制导舱微波暗室静区性能的测量方法

2012-04-20陈奇平王万富徐耀年武亚君

制导与引信 2012年2期

陈奇平，王万富，徐耀年，武亚君

（1.上海市航空航天器电磁环境效应重点实验室，上海200438；2.电磁散射重点实验室，上海200090）

0 引言

制导舱微波暗室是制导舱性能测试的关键试验场地，制导舱测试系统中的目标模拟器置于暗室静区内，利用控制系统模拟不同的目标姿态。暗室静区性能的好坏直接影响了制导舱测试系统的测试精度。为了使微波暗室静区具有良好的低反射性能，避免由于内壁的反射而引起测量误差，微波暗室静区反射必须要满足一定的指标要求。本文结合制导舱微波暗室的功能和特点，介绍了暗室反射率电平的测试原理和方法，并以实际测试为例，详细介绍了测试过程、测试系统组成和测试数据处理分析方法，对制导舱微波暗室静区性能的评估、检测具有一定的指导作用，对使用微波暗室进行天线辐射特性及目标电磁散射特性测量也具有一定的参考意义。

1 测试原理和方法

制导舱是集众多技术为一体的复杂机电装置，主要包括导引头和引信两大部分。制导舱综合测试需要在微波暗室内进行，根据空间目标模拟理论，利用各种模拟设备，按照导引头、引信的工作原理和程序，测试其各项技术参数。

微波暗室为制导舱综合测试提供良好的自由空间环境。反射率电平是评价微波暗室性能最重要的参数，实际应用中也都是以测试得到的静区反射电平作为评价暗室性能的依据［1］。反射率电平定义为微波暗室内任意点的等效反射场与入射场之比［2］，计算式为

式中：Ed为微波暗室的入射场；Er为由反射、绕射和散射在测试点合成的等效反射场；φd 为Ed与暗室轴线方向的夹角；φr 为Er与暗室轴线方向的夹角。

微波暗室反射率电平的测量方法主要有自由空间电压驻波比法（简称VSWR 法）、天线方向图比较法（简称APC法）、场-探针绘制法、等效雷达截面测量法和伪随机码调制载波法等五种方法［3］。自由空间电压驻波比法由于可操作性强、数据准确度高，是较为常用的测量方法。根据空间电磁波传播理论，空间驻波法的测试原理：在微波暗室内，从发射天线直接到达接收天线的直射波与经墙面、地面的反射波在空间进行矢量合成，形成驻波，通过测量驻波的波峰和波谷，再经分析计算可确定直射波与反射波的比值，从而推算出静区反射率电平。

图1为微波暗室内直射波与反射波相干示意图。图中，从发射天线直接到达接收天线的波用符号Ed表示，而经由暗室内壁反射的波用符号Er表示。

图1 直射波与反射波相干示意

当接收天线在静区内移动时，可测得暗室静区的驻波曲线。根据驻波电压的最大值Emax和最小值Emin可以确定反射率电平［4］。驻波电压最大值、最小值的计算式为

根据式（2）和式（3）可得直射波和反射波的幅值Ed、Er，计算式分别为

定义σ为驻波电压峰峰比，它的计算式为

则反射率电平Γ为

根据以上分析可知，通过在静区进行天线移动扫描测量，可获得暗室静区驻波曲线，并根据式（7）可计算出暗室静区的反射率电平。测试时，通常将发射天线置于暗室一端，将接收天线置于静区，进行移动扫描测量。对于制导舱微波暗室，根据天线的互易性和制导舱测试系统的实际应用情况，将发射天线架于静区内的扫描架上（可以直接利用目标模拟器作为发射天线扫描架），接收天线置于暗室一端，并满足远场测试距离。

在此需要说明一点，式（7）适用于采用全向天线作为接收天线的情况，当接收天线具有方向性时，测得的驻波曲线就会受到天线方向性的影响。图2为受天线方向性影响的驻波曲线，图中曲线A 为接收天线方向图。

图2 受天线方向性影响的驻波曲线

2 测试数据判定和修正

为了得到准确的反射率电平测试结果，需要对测试结果进行分析判定或修正，具体的操作方法可以归纳为两种。

（1）利用计算公式进行修正

假设天线在接收方向θ上的天线增益比主瓣增益低ΔG，驻波电压峰峰比为σθ，则可根据式（8）计算出在此方向上的反射率电平Γθ。

除此之外，还可直接将测试曲线与天线方向性曲线相减，即消除天线方向性的影响，得到驻波电压峰峰比，再根据式（7）求出静区反射率电平。

以上修正处理方法是基于天线方向图已知的情况下，当天线方向图未知时，可以通过对测试曲线作曲线拟合处理，拟合出天线方向图，然后进行相减处理，得到反射率电平。

（2）根据反射率电平关系图进行判定

图3 天线方向性、峰峰比与反射率电平关系示意图

图4为天线方向性、峰峰比与反射率电平关系图，根据式（8）计算而得。根据测得的峰峰比、天线方向性相对于主瓣差值，对照图3可以直接推算出反射率电平。由图举例来说，假设在相对主瓣增益-10dB 的情况下测得峰峰比为0.3 dB，则暗室的反射率电平约为-45dB。

3 测试实例

3.1 测试内容和过程

以某制导舱微波暗室为例，介绍暗室静区反射率电平测试的详细过程。待测的制导舱微波暗室如图4所示，暗室指标要求为静区反射电平优于-30dB。

图4 制导舱微波暗室示意图

测试时，利用目标模拟器代替二维扫描架，将发射天线放置在目标模拟器上，接收天线放置在天线支架上，并调整收发射天线指向，使其主瓣方向正对静区中心。根据测试区域要求，发射天线进行水平向或垂直向移动，测出暗室静区主截面的直达波与反射波相干作用产生的静区驻波分布曲线，分析驻波电压峰峰比，从而计算出暗室静区反射率电平，为了满足测量精度，测量选用的等距离采样间隔小于1／8波长。

3.2 测试系统组成

制导舱微波暗室静区反射率电平测试系统主要包括射频部分、目标模拟器及控制部分、系统自动化控制部分，测试系统组成示意图如图5所示。

目标模拟器及控制部分安装发射天线，并带动天线按照设定的运动轨迹进行匀速运动，完成指定区域的扫描测量。射频部分主要包括E8257C信号发生器、E4407B 频谱分析仪、收发天线以及微波电缆。信号发生器起雷达发射源的作用，由其产生指定频率的射频信号，利用频谱分析仪接收测试信号。系统自动化控制部分是协调整个系统自动化测量的关键部分，主要包括控制计算机和自动化控制软件，利用自动化软件实现射频部分的参数设置、同步测试和数据采集。