提高近场测量系统隔离度的方法研究*

沈小玲，冯孝斌，张达凯，刘胤凯，张云，冯雨

(电磁散射重点实验室，北京 100854)

0 引言

目标的电磁散射特性是表征雷达目标对于照射电磁波散射能力的一个物理量[1]。电磁散射特性测量系统正是获取该特征的测量设备。不同于远场，在近场电磁散射特性测量中存在一些特有问题，本文针对其中提高近场电磁散射特性测量系统收发隔离度的难题给出了一种解决方法。

1 问题引入

近场电磁散射特性测量系统在设计中，除了近远场变换等难题外[2]，其接收机动态范围也是一个重要问题，直接影响到系统测试能力。引起动态范围不足的原因主要有背景电平太高、信号寄生频率分量过多、收发隔离不足等。背景电平和寄生频率分量受到测试场地、电磁环境和频率规划等多方面原因影响，针对前两点以往的文献中已经提到了场地改建、低散射支架、多路径抑制、滤波设计、杂散抑制等多种解决方法[3-5]。在本文中主要针对提高近场测量系统收发隔离度展开论述。

电磁散射特性测量中，为了提高回波信号稳定度以及对低散射目标的测量能力，往往将发射信号通过功率放大器放大至稳定的大功率信号后再送入发射天线。一方面大功率的直接耦合波信号通过周围设备反射或者天线耦合进入接收机后，很可能带来接收机阻塞问题，进而导致接收信号失真；另一方面，受到电源放电及放大器饱和等原因影响，射频信号经过脉冲功放后会产生严重拖尾，拖尾信号与回波信号叠加在一起进入接收机。

在远场测量中，系统与目标距离较远，目标回波与直接耦合波间隔时间足够长，可以与直接耦合波及其拖尾在时域上分离开来，同时即使直接耦合波导致接收机产生了阻塞，也足以在回波到来之前恢复至线性工作状态。仿真结果如图1所示。可见无论理想还是实际情况，上述问题在远场测量中均没有对目标回波产生影响。

但在近场测量中，由于系统与目标间距离较短，导致目标回波与直接耦合波在时域上难以分离。仿真结果如图2所示。由仿真结果可见，在理想情况下直接耦合波与回波信号可在时域上分离开。但实际工作中，受直接耦合波及其拖尾影响，回波信号已经被淹没，或者由于拖尾的叠加导致接收机饱和，最终导致系统动态范围变小。系统的隔离度越差，这种影响越明显，系统的测量能力越受限。

图1 理想及实际情况下远场测量直接耦合波及目标回波信号仿真结果

图2 理想及实际情况下近场测量直接耦合波及回波信号仿真结果

2 问题分析及改善方法

要解决上述问题，可以从源头、传输路径或接收端进行分析和抑制。接收机输出的直接耦合波Pr主要来源如式(1)所示。

(1)

(2)

式中：PT为功放输出信号功率；GR-T为接收天线在收发之间的方向性增益(包含背瓣反射及副瓣增益)；r为收发天线之间距离(因功放与发射天线常就近安装，本文忽略了功放与发射天线的位置差)。

(3)

式中：GT-R为发射天线在收发之间的方向性增益(包含背瓣反射及副瓣增益)。

由以上可得

(4)

由公式(4)可见，在发射功率及收发天线距离不变的情况下，影响收发隔离度的因素主要是接收机增益、天线背瓣及副瓣等。因此，本文主要从接收端抑制和天线方向图设计2方面展开研究。

2.1 基于时域滤波的直接耦合波抑制方法

针对接收机阻塞这类问题的常用方法是在低噪放前增加限幅器，但考虑到限幅器位于接收机第一级，其引入的插入损耗将会给接收机噪声系数带来一定量的恶化[5-8]，且此方法对直接耦合波及其拖尾信号问题并不奏效，因此并未采用这种方式。

从系统动态范围的角度分析，接收机动态范围的衡量主要通过对低散射目标和较大目标的测量能力来体现。在低RCS(radar cross section)散射目标测量中可以采用脉冲压缩方法进行直接耦合波和目标回波的分辨，以减少对弱小信号测量带来的影响。但针对较大RCS目标测量，其目标回波较大，直接耦合波及其拖尾信号的叠加会导致接收机饱和，进而导致接收线性动态范围变小，影响测量结果准确性。

针对这个问题，本文从接收前端增益入手，给出了一种通过时域滤波提高系统隔离度的方法：

由公式(4)可看出，若将Gr设计为时变增益，当直接耦合波进入接收机时，将Gr设置为较低值，实现对直接耦合波的衰减抑制；当目标回波进入接收机时，将Gr设置为较高值，实现对弱小回波信号的放大。以此方法实现对直接耦合波及其拖尾信号的抑制。

仿真结果如图3所示，接收输出线性动态范围为-60～0 dBmW，通过时域滤波将直接耦合波及其拖尾信号抑制至-20 dBmW以下后，接收线性动态范围损失小于1 dB。可见采取上述时域滤波措施后，直接耦合波及拖尾信号的影响得到了很好抑制，其带来的接收线性动态范围损失基本可以忽略。

图3 采取时序控制后的仿真结果

2.2 基于副瓣背瓣优化设计的隔离度提高方法

近场电磁散射特性测量系统设计中，根据系统测试精度高、抗干扰能力强、辐射范围广以及小型化的要求选择了Vivaldi天线[6-13]，但其存在背瓣和副瓣大的缺点，再加上天线后面的车体为金属结构，因此影响较大。本文中对Vivaldi天线背板和副瓣开展了优化设计，分别在天线的铜片上增加了扼流槽，以及在天线顶端增加了矩形金属贴片作为引向器[14-16]。无线模型图如图4所示。

图4 天线模型图

由仿真结果(图5)可以看出，增加扼流槽后，背瓣和副瓣电平得到了约7 dB和1 dB的改善；增加引向器后，分别再次降低了3 dB和8 dB左右，从天线的方向性上提高了系统的隔离度。综上所述，采用以上措施后，理论上带给系统收发隔离度约10 dB的优化。

图5 天线方向图仿真结果(10 GHz)

3 实测结果分析

采用以上设计前后，分别使用同一套测量系统对理论值为-9 dBm2的金属球进行了近场电磁散射特性测量。

原始测试结果如图6a)所示，成像底噪约为-43.29 dBm2，测量值为-8.36 dBm2。

采用文中方法处理后的测试结果如图6b)所示，成像底噪约为-54.68 dBm2，测量值为-9.08 dBm2。

由结果可以看出，采用上文的2种方法后，底噪降低约11.39 dB，测量准确度改善约0.55 dB，系统测量能力及测量准确性得了到明显提高。

图6 金属球实测结果

4 结束语

本文通过对近场测量中收发隔离度差所致测量能力不足的现象进行了分析，并给出了一种提高近场电磁散射特性测量系统收发隔离度的方法，通过时域滤波对直接耦合波及拖尾信号进行了抑制，通过扼流槽及引向器设计降低了天线的背瓣及旁瓣电平，外场标准金属球成像测试结果表明了该方法的有效性。