大型緊縮場靜區不同位置電磁幅相特性測試分析

馬永光 張雁釗

(1.北京無線電計量測試研究所，北京 100039；2.航天建筑設計研究院有限公司，北京 100071)

1 引 言

大型緊縮場是采用精密反射面，在近距離內將饋源發出的球面波變換為平面波的設備，其產生的準平面波可充分滿足天線、天線罩及目標RCS電磁特性測試的遠場環境要求。與傳統外場相比，緊縮場具有占地相對小、背景電平低、可全天候測量、保密性好等優點，隨著緊縮場技術日益成熟，該類型設備逐步成為雷達目標、高性能雷達天線、衛星整星、毫米波系統等各種高精度產品電磁特性測量的必要設備。對于大靜區緊縮場，許多實驗室用戶特別關心靜區整個區域的電磁幅相特性分布情況，對靜區前截面、中心截面、后截面三處不同位置的電磁幅相特性抽檢均提出了明確的現場測試需求。因此，專門研究了靜區多個位置的現場測試方法，設計了現場測試系統。本文依據GJB 8480—2015《緊縮場性能測量方法》、JJF(軍工)133—2017《緊縮場靜區平面波幅相特性校準規范》等文件[1-8]，針對某靜區尺寸為5m×5m×5m大型緊縮場，對靜區前、中、后三處不同位置垂直來波方向豎直截面上的電磁幅相分布特性在工作頻段(0.5～40)GHz內進行了性能現場測試，對測試結果詳細分析了同一截面不同測量截線不同極化不同工作頻率的電磁幅相差異及靜區不同截面位置同一極化等多種條件下的電磁幅相差異。

2 測試系統構建分析

在幾何布局(靜區尺寸為5m×5m×5m)的大型緊縮場內獲得的側視及俯視測試示意圖如圖1和圖2所示，借助于該暗室靜區地面鋪設的前后移動導軌，在導軌上安裝移動滑車帶動掃描裝置前后移動，實現靜區三個截面測試。

圖1 大型緊縮場側視示意圖

圖2 大型緊縮場俯視示意圖

緊縮場靜區電磁幅相性能測試基于探頭掃描法，即使用場探頭對緊縮場靜區平面波場的幅相特性檢測評估。該方法是國際上最通用的直接檢測方法，測試系統鏈路如圖3所示，利用高精度矢量網絡分析儀、功率放大器、低噪聲放大器、接收探頭天線、穩幅穩相線纜與高性能掃描架獲取靜區場的幅相分布，通過數據處理分析獲取各項被測參數。現場掃描系統基于極坐標形式，通過激光跟蹤儀建立掃描架與反射面的精確幾何關系，確定靜區前、中、后三個待測截面位置。

圖3 測試系統鏈路框圖

測試涉及的大型緊縮場反射面及測試使用的掃描裝置水平及豎直姿態實物圖如圖4和圖5所示。掃描架為極坐標型式，主要由底座、支撐、大臂旋轉及掃描導軌、極化轉臺等組成，掃描裝置可整體拆卸、運輸，現場組裝于暗室地面導軌滑車上，該設備具有掃描臂旋轉、沿掃描臂徑向運動、探頭天線極化狀態切換等功能。

圖4 被測緊縮場實物圖

圖5 測試用極坐標掃描架狀態實物圖

現場測試時選取靜區3個截面中心十字線開展主極化(水平極化HH和垂直極化VV)幅相特性測試，通過激光跟蹤儀每次實時反饋探頭天線移動軌跡偏差，對測試相位結果進行修正。主極化掃描檢測范圍不小于5.0m×5.0m，現場測試接收探頭掃描示意圖如圖6所示。

圖6 任意截面測試接收探頭掃描示意圖

緊縮場靜區幅相特性測試需要控制接收探頭天線掃描軌跡滿足百分之一波長要求，本次測試通過激光跟蹤儀實時跟蹤反饋進行精度調整控制，使用如圖5中地面上支撐的激光跟蹤儀所示，型號AT930，生產廠瑞士 LEICA，空間坐標測量不確定度15μm+6μm/m。

3 測試結果統計分析

評估緊縮場靜區電磁幅相特性主要涉及3項指標：幅度錐削、幅度波紋、相位峰峰，3項參數示意圖如圖7所示。圖7(a)中黑色虛線幅度擬合最大最小值之差表示幅度錐削，幅度實測紅色曲線最大正值偏差或最大負值偏差表示幅度波紋，圖7(b)中相位變化峰峰值為圖中相位實測紅色實線最大值與最小值之差。

圖7 緊縮場幅相特性參數示意圖

靜區前、中、后三處位置橫截面的測試數據統計結果分別如圖8至圖10所示。測試頻段覆蓋(0.5～40)GHz，分別獲取水平(HH)極化和垂直(VV)極化檢測結果。每項抽測頻率相應掃描測量范圍和位置均按該緊縮場靜區設計尺寸及位置范圍進行測試，水平方向與豎直方向代表掃描十字線的不同方向(參見圖6)，所有數據獲取后通過數據處理分析獲得幅度錐削、幅度波紋、相位峰峰等結果。

圖8 靜區前截面電磁幅相特性統計分析圖

圖9 靜區中心截面電磁幅相特性統計分析圖

圖8～圖10各圖含3個子圖，第一個子圖為幅度錐削統計，該子圖含5條曲線，紅色實線為幅度錐削設計限值，見表1；粉色實線代表水平極化-水平方向掃描各頻點統計結果，綠色雙劃線代表垂直極化-水平方向掃描各頻點統計結果，黑色點劃線代表水平極化-豎直方向掃描各頻點統計結果，藍色虛線代表垂直極化-豎直方向掃描各頻點統計結果；第二個子圖為幅度波紋統計，第三個子圖為相位峰峰值統計，每個子圖均含5條曲線，每條曲線含義同第一個子圖描述的測試狀態。

圖10 靜區后截面電磁幅相特性統計分析圖

表1 大型緊縮場靜區設計指標限值

靜區前截面、中心截面及后截面電磁幅相特性設計指標限值統一，均需要滿足表1中的指標。測試過程中設置的主要參數信息見表2，掃描速度10mm/s，時域加門函數形式為凱塞窗。

表2 測試參數設置信息

每個饋源工作頻段選擇高、中、低三個測試頻點，靜區幅度相位特性在所選的測試頻點處測量，從圖8～圖10測量值與表1設計限值相對比可知該緊縮場靜區所有位置均滿足設計指標要求，從圖中可知幅相特性隨頻率的變化關系。

對不同截面位置不同極化特性做對比分析如圖11和圖12所示，每圖含6個子圖，左列圖為水平HH極化統計結果，右列圖為垂直VV極化統計結果；圖11為水平方向幅相特性結果對比，圖12為豎直方向幅相特性結果對比。

圖11 靜區前中后三處截面水平方向幅相特性對比圖

圖12 靜區前中后三處截面豎直方向幅相特性對比圖

圖11和圖12中每個子圖均含有四條曲線，紅色實線為相應參數設計限值；粉色實線代表靜區前截面測試結果，黑色雙劃線代表靜區中心截面測試結果，藍色虛線代表靜區后截面測試結果，從圖中測試結果分析可知靜區不同位置截面隨測試頻率變化幅相特性不同，不同極化測試條件在水平方向和豎直方向也有一定的變化規律。

4 結束語

大型緊縮場靜區幅相特性測試對現場搭建的測試系統幅相穩定性提出了極高的要求，特別需要控制掃描移動導軌直線度峰峰值優于百分之一最短波長，對極坐標掃描臂提出了很高的精度和剛度要求，這會導致掃描行程在5m及以上的大型掃描架自身重量較重，對運輸、安裝及使用造成很大困難，本文采用了較為輕便的掃描架，雖然掃描導軌的直線度只有毫米級，但測試過程中了采用了高精度激光跟蹤儀對移動直線度實時測量反饋修正，確保了精度達微米級。此外，在高頻大尺寸靜區相位特性測量中，掃描俯仰角和偏航角很難調整到使測試截面與來波的等相位面重合，可對掃描傾斜進行線性補償。