吸波涂层反射率原位测试技术研究

邓乐武，魏 平，吴 杰

(中航工业成都飞机工业集团有限责任公司， 成都610092)

0 引言

涂敷型吸波材料作为电磁吸波材料的一种，在军事上是主要的隐身材料之一，往往被涂敷于武器装备的金属表面用以降低武器装备对雷达电磁波的反射率;在民用方面则被用于如人体安全防护、微波暗室、消除设备和通信及导航系统的电磁干扰、安全信息保密、电磁兼容等诸多方面，可以有效降低电磁污染［1］，而通常表征吸波涂料隐身特性的基本参量是其对电磁波的反射率。由于吸波涂料喷涂均匀性、一致性存在差异，吸波性能会随着使用时间的增加而逐渐下降，其性能也达不到要求，需要更新涂料从而保持吸波效果。涂敷型吸波材料的性能保持时间长短取决于该材料的原料、构造及使用环境等因素，一般为半年到数年不等。

目前，对吸波涂料的吸波性能的测量手段仅限于研制及生产阶段的材料样片，一般在实验室内进行。而对于使用阶段的吸波涂料(如涂敷于武器装备、建筑物等物体上的材料)的性能还没有较好的检测手段，只能根据经验来判断吸波涂料的失效时间，误差大小。在此背景下，进行吸波涂层反射率外场测试技术研究，以实现对装备涂敷的吸波材料性能进行外场原位检测，本文将介绍一种适用于外场原位检测的吸波涂层反射率测试系统。

1 总体技术方案

1.1 总体设计

测试系统采用频率步进模式测量反射率-频率曲线，其总体设计框图如图1所示。

图1 系统总体设计框图

两个宽带锁相源的时基信号来自同一个高精度、低相噪、恒温晶振的输出信号，保持两个高速捷变频信号源的输出信号相参［2］。

锁相源1的输出信号经放大器，定向耦合器，输出到波导探头。探头和被测物产生的回波信号经过定向耦合器进入混频器2与锁相源2的输出混频，经低通滤波得到回波中频信号。锁相源1和锁相源2的输出信号进入混频器1，经低通滤波得到参考中频信号。

由于在固定频率上进行正交解调可以保证较高的精度，在频率控制模块控制下，锁相源1与锁相源2保持恒定频率差，以得到固定频率的中频信号。

参考和回波中频信号经过数字正交解调模块，可得到基带IQ信号，即S11参量，经校准和取模值，即可得到被测吸波涂层的反射率-频率曲线。

数字正交解调模块运用了软件无线电技术，采用高速模数转换器(ADC)及通用可编程处理器来实现中频、基带信号的数字化及比特流处理，采用高速数字电路替代了原有的中频/基带信号处理模拟电路［3］。中频数字正交解调和数字滤波处理大大提高了正交解调的精度，减小了基带信号处理电路中引入的低频干扰;同时，由于采用了可编程逻辑器件，所以，可以灵活地采用各种数字信号处理方法及接口协议以适应不同的测试场合。

1.2 整体结构设计及特点

整体结构包括主机箱、测量探头和连接电缆。图1中，虚线框内的器件单元属于广义的“探头”部分(本文中带引号的“探头”特指广义的探头结构，不仅包括了波导探头，还包括微波射频的信号产生、放大、定向耦合、混频等部分)，包括双锁相频率源及频率控制部分、发射信号放大器、回波信号定向耦合器、波导探头和两个混频器，探头的外形结构如图2所示。

图2 智能微波探头结构效果

其余部分放置于机箱，包括恒温晶振时基、数字正交解调模块、嵌入式工控计算机和电源系统，如图3所示。

图3 测试系统整体效果图

本系统在结构上的一大特点是将所有的微波射频部分全部集成在了“探头”上，之所以如此安排，主要是考虑提高系统测量的可重复性和现场使用的可靠性。一般情况下，微波射频结构安排在主机箱中，通过射频电缆连接至波导探头。在现场测量时，需要频繁更换不同波段的探头，射频电缆需要反复断开和连接，为达到可靠连接，需要力矩扳手等专用工具，且需要耐心仔细操作，对使用人员要求较高，否则非常容易故障频出;另一方面，射频信号对射频电缆的结构形变敏感，电缆不同的弯曲状态会造成测量结果不同程度的差异，多次测量难以做到高可重复性。且电缆形变造成的差异不固定，由于校准技术要求，一经校准系统就应当保持恒定不变的状态，校准后任何系统状态的改变都将影响到最终校准的效果，所以，校准技术也无法消除此种误差。

而采用微波射频结构整体封装至一个“探头”中的特殊安排就能够避免上述缺点。首先，“探头”与机箱的连接包括控制信号、低频时基信号、中频信号，而不存在射频信号，连接更加简单，对现场作业人员的操作要求较低;其次，由于采用了微波结构的固化封装结构，校准技术能够更有效地发挥其消除系统内部固有误差的优势，使得测量的重复性更高，提高了反射率-频率曲线的测量精度。

2 技术途径

2.1 采用频率步进体制

系统采用频率步进体制测量［4-5］，其过程和各个模块输出波形如图4所示。

图4 输出波形图

(1)发射波形(即锁相源1波形)，按照时间推移，其频率依次扫过 f0，f0+Δf，…，f0+nΔf。其中，f0为频段起始频率;Δf为频率步进值;nΔf为整个频段频宽，整个频段划分为n+1个离散的频率点进行测量。例如，1 GHz～2 GHz频段，可以划分为1 001个频率点进行测量，则Δf为1 MHz，n为1 000。这样就可以得到由1 001个离散点组成的1 GHz～2 GHz频段的反射率-频率曲线［6］。

(2)接收波形，即从波导探头反射回系统的信号，其频率与发射波形相同，时间上根据微波电路具体情况有不同程度的滞后。经过定向耦合器，接收波形与锁相源2波形混频，下变频后的信号为中频回波信号，其中心频率为固定中频频率IF。

(3)锁相源2的波形，与锁相源1的波形同时跳变，但是，其频率与发射波形相差固定的中频频率IF。这样，在锁相源1和2混频后，下变频的信号才能为固定中频频率的参考信号。

(4)参考中频和回波中频的中心频率均为IF，其中，回波中频含有被测吸波涂层的反射率信息。经过数字正交解调，在每一个离散的频点上，可以得到形如I+jQ的S11参数。

(5)假如系统是完美的，没有任何阻抗失配，且系统频率响应平坦，对S11参数取模值，即可得到离散的反射率-频率曲线，一条实数曲线。但是，真实的世界存在各种不理想情况，直接对S11参数取模值得到的曲线不仅包含了被测吸波涂层的反射率信息，而且包含了非理想系统的各种系统误差，是未经校准的、不可靠的。为了得到真实的被测吸波涂层反射率信息，需要对S11参数进行校准运算。

(6)经过校准，得到了一组新的形如I+jQ的复数形式的曲线，对其取模值，即可得到真实的被测吸波涂层的反射率-频率曲线。此时，系统测量完成，嵌入式工控计算机会将曲线实时显示于液晶屏。

2.2 校准方式和原理

本设计采用单端口校准，该校准方式采用如图5所示的误差模型［7］。

图5 单端口误差模型

单端口校准模型中，有三个未知误差量，需要三个独立方程求解之。为了得到三个独立方程，变量规定为:ΓA为实际反射系数;ΓM为测得的反射系数;e00为定向误差;e10，e01为反射定向误差;e11为源匹配误差。

则有如下等式

则

当然，一般情况下，取三个已知负载为开路负载、短路负载和完全匹配负载。具体到吸波涂层测试系统，我们需要在每个频点上对上述方程组求解，以得到a、b和c在不同频率上的值，用于后续测量结果的校准。

2.3 智能微波探头设计

设计一种专用于吸波涂料现场快速精确测量的新型智能微波探头，不同于以往的简单探头(标/非标准喇叭探头、标/非标准波导探头)，这种新型探头除了在微波结构上做了专门的优化设计，还在探头上集成了微波电路、智能控制电路。

以往的简单探头，通过一根微波长电缆与测试设备主机相连，在使用过程中，由于经常需要挪动探头的位置，测试中微波电缆的曲折形变会导致微波传输通路中的相位、驻波等发生变化，影响校准精度，从而带来测量误差;另一方面，不同的测量频段需要不同的探头，频繁的更换探头会导致微波电缆及接头等的磨损、接触不良等，造成测试曲线漂移、测量结果重复性差等现象。

为了解决上述问题，在新型微波探头的设计中，将微波电路集成于探头之上，微波电路与前端信号馈送部分完全采用固化的电路连接，免去了传统方式中必需的主机箱/探头间的射频电缆连接。智能微波探头采用恒温晶振时基、吞脉冲可变分频器的锁相频率合成方案、中频数字处理技术等［8］，使用射频集成电路设计，在逐个频点扫描过程中，具有较快的锁相稳定时间，信号在探头中生成、发射;探头接收回波信号，并进行初步的处理;微波探头与测试系统主机之间的电缆只传送通信、中频、供电等信号;另一方面，微波电路全部采用最新技术的微波集成电路设计，系统的长期稳定性、一致性能够得到最大保证。

经过特殊设计的微波探头，具有测量结果稳定性高、重复性好、环境温度影响小、矢量对消效果优异及可靠性高等优点。

3 测量结果分析

3.1 反射率测量准确度

使用两块材料样板，在紧缩场系统中通过RCS法测量得到了这两块材料样板的反射率标准数据。使用便携式吸波涂层反射率测试系统对这两块材料样板的反射率进行测量，测量数据与标准数据曲线对比如图6、图7所示。从图中可以看出，反射率测量曲线基本重合一致。

图6 1#材料反射率测量曲线对比

图7 2#材料反射率测量曲线对比

3.2 工作频率及测量时间等其它指标

使用频谱仪对便携式吸波涂层反射率测试系统的发射信号频率进行了测量，每个频段抽检了高、中、低三个频点，频率精度满足要求。系统开机预热18 min后进行测量，完成一次测量耗费时间最多不超过10 s。

4 结束语

以上介绍的吸波涂层反射率测试技术，是一套利用微波测试技术并基于智能仪表和控制计算机的自动测控系统，具备数据采集、分析和处理能力，具有体积小、重量轻、测量速度快、操作简单智能的特点。通过对比实验表明，系统能够实现装备所涂敷吸波涂层的反射率原位快速检测，对于装备的吸波涂层研究、数据库建立、维护修补等提供切实可行的检测手段。本系统设计受限于只能对装备平面进行检测，对于涂覆吸波涂层的弯曲面测量还有待于做进一步研究。

［1］ 何国瑜，卢才成，洪家才，等.电磁散射的计算和测量［M］.北京:北京航空航天大学出版社，2006.He Guoyu，Lu Caicheng，Hong Jiacai，et al.Electromagnetic scattering computation and measurement［M］.Beijing:Beihang University Press，2006.

［2］ 孙娇燕，李 森.锁相与频率合成技术［M］.大连:大连海事大学出版社，2009.Sun Jiaoyan，Li Sen.PLL and frequency synthesis technology［M］.Dalian:Dalian Maritime University Press，2009.

［3］ 王旭东，潘明海.数字信号处理的FPGA实现［M］.北京:清华大学出版社，2011.Wang Xudong，Pan Minghai.Digital signal processing with field programmable gate arrays［M］.Beijing:Tsinghua University Press，2011.

［4］ 龙 腾，李 耽，吴琼之.频率步进雷达参数设计与目标抽取算法［J］.系统工程与电子技术，2001，23(6):26-31.Long Teng，Li Dan，Wu Qiongzhi.Design methods for step frequency waveform and the target pick-up algorithm［J］.Systems Engineering and Electronics，2001，23(6):26-31.

［5］ 毛二可，龙 腾，韩月秋.频率步进雷达数字信号处理［J］. 航空学报，2001，22(S1):16-25.Mao Erke，Long Teng，Han Yueqiu.Digital signal processing of stepped frequency radar［J］.Acta Aeronautica Et Astronautica Sinica ，2001，22(S1):16-25.

［6］ 王华力，李兴国.高距离分辨率脉间频率步进系统的探讨［J］. 现代雷达，1995，17(1):91-99.Wang Huali，Li Xingguo.Study of high range resolution step frequency system［J］.Modern Radar，1995，17(1):91-99.

［7］ 陈 婷，杨春涛，陈云梅，等.校准件不完善对矢量网络分析仪单端口S参数测量引入的不确定度［J］.计量学报，2009，30(2):177-182.Chen Ting，Yang Chuntao，Chen Yunmei，et al.Uncertainty of VNA one-port S-parameter measurement due to non-ideal calibration standards［J］.Acta Metrologica Sinica，2009，30(2):177-182.

［8］ 杨明磊，陈伯孝，张守宏.宽带信号的中频正交采样［J］. 现代雷达，2007，29(3):47-51.Yang Minglei，Chen Baixiao，Zhang Shouhong.Quadrature sampling of wideband IF signal［J］.Modern Radar，2007，29(3):47-51.