一種擴展緊縮場低頻測試頻率的時域測試方法

馬玉豐，李 薇，胡鵬展，韓嘉維

（中國空間技術研究院西安分院，陜西 西安 710000）

0 引言

緊縮場測量系統通常是基于微波暗室和緊縮場反射面體系的測量系統，可以實現包括天線測量、目標特性測量、材料測量以及天線罩測量等多項測試功能。但緊縮場測量系統自身固有的特性決定了系統無法實現較低頻段的測量功能，其原因一方面是因為無論反射面是卷邊還是鋸齒，其相對于低頻均無法有效地濾除邊緣的反射、散射、繞射，從而造成反射面靜區性能隨著頻率的下降急速惡化；另一方面微波暗室在較低的頻段時，吸波材料的性能也急劇下降，從而進一步惡化緊縮場的靜區性能，在低于1 GHz時，由于電磁波的波長更長表現尤為明顯。

目前，國內已經建成的緊縮場測量系統有上百套，但其在低頻的測量頻段通常都是從2 GHz開始，部分較為大型的緊縮場系統測量頻段則是從1 GHz開始，但隨著頻率的下降，靜區尺寸變小甚至全部區域均不能滿足幅度相位變化的測試需求。對于連續波或者線性調頻的緊縮場來說，這種固有的低頻繞射引起的靜區性能惡化無法消除。因此，本文設計了一種在保證測試精度的前提下擴展緊縮場測試頻段的時域測試方法。

1 測試系統原理

該實驗系統的設計原理是將時域測試設備引入緊縮場測試系統，其中包括時域系統的儀器儀表及采集分析軟件等，將其搭載于現有的緊縮場系統中，該緊縮場的測試頻率范圍為2～40 GHz，靜區尺寸為2 m，為單反射面緊縮場的結構形式，原系統測試使用連續波信號源與網絡分析儀進行天線測試，測試頻率下限只能到2 GHz。本文使用了直接時域法的時窗濾波與平均采樣原理[1]，使用時域的信號源與接收機設備（如圖1、圖2所示），替換原來系統的網絡分析儀，在時域濾除來自反射面邊緣以及微波暗室在低頻時的反射、散射以及繞射的影響[2]，完成緊縮場靜區在0.3～1 GHz以下波段的頻率擴展，使緊縮場系統在該波段波段獲得良好的RCS測量效果。

圖1 時域接收機與脈沖源

圖2 脈沖探頭與測試轉臺

2 測試試驗

2.1 測試系統搭建與待測物

按照時域測試系統的工作原理連接時域脈沖源與時域接收機、脈沖探頭，將時域饋源通過測試支架安裝于原反射面饋源的焦點處。如圖3所示。

圖3 系統連接框圖

本次試驗測試待測設備為直徑分別為1 000 mm、500 mm、200 mm的金屬球，驗證通過該時域擴展設備后低頻標準金屬球的RCS測試結果。

2.2 測試結果與對比分析

按照測試鏈路圖進行測試系統連接以后，分別將不同大小的金屬球以及飛機模型安裝于RCS測試支架上，如圖4與圖8所示，加載脈沖信號，調節時域脈沖的時間延時，找到時域脈沖信號的主要靜區反射信號以及DUT的測試信號，調整完成后分別進行RCS的測試。

圖4 標準金屬球測試

對200 mm金屬球的RCS值進行FEKO仿真，測量結果與仿真結果在各個角度的誤差≤±1 dB，如圖5所示。

圖5 200 mm標準金屬球測試結果與仿真對比

對500 mm金屬球的RCS值進行FEKO仿真，測量結果與仿真結果在各個角度的誤差≤±1 dB，如圖6所示。

圖6 500 mm標準金屬球測試結果與仿真對比

對1 000 mm金屬球的RCS值進行FEKO仿真，測量結果與仿真結果在各個角度在0.8 GHz附近頻段誤差≤±1.5 dB，在其余頻段誤差≤±1 dB，如圖7所示。

圖7 1000 mm標準金屬球測試結果與仿真對比

圖8 1.8 m長金屬飛機測試

對1 800 mm金屬覆膜模型飛機的RCS值進行測量，測量結果趨勢在0.3～0.9 GHz時趨勢高度一致，在0.9～1.0 GHz時RCS值分布變化較大，如圖9所示。

圖9 1.8 m長金屬飛機測試結果與仿真結果對比

通過將以上測試結果與FEKO仿真的的金屬球RCS測試結果進行對比可以看出，除1 000 mm金屬球的RCS值測量結果與仿真結果在各個角度在0.8 GHz附近頻段誤差≤±1.5 dB外，其余金屬球的RCS測量結果與仿真結果在各個角度的誤差≤±1 dB。對1 800 mm金屬覆膜模型飛機進行ISAR成像測量，在300 MHz～1 GHz頻段可以明顯看到機身的散射中心，同時機身成像效果良好，機翼由于翼展與來波方向處于基本平行狀態，成像不太明顯，但其散射處也均有成像。

3 結束語

本測試實驗基于2 m靜區的緊縮場，分別采用200 mm、500 mm、1 000 mm、1.8 m金屬飛機模型的被測物進行測量，在0.3～1 GHz波段的RCS測量結果良好，有效地證明了時域系統配合緊縮場可以實現全尺寸緊縮場靜區的目標特性測試測量，并能夠保證測量結果的精度要求。該緊縮場時域測試通過直接采用時域的方式解決緊縮場測量頻率低頻擴展問題，從而實現已有緊縮場的擴頻升級，滿足了用戶低頻波段高精度RCS測量要求，驗證了系統設計的可行性，具有推廣價值。■