硬件时域门技术在宽频带天线罩测试中的应用

徐国昆 赵代岳 刘尚吉

0 引言

用于测试天线罩的微波暗室均存在多路径反射，而宽频带天线罩测试时，与之匹配的待测天线波束较宽，更容易受场地侧壁和地面等引起的多径信号干扰[1]，导致宽频带天线罩传输效率测试结果存在“超百”或“近零”现象。

目前频域测量技术依托于提高吸波材料的性能，来达到降低多路径反射影响，吸波材料电磁吸收性能已至瓶颈，且造价高昂。为进一步精确测试，减小误差，需对各种干扰信号加以抑制或消除。宽频带天线罩测试发展至今，经过多年研究与工程实现，目前已将软件时域门滤波技术广泛应用时域测量中[2]。与软件时域门相比，硬件时域门技术在去除干扰、提高信噪比、提高测试稳定性方面存在先天独特优势。目前尚未存在硬件时域门技术与宽频带天线罩测试相结合的文献资料和工程应用案例。

本文将详细阐述宽频带天线罩测试中结合硬件时域门技术原理与方法，并对比试验软件时域门、硬件时域门对同一宽频带天线罩进行传输效率测试结果，验证该方法在工程应用的可行性与测试精度。

1 宽频带雷达罩传输效率测试

1.1 测试原理

功率传输效率反映天线罩对被测天线射频能量的失配损失、热损耗等情况，是天线罩重要的电性能参数。天线罩功率传输效率一般指单程功率传输效率。具体是指对特定的天线和天线罩，在给定工作频率和天线扫描位置的情况下，经过天线罩后天线接收到的功率PS与不带天线罩时天线接收的功率PA之比，即根据天线互易定理[3]，天线处于发射状态和接收状态下天线罩的功率传输是相同的，因此测试时通常将天线工作为接收状态时进行天线罩功率传输的试验。

1.2 系统实现

测试系统及场地示意图如图1所示，该系统能够根据测试需求在不拆卸系统的情况下同时满足硬件时域门和软件时域门的测试。

图1测试系统及场地示意图

某测试系统为典型的微波暗室远场测试系统，长×宽×高为34m×16m×15m，微波暗室地面、侧壁、顶部铺设吸波材料。射频系统采用单矢量网络分析仪模式（以下简称矢网），矢网配有时域选件，脉冲触发和调制选件，满足硬件时域门和软件时域门的测试需求。矢网端口1经功率放大器与发射天线相连，作为微波信号发射端，端口2经低噪声放大器与测试天线相连，作为微波信号接收端。发射天线安装于发射架，接收天线安装于待测转台，待测转台可以进行空域范围内方位转动，接收天线的相位中心与转台转动中心重合，接收天线随转台方位随动。接收天线处于方位零度时，收发天线电轴对准。

2 硬件时域门应用原理

硬件时域门原理如图2所示，软件时域门原理如图3所示。对比图2与图3，硬件时域门原理是矢量网络分析仪的基础上增加多通道脉冲发生器和窄脉冲调制器（门控开关），上述硬件共同构成了硬件时域门电路。基于该硬件，系统由连续波测试系统调制转换为脉冲测试系统。

图2硬件时域门应用原理框图

图3软件时域门应用原理框图

软件时域门工作原理：通过测试系统快速扫频功能以傅里叶逆变换形式将频域测试数据变换为时域数据[4]，在时域信息中加入相应时间门对环境反射信号时间进行滤除，再通过傅里叶变换将时域变换为频域（如公式2与公式3），获得更加符合理论的测试数据；时间门是一种带通滤波器，可以滤除门以外的响应。

应用于功率传输效率测试中，时间门函数滤除反射信号。详细过程频域信息经傅里叶逆变换为时域信息，时域信息中确定峰值位置，该峰值为发射天线到接收天线的直射波所经历的时间，以峰值为中心设置门的宽度，门信息设置完毕。

硬件时域门工作原理[5]：矢量网络分析仪产生连续波信号，连续波信号首先传输至窄脉冲调制器，该调制器将脉冲发生器产生的脉冲基带信号调制到微波信号，形成微波窄脉冲调制信号，通过发射天线辐射出去。类比，接收天线接收回波信号，在接收通道内经过一个门控开关（脉冲调制器），该门控开关的导通和关断受主机内部多通道脉冲发生器的控制，通过精确控制脉冲发生器几路输出脉冲信号的延迟，精确控制接收通道上门控开关的导通时刻，只保留设定目标回波到来时刻的信号，将其它信号滤除。图5所示为硬件时域门干扰去除示意图，由图可见，对于在时间上可能分开的各种干扰信号，利用硬件时域门进行干扰的去除是可行的。

图4软件时域门去除多径效应示意图

图5硬件时域门去除多径效应示意图

3 测试结果验证与分析

3.1 参数设置

硬件时域门测试系统：为抑制场地干扰，设定要求脉冲占空比通常较小（脉冲周期要求设置较长覆盖场地尺寸，脉冲宽度要设置的较小以尽可能的滤除目标区域外的干扰），平均功率很低，对于窄带接收系统，由于脉冲退敏效应的影响使系统动态范围以10*LOG（占空比）减小，降低了系统的测量能力，所以其发射功率设置要比软件时域门的高。基于上述，测试参数设置如下：

（1）起始频率：8GHz。

（2）终止频率：12GHz。

（3）采样点数：201（硬件时域门），1601（软件时域门）。

（4）发射功率：3dBm（硬件时域门），-10dBm（软件时域门）。

（5）脉宽：15ns。

（6）延迟：300ns。

（7）软件时域门宽：1.5ns。

（8）转台运动范围：-10°～10°。

（9）角度间隔：1°。

3.2 测试结果与分析

以某天线罩为例进行硬件时域门、软件时域门电性能测试，以下是部分测试曲线。

图6软件时域门方位-10°测试曲线

图7软件时域门方位0°测试曲线

图8硬件时域门方位-10°测试曲线

图9硬件时域门方位0°测试曲线

软件时域门的门限宽度可以设置较小，因此可以将时域下的各种干扰滤除的比较好，对应测试曲线相对光滑，其原理实际上就是在时域上对数据乘上一个窗函数，将时域上数据之外的其它数据进行截断，该截断效应必然会引起误差，表现在频域就是吉布斯（Gibbs）效应[6-7]，该效应引起通带和阻带内的波动，同时带来频域上的边缘效应及带内起伏。图6和图7得出测试曲线的边缘明显变化，且曲线起伏也比较大，对测试结果存在影响。

图10方位0°功率传输效率对比曲线

图11方位-10°功率传输效率对比曲线

表1软件时域门测试功率传输效率数据

表2硬件时域门测试功率传输效率数据

加硬件时域门情况的测试结果，图8和图9可以看到测试曲线存在波动，这是由于硬件的限制（脉冲调制器的脉冲无法做到比较窄），使得硬件时域门的脉冲宽度比较宽，门内部还存在着一些干扰无法滤除，导致频域曲线上有较多的起伏。

表3理论功率传输效率数据

对比分析两种技术测试结果与理论结果，两者之间的平均值基本相同，最小值在较大角域范围上变化较大。软件时域门测试技术可以很好的在宽频带的中心频段附近表征天线罩在该频段内的性能走势，且与理论值很贴近，但是频段上下边缘则发生趋势变化，与理论值相差较远。说明软件时域门测试技术可以很好的部分表征天线罩在宽频带中心频段的性能走势，但是不能真实表征全频段频点特性。硬件时域门虽然最终结果存在波动，但是波动较小，可以表征出天线罩在宽频带内的整体性能走势，而且测试结果与理论值都非常接近。

从总体上看，硬件时域门的效果比较好，能够避免软件时域门处理技术所引起的一些误差。

4 结束语

硬件时域门在干扰去除上的技术优势，必将成为天线及天线罩测试主要方法。虽然目前硬件时域门在窄脉冲能力方面存在的不足，但是随着硬件技术的发展，具有纳秒量级更窄脉冲宽度生成能力的矢量网络分析仪在测试中得到应用，抗干扰能力更加突出，测试精度进一步提升。