射頻仿真暗室靜區(qū)性能測量與優(yōu)化*

(解放軍63880部隊,河南 洛陽 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)、試驗鑒定的需要，射頻仿真以其經(jīng)濟、方便、用途廣等特點，在國內(nèi)外軍事領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用。在評價射頻仿真暗室性能的各項指標中以靜區(qū)反射電平性能最為重要，實際應(yīng)用中也都是以實際測試得到的靜區(qū)反射電平作為評價暗室性能和仿真試驗結(jié)果評定的依據(jù)。為確保靜區(qū)性能，在暗室建造和應(yīng)用時常常采用靜區(qū)軸線與暗室縱軸重合的設(shè)計。本文主要針對靜區(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)性能測試方案，并將實測數(shù)據(jù)與仿真結(jié)果進行了詳細比對。分析發(fā)現(xiàn)實測數(shù)據(jù)和仿真結(jié)果有一定的偏差，研究將重點針對這種情況，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,導(dǎo)引頭通過固定支架安裝在該轉(zhuǎn)臺上 ,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)生的射頻信號在目標陣列的某一位置輻射出去，模擬空間目標信號。目標陣列輻射的信號由安裝在三軸飛行轉(zhuǎn)臺上的導(dǎo)引頭接收，用來測試導(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)于暗室縱軸左右對稱、上下不對稱的一個區(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)性能測試方案

測試暗室靜區(qū)反射電平的常用方法有天線方向圖比較法(簡稱APC 法)、自由空間電壓駐波比法(簡稱VSWR 法)、場-探針繪制法、等效雷達橫截面測量法和偽隨機碼調(diào)制載波法等5種[3]。目前，我國尚未頒布微波暗室的電性能測試方法(或標準)，國際上對靜區(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內(nèi)外針對高性能微波暗室靜區(qū)反射電平評價的最主要和最常用的測量方法——VSWR法，該方法測試原理理論比較成熟，具有很好的測試重復(fù)性和準確性。

靜區(qū)性能測試時發(fā)射天線直接采用輻射天線陣面上的天線。為了既不使測試工作量過大，又能全面評估陣面天線各個部位對靜區(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)處的天線作為測試時的輻射源。

圖2 選取的發(fā)射天線位置示意圖

暗室靜區(qū)的測試線分別選取縱向線MN、橫向線XY、垂直線KL，靜區(qū)測試坐標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為0°方向，在此基礎(chǔ)上進行方位角和俯仰角的改變。

圖3 靜區(qū)坐標系定義和選取的行程線命名圖

測量時選取暗室靜區(qū)中的任一條測試行程線即橫向線、垂直線或縱向線，探測天線保持一定方向(即探測天線接收信號最大方向)，沿這條行程線連續(xù)移動，記錄接收電平作為參考電平。然后改變探測天線的方位角或俯仰角，沿這條行程線移動并記錄接收電平(即駐波曲線)。把參考電平和駐波曲線進行歸一化處理，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)分析主要是對實測結(jié)果與暗室設(shè)計時的仿真結(jié)果進行比較。采用幾何光學(xué)法對暗室靜區(qū)反射電平進行建模[4]，部分仿真結(jié)果如圖4所示。

(a)2 GHz源點在A點時靜區(qū)反射電平

(b)10 GHz源點在B點時靜區(qū)反射電平

(c)18 GHz源點在C點時靜區(qū)反射電平

因為仿真計算和測試過程存在差別，仿真計算時接收天線認為是無方向性的，但在測試時，接收天線是有方向性的，所以，要將計算結(jié)果和實測結(jié)果進行比較是比較困難的，但還是可以進行一些近似的量化比較，即用實測時接收天線不同方向的測試結(jié)果與仿真結(jié)果進行比較，如表1所示。

表1 實測結(jié)果與仿真結(jié)果比較

從表1可以看到，對于同一源點、同一場點，靜區(qū)反射電平隨著頻率的升高而明顯改善。同時可以發(fā)現(xiàn)仿真結(jié)果均在實測結(jié)果范圍內(nèi)，但各頻點實測結(jié)果的下限值并不理想。

5 原因分析

通過對影響暗室靜區(qū)反射電平諸因素的分析，認為致使實測結(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前墻，所以靠近陣列天線邊緣的陣元天線副瓣電平對暗室靜區(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，通過幾何計算，得到電磁信號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，暗室吸波材料在達到或超過入射角60°后，吸波性能就急劇下降。注意到電磁信號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，沒有考慮電磁波的繞射，事實上，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產(chǎn)生繞射波而進入靜區(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，常常忽略了繞射波的貢獻。

6 靜區(qū)性能優(yōu)化設(shè)想

6.1 天線因素

對于由于天線因素導(dǎo)致靜區(qū)性能變差的情況，認為可從以下幾個方面采取措施來提高靜區(qū)性能。

(1)抑制天線副瓣電平

在進行天線陣列陣元設(shè)計時，對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)計不是本文研究的內(nèi)容，這里就不詳述了。

(2)改進暗室設(shè)計

在暗室設(shè)計階段，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提高暗室靜區(qū)性能的措施不可取，但對天線因素的考慮可以為其它同類型暗室的設(shè)計提供有益的借鑒。

6.2 吸波材料因素

對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、錐角越小，吸波性能就越好。所以，如果不考慮經(jīng)費因素，盡量多地采用長尖劈、小錐角的高性能吸波材料對于提高暗室的靜區(qū)性能也會起到非常明顯的作用。但尖劈愈長，造價越高；錐角越小，加工越困難，造價也會增大[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度，從而減低繞射對暗室靜區(qū)性能的影響。

(2)抑制入射角大于60°的電磁波進入靜區(qū)

為了改善地面吸波材料對天線陣元輻射的電磁波的吸收，就必須對入射角大于60°的電磁入射信號采取措施?？梢钥紤]在暗室內(nèi)部菲涅爾區(qū)加吸收擋板或進行內(nèi)壁傾斜的設(shè)計。

加吸收擋板措施是在地面電磁反射信號大的位置上加裝介質(zhì)吸收柵欄，經(jīng)過對介質(zhì)吸收柵欄的位置、高度和形狀的精心設(shè)計，使它保證對入射角大于60°的電磁反射信號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,在沒有傾斜鋪設(shè)吸波材料時,反射波(用虛線表示)進入了靜區(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阻止反射波進入暗室靜區(qū)，從而達到降低靜區(qū)反射電平的目的。通過縮比模型試驗，證明這種措施對于提高暗室靜區(qū)性能是有效的[6]。

因為影響暗室靜區(qū)性能的反射波主要是來自各墻面主反射區(qū)的反射波，所以在采用上述措施進行靜區(qū)性能改善時，只需要重點對影響暗室靜區(qū)性能的地面主反射區(qū)進行處理。

7 結(jié)束語

射頻仿真暗室靜區(qū)性能直接影響著暗室的試驗?zāi)芰驮诎凳覂?nèi)進行測試的精度和結(jié)果的可信度。本文針對某射頻仿真暗室靜區(qū)位置特殊的實際，闡述了暗室靜區(qū)性能測試方案，并將實測數(shù)據(jù)與仿真結(jié)果進行了詳細比較。重點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)法針對性地提出了靜區(qū)性能優(yōu)化的多項措施。由于射頻仿真暗室建設(shè)的不可逆性，很難通過將這些措施付諸實踐來證明其效果如何，但理論分析認為這些措施都是可行的，希望本文的研究能夠為國內(nèi)射頻仿真暗室設(shè)計、建設(shè)、改造提供一定的借鑒和幫助。

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