單反射面緊縮場接收機靈敏度要求評估方法

歐乃銘 白 明 梁 彬 苗俊剛

(北京航空航天大學 電子信息工程學院，北京 100191)

緊縮場［1］通常建于微波暗室內，采用高精度反射面，將位于反射面焦點處饋源產生的電磁波轉化為滿足遠場測試條件的接近理想的平面波，其在天線測試及目標RCS(Radar Cross Section)測試方面有著廣泛的應用.緊縮場有多種形式［2－9］，其中最常用的是由一個偏置的旋轉拋物面和位于其下前方焦點處的饋源組成的偏饋式單反射面緊縮場.

緊縮場系統靈敏度與場地尺寸、發射功率、饋源性能、工作頻率、系統結構以及接收機靈敏度等諸多因素有關，它反映了緊縮場系統的最小可測RCS電平.對緊縮場系統靈敏度的要求也可反映為對接收機靈敏度的要求.當RCS減小(即對系統靈敏度的要求提高)、工作頻率提高時，對于接收機靈敏度的要求非常高.因此在構建緊縮場時，正確評估系統對接收機靈敏度的要求，是十分重要的.

1 問題的提出

對緊縮場接收機靈敏度要求的評估，比較普遍采用的是利用雷達方程導出的天線測試相應的理論公式［10－11］:

式(1)能夠根據目標RCS值、系統發射功率、工作頻率、天線增益以及緊縮場饋源相位中心到緊縮場反射面中心點的距離估計出系統對接收機靈敏度的要求.利用該公式進行接收機靈敏度要求的評估，沒有全面考慮到反射面具體形狀尺寸、反射面邊齒結構、反射面邊緣繞射、緊縮場靜區中心位置等因素的影響，它忽略了緊縮場自身性能在其靈敏度評估過程中的影響，具有一定的近似性和片面性.

本文對單反射面緊縮場接收機靈敏度進行了研究，根據洛倫茲互易定理，提出了一種對緊縮場接收機靈敏度要求進行評估的方法.該方法能夠全面反應目標RCS值、系統發射功率、工作頻率、饋源性能、反射面形狀尺寸、反射面邊齒結構、反射面邊緣繞射、緊縮場靜區中心位置等因素的影響.文中利用該方法，對北京航空航天大學微波暗室接收機靈敏度要求進行評估，并與實驗測試的結果進行比較，對此評估方法的有效性和正確性進行驗證.

2 評估方法

緊縮場測試系統中，可以視緊縮場饋源(主動源)和反射面組成一個天線整體，視位于靜區中心的標準定標球為一個待測天線(被動源)，將標準定標球通過散射緊縮場平面波(該平面波是主動源激勵的電磁波通過反射面的反射而得到的)而形成的球面波視為其激勵的場，取位于反射面和靜區中間的任意平面作為上述兩個天線系統的天線口面.同時假定存在一個虛擬源，其發射的電磁波通過天線口面上每一點的功率流方向與主動源完全相反、大小與主動源完全相同，該虛擬源可視為另一個待測天線.

這樣，緊縮場饋源、反射面組成的天線整體可分別與被動源、虛擬源組成天線測量系統.通過系統仿真計算，可得到緊縮場饋源與反射面組成的天線整體、被動源、虛擬源在天線口面上的電磁場近場分布.其中虛擬源在天線口面上的近場分布，可直接通過將緊縮場饋源在天線口面上的電場取共軛、磁場相位滯后180°后取共軛的方法得到;被動源在天線口面上的近場分布與定標球的RCS值有關.圖1為單反射面緊縮場的系統示意圖.

圖1 緊縮場系統示意圖

在天線測量系統中，利用洛倫茲互易定理［12］，可以求得接收天線系統接收到的來自待測天線系統的電磁波信號的強度.洛倫茲互易定理可表述為

其中，S為包含某一無源區的封閉曲面;EA，HA和EB，HB分別為待測天線A、接收天線B作為激勵時在該封閉曲面上的電磁波近場分布.

待測天線A、接收天線B、封閉曲面S的相對位置關系如圖2所示，其中閉合曲面S=S0+S∞+ΣB.

圖2 天線測試系統系統示意圖

無源區V是由封閉曲面S限定的區域，將洛倫茲互易定理應用于該區域，可得接收天線B接收到的來自待測天線A的信號，即接收天線B的輸出為

VB正比于待測天線A激勵時接收天線B的接收電壓，那么正比于待測天線A激勵時接收天線B的接收功率.

在求得緊縮場饋源與反射面組成的天線整體、被動源、虛擬源在天線口面上的電磁場近場分布后，利用式(3)可得到緊縮場饋源接收到的來自被動源(標準定標球)的信號VS，以及緊縮場饋源接收到的來自虛擬源的信號VX.

由虛擬源的定義可知，其在天線口面上的通過功率P能夠完全被緊縮場饋源接收，那么緊縮場饋源接收到的來自被動源的實際功率為

反射面效率η，是指緊縮場饋源在天線口面上的通過功率P與其發射功率Pt的比值，則式(4)可改寫為

Pr即為在一定的目標RCS值和饋源發射功率下，系統對接收機靈敏度的要求.

3 數值仿真

針對上述分析，結合圖1所示系統，利用物理光學法計算主動源、被動源、虛擬源在天線口面處的近場分布，仿真模型按照北京航空航天大學微波暗室的實際尺寸進行搭建(靜區尺寸2m).計算頻點10GHz，被動源為－15 dBsm定標球，采用電場水平極化方式.圖3～圖5分別為各激勵源在天線口面處切向電場的幅值、相位分布.

圖3 主動源在參考平面處近場分布

圖4 被動源在參考平面處近場分布

圖5 虛擬源在參考平面處近場分布

利用上述近場數據及式(3)，可求得|VS|=1.413524 ×10－7，|VX|=1.435 85 ×10－3;通過計算緊縮場饋源口面處的通過功率和其與反射面組成天線整體在天線口面處的通過功率，可求得反射面效率為28.15%.那么當饋源發射功率為0 dBm時，通過式(5)可得到系統對接收機靈敏度的要求為:Pr= －85.64 dBm.

表1中列出了利用上述方法求得的在常用頻率 f為 5，10，15，20GHz，發射功率為 0 dBm，RCS為－15～－45 dBsm時，系統對接收機靈敏度Pr的要求.

表1 緊縮場系統對接收機靈敏度P r的要求 dBm

4 實驗測試

為驗證本文提出的評估方法，在真實場景中進行實驗測試.測試條件為:8.5～12GHz掃頻測試，測試目標為－15 dBsm標準定標球，測量參量為S21(接收功率與發射功率的比值)，發射功率為0 dBm.測試結果如圖6所示.

根據目標RCS測試相關理論，要想得到饋源接收到的通過定標球反射回來的能量，首先需用圖6中的目標測試數據減去單純的背景測試數據，將相應的結果通過逆傅里葉變換由頻域轉換到空間域，并在空間域進行加窗濾波，如圖7所示;然后再將濾波后的空間域數據通過傅里葉變換轉回頻域，如圖8所示.

圖6 －15 dBsm定標球測試原始接收數據

圖7 利用矩形窗進行空間域濾波的示意圖

從圖8中可以看出，在10GHz頻點處，矢量網絡分析儀接收端口與發射端口的能量傳輸比為－94.07 dB.而第3節中的評估結果為接收饋源與發射饋源的能量傳輸比，為此需要得到由矢量網絡分析儀發射端口到發射饋源以及由接收饋源到矢量網絡分析儀接收端口的傳輸線損耗和駐波損耗.通過實驗可知，10 GHz時該部分損耗為－8.56 dB，那么實驗中接收饋源與發射饋源的能量傳輸比為－85.51 dB.

圖8 處理后的目標頻域數據曲線

由于發射功率為0 dBm，那么接收功率為－85.51 dBm.該結果與第3節中的分析結果基本一致，這就驗證了本文根據洛倫茲互易定理，提出的對單反射面緊縮場接收機靈敏度要求進行評估的方法的有效性和正確性.

5 結束語

本文對單反射面緊縮場接收機靈敏度要求進行了研究，根據洛倫茲互易定理，提出了一種通過數值仿真對緊縮場接收機靈敏度要求進行評估的方法，并結合實驗測試的結果驗證了該方法的正確性.該方法相對于傳統理論公式的評估方法，考慮了反射面具體形狀尺寸、反射面邊齒結構、反射面邊緣繞射等因素的影響，是結合緊縮場實際尺寸、結構的一種評估方法，具有較高的評估精度和廣泛的適用性，對緊縮場接收機靈敏度要求的評估工作具有一定的意義.

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