提高近場測量系統隔離度的方法研究*

沈小玲，馮孝斌，張達凱，劉胤凱，張云，馮雨

(電磁散射重點實驗室，北京 100854)

0 引言

目標的電磁散射特性是表征雷達目標對于照射電磁波散射能力的一個物理量[1]。電磁散射特性測量系統正是獲取該特征的測量設備。不同于遠場，在近場電磁散射特性測量中存在一些特有問題，本文針對其中提高近場電磁散射特性測量系統收發隔離度的難題給出了一種解決方法。

1 問題引入

近場電磁散射特性測量系統在設計中，除了近遠場變換等難題外[2]，其接收機動態范圍也是一個重要問題，直接影響到系統測試能力。引起動態范圍不足的原因主要有背景電平太高、信號寄生頻率分量過多、收發隔離不足等。背景電平和寄生頻率分量受到測試場地、電磁環境和頻率規劃等多方面原因影響，針對前兩點以往的文獻中已經提到了場地改建、低散射支架、多路徑抑制、濾波設計、雜散抑制等多種解決方法[3-5]。在本文中主要針對提高近場測量系統收發隔離度展開論述。

電磁散射特性測量中，為了提高回波信號穩定度以及對低散射目標的測量能力，往往將發射信號通過功率放大器放大至穩定的大功率信號后再送入發射天線。一方面大功率的直接耦合波信號通過周圍設備反射或者天線耦合進入接收機后，很可能帶來接收機阻塞問題，進而導致接收信號失真；另一方面，受到電源放電及放大器飽和等原因影響，射頻信號經過脈沖功放后會產生嚴重拖尾，拖尾信號與回波信號疊加在一起進入接收機。

在遠場測量中，系統與目標距離較遠，目標回波與直接耦合波間隔時間足夠長，可以與直接耦合波及其拖尾在時域上分離開來，同時即使直接耦合波導致接收機產生了阻塞，也足以在回波到來之前恢復至線性工作狀態。仿真結果如圖1所示。可見無論理想還是實際情況，上述問題在遠場測量中均沒有對目標回波產生影響。

但在近場測量中，由于系統與目標間距離較短，導致目標回波與直接耦合波在時域上難以分離。仿真結果如圖2所示。由仿真結果可見，在理想情況下直接耦合波與回波信號可在時域上分離開。但實際工作中，受直接耦合波及其拖尾影響，回波信號已經被淹沒，或者由于拖尾的疊加導致接收機飽和，最終導致系統動態范圍變小。系統的隔離度越差，這種影響越明顯，系統的測量能力越受限。

圖1 理想及實際情況下遠場測量直接耦合波及目標回波信號仿真結果

圖2 理想及實際情況下近場測量直接耦合波及回波信號仿真結果

2 問題分析及改善方法

要解決上述問題，可以從源頭、傳輸路徑或接收端進行分析和抑制。接收機輸出的直接耦合波Pr主要來源如式(1)所示。

(1)

(2)

式中：PT為功放輸出信號功率；GR-T為接收天線在收發之間的方向性增益(包含背瓣反射及副瓣增益)；r為收發天線之間距離(因功放與發射天線常就近安裝，本文忽略了功放與發射天線的位置差)。

(3)

式中：GT-R為發射天線在收發之間的方向性增益(包含背瓣反射及副瓣增益)。

由以上可得

(4)

由公式(4)可見，在發射功率及收發天線距離不變的情況下，影響收發隔離度的因素主要是接收機增益、天線背瓣及副瓣等。因此，本文主要從接收端抑制和天線方向圖設計2方面展開研究。

2.1 基于時域濾波的直接耦合波抑制方法

針對接收機阻塞這類問題的常用方法是在低噪放前增加限幅器，但考慮到限幅器位于接收機第一級，其引入的插入損耗將會給接收機噪聲系數帶來一定量的惡化[5-8]，且此方法對直接耦合波及其拖尾信號問題并不奏效，因此并未采用這種方式。

從系統動態范圍的角度分析，接收機動態范圍的衡量主要通過對低散射目標和較大目標的測量能力來體現。在低RCS(radar cross section)散射目標測量中可以采用脈沖壓縮方法進行直接耦合波和目標回波的分辨，以減少對弱小信號測量帶來的影響。但針對較大RCS目標測量，其目標回波較大，直接耦合波及其拖尾信號的疊加會導致接收機飽和，進而導致接收線性動態范圍變小，影響測量結果準確性。

針對這個問題，本文從接收前端增益入手，給出了一種通過時域濾波提高系統隔離度的方法：

由公式(4)可看出，若將Gr設計為時變增益，當直接耦合波進入接收機時，將Gr設置為較低值，實現對直接耦合波的衰減抑制；當目標回波進入接收機時，將Gr設置為較高值，實現對弱小回波信號的放大。以此方法實現對直接耦合波及其拖尾信號的抑制。

仿真結果如圖3所示，接收輸出線性動態范圍為-60～0 dBmW，通過時域濾波將直接耦合波及其拖尾信號抑制至-20 dBmW以下后，接收線性動態范圍損失小于1 dB。可見采取上述時域濾波措施后，直接耦合波及拖尾信號的影響得到了很好抑制，其帶來的接收線性動態范圍損失基本可以忽略。

圖3 采取時序控制后的仿真結果

2.2 基于副瓣背瓣優化設計的隔離度提高方法

近場電磁散射特性測量系統設計中，根據系統測試精度高、抗干擾能力強、輻射范圍廣以及小型化的要求選擇了Vivaldi天線[6-13]，但其存在背瓣和副瓣大的缺點，再加上天線后面的車體為金屬結構，因此影響較大。本文中對Vivaldi天線背板和副瓣開展了優化設計，分別在天線的銅片上增加了扼流槽，以及在天線頂端增加了矩形金屬貼片作為引向器[14-16]。無線模型圖如圖4所示。

圖4 天線模型圖

由仿真結果(圖5)可以看出，增加扼流槽后，背瓣和副瓣電平得到了約7 dB和1 dB的改善；增加引向器后，分別再次降低了3 dB和8 dB左右，從天線的方向性上提高了系統的隔離度。綜上所述，采用以上措施后，理論上帶給系統收發隔離度約10 dB的優化。

圖5 天線方向圖仿真結果(10 GHz)

3 實測結果分析

采用以上設計前后，分別使用同一套測量系統對理論值為-9 dBm2的金屬球進行了近場電磁散射特性測量。

原始測試結果如圖6a)所示，成像底噪約為-43.29 dBm2，測量值為-8.36 dBm2。

采用文中方法處理后的測試結果如圖6b)所示，成像底噪約為-54.68 dBm2，測量值為-9.08 dBm2。

由結果可以看出，采用上文的2種方法后，底噪降低約11.39 dB，測量準確度改善約0.55 dB，系統測量能力及測量準確性得了到明顯提高。

圖6 金屬球實測結果

4 結束語

本文通過對近場測量中收發隔離度差所致測量能力不足的現象進行了分析，并給出了一種提高近場電磁散射特性測量系統收發隔離度的方法，通過時域濾波對直接耦合波及拖尾信號進行了抑制，通過扼流槽及引向器設計降低了天線的背瓣及旁瓣電平，外場標準金屬球成像測試結果表明了該方法的有效性。