单反射面紧缩场接收机灵敏度要求评估方法

欧乃铭 白 明 梁 彬 苗俊刚

(北京航空航天大学 电子信息工程学院，北京 100191)

紧缩场［1］通常建于微波暗室内，采用高精度反射面，将位于反射面焦点处馈源产生的电磁波转化为满足远场测试条件的接近理想的平面波，其在天线测试及目标RCS(Radar Cross Section)测试方面有着广泛的应用.紧缩场有多种形式［2－9］，其中最常用的是由一个偏置的旋转抛物面和位于其下前方焦点处的馈源组成的偏馈式单反射面紧缩场.

紧缩场系统灵敏度与场地尺寸、发射功率、馈源性能、工作频率、系统结构以及接收机灵敏度等诸多因素有关，它反映了紧缩场系统的最小可测RCS电平.对紧缩场系统灵敏度的要求也可反映为对接收机灵敏度的要求.当RCS减小(即对系统灵敏度的要求提高)、工作频率提高时，对于接收机灵敏度的要求非常高.因此在构建紧缩场时，正确评估系统对接收机灵敏度的要求，是十分重要的.

1 问题的提出

对紧缩场接收机灵敏度要求的评估，比较普遍采用的是利用雷达方程导出的天线测试相应的理论公式［10－11］:

式(1)能够根据目标RCS值、系统发射功率、工作频率、天线增益以及紧缩场馈源相位中心到紧缩场反射面中心点的距离估计出系统对接收机灵敏度的要求.利用该公式进行接收机灵敏度要求的评估，没有全面考虑到反射面具体形状尺寸、反射面边齿结构、反射面边缘绕射、紧缩场静区中心位置等因素的影响，它忽略了紧缩场自身性能在其灵敏度评估过程中的影响，具有一定的近似性和片面性.

本文对单反射面紧缩场接收机灵敏度进行了研究，根据洛伦兹互易定理，提出了一种对紧缩场接收机灵敏度要求进行评估的方法.该方法能够全面反应目标RCS值、系统发射功率、工作频率、馈源性能、反射面形状尺寸、反射面边齿结构、反射面边缘绕射、紧缩场静区中心位置等因素的影响.文中利用该方法，对北京航空航天大学微波暗室接收机灵敏度要求进行评估，并与实验测试的结果进行比较，对此评估方法的有效性和正确性进行验证.

2 评估方法

紧缩场测试系统中，可以视紧缩场馈源(主动源)和反射面组成一个天线整体，视位于静区中心的标准定标球为一个待测天线(被动源)，将标准定标球通过散射紧缩场平面波(该平面波是主动源激励的电磁波通过反射面的反射而得到的)而形成的球面波视为其激励的场，取位于反射面和静区中间的任意平面作为上述两个天线系统的天线口面.同时假定存在一个虚拟源，其发射的电磁波通过天线口面上每一点的功率流方向与主动源完全相反、大小与主动源完全相同，该虚拟源可视为另一个待测天线.

这样，紧缩场馈源、反射面组成的天线整体可分别与被动源、虚拟源组成天线测量系统.通过系统仿真计算，可得到紧缩场馈源与反射面组成的天线整体、被动源、虚拟源在天线口面上的电磁场近场分布.其中虚拟源在天线口面上的近场分布，可直接通过将紧缩场馈源在天线口面上的电场取共轭、磁场相位滞后180°后取共轭的方法得到;被动源在天线口面上的近场分布与定标球的RCS值有关.图1为单反射面紧缩场的系统示意图.

图1 紧缩场系统示意图

在天线测量系统中，利用洛伦兹互易定理［12］，可以求得接收天线系统接收到的来自待测天线系统的电磁波信号的强度.洛伦兹互易定理可表述为

其中，S为包含某一无源区的封闭曲面;EA，HA和EB，HB分别为待测天线A、接收天线B作为激励时在该封闭曲面上的电磁波近场分布.

待测天线A、接收天线B、封闭曲面S的相对位置关系如图2所示，其中闭合曲面S=S0+S∞+ΣB.

图2 天线测试系统系统示意图

无源区V是由封闭曲面S限定的区域，将洛伦兹互易定理应用于该区域，可得接收天线B接收到的来自待测天线A的信号，即接收天线B的输出为

VB正比于待测天线A激励时接收天线B的接收电压，那么正比于待测天线A激励时接收天线B的接收功率.

在求得紧缩场馈源与反射面组成的天线整体、被动源、虚拟源在天线口面上的电磁场近场分布后，利用式(3)可得到紧缩场馈源接收到的来自被动源(标准定标球)的信号VS，以及紧缩场馈源接收到的来自虚拟源的信号VX.

由虚拟源的定义可知，其在天线口面上的通过功率P能够完全被紧缩场馈源接收，那么紧缩场馈源接收到的来自被动源的实际功率为

反射面效率η，是指紧缩场馈源在天线口面上的通过功率P与其发射功率Pt的比值，则式(4)可改写为

Pr即为在一定的目标RCS值和馈源发射功率下，系统对接收机灵敏度的要求.

3 数值仿真

针对上述分析，结合图1所示系统，利用物理光学法计算主动源、被动源、虚拟源在天线口面处的近场分布，仿真模型按照北京航空航天大学微波暗室的实际尺寸进行搭建(静区尺寸2m).计算频点10GHz，被动源为－15 dBsm定标球，采用电场水平极化方式.图3～图5分别为各激励源在天线口面处切向电场的幅值、相位分布.

图3 主动源在参考平面处近场分布

图4 被动源在参考平面处近场分布

图5 虚拟源在参考平面处近场分布

利用上述近场数据及式(3)，可求得|VS|=1.413524 ×10－7，|VX|=1.435 85 ×10－3;通过计算紧缩场馈源口面处的通过功率和其与反射面组成天线整体在天线口面处的通过功率，可求得反射面效率为28.15%.那么当馈源发射功率为0 dBm时，通过式(5)可得到系统对接收机灵敏度的要求为:Pr= －85.64 dBm.

表1中列出了利用上述方法求得的在常用频率 f为 5，10，15，20GHz，发射功率为 0 dBm，RCS为－15～－45 dBsm时，系统对接收机灵敏度Pr的要求.

表1 紧缩场系统对接收机灵敏度P r的要求 dBm

4 实验测试

为验证本文提出的评估方法，在真实场景中进行实验测试.测试条件为:8.5～12GHz扫频测试，测试目标为－15 dBsm标准定标球，测量参量为S21(接收功率与发射功率的比值)，发射功率为0 dBm.测试结果如图6所示.

根据目标RCS测试相关理论，要想得到馈源接收到的通过定标球反射回来的能量，首先需用图6中的目标测试数据减去单纯的背景测试数据，将相应的结果通过逆傅里叶变换由频域转换到空间域，并在空间域进行加窗滤波，如图7所示;然后再将滤波后的空间域数据通过傅里叶变换转回频域，如图8所示.

图6 －15 dBsm定标球测试原始接收数据

图7 利用矩形窗进行空间域滤波的示意图

从图8中可以看出，在10GHz频点处，矢量网络分析仪接收端口与发射端口的能量传输比为－94.07 dB.而第3节中的评估结果为接收馈源与发射馈源的能量传输比，为此需要得到由矢量网络分析仪发射端口到发射馈源以及由接收馈源到矢量网络分析仪接收端口的传输线损耗和驻波损耗.通过实验可知，10 GHz时该部分损耗为－8.56 dB，那么实验中接收馈源与发射馈源的能量传输比为－85.51 dB.

图8 处理后的目标频域数据曲线

由于发射功率为0 dBm，那么接收功率为－85.51 dBm.该结果与第3节中的分析结果基本一致，这就验证了本文根据洛伦兹互易定理，提出的对单反射面紧缩场接收机灵敏度要求进行评估的方法的有效性和正确性.

5 结束语

本文对单反射面紧缩场接收机灵敏度要求进行了研究，根据洛伦兹互易定理，提出了一种通过数值仿真对紧缩场接收机灵敏度要求进行评估的方法，并结合实验测试的结果验证了该方法的正确性.该方法相对于传统理论公式的评估方法，考虑了反射面具体形状尺寸、反射面边齿结构、反射面边缘绕射等因素的影响，是结合紧缩场实际尺寸、结构的一种评估方法，具有较高的评估精度和广泛的适用性，对紧缩场接收机灵敏度要求的评估工作具有一定的意义.

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