3所示。對(duì)比圖2與圖3，硬件時(shí)域門(mén)原理是矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀的基礎(chǔ)上增加多通道脈沖發(fā)生器和窄脈沖調(diào)制器（門(mén)控開(kāi)關(guān)），上述硬件共同構(gòu)成了硬件時(shí)域門(mén)電路?；谠撚布?，系統(tǒng)由連續(xù)波測(cè)試系統(tǒng)調(diào)制轉(zhuǎn)換為脈沖測(cè)試系統(tǒng)。

圖2硬件時(shí)域門(mén)應(yīng)用原理框圖

圖3軟件時(shí)域門(mén)應(yīng)用原理框圖

軟件時(shí)域門(mén)工作原理：通過(guò)測(cè)試系統(tǒng)快速掃頻功能以傅里葉逆變換形式將頻域測(cè)試數(shù)據(jù)變換為時(shí)域數(shù)據(jù)[4]，在時(shí)域信息中加入相應(yīng)時(shí)間門(mén)對(duì)環(huán)境反射信號(hào)時(shí)間進(jìn)行濾除，再通過(guò)傅里葉變換將時(shí)域變換為頻域（如公式2與公式3），獲得更加符合理論的測(cè)試數(shù)據(jù)；時(shí)間門(mén)是一種帶通濾波器，可以濾除門(mén)以外的響應(yīng)。

應(yīng)用于功率傳輸效率測(cè)試中，時(shí)間門(mén)函數(shù)濾除反射信號(hào)。詳細(xì)過(guò)程頻域信息經(jīng)傅里葉逆變換為時(shí)域信息，時(shí)域信息中確定峰值位置，該峰值為發(fā)射天線到接收天線的直射波所經(jīng)歷的時(shí)間，以峰值為中心設(shè)置門(mén)的寬度，門(mén)信息設(shè)置完畢。

硬件時(shí)域門(mén)工作原理[5]：矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀產(chǎn)生連續(xù)波信號(hào)，連續(xù)波信號(hào)首先傳輸至窄脈沖調(diào)制器，該調(diào)制器將脈沖發(fā)生器產(chǎn)生的脈沖基帶信號(hào)調(diào)制到微波信號(hào)，形成微波窄脈沖調(diào)制信號(hào)，通過(guò)發(fā)射天線輻射出去。類比，接收天線接收回波信號(hào)，在接收通道內(nèi)經(jīng)過(guò)一個(gè)門(mén)控開(kāi)關(guān)（脈沖調(diào)制器），該門(mén)控開(kāi)關(guān)的導(dǎo)通和關(guān)斷受主機(jī)內(nèi)部多通道脈沖發(fā)生器的控制，通過(guò)精確控制脈沖發(fā)生器幾路輸出脈沖信號(hào)的延遲，精確控制接收通道上門(mén)控開(kāi)關(guān)的導(dǎo)通時(shí)刻，只保留設(shè)定目標(biāo)回波到來(lái)時(shí)刻的信號(hào)，將其它信號(hào)濾除。圖5所示為硬件時(shí)域門(mén)干擾去除示意圖，由圖可見(jiàn)，對(duì)于在時(shí)間上可能分開(kāi)的各種干擾信號(hào)，利用硬件時(shí)域門(mén)進(jìn)行干擾的去除是可行的。

圖4軟件時(shí)域門(mén)去除多徑效應(yīng)示意圖

圖5硬件時(shí)域門(mén)去除多徑效應(yīng)示意圖

3 測(cè)試結(jié)果驗(yàn)證與分析

3.1 參數(shù)設(shè)置

硬件時(shí)域門(mén)測(cè)試系統(tǒng)：為抑制場(chǎng)地干擾，設(shè)定要求脈沖占空比通常較小（脈沖周期要求設(shè)置較長(zhǎng)覆蓋場(chǎng)地尺寸，脈沖寬度要設(shè)置的較小以盡可能的濾除目標(biāo)區(qū)域外的干擾），平均功率很低，對(duì)于窄帶接收系統(tǒng)，由于脈沖退敏效應(yīng)的影響使系統(tǒng)動(dòng)態(tài)范圍以10*LOG（占空比）減小，降低了系統(tǒng)的測(cè)量能力，所以其發(fā)射功率設(shè)置要比軟件時(shí)域門(mén)的高?；谏鲜觯瑴y(cè)試參數(shù)設(shè)置如下：

（1）起始頻率：8GHz。

（2）終止頻率：12GHz。

（3）采樣點(diǎn)數(shù)：201（硬件時(shí)域門(mén)），1601（軟件時(shí)域門(mén)）。

（4）發(fā)射功率：3dBm（硬件時(shí)域門(mén)），-10dBm（軟件時(shí)域門(mén)）。

（5）脈寬：15ns。

（6）延遲：300ns。

（7）軟件時(shí)域門(mén)寬：1.5ns。

（8）轉(zhuǎn)臺(tái)運(yùn)動(dòng)范圍：-10°～10°。

（9）角度間隔：1°。

3.2 測(cè)試結(jié)果與分析

以某天線罩為例進(jìn)行硬件時(shí)域門(mén)、軟件時(shí)域門(mén)電性能測(cè)試，以下是部分測(cè)試曲線。

圖6軟件時(shí)域門(mén)方位-10°測(cè)試曲線

圖7軟件時(shí)域門(mén)方位0°測(cè)試曲線

圖8硬件時(shí)域門(mén)方位-10°測(cè)試曲線

圖9硬件時(shí)域門(mén)方位0°測(cè)試曲線

軟件時(shí)域門(mén)的門(mén)限寬度可以設(shè)置較小，因此可以將時(shí)域下的各種干擾濾除的比較好，對(duì)應(yīng)測(cè)試曲線相對(duì)光滑，其原理實(shí)際上就是在時(shí)域上對(duì)數(shù)據(jù)乘上一個(gè)窗函數(shù)，將時(shí)域上數(shù)據(jù)之外的其它數(shù)據(jù)進(jìn)行截?cái)?，該截?cái)嘈?yīng)必然會(huì)引起誤差，表現(xiàn)在頻域就是吉布斯（Gibbs）效應(yīng)[6-7]，該效應(yīng)引起通帶和阻帶內(nèi)的波動(dòng)，同時(shí)帶來(lái)頻域上的邊緣效應(yīng)及帶內(nèi)起伏。圖6和圖7得出測(cè)試曲線的邊緣明顯變化，且曲線起伏也比較大，對(duì)測(cè)試結(jié)果存在影響。

圖10方位0°功率傳輸效率對(duì)比曲線

圖11方位-10°功率傳輸效率對(duì)比曲線

表1軟件時(shí)域門(mén)測(cè)試功率傳輸效率數(shù)據(jù)

表2硬件時(shí)域門(mén)測(cè)試功率傳輸效率數(shù)據(jù)

加硬件時(shí)域門(mén)情況的測(cè)試結(jié)果，圖8和圖9可以看到測(cè)試曲線存在波動(dòng)，這是由于硬件的限制（脈沖調(diào)制器的脈沖無(wú)法做到比較窄），使得硬件時(shí)域門(mén)的脈沖寬度比較寬，門(mén)內(nèi)部還存在著一些干擾無(wú)法濾除，導(dǎo)致頻域曲線上有較多的起伏。

表3理論功率傳輸效率數(shù)據(jù)

對(duì)比分析兩種技術(shù)測(cè)試結(jié)果與理論結(jié)果，兩者之間的平均值基本相同，最小值在較大角域范圍上變化較大。軟件時(shí)域門(mén)測(cè)試技術(shù)可以很好的在寬頻帶的中心頻段附近表征天線罩在該頻段內(nèi)的性能走勢(shì)，且與理論值很貼近，但是頻段上下邊緣則發(fā)生趨勢(shì)變化，與理論值相差較遠(yuǎn)。說(shuō)明軟件時(shí)域門(mén)測(cè)試技術(shù)可以很好的部分表征天線罩在寬頻帶中心頻段的性能走勢(shì)，但是不能真實(shí)表征全頻段頻點(diǎn)特性。硬件時(shí)域門(mén)雖然最終結(jié)果存在波動(dòng)，但是波動(dòng)較小，可以表征出天線罩在寬頻帶內(nèi)的整體性能走勢(shì)，而且測(cè)試結(jié)果與理論值都非常接近。

從總體上看，硬件時(shí)域門(mén)的效果比較好，能夠避免軟件時(shí)域門(mén)處理技術(shù)所引起的一些誤差。

4 結(jié)束語(yǔ)

硬件時(shí)域門(mén)在干擾去除上的技術(shù)優(yōu)勢(shì)，必將成為天線及天線罩測(cè)試主要方法。雖然目前硬件時(shí)域門(mén)在窄脈沖能力方面存在的不足，但是隨著硬件技術(shù)的發(fā)展，具有納秒量級(jí)更窄脈沖寬度生成能力的矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀在測(cè)試中得到應(yīng)用，抗干擾能力更加突出，測(cè)試精度進(jìn)一步提升。