大型雙反射緊縮場幅相特性校準技術研究

馬永光 楊金濤 吳 翔 何 鑫 黃承祖 黃建領

(北京無線電計量測試研究所，北京 100039)

1 引 言

緊縮場是采用精密的反射面，安裝于專門設計的微波暗室內，在近距離內將饋源發出的球面波變換為準平面波的測量系統。與傳統的其它類型測量場相比，緊縮場具有占地小、背景電平低、可全天候測量、保密性好等優點，已逐步成為隱身研究、高性能雷達天線測試、衛星整星測試、毫米波天線及毫米波系統性能測試等各種高精度測量的必要設備。

當前，國內已陸續建造了幾十個緊縮場，各緊縮場類型及靜區尺寸不盡相同，各緊縮場的靜區性能差異也較大。早期建造的緊縮場，它的電氣設計停留在較早期的水平，口面、邊齒設計等優化不足，面板的加工、拼裝精度等相對較低，有的緊縮場在建造時，甚至沒有進行電氣調整和性能檢測。隨著長時間的使用，緊縮場環境內吸波材料的老化、緊縮場反射面面板的形變、饋源及反射面的相對幾何位置的改變、邊齒的形變等因素都可能會導致緊縮場的靜區性能發生改變[1-5]，所有這些都需要專業的計量校準機構定期校準緊縮場的靜區性能。

研究大型緊縮場靜區性能校準技術可為緊縮場新建、使用和維護過程隨時提供進行質量控制的技術手段，通過對緊縮場靜區性能進行校準，可實現量值溯源，可以掌握緊縮場測試系統的靜區性能是否符合測試指標要求，可為分析測量結果引入的測量不確定度提供實際數據，會對準確的緊縮場實驗室評價提供幫助；通過定期的緊縮場性能校準，可對緊縮場測試系統性能進行監測，有效驗證各緊縮場實驗室的測量技術能力，還可以識別發現各緊縮場實驗室存在的問題，從而可以采取糾正措施，向實驗室的客戶提供更高的可信度，以保證武器型號中使用的天線、天線罩及目標RCS測試結果的準確可靠性。本文以大型雙柱面緊縮場待校為例，從現場計量幅相系統構建、大型復雜掃描系統設計、現場計量實施等方面詳細分析了緊縮場靜區性能現場校準相關技術[6-8]。

2 校準系統分析

本文分析的待校雙反射面緊縮場是雙柱面緊縮場，布局示意圖如圖1所示，采用兩個彎曲面互相垂直的拋物柱面校準饋源發出的球面波，副面首先校準一維波前形成柱面波，主面校準另外一維波前而獲得平面波靜區。通過副面的補償作用會抵消一部分由于偏饋拋物面聚焦所帶來的誤差，其靜區性能較單反射面緊縮場有所提升。其主面等效的焦徑比大于單反射面緊縮場的焦徑比，一定程度上可以減小空間衰減的不均勻，同時交叉極化也略有提升。由于電磁波經過兩個反射面，使得傳播光程更長，使得在RCS測試中，目標回波光程與暗室墻壁的直接回波有較大的光程差，更易于實現較低的RCS背景電平。

圖1 雙柱面緊縮場工作原理布局圖Fig.1 Double cylinder compaction field working principle layout

圖2 雙柱面緊縮場現場計量幅相系統構建圖Fig.2 Construction diagram of on-site measuring amplitude and phase system of double cylinder compaction field

大型緊縮場靜區平面波幅相性能校準主要采用探頭掃描法，現場計量幅相系統主要由微波幅相系統和掃描設備系統組成，布局示意圖如圖2所示。微波幅相系統實現對探頭接收信號進行幅度和相位測量，掃描設備系統可以實現控制檢測探頭的接收位置和姿態。掃描架系統是現場校準的關鍵設備，需要其平面度指標達到百分之一個波長，隨著工作頻率的升高，精度指標越難實現。本課題組研制的高精度掃描系統運動功能由天線部件(包括天線極化轉臺、進給補償機構和激光靶標組件)、直線運動模塊、主旋轉模塊、方位調整模塊、俯仰調整模塊、動態配重模塊等6個功能模塊聯合工作實現，共計7個運動自由度，實現了高自動化、高精度的設計目標，半徑式安裝模式工作行程達6m，直徑式安裝模式工作行程達3m，安裝中心高度可達(4～10)m，經計量人員現場檢測，設備平面度指標RMS值可達0.05mm。現場安裝后對掃描架架身整體掛裝吸波材料，減少架體散射對現場測量的影響，探頭天線周圍也均覆蓋吸波材料進行遮擋。

雙反射面緊縮場不同于單反射面緊縮場，一般雙反射面緊縮場布局饋源與反射面不在同一個房間內，發射饋源與緊縮場靜區天線距離較遠，所以微波幅相系統不采用單獨使用矢量網絡分析儀的發收方式，而由信號源單獨產生發射信號后通過饋源及反射面輻射出去，利用矢量網絡分析儀接收測試天線和參考天線兩路信號獲取幅相信息，利用掃描架設備控制接收天線的位置，可進行不同靜區位置的選擇測試，系統連接框圖如圖3所示。

圖3 檢測系統框圖Fig.3 Detection system block diagram

現場計量時，需要利用激光跟蹤儀對接收天線在緊縮場靜區中的位置進行精確定位，對掃描架的掃描運動平面進行校準，通過對接收天線移動軌跡的直線度和平面度指標進行現場檢測，必要時根據實際需要利用檢測數據對靜區平面波相位性能結果進行補償修正，實現相位高精度測量。

3 現場計量實施

根據雙柱面緊縮場現場計量需求，在現場安裝了高精度大型掃描設備，大型掃描架分為水平方向掃描和豎直方向掃描姿態，如圖4所示。掃描方向坐標示意圖如圖5所示。在靜區內架設大型多自由度高性能掃描架，可控制掃描面方位、俯仰角度偏差，利用不同頻段探頭接收天線覆蓋待校頻率，通過半徑掃描數據拼接實現靜區全范圍幅相特性計量。

圖4 現場計量所用大型極坐標掃描設備實物圖Fig.4 Physical map of large polar coordinate scanning equipment used for on-site measurement

圖5 現場計量掃描坐標示意圖Fig.5 On-site metrology scan coordinate diagram

其中，某極化條件下水平方向幅相計量結果如圖6所示，靜區邊緣位置交叉極化現場計量結果如圖7所示。

圖6 水平方向幅相計量結果曲線圖Fig.6 Horizontal amplitude and phase measurement results of a certain frequency point

圖7 交叉極化計量結果曲線圖Fig.7 Cross-polarization measurement result of a certain frequency point

圖6中,幅度錐削(幅度擬合曲線變化最大差值)，單位dB；幅度波紋(幅度實測曲線與擬合曲線最大差值)，單位dB；相位起伏(相位實測曲線與擬合曲線最大差值)；幅度錐削表征靜區截線上某極化條件下幅度理論設計情況，幅度紋波表征幅度實際變化分布與理論設計分布的差別，幅度波紋主要由于靜區內場干擾源在靜區內疊加干擾場而引起的，干擾源主要包括反射面邊齒、饋源直漏及暗室反射。因此其可以評估邊齒設計、饋源副瓣特性、暗室設計等，同時當饋源主瓣出現紋波時，也可引起靜區內的紋波。圖7交叉極化表征靜區場相應位置靜區邊緣接收極化與饋源極化方向正交的極化幅度分量，主極化分量與交叉極化分量之差，反映了靜區內的極化純度，主要受反射面的布局影響，通過在固定點連續旋轉法測量。

4 結束語

該緊縮場在某極化條件下，幅度錐削0.8dB，幅度波紋0.5dB，相位波紋6°，交叉極化-40.1dB，均滿足緊縮場各項設計指標要求。本文以某單位大型雙反射面緊縮場現場校準需求為例，詳細分析了大型緊縮場靜區校準所涉及的幅相系統構建、大型掃描裝置設計、現場計量分析等相關校準技術，實施效果滿足緊縮場用戶需求。通過對緊縮場靜區性能定期校準，可以幫助緊縮場用戶加深對緊縮場靜區特性的了解，引起用戶對緊縮場性能可能發生變化的因素加以重視，可為測量結果引入的測量不確定度分析提供依據，可有助于實現各緊縮場系統量值統一。