大型緊縮場靜區(qū)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(shè)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(nèi)將饋源發(fā)出的球面波變換為平面波的設(shè)備，其產(chǎn)生的準(zhǔn)平面波可充分滿足天線、天線罩及目標(biāo)RCS電磁特性測試的遠(yuǎn)場環(huán)境要求。與傳統(tǒng)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(yōu)點(diǎn)，隨著緊縮場技術(shù)日益成熟，該類型設(shè)備逐步成為雷達(dá)目標(biāo)、高性能雷達(dá)天線、衛(wèi)星整星、毫米波系統(tǒng)等各種高精度產(chǎn)品電磁特性測量的必要設(shè)備。對于大靜區(qū)緊縮場，許多實(shí)驗室用戶特別關(guān)心靜區(qū)整個區(qū)域的電磁幅相特性分布情況，對靜區(qū)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(xiàn)場測試需求。因此，專門研究了靜區(qū)多個位置的現(xiàn)場測試方法，設(shè)計了現(xiàn)場測試系統(tǒng)。本文依據(jù)GJB 8480—2015《緊縮場性能測量方法》、JJF(軍工)133—2017《緊縮場靜區(qū)平面波幅相特性校準(zhǔn)規(guī)范》等文件[1-8]，針對某靜區(qū)尺寸為5m×5m×5m大型緊縮場，對靜區(qū)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(nèi)進(jìn)行了性能現(xiàn)場測試，對測試結(jié)果詳細(xì)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(qū)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(tǒng)構(gòu)建分析

在幾何布局(靜區(qū)尺寸為5m×5m×5m)的大型緊縮場內(nèi)獲得的側(cè)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(qū)地面鋪設(shè)的前后移動導(dǎo)軌，在導(dǎo)軌上安裝移動滑車帶動掃描裝置前后移動，實(shí)現(xiàn)靜區(qū)三個截面測試。

圖1 大型緊縮場側(cè)視示意圖

圖2 大型緊縮場俯視示意圖

緊縮場靜區(qū)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(qū)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(tǒng)鏈路如圖3所示，利用高精度矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀、功率放大器、低噪聲放大器、接收探頭天線、穩(wěn)幅穩(wěn)相線纜與高性能掃描架獲取靜區(qū)場的幅相分布，通過數(shù)據(jù)處理分析獲取各項被測參數(shù)。現(xiàn)場掃描系統(tǒng)基于極坐標(biāo)形式，通過激光跟蹤儀建立掃描架與反射面的精確幾何關(guān)系，確定靜區(qū)前、中、后三個待測截面位置。

圖3 測試系統(tǒng)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(tài)實(shí)物圖如圖4和圖5所示。掃描架為極坐標(biāo)型式，主要由底座、支撐、大臂旋轉(zhuǎn)及掃描導(dǎo)軌、極化轉(zhuǎn)臺等組成，掃描裝置可整體拆卸、運(yùn)輸，現(xiàn)場組裝于暗室地面導(dǎo)軌滑車上，該設(shè)備具有掃描臂旋轉(zhuǎn)、沿掃描臂徑向運(yùn)動、探頭天線極化狀態(tài)切換等功能。

圖4 被測緊縮場實(shí)物圖

圖5 測試用極坐標(biāo)掃描架狀態(tài)實(shí)物圖

現(xiàn)場測試時選取靜區(qū)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(shí)時反饋探頭天線移動軌跡偏差，對測試相位結(jié)果進(jìn)行修正。主極化掃描檢測范圍不小于5.0m×5.0m，現(xiàn)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(qū)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(shí)時跟蹤反饋進(jìn)行精度調(diào)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(chǎn)廠瑞士 LEICA，空間坐標(biāo)測量不確定度15μm+6μm/m。

3 測試結(jié)果統(tǒng)計分析

評估緊縮場靜區(qū)電磁幅相特性主要涉及3項指標(biāo)：幅度錐削、幅度波紋、相位峰峰，3項參數(shù)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(shí)測紅色曲線最大正值偏差或最大負(fù)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(shí)測紅色實(shí)線最大值與最小值之差。

圖7 緊縮場幅相特性參數(shù)示意圖

靜區(qū)前、中、后三處位置橫截面的測試數(shù)據(jù)統(tǒng)計結(jié)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(jié)果。每項抽測頻率相應(yīng)掃描測量范圍和位置均按該緊縮場靜區(qū)設(shè)計尺寸及位置范圍進(jìn)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(shù)據(jù)獲取后通過數(shù)據(jù)處理分析獲得幅度錐削、幅度波紋、相位峰峰等結(jié)果。

圖8 靜區(qū)前截面電磁幅相特性統(tǒng)計分析圖

圖9 靜區(qū)中心截面電磁幅相特性統(tǒng)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(tǒng)計，該子圖含5條曲線，紅色實(shí)線為幅度錐削設(shè)計限值，見表1；粉色實(shí)線代表水平極化-水平方向掃描各頻點(diǎn)統(tǒng)計結(jié)果，綠色雙劃線代表垂直極化-水平方向掃描各頻點(diǎn)統(tǒng)計結(jié)果，黑色點(diǎn)劃線代表水平極化-豎直方向掃描各頻點(diǎn)統(tǒng)計結(jié)果，藍(lán)色虛線代表垂直極化-豎直方向掃描各頻點(diǎn)統(tǒng)計結(jié)果；第二個子圖為幅度波紋統(tǒng)計，第三個子圖為相位峰峰值統(tǒng)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(tài)。

圖10 靜區(qū)后截面電磁幅相特性統(tǒng)計分析圖

表1 大型緊縮場靜區(qū)設(shè)計指標(biāo)限值

靜區(qū)前截面、中心截面及后截面電磁幅相特性設(shè)計指標(biāo)限值統(tǒng)一，均需要滿足表1中的指標(biāo)。測試過程中設(shè)置的主要參數(shù)信息見表2，掃描速度10mm/s，時域加門函數(shù)形式為凱塞窗。

表2 測試參數(shù)設(shè)置信息

每個饋源工作頻段選擇高、中、低三個測試頻點(diǎn)，靜區(qū)幅度相位特性在所選的測試頻點(diǎn)處測量，從圖8～圖10測量值與表1設(shè)計限值相對比可知該緊縮場靜區(qū)所有位置均滿足設(shè)計指標(biāo)要求，從圖中可知幅相特性隨頻率的變化關(guān)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(tǒng)計結(jié)果，右列圖為垂直VV極化統(tǒng)計結(jié)果；圖11為水平方向幅相特性結(jié)果對比，圖12為豎直方向幅相特性結(jié)果對比。

圖11 靜區(qū)前中后三處截面水平方向幅相特性對比圖

圖12 靜區(qū)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(shí)線為相應(yīng)參數(shù)設(shè)計限值；粉色實(shí)線代表靜區(qū)前截面測試結(jié)果，黑色雙劃線代表靜區(qū)中心截面測試結(jié)果，藍(lán)色虛線代表靜區(qū)后截面測試結(jié)果，從圖中測試結(jié)果分析可知靜區(qū)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(guī)律。

4 結(jié)束語

大型緊縮場靜區(qū)幅相特性測試對現(xiàn)場搭建的測試系統(tǒng)幅相穩(wěn)定性提出了極高的要求，特別需要控制掃描移動導(dǎo)軌直線度峰峰值優(yōu)于百分之一最短波長，對極坐標(biāo)掃描臂提出了很高的精度和剛度要求，這會導(dǎo)致掃描行程在5m及以上的大型掃描架自身重量較重，對運(yùn)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(dǎo)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(shí)時測量反饋修正，確保了精度達(dá)微米級。此外，在高頻大尺寸靜區(qū)相位特性測量中，掃描俯仰角和偏航角很難調(diào)整到使測試截面與來波的等相位面重合，可對掃描傾斜進(jìn)行線性補(bǔ)償。