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(cè)壁和地面等引起的多徑信號干擾[1]，導(dǎo)致寬頻帶天線罩傳輸效率測試結(jié)果存在“超百”或“近零”現(xiàn)象。

目前頻域測量技術(shù)依托于提高吸波材料的性能，來達(dá)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(jìn)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(fā)展至今，經(jīng)過多年研究與工程實現(xiàn)，目前已將軟件時域門濾波技術(shù)廣泛應(yīng)用時域測量中[2]。與軟件時域門相比，硬件時域門技術(shù)在去除干擾、提高信噪比、提高測試穩(wěn)定性方面存在先天獨特優(yōu)勢。目前尚未存在硬件時域門技術(shù)與寬頻帶天線罩測試相結(jié)合的文獻(xiàn)資料和工程應(yīng)用案例。

本文將詳細(xì)闡述寬頻帶天線罩測試中結(jié)合硬件時域門技術(shù)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(jìn)行傳輸效率測試結(jié)果，驗證該方法在工程應(yīng)用的可行性與測試精度。

1 寬頻帶雷達(dá)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(shù)。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(jīng)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(jù)天線互易定理[3]，天線處于發(fā)射狀態(tài)和接收狀態(tài)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(tài)時進(jìn)行天線罩功率傳輸?shù)脑囼灐?/p>

1.2 系統(tǒng)實現(xiàn)

測試系統(tǒng)及場地示意圖如圖1所示，該系統(tǒng)能夠根據(jù)測試需求在不拆卸系統(tǒng)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(tǒng)及場地示意圖

某測試系統(tǒng)為典型的微波暗室遠(yuǎn)場測試系統(tǒng)，長×寬×高為34m×16m×15m，微波暗室地面、側(cè)壁、頂部鋪設(shè)吸波材料。射頻系統(tǒng)采用單矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀模式（以下簡稱矢網(wǎng)），矢網(wǎng)配有時域選件，脈沖觸發(fā)和調(diào)制選件，滿足硬件時域門和軟件時域門的測試需求。矢網(wǎng)端口1經(jīng)功率放大器與發(fā)射天線相連，作為微波信號發(fā)射端，端口2經(jīng)低噪聲放大器與測試天線相連，作為微波信號接收端。發(fā)射天線安裝于發(fā)射架，接收天線安裝于待測轉(zhuǎn)臺，待測轉(zhuǎn)臺可以進(jìn)行空域范圍內(nèi)方位轉(zhuǎn)動，接收天線的相位中心與轉(zhuǎn)臺轉(zhuǎn)動中心重合，接收天線隨轉(zhuǎn)臺方位隨動。接收天線處于方位零度時，收發(fā)天線電軸對準(zhǔn)。

2 硬件時域門應(yīng)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(wǎng)絡(luò)分析儀的基礎(chǔ)上增加多通道脈沖發(fā)生器和窄脈沖調(diào)制器（門控開關(guān)），上述硬件共同構(gòu)成了硬件時域門電路?；谠撚布到y(tǒng)由連續(xù)波測試系統(tǒng)調(diào)制轉(zhuǎn)換為脈沖測試系統(tǒng)。

圖2硬件時域門應(yīng)用原理框圖

圖3軟件時域門應(yīng)用原理框圖

軟件時域門工作原理：通過測試系統(tǒng)快速掃頻功能以傅里葉逆變換形式將頻域測試數(shù)據(jù)變換為時域數(shù)據(jù)[4]，在時域信息中加入相應(yīng)時間門對環(huán)境反射信號時間進(jìn)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(shù)據(jù)；時間門是一種帶通濾波器，可以濾除門以外的響應(yīng)。

應(yīng)用于功率傳輸效率測試中，時間門函數(shù)濾除反射信號。詳細(xì)過程頻域信息經(jīng)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(fā)射天線到接收天線的直射波所經(jīng)歷的時間，以峰值為中心設(shè)置門的寬度，門信息設(shè)置完畢。

硬件時域門工作原理[5]：矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀產(chǎn)生連續(xù)波信號，連續(xù)波信號首先傳輸至窄脈沖調(diào)制器，該調(diào)制器將脈沖發(fā)生器產(chǎn)生的脈沖基帶信號調(diào)制到微波信號，形成微波窄脈沖調(diào)制信號，通過發(fā)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(nèi)經(jīng)過一個門控開關(guān)（脈沖調(diào)制器），該門控開關(guān)的導(dǎo)通和關(guān)斷受主機(jī)內(nèi)部多通道脈沖發(fā)生器的控制，通過精確控制脈沖發(fā)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(guān)的導(dǎo)通時刻，只保留設(shè)定目標(biāo)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(jìn)行干擾的去除是可行的。

圖4軟件時域門去除多徑效應(yīng)示意圖

圖5硬件時域門去除多徑效應(yīng)示意圖

3 測試結(jié)果驗證與分析

3.1 參數(shù)設(shè)置

硬件時域門測試系統(tǒng)：為抑制場地干擾，設(shè)定要求脈沖占空比通常較?。}沖周期要求設(shè)置較長覆蓋場地尺寸，脈沖寬度要設(shè)置的較小以盡可能的濾除目標(biāo)區(qū)域外的干擾），平均功率很低，對于窄帶接收系統(tǒng)，由于脈沖退敏效應(yīng)的影響使系統(tǒng)動態(tài)范圍以10*LOG（占空比）減小，降低了系統(tǒng)的測量能力，所以其發(fā)射功率設(shè)置要比軟件時域門的高?；谏鲜?，測試參數(shù)設(shè)置如下：

（1）起始頻率：8GHz。

（2）終止頻率：12GHz。

（3）采樣點數(shù)：201（硬件時域門），1601（軟件時域門）。

（4）發(fā)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(zhuǎn)臺運動范圍：-10°～10°。

（9）角度間隔：1°。

3.2 測試結(jié)果與分析

以某天線罩為例進(jìn)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(shè)置較小，因此可以將時域下的各種干擾濾除的比較好，對應(yīng)測試曲線相對光滑，其原理實際上就是在時域上對數(shù)據(jù)乘上一個窗函數(shù)，將時域上數(shù)據(jù)之外的其它數(shù)據(jù)進(jìn)行截斷，該截斷效應(yīng)必然會引起誤差，表現(xiàn)在頻域就是吉布斯（Gibbs）效應(yīng)[6-7]，該效應(yīng)引起通帶和阻帶內(nèi)的波動，同時帶來頻域上的邊緣效應(yīng)及帶內(nèi)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(jié)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(shù)據(jù)

表2硬件時域門測試功率傳輸效率數(shù)據(jù)

加硬件時域門情況的測試結(jié)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(diào)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(nèi)部還存在著一些干擾無法濾除，導(dǎo)致頻域曲線上有較多的起伏。

表3理論功率傳輸效率數(shù)據(jù)

對比分析兩種技術(shù)測試結(jié)果與理論結(jié)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(shù)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(nèi)的性能走勢，且與理論值很貼近，但是頻段上下邊緣則發(fā)生趨勢變化，與理論值相差較遠(yuǎn)。說明軟件時域門測試技術(shù)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(jié)果存在波動，但是波動較小，可以表征出天線罩在寬頻帶內(nèi)的整體性能走勢，而且測試結(jié)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(shù)所引起的一些誤差。

4 結(jié)束語

硬件時域門在干擾去除上的技術(shù)優(yōu)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(shù)的發(fā)展，具有納秒量級更窄脈沖寬度生成能力的矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀在測試中得到應(yīng)用，抗干擾能力更加突出，測試精度進(jìn)一步提升。