射頻仿真暗室靜區(qū)性能測(cè)量與優(yōu)化*

(解放軍63880部隊(duì),河南 洛陽(yáng) 471003)

1 引 言

隨著射頻仿真技術(shù)的不斷發(fā)展和軍民用裝備系統(tǒng)研制、生產(chǎn)、試驗(yàn)鑒定的需要，射頻仿真以其經(jīng)濟(jì)、方便、用途廣等特點(diǎn)，在國(guó)內(nèi)外軍事領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用。在評(píng)價(jià)射頻仿真暗室性能的各項(xiàng)指標(biāo)中以靜區(qū)反射電平性能最為重要，實(shí)際應(yīng)用中也都是以實(shí)際測(cè)試得到的靜區(qū)反射電平作為評(píng)價(jià)暗室性能和仿真試驗(yàn)結(jié)果評(píng)定的依據(jù)。為確保靜區(qū)性能，在暗室建造和應(yīng)用時(shí)常常采用靜區(qū)軸線與暗室縱軸重合的設(shè)計(jì)。本文主要針對(duì)靜區(qū)位置為未與暗室縱軸重合的某射頻仿真暗室，闡述了暗室靜區(qū)性能測(cè)試方案，并將實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)與仿真結(jié)果進(jìn)行了詳細(xì)比對(duì)。分析發(fā)現(xiàn)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)和仿真結(jié)果有一定的偏差，研究將重點(diǎn)針對(duì)這種情況，分析了天線、吸波材料、電磁波繞射等可能引起射頻仿真暗室靜區(qū)性能不十分理想的原因，并提出了詳細(xì)的靜區(qū)性能改善措施。

2 某射頻仿真暗室的基本情況

射頻仿真暗室的一端放置在靜區(qū)的三軸飛行轉(zhuǎn)臺(tái),導(dǎo)引頭通過(guò)固定支架安裝在該轉(zhuǎn)臺(tái)上 ,暗室的另一端是球形天線陣列[1]。射頻仿真的工作原理為:將射頻源產(chǎn)生的射頻信號(hào)在目標(biāo)陣列的某一位置輻射出去，模擬空間目標(biāo)信號(hào)。目標(biāo)陣列輻射的信號(hào)由安裝在三軸飛行轉(zhuǎn)臺(tái)上的導(dǎo)引頭接收，用來(lái)測(cè)試導(dǎo)彈的性能[2]。

圖1為某微波暗室側(cè)視靜區(qū)位置示意圖，圖中虛線框帶陰影的部分表示靜區(qū)。該微波暗室靜區(qū)為關(guān)于暗室縱軸左右對(duì)稱、上下不對(duì)稱的一個(gè)區(qū)域，尺寸為25 mm×15 mm×14.5 mm，靜區(qū)大小為1.5 m×1.5 m×1.5 m。

圖1 微波暗室側(cè)視靜區(qū)位置示意圖

3 靜區(qū)性能測(cè)試方案

測(cè)試暗室靜區(qū)反射電平的常用方法有天線方向圖比較法(簡(jiǎn)稱APC 法)、自由空間電壓駐波比法(簡(jiǎn)稱VSWR 法)、場(chǎng)-探針繪制法、等效雷達(dá)橫截面測(cè)量法和偽隨機(jī)碼調(diào)制載波法等5種[3]。目前，我國(guó)尚未頒布微波暗室的電性能測(cè)試方法(或標(biāo)準(zhǔn))，國(guó)際上對(duì)靜區(qū)靜度(反射電平)的鑒定一般采用自由空間駐波比法或天線方向圖比較法。

這里我們采用目前國(guó)內(nèi)外針對(duì)高性能微波暗室靜區(qū)反射電平評(píng)價(jià)的最主要和最常用的測(cè)量方法——VSWR法，該方法測(cè)試原理理論比較成熟，具有很好的測(cè)試重復(fù)性和準(zhǔn)確性。

靜區(qū)性能測(cè)試時(shí)發(fā)射天線直接采用輻射天線陣面上的天線。為了既不使測(cè)試工作量過(guò)大，又能全面評(píng)估陣面天線各個(gè)部位對(duì)靜區(qū)反射電平的影響，選取最不利位置(如陣面邊緣部位)和最典型位置(如陣面中心部位)處的天線作為測(cè)試時(shí)的輻射源。

圖2 選取的發(fā)射天線位置示意圖

暗室靜區(qū)的測(cè)試線分別選取縱向線MN、橫向線XY、垂直線KL，靜區(qū)測(cè)試坐標(biāo)系定義和行程線命名如圖3所示。靜區(qū)中心沿暗室縱軸并指向陣面天線的方向?yàn)?°方向，在此基礎(chǔ)上進(jìn)行方位角和俯仰角的改變。

圖3 靜區(qū)坐標(biāo)系定義和選取的行程線命名圖

測(cè)量時(shí)選取暗室靜區(qū)中的任一條測(cè)試行程線即橫向線、垂直線或縱向線，探測(cè)天線保持一定方向(即探測(cè)天線接收信號(hào)最大方向)，沿這條行程線連續(xù)移動(dòng)，記錄接收電平作為參考電平。然后改變探測(cè)天線的方位角或俯仰角，沿這條行程線移動(dòng)并記錄接收電平(即駐波曲線)。把參考電平和駐波曲線進(jìn)行歸一化處理，由參考電平和駐波曲線之間的電平差值就可得到偏離量A，由駐波曲線虛擬的包絡(luò)線就可得到駐波大小D，再由式(1)就可以求出反射電平R值(dB)：

(1)

4 數(shù)據(jù)分析

數(shù)據(jù)分析主要是對(duì)實(shí)測(cè)結(jié)果與暗室設(shè)計(jì)時(shí)的仿真結(jié)果進(jìn)行比較。采用幾何光學(xué)法對(duì)暗室靜區(qū)反射電平進(jìn)行建模[4]，部分仿真結(jié)果如圖4所示。

(a)2 GHz源點(diǎn)在A點(diǎn)時(shí)靜區(qū)反射電平

(b)10 GHz源點(diǎn)在B點(diǎn)時(shí)靜區(qū)反射電平

(c)18 GHz源點(diǎn)在C點(diǎn)時(shí)靜區(qū)反射電平

因?yàn)榉抡嬗?jì)算和測(cè)試過(guò)程存在差別，仿真計(jì)算時(shí)接收天線認(rèn)為是無(wú)方向性的，但在測(cè)試時(shí)，接收天線是有方向性的，所以，要將計(jì)算結(jié)果和實(shí)測(cè)結(jié)果進(jìn)行比較是比較困難的，但還是可以進(jìn)行一些近似的量化比較，即用實(shí)測(cè)時(shí)接收天線不同方向的測(cè)試結(jié)果與仿真結(jié)果進(jìn)行比較，如表1所示。

表1 實(shí)測(cè)結(jié)果與仿真結(jié)果比較

從表1可以看到，對(duì)于同一源點(diǎn)、同一場(chǎng)點(diǎn)，靜區(qū)反射電平隨著頻率的升高而明顯改善。同時(shí)可以發(fā)現(xiàn)仿真結(jié)果均在實(shí)測(cè)結(jié)果范圍內(nèi)，但各頻點(diǎn)實(shí)測(cè)結(jié)果的下限值并不理想。

5 原因分析

通過(guò)對(duì)影響暗室靜區(qū)反射電平諸因素的分析，認(rèn)為致使實(shí)測(cè)結(jié)果的下限值并不理想的原因有以下幾方面。

5.1 天線因素

由于天線陣列包含大量的陣元天線，陣面較大，幾乎占滿了暗室整個(gè)前墻，所以靠近陣列天線邊緣的陣元天線副瓣電平對(duì)暗室靜區(qū)反射電平的影響較大。

5.2 吸波材料因素

從輻射源發(fā)射出的電磁信號(hào)在各墻面的入射角度的大小直接影響到吸波材料的吸波性能。根據(jù)本文研究的射頻仿真暗室的尺寸、陣列天線分布和靜區(qū)位置，通過(guò)幾何計(jì)算，得到電磁信號(hào)在各墻面的入射夾角：側(cè)墻的入射角度為37.6°～50.7°，頂墻的入射角度為41.2°～48.4°，地面的入射角度為48.7°～74.9°，后墻的入射角度為0°～19.8°。

通常，暗室吸波材料在達(dá)到或超過(guò)入射角60°后，吸波性能就急劇下降。注意到電磁信號(hào)在地面的入射夾角非常大，直接影響到暗室吸波材料的吸波性能。

5.3 電磁波的繞射因素

暗室靜區(qū)反射電平仿真建模采用幾何光學(xué)法，沒(méi)有考慮電磁波的繞射，事實(shí)上，陣元輻射的電磁波的繞射在傳播途徑上大量存在，吸波材料的邊緣和頂角都會(huì)產(chǎn)生繞射波而進(jìn)入靜區(qū)，由于其繞射波幅度與鏡面反射波幅度相比要小得多，因此在反射波占主導(dǎo)地位時(shí)，常常忽略了繞射波的貢獻(xiàn)。

6 靜區(qū)性能優(yōu)化設(shè)想

6.1 天線因素

對(duì)于由于天線因素導(dǎo)致靜區(qū)性能變差的情況，認(rèn)為可從以下幾個(gè)方面采取措施來(lái)提高靜區(qū)性能。

(1)抑制天線副瓣電平

在進(jìn)行天線陣列陣元設(shè)計(jì)時(shí)，對(duì)于靠近墻邊的陣元應(yīng)采取抑制副瓣電平的措施。天線的設(shè)計(jì)不是本文研究的內(nèi)容，這里就不詳述了。

(2)改進(jìn)暗室設(shè)計(jì)

在暗室設(shè)計(jì)階段，充分考慮陣列面的大小和各天線陣元副瓣電平大小，可以采取增加暗室寬度和高度的辦法降低天線副瓣對(duì)靜區(qū)反射電平的影響。

如果暗室的天線陣元等工程基礎(chǔ)都已建成，則從天線因素入手來(lái)提高暗室靜區(qū)性能的措施不可取，但對(duì)天線因素的考慮可以為其它同類型暗室的設(shè)計(jì)提供有益的借鑒。

6.2 吸波材料因素

對(duì)于由于吸波材料因素導(dǎo)致靜區(qū)性能變差的情況，可以從以下幾個(gè)方面采取措施。

(1)選用高性能的吸波材料

吸波材料的性能對(duì)暗室靜區(qū)性能起著決定性的作用，由于角錐型吸波材料尖劈愈長(zhǎng)、錐角越小，吸波性能就越好。所以，如果不考慮經(jīng)費(fèi)因素，盡量多地采用長(zhǎng)尖劈、小錐角的高性能吸波材料對(duì)于提高暗室的靜區(qū)性能也會(huì)起到非常明顯的作用。但尖劈愈長(zhǎng)，造價(jià)越高；錐角越小，加工越困難，造價(jià)也會(huì)增大[5]。

另外，高性能的吸波材料具有較低的反射率，可以減小繞射波的強(qiáng)度，從而減低繞射對(duì)暗室靜區(qū)性能的影響。

(2)抑制入射角大于60°的電磁波進(jìn)入靜區(qū)

為了改善地面吸波材料對(duì)天線陣元輻射的電磁波的吸收，就必須對(duì)入射角大于60°的電磁入射信號(hào)采取措施。可以考慮在暗室內(nèi)部菲涅爾區(qū)加吸收擋板或進(jìn)行內(nèi)壁傾斜的設(shè)計(jì)。

加吸收擋板措施是在地面電磁反射信號(hào)大的位置上加裝介質(zhì)吸收柵欄，經(jīng)過(guò)對(duì)介質(zhì)吸收柵欄的位置、高度和形狀的精心設(shè)計(jì)，使它保證對(duì)入射角大于60°的電磁反射信號(hào)能夠有效地吸收衰減，其幾何示意圖如圖5所示。

圖5 加吸收擋板措施幾何示意圖

內(nèi)壁傾斜措施是將鏡面區(qū)的吸波材料的平面敷設(shè)改為傾斜敷設(shè)，這樣可使鏡面區(qū)反射波的方向偏離靜區(qū)。如圖6所示,在沒(méi)有傾斜鋪設(shè)吸波材料時(shí),反射波(用虛線表示)進(jìn)入了靜區(qū)；斜放置粘貼有吸波材料的金屬板后,反射線(用實(shí)線表示)偏離了靜區(qū)。

圖6 內(nèi)壁傾斜措施幾何示意圖

顯然，這兩種措施都是通過(guò)阻止反射波進(jìn)入暗室靜區(qū)，從而達(dá)到降低靜區(qū)反射電平的目的。通過(guò)縮比模型試驗(yàn)，證明這種措施對(duì)于提高暗室靜區(qū)性能是有效的[6]。

因?yàn)橛绊懓凳异o區(qū)性能的反射波主要是來(lái)自各墻面主反射區(qū)的反射波，所以在采用上述措施進(jìn)行靜區(qū)性能改善時(shí)，只需要重點(diǎn)對(duì)影響暗室靜區(qū)性能的地面主反射區(qū)進(jìn)行處理。

7 結(jié)束語(yǔ)

射頻仿真暗室靜區(qū)性能直接影響著暗室的試驗(yàn)?zāi)芰驮诎凳覂?nèi)進(jìn)行測(cè)試的精度和結(jié)果的可信度。本文針對(duì)某射頻仿真暗室靜區(qū)位置特殊的實(shí)際，闡述了暗室靜區(qū)性能測(cè)試方案，并將實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)與仿真結(jié)果進(jìn)行了詳細(xì)比較。重點(diǎn)分析了影響射頻仿真暗室靜區(qū)性能不理想的天線、吸波材料、電磁波的繞射等主要原因，并且基于幾何光學(xué)法針對(duì)性地提出了靜區(qū)性能優(yōu)化的多項(xiàng)措施。由于射頻仿真暗室建設(shè)的不可逆性，很難通過(guò)將這些措施付諸實(shí)踐來(lái)證明其效果如何，但理論分析認(rèn)為這些措施都是可行的，希望本文的研究能夠?yàn)閲?guó)內(nèi)射頻仿真暗室設(shè)計(jì)、建設(shè)、改造提供一定的借鑒和幫助。

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