硬件時域門技術在寬頻帶天線罩測試中的應用

徐國昆 趙代岳 劉尚吉

0 引言

用于測試天線罩的微波暗室均存在多路徑反射，而寬頻帶天線罩測試時，與之匹配的待測天線波束較寬，更容易受場地側壁和地面等引起的多徑信號干擾[1]，導致寬頻帶天線罩傳輸效率測試結果存在“超百”或“近零”現象。

目前頻域測量技術依托于提高吸波材料的性能，來達到降低多路徑反射影響，吸波材料電磁吸收性能已至瓶頸，且造價高昂。為進一步精確測試，減小誤差，需對各種干擾信號加以抑制或消除。寬頻帶天線罩測試發展至今，經過多年研究與工程實現，目前已將軟件時域門濾波技術廣泛應用時域測量中[2]。與軟件時域門相比，硬件時域門技術在去除干擾、提高信噪比、提高測試穩定性方面存在先天獨特優勢。目前尚未存在硬件時域門技術與寬頻帶天線罩測試相結合的文獻資料和工程應用案例。

本文將詳細闡述寬頻帶天線罩測試中結合硬件時域門技術原理與方法，并對比試驗軟件時域門、硬件時域門對同一寬頻帶天線罩進行傳輸效率測試結果，驗證該方法在工程應用的可行性與測試精度。

1 寬頻帶雷達罩傳輸效率測試

1.1 測試原理

功率傳輸效率反映天線罩對被測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。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，經過天線罩后天線接收到的功率PS與不帶天線罩時天線接收的功率PA之比，即根據天線互易定理[3]，天線處于發射狀態和接收狀態下天線罩的功率傳輸是相同的，因此測試時通常將天線工作為接收狀態時進行天線罩功率傳輸的試驗。

1.2 系統實現

測試系統及場地示意圖如圖1所示，該系統能夠根據測試需求在不拆卸系統的情況下同時滿足硬件時域門和軟件時域門的測試。

圖1測試系統及場地示意圖

某測試系統為典型的微波暗室遠場測試系統，長×寬×高為34m×16m×15m，微波暗室地面、側壁、頂部鋪設吸波材料。射頻系統采用單矢量網絡分析儀模式（以下簡稱矢網），矢網配有時域選件，脈沖觸發和調制選件，滿足硬件時域門和軟件時域門的測試需求。矢網端口1經功率放大器與發射天線相連，作為微波信號發射端，端口2經低噪聲放大器與測試天線相連，作為微波信號接收端。發射天線安裝于發射架，接收天線安裝于待測轉臺，待測轉臺可以進行空域范圍內方位轉動，接收天線的相位中心與轉臺轉動中心重合，接收天線隨轉臺方位隨動。接收天線處于方位零度時，收發天線電軸對準。

2 硬件時域門應用原理

硬件時域門原理如圖2所示，軟件時域門原理如圖3所示。對比圖2與圖3，硬件時域門原理是矢量網絡分析儀的基礎上增加多通道脈沖發生器和窄脈沖調制器（門控開關），上述硬件共同構成了硬件時域門電路。基于該硬件，系統由連續波測試系統調制轉換為脈沖測試系統。

圖2硬件時域門應用原理框圖

圖3軟件時域門應用原理框圖

軟件時域門工作原理：通過測試系統快速掃頻功能以傅里葉逆變換形式將頻域測試數據變換為時域數據[4]，在時域信息中加入相應時間門對環境反射信號時間進行濾除，再通過傅里葉變換將時域變換為頻域（如公式2與公式3），獲得更加符合理論的測試數據；時間門是一種帶通濾波器，可以濾除門以外的響應。

應用于功率傳輸效率測試中，時間門函數濾除反射信號。詳細過程頻域信息經傅里葉逆變換為時域信息，時域信息中確定峰值位置，該峰值為發射天線到接收天線的直射波所經歷的時間，以峰值為中心設置門的寬度，門信息設置完畢。

硬件時域門工作原理[5]：矢量網絡分析儀產生連續波信號，連續波信號首先傳輸至窄脈沖調制器，該調制器將脈沖發生器產生的脈沖基帶信號調制到微波信號，形成微波窄脈沖調制信號，通過發射天線輻射出去。類比，接收天線接收回波信號，在接收通道內經過一個門控開關（脈沖調制器），該門控開關的導通和關斷受主機內部多通道脈沖發生器的控制，通過精確控制脈沖發生器幾路輸出脈沖信號的延遲，精確控制接收通道上門控開關的導通時刻，只保留設定目標回波到來時刻的信號，將其它信號濾除。圖5所示為硬件時域門干擾去除示意圖，由圖可見，對于在時間上可能分開的各種干擾信號，利用硬件時域門進行干擾的去除是可行的。

圖4軟件時域門去除多徑效應示意圖

圖5硬件時域門去除多徑效應示意圖

3 測試結果驗證與分析

3.1 參數設置

硬件時域門測試系統：為抑制場地干擾，設定要求脈沖占空比通常較小（脈沖周期要求設置較長覆蓋場地尺寸，脈沖寬度要設置的較小以盡可能的濾除目標區域外的干擾），平均功率很低，對于窄帶接收系統，由于脈沖退敏效應的影響使系統動態范圍以10*LOG（占空比）減小，降低了系統的測量能力，所以其發射功率設置要比軟件時域門的高。基于上述，測試參數設置如下：

（1）起始頻率：8GHz。

（2）終止頻率：12GHz。

（3）采樣點數：201（硬件時域門），1601（軟件時域門）。

（4）發射功率：3dBm（硬件時域門），-10dBm（軟件時域門）。

（5）脈寬：15ns。

（6）延遲：300ns。

（7）軟件時域門寬：1.5ns。

（8）轉臺運動范圍：-10°～10°。

（9）角度間隔：1°。

3.2 測試結果與分析

以某天線罩為例進行硬件時域門、軟件時域門電性能測試，以下是部分測試曲線。

圖6軟件時域門方位-10°測試曲線

圖7軟件時域門方位0°測試曲線

圖8硬件時域門方位-10°測試曲線

圖9硬件時域門方位0°測試曲線

軟件時域門的門限寬度可以設置較小，因此可以將時域下的各種干擾濾除的比較好，對應測試曲線相對光滑，其原理實際上就是在時域上對數據乘上一個窗函數，將時域上數據之外的其它數據進行截斷，該截斷效應必然會引起誤差，表現在頻域就是吉布斯（Gibbs）效應[6-7]，該效應引起通帶和阻帶內的波動，同時帶來頻域上的邊緣效應及帶內起伏。圖6和圖7得出測試曲線的邊緣明顯變化，且曲線起伏也比較大，對測試結果存在影響。

圖10方位0°功率傳輸效率對比曲線

圖11方位-10°功率傳輸效率對比曲線

表1軟件時域門測試功率傳輸效率數據

表2硬件時域門測試功率傳輸效率數據

加硬件時域門情況的測試結果，圖8和圖9可以看到測試曲線存在波動，這是由于硬件的限制（脈沖調制器的脈沖無法做到比較窄），使得硬件時域門的脈沖寬度比較寬，門內部還存在著一些干擾無法濾除，導致頻域曲線上有較多的起伏。

表3理論功率傳輸效率數據

對比分析兩種技術測試結果與理論結果，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。軟件時域門測試技術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的性能走勢，且與理論值很貼近，但是頻段上下邊緣則發生趨勢變化，與理論值相差較遠。說明軟件時域門測試技術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，但是不能真實表征全頻段頻點特性。硬件時域門雖然最終結果存在波動，但是波動較小，可以表征出天線罩在寬頻帶內的整體性能走勢，而且測試結果與理論值都非常接近。

從總體上看，硬件時域門的效果比較好，能夠避免軟件時域門處理技術所引起的一些誤差。

4 結束語

硬件時域門在干擾去除上的技術優勢，必將成為天線及天線罩測試主要方法。雖然目前硬件時域門在窄脈沖能力方面存在的不足，但是隨著硬件技術的發展，具有納秒量級更窄脈沖寬度生成能力的矢量網絡分析儀在測試中得到應用，抗干擾能力更加突出，測試精度進一步提升。