射频信号极化模拟技术研究与实现*

尹　彬,王帅雷,陈振兴

(北京华航无线电测量研究所,北京 100013)



·工程应用·

射频信号极化模拟技术研究与实现*

尹彬,王帅雷,陈振兴

(北京华航无线电测量研究所,北京 100013)

极化信息在雷达目标检测和识别中起到越来越重要的作用。射频信号极化模拟技术利用正交双极化宽带天线产生轴比可调、旋向可调、倾角可调的平面波，模拟雷达信号极化特性。极化模拟装置具有本地控制、远程控制、外场数据回放和自动化校准等功能，实现了线极化、圆极化和椭圆极化等高精度、大带宽极化状态的快速模拟，可满足工程应用要求。

极化特性；模拟；实现

0　引言

雷达极化技术涉及目标散射波的极化信息处理，受到国内外学术界的高度重视，已应用在很多领域，如大地观测、灾难救助和遥感等。雷达目标散射中的极化信息与目标回波的幅度、相位、多普勒频率、波形等信息一样，是非常有用的信息，它在抗有源干扰和杂波干扰、目标信号滤波和增强、目标检测和目标识别中有着巨大的应用潜力。

本文针对射频信号极化模拟技术进行理论研究，提出了极化模拟装置硬件、软件的实现途径，以及极化模拟装置的相关功能。实现了极化模拟装置的本地极化控制、远程极化控制、极化数据回放和自动校准等功能。该极化模拟装置可准确地模拟极化特性变化，实现线极化、圆极化和椭圆极化等高精度、大带宽极化状态的快速模拟，频率带宽范围为0.8～18GHz，功率控制误差在0～30dB时≤±0.5dB，30～50dB时≤±1dB，相位控制误差≤±3°，输出功率平坦度≤±1dB(0.8～18GHz，衰减器、移相器置零)，极化状态刷新周期≤10ms。

1　极化模拟理论

极化模拟装置利用双极化宽带天线产生轴比可调、旋向可调、倾角可调的平面波，模拟雷达信号极化特性，以供雷达目标极化特性测试。

均匀平面波是指波阵面(等相位面)是一个平面，并且在波阵面上各点的电场强度和磁场强度的大小和方向都分别相等的电磁波。设均匀平面波沿z方向传播，则等相位面为z为常数的平面，如图1所示。

图1　平面波

波的极化是指在相对于大地平面的电磁波传播空间给定点处，电场强度矢量的端点随时间变化的轨迹。极化的形式则根据电场的矢端轨迹来确定。一般情况下，沿z方向传播的均匀平面波的电场为：

E=axEx+ayEy

式中，ω为信号角频率,k=2π/λ为波数,φx,φy分别为x，y方向的初始相位。

当Ex和Ey同向时就得到线极化，即φx=φy=0，合成电场强度为：

合成电场大小为：

合成矢量与x轴夹角为：

可见，合成场强的方向始终保持与x轴成α角方向，电场矢端是一条直线，故称为线极化波，如图2所示。工程上常把E的方向平行于地面的直线波称为水平极化波，把垂直于地面的直线波称为垂直极化波。

图2　线极化

当Ex和Ey的振幅相等，相位差90°时，得到圆极化。即Exm=Eym=Em，φy=φx+90°，则合成电场强度为：

所以合成场强大小为：

即：α=ω t-kz-φx。

可见，合成场强大小不变，方向随时间线性变化，矢端轨迹为一个圆，故称圆极化，如图3所示，给出z=0的平面上合成的场强的矢端轨迹。

合成矢量E的旋转方向与波的传播方向之间符合右手螺旋关系的圆极化波，称为右旋圆极化波，而符合左手螺旋关系的圆极化波，称为左旋圆极化波。按这一规定，Ey分量相位落后Ex90°，就得到右旋圆极化波，Ey分量相位提前Ex90°，就得到左旋圆极化波。

图3　右旋圆极化

当Ex和Ey的振幅不相等，相位差不固定时，得到椭圆极化。设φx=0，φy=φ，则有：

(1)

式(1)是典型椭圆参数方程，在式(1)中消去ω t，得：

(2)

式(2)是个椭圆方程，E的矢端轨迹为椭圆，称为椭圆极化波，如图4所示。

图4　椭圆极化波

通过分别控制双极化输入端的信号幅度和相位，在z处的平面上，根据平面波极化原理模拟不同的平面波极化，如图5所示。

图5　平面波极化模拟

2　极化模拟设计和实现2.1　总体设计

极化模拟装置用于模拟目标雷达极化变化，实现对测角精度指标的评估。极化模拟装置具备以下功能特点：

1) 与正交双极化天线、信号源配合，改变双极化天线两端口的幅度比、相位差，模拟不同极化特性雷达信号；

2) 具有以太网接口，可与雷达控制台实现远程通讯及控制，实现测试自动化；

3) 可载入外场雷达实测数据，实现外场数据回放；

4) 与矢量网络分析仪连接，实现自动化校准。

极化模拟装置由显控单元、馈电单元和电源单元组成。显控单元接收本地控制参数或通过以太网接收雷达控制台远控参数，包括频率、幅度比、相位差等，查表计算相应的控制码实现对馈电单元控制。馈电单元完成水平极化通道和垂直极化通道的幅相调制。电源单元提供系统用电。极化模拟装置系统组成如图6所示。

图6　极化模拟装置系统组成框图

2.2硬件设计

显控单元包括显示、键盘、网络接口、主控计算机和数字I/O接口板等几个模块。采用8.4英寸彩色触屏显示器，分辨率1024×768，键盘采用8×8键盘阵列。极化控制所需幅相参数可由键盘输入，或通过标准的RJ45网络接口远程输入。

馈电单元包括水平极化幅相控制通道、垂直极化幅相控制通道。馈电单元用于实现双极化宽带天线输入信号的调制，产生轴比可调、旋向可调、倾角可调的平面波。实现原理为：射频信号通过功分器分别给垂直和水平支路，根据频率通过开关选择0.8～2GHz和2～18GHz支路，射频信号通过移相器和衰减器调节功率以及相位产生制定轴比、旋向、倾角的两路射频信号，然后通过开关选择并通过功率放大器将垂直极化和水平极化射频信号输出给双极化宽带天线辐射给被试设备。水平垂直幅相控制通道原理框图如图7所示。

图7　水平垂直幅相控制通道示意图

电源包括：给主控计算机及数字I/O板供电的开关电源和给微波器件供电的线性电源。开关电源采用标准CPCI电源，总功率250W，电压包括3.3V、5V、12V、-12V。线性电源主要给放大器、移相器和开关供电，电压包括±5V、9V、12V、±15V等。

2.3软件设计

极化模拟装置软件包括极化控制软件和极化校准软件两部分，其中极化控制软件实现模拟不同极化特性雷达信号的功能，极化校准软件为极化控制提供所需的衰减器、移相器表格及初值表格。其中，极化控制流程图如图8所示。极化校准流程图如图9所示。

图8　极化控制流程图

图9　极化校准流程图

极化模拟装置软件可通过选择“本地控制”、“远程控制”、“数据回放”或“校准模式”按钮，切换到相应的工作模式。

3　极化模拟测试结果

极化模拟装置可以模拟不同极化特性的雷达信号，其主要技术指标如下：

1) 功率控制误差：0～30dB时≤±0.5dB；30～50dB时≤±1dB；2) 最大输出功率：≥+17dBm；3) 相位控制范围：0～360°；4) 相位控制误差：±3°；5) 输出功率平坦度：1dB(0.8～18GHz，衰减器、移相器置零)。

利用矢量网络分析仪测试上述技术指标，具体测试结果如图10～14所示。

图10　输出功率平坦度结果

图10为水平通道和垂直通道在0.8GHz、1.5GHz、1.95GHz、2GHz、4GHz、8GHz、10GHz、13GHz、15GHz和18GHz时测试的插损值。根据数据分析可知，水平通道和垂直通道插损范围在1dB范围内，且均不大于1dB，即最大输出功率大于等于17dBm(输入功率为20dBm时)。

图11　水平通道相位控制范围及准确度结果

图12　垂直通道相位控制范围及准确度结果

图11～12为水平通道和垂直通道在0.8GHz、1.5GHz、1.95GHz、2GHz、10GHz和18GHz时输出相位控制范围和控制准确度测试结果。根据数据分析可知，水平通道和垂直通道相位控制范围为0～360°，控制误差满足±3°以内。

图13～14为水平通道和垂直通道在0.8GHz、1.5GHz、1.95GHz、2GHz、10GHz和18GHz时输出功率控制范围和控制准确度测试结果。根据上述测试结果可知，水平通道和垂直通道功率控制误差满足0～30dB时≤±0.5dB；30～50dB时≤±1dB。

图13　水平通道功率控制范围及准确度结果

图14垂直通道功率控制范围及准确度结果

控制极化状态通过双极化天线将射频信号在空间辐射，采用单极化天线旋转360°接收射频信号(保证发射天线与接收天线位于同一轴线上)，测试接收射频信号幅、相分布图，绘制电场强度矢量端点的轨迹测试其极化特性。

以5GHz的椭圆极化为例，分别绘制轴比为5dB、10dB，倾角为0°的左旋椭圆极化模拟信号的幅、相分布图如图15～16所示，此时对应极化模拟装置设置参数分别为垂直通道与水平通道幅度比为-5dB、-10dB，相位差为90°。

图15　5GHz, 5dB轴比的左旋圆极化幅相分布图

在图15～16中，以实测值水平极化幅相值为幅相基准画出理论左旋圆极化幅相分布图，并与实测值进行比较。5dB轴比时， 最大幅度差为0.4203dB, 平均幅

图16　5GHz, 10dB轴比的左旋圆极化幅相分布图

度差为0.1235 dB，方差为0.1776 dB，倾角为-2.0861°；10dB轴比时，最大幅度差为0.8538dB, 平均幅度差为0.1554dB，方差为0.2858dB，倾角为-2.9252°。由结果可见，极化模拟装置的极化控制结果与理论值有较高的拟合度，其极化失真度较低，满足工程应用。

4　结束语

本文提出的极化模拟装置具备本地控制、远程控制和外场数据回放等功能，能够实现高精度、大带宽的极化状态的快速模拟，为被试设备测试模拟雷达极化变化，完成整机调试、极化补偿、交验测试等工作。目前，该极化模拟装置已完成了与被试设备的对接联试试验并交付使用，使用过程中，设备状态稳定可靠，极化特性模拟准确。■

[1]黄培康，殷洪成，许小剑. 雷达目标特性[M]. 北京：电子工业出版社，2005.

[2]肖顺平. 宽带极化雷达目标识别的理论与应用[D].长沙：国防科技大学，1995.

[3]庄钊文，肖顺平，王雪松. 雷达极化信息处理及应用[M]. 北京：国防工业出版社，1999.

[4]王雪松，王剑，王涛，等. 雷达目标极化散射矩阵的瞬时测量方法[J]. 电子学报，2006，34(6)：1020-1025.

Research and implementation of RF signal polarization simulation technology

Yin Bin, Wang Shuailei, Chen Zhenxing

(Beijing Huahang Radio Measurement & Research Institute, Beijing 100013, China)

Polarization information plays a more and more important role in radar target detection and recognition. Simulation of RF signal polarization technology uses dual-polarized broadband antenna to produce axial ratio adjustable, rotation adjustable, angle adjustable plane wave which can simulate radar signal polarization characteristics. RF signal polarization simulator can realize local control, remote control, data playback and automatic calibration. It can realize the simulation of line polarization, circular polarization and elliptical polarization in high accuracy and wide band for engineering application.

polarization property;simulation;implementation

国防基础科研计划资助项目(A0420132308)

2015-10-17；2016-05-19修回。

尹彬(1988-)，男，工程师，硕士，研究方向为雷达系统仿真与试验验证技术。

TN974

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