板状材料反射系数时域快速测量

2021-09-02弓明豪胡明玮王卫东

西安电子科技大学学报 2021年4期

弓明豪，魏兵，胡明玮，王卫东

(1.西安电子科技大学物理与光电工程学院，陕西西安 710071；2.西安电子科技大学信息感知技术协同创新中心，陕西西安 710071)

在电磁材料的研发过程中，常需要对多种不同的材料试样进行宽频段反射特性测试[1]。在实际工程问题中，频域测量常常面临测量代价大、时间长、明显影响产品研发速度的问题[2]。相比于频域测量，时域测量具有环境要求低、宽频带测试速度快的优点[3-4]。国内外的研究者将时域法运用于天线测量[5-9]、传播特性测量[10-12]、目标成像[13-15]等方面，并取得了许多研究成果，然而还未见时域法用于板状材料反射特性快速测量的文章。考虑到许多材料便于制作成板状在自由空间进行反射特性测试，为提高测量速度和研发效率，文中搭建了基于皮秒级脉冲源超宽带时域反射特性自由空间测量系统；分析了基于“时间窗”的有用反射脉冲信号提取、时域反射系数计算等问题。

1 反射特性时域快速测量系统

时域自由空间反射特性测量系统原理如图1所示，测量系统由硬件平台和测试数据处理两部分组成。系统的硬件平台的工作原理为：时域脉冲源激励天线发射脉冲电磁信号，目标在入射脉冲的照射下产生散射场，接收天线接收目标散射场并通过和信号源同步的等效采样接收机进行采样，获得目标实时回波信号。信号采集过程结束后，采集到的时域响应信号经过背景对消、“时间窗”去除杂散响应、小波变换等降低随机噪声后进行离散傅里叶变换，变换后即可获得信号在所需频率范围内的频谱(包括各频点幅值和相位)，经过误差分析修正后可获得介质板的反射系数。

图1 时域自由空间测量系统原理

相比较于频域测试技术，时域测试技术有以下几个方面的优势：①时域测试十分适合于超宽带测量，在整个测量频段内，时域测量只通过1次采样测量就能获得宽频段内的反射特性，测量效率高，且测试频段越宽，优势越明显；②时域测量对测量环境的要求低，利用“时窗”技术可以消除或减小由于测量环境和天线与待测目标之间散射带来的测量误差，因此整个测量过程不需要昂贵的微波暗室，可以很方便地完成室内及室外测量；③时域计算具有在编程和使用上较频域简单直观的特点。

文中所用时域测量系统的主要技术指标如下：

(1) 时域窄脉冲源：主波束近似为高斯脉冲，宽度约为85 ps，半高宽约为35 ps，最大幅值为25 V。

(2) 收发天线：加透镜超宽带双脊喇叭天线，天线频段为2～20 GHz，加透镜后3 dB带宽分别为25°～10°。

(3) 测试频率范围：2～18 GHz，一次测量完成常见雷达频段测试。

2 时域信号提取及反射系数测量理论

脉冲源信号如图2(a)所示。脉冲源信号经过收发天线后，实时接收信号波形与脉冲源发射信号会产生近似微分效果的改变，信号幅度发生很大的衰减，且会有一定程度的时延扩展。这主要是由于收发天线的增益、传输中的路径损耗以及多径效应的影响。因此，系统每次测量频段也会受到收发天线频段的制约；图2(b)为收发天线距离2 m时实时接收信号，满足远场条件后，接收信号波形及频谱特征不随天线到介质板的距离变化而改变；图2(c)为室内测试时系统信噪比。可以看出：在2～18 GHz频段内的多次测试中，脉冲源信号信噪比均高于75 dB，收发距离为2 m时天线实时接收信号信噪比高于60 dB，系统稳定性较高。图3为板状材料实际测量环境示意图。

(a) 脉冲源发射信号

(b) 天线实时接收信号

图3 板状材料实际测试环境示意图

在板状材料时域自由空间测量中，天线接收到的脉冲包含天线耦合信号、待测目标反射、绕射信号以及背景信号。图4展示了某次金属板反射特性测量的时域回波信号，通过“时窗”选择和背景对消可以获得目标较准确的时域回波信号。

(a) 系统实时接收波形

(b) 金属板反射信号

在图4(a)中，区域1为天线的直接耦合信号(测量时收发天线相邻，来自发射天线的直接耦合信号最先到达接收天线)；区域2为待测板的回波信号；区域3为墙体及地面等背景的反射信号，与天线耦合信号的时间差可通过自由空间电磁波传播进行估算。测量时只需提取区域2的信号就可消除天线耦合和地面等背景干扰对测量造成的影响。图4(b)为经过“时窗”滤波及背景对消后待测物时域响应。由图可见，待测目标响应是持续时间较长的复杂波形，其中包含了板状材料表面回波、边缘绕射波等贡献。为了降低测量误差，板的尺寸应满足测试频段系统平面波照射区域范围，厚度应满足系统雷达的距离最小分辨率。实验数据处理时需要根据天线与板的距离、板的尺寸等因素确定“时窗”大小和位置，保证实验精度。

时域系统利用天线辐射的远场平面波束实现对待测材料板反射特性的测试，采用自由空间测试模型来进行分析。图5中给出了自由空间终端加载的3种状态：金属板、待测材料板和待测材料加金属板(理想衬底情形)。以金属板上表面作为参考面进行校准后，将待测材料置于金属板上进行测试。对于具有一定厚度的平板待测材料，考虑到聚焦波束在厚度方向上并非均匀传输，因此测试反射系数幅度时，需调整待测材料高度，使其上表面与校准参考面重合。直接测量得到目标时域回波信号，通过理想衬底情形信号与材料板信号对比，来确定材料板前后表面回波分离时间，并进行截断，傅里叶变换后即可获得待材料加金属板的复反射系数的幅值。

(a) 金属板 (b) 待测材料板 (c) 待测材料板+金属板

3 测量结果和误差分析

实验所用的聚四氟乙烯材料板和特制玻璃钢材料板均为电磁参数已知的实验材料，标准金属板表面平面度和粗糙度满足GJB 2803A-2011。聚四氟乙烯材料板尺寸为45 cm×45 cm×6 mm，电磁参数为εr=2.05，μr=1.0，σ≈0。由电磁波在介质中传播理论可知[16]，材料板前后表面回波时间差为17.9 ps，常见雷达波段下材料表面反射系数为0.188。时域信号测量结果如图6所示，图6(a)为聚四氟乙烯材料板实物图，图6(b)为终端不同情形下时域回波信号比较。由图可见：理想衬底反射信号与材料板反射信号在第1波峰信号重叠，从电磁波传输时间可将其视为前表面反射波形；金属板反射信号与材料板反射信号时间有偏差，这是由于两次测量表面与校准参考面不重合造成的，在考虑信号相位时会产生误差，测量中通过转台轻微移动待测材料来避免。利用金属板反射信号对材料板反射信号和理想衬底反射信号进行信号分离，具体方法为：首先，通过金属板反射信号与材料板反射信号第1波峰最大值比值，将金属板反射信号进行等比例缩小；然后，通过第1波峰采样点位置将3种状态反射信号对齐；最后，利用材料板和理想衬底整体反射信号减去缩小金属板信号将其分离，结果如图6(c)所示。分离后信号分别视为材料板前表面回波信号和理想衬底多次回波信号，两信号的波形基本保持一致，符合电磁波传播理论。

(a) 聚四氟乙烯板

(b) 3种加载情形时域回波比较

玻璃钢材料板尺寸与聚四氟乙烯板的一致，电磁参数εr=3.1，μr=1.0，σ≈0。由传播理论可知，材料板前后表面回波时间差应为30 ps，常见雷达波段下材料表面反射系数为0.279，测试结果如图7所示。图7(a)为玻璃钢板实物图；图7(b)为不同情形下材料板时域实时回波信号比较，相对介电常数越大，电磁波在介质中传输速度越慢，材料板反射信号与理想衬底反射信号重合时间会越长；图7(c)为理想衬底分离信号时域波形。

利用时域回波信号获取待测材料板频域反射系数的方式为将材料板前表面回波和金属板时域回波的截断信号进行傅里叶变换后获得其比值。具体步骤为：采用零点截断的方式将待测材料板和金属板反射信号的第1波峰保留，其他采样点信号幅值归零，这是为了减小由于多路径传播、电磁波绕射等带来的信号失真引起的误差；将待测材料板和金属板第1波峰信号进行离散傅里叶变换，获得两者在测试频段内的频谱幅值，两者频谱的比值为材料板反射系数幅值。在进行频域分析时，为获得测试频段内更多的采样点，需要在保证时域波形准确性的同时，增大时间采样间隔；最后，将测量结果与理论结果相比较，验证测量结果的正确性。

(a) 玻璃钢板

(b) 3种加载情形时域回波比较

图8为两种材料板前表面频域反射系数测量结果。为保证测量的一致性，进行了多次实验。由图8可知，时域方案可以在一次测试中获得2～18 GHz频段内板状材料的反射系数，每次测试结果与理论值误差均在2.5%以内，误差的主要来源为系统自身特性导致的误差项和环境误差。在系统搭建完善，不需要更换测试设备的条件下，系统每次信号保存时间不超过1 s，数据处理时间不超过30 s，可以通过多次测量结果平均来进一步降低误差。利用时域回波也可以计算分层介质板的反射系数，但需要考虑介质板多重散射和绕射的影响，误差较大，后续需要通过电磁算法对其进行修正。