雷达吸波材料反射率测试技术概述

王超杰 刘永峙 宋宇华 于万增 厉宁 郭宇

1 前言

雷达隐身技术的实现是雷达利用无线电波来发现目标，并测定其位置，由于雷达波具有恒速、定向传播，因此，当雷达波碰到飞行目标时，一部分雷达波便会反射回来。由此可见，如若要想降低由雷达检测到飞行目标的概率不被雷达波轻易发现，那么雷达散射截面这个参数就成了研究隐身雷达波材料的重要数据。雷达吸波材料的研制、使用、发展将成为研究雷达隐身技术的重中之重，对未来战争中的成败起决定性的作用[1]。

随着军事高科技的迅猛发展，世界其他国家防御系统探测，跟踪和攻击能力的成长，渗透陆地、海洋的能力，所有的武器和军事目标的生存能力受到越来越严重的威胁，所以隐身技术的发展是今后发展的大趋势。隐身技术分为2种，即外形隐身和材料隐身，其中材料隐身是指在装备外形不能改变的前提下来实现隐身技术，降低被探测率，提高自身的生存率[2]。

为了能够进一步研究雷达吸波材料，需要找到几种测试技术来更准确的测量吸波材料的吸波性能，常用的雷达波反射率的测试技术有弓形法测试技术、同轴测试技术、远场雷达散射截面（RCS）测试技术和样板空间平移测试技术。弓行测试技术是国内外一致推荐的衡量吸波材料性能指标的最简单最容易操作的测试技术。

2 反射率测试技术概述

2.1 弓形测试技术

弓形测试技术适用于一般实验室，对实验室环境没有特定的要求。该技术采取扫频方式[3]，测试吸波材料测试样板反射率。設计弓形支架，将发射和接收天线对称地放置在一个圆弧上，所在平面垂直于吸波材料平面，吸收材料产生的吸收特性会因为不同偏振和不同的入射角展示出不同，在测试时发射天线和接收天线在相同偏振情况下工作。当标准板受到发射天线电磁波的散射之后，接收天线会接到，此时网络分析仪会记录下数据，然后我们在标准板上放置待测吸波材料测试样板，按照同样的测试方法，获得通过待测吸波材料测试样板反射回来的电磁波，网络分析会将2种信号进行做差比对，即可得到吸波材料测试样板材料板的反射率，设计出的弓形支架如图1。

从图1可以看出：入射角的变化主要是由发射天线位置来决定的，发射天线是可以根据测试所需要的数据来移动的，一旦入射角发生变化，接收天线也会随之相应移动。由于发射天线和接收天线位置发生改变时，极化偏振方向也要随之改变，所以会选择极化天线。

2.2 微波暗室测试技术

微波暗室吸波材料测试样板测试法顾名思义是在具有昏暗的实验室中进行的。同样是采用扫频方式，测试吸波材料测试样板反射率。

如今，隐身技术的发展已经进入到相当高的水平，战斗机前向RCS达到-20dB已不再是难以实现，缩放系数为1：10的战斗机模型前向RCS可以打到-40dB，这就需要测试现场的背景电平比被测物体RCS值低20dB以上。因此，在设计研究微波暗室时，对其电性能、特定的体积，背景电平的反射率等要求更为严格，设计好的吸波暗室如图2。

有系统示意图可以看出：发射天线由一个狭窄的激励脉冲电磁波辐射到空间中，之后被吸收材料反射之后由另一接收天线接收。按照相同的程序，把金属参照物替换为吸波材料，二次测得的信号数据经过矢量仪处理后得到该吸波材料在一定波段内反射率系数。

2.3 同轴测试技术

同轴测试法同弓形法一样适用于任何普通的实验室，对实验室环境没有特定的要求，不同的是可以不受外部电磁干扰即能无误地测量吸收材料的反射率。为了正确的和方便的测试雷达波材料（吸波材料测试样板）的吸收特性，采用HP8722ET矢量网络分析仪和APC—7mm空气减震器简单测量的方法，测试系统如图3所示。

研究实验表明：同轴测试技术测出的实验数据与理论值非常一致，比弓形测试技术具有更高的精度。该测试技术同样也可以应用到其他种类的矢量网络分析仪和同轴空气线路测试系统组成。首先先测量没有吸波材料时短路器所接收电磁波经矢量分析仪所测出的频率S1（f），其次在将吸波材料放上去测试出放上吸波材时矢量分析仪所测出的吸波频率S2（f），最后可得出反射率见式（1）：

由微波理论表明，同轴空气线路由2个同轴圆柱导体的制导系统，TEM波（指电磁波的电场和磁场都在垂直于传播方向的平面上）是可以传输的；当在同轴线路的TEM波传输时，电磁波的传输方向和同轴线的横截面是互相垂直的。所以，可垂直于入射电磁波被认为是APC—7mm同轴空气管线中的吸波材料横截面。

2.4 样板空间平移测试技术

吸波材料测试样板反射率样板空间平移测试法适用于在无强电磁干扰的一般实验室里进行测量，采用点频方式，测试吸波材料测试样板反射率，测量时要求其实验支架模型后面的背景要无回声，所以就要采用微波暗室里面所采用的背景吸波材料，后续会有介绍。其基本原理是，在一般的实验室，借助于微波测量线，测量的吸波材料测试样板在空间平移时电场强度所生成的变化，实现自由空间吸波材料测试样板反射测量。

在测试过程中，打开交流电源，电压在220V时，需要开启和预热信号发射源以及选频放大器，调整正在工作信号源的频率之后，该金属参照物被放置在模板支架，接受检查知道选出最大反射点，调整所选择频率的放大器，使它的指针达到满刻度。驱动移动支架模型，记录显示器显示最大和最小电流差△Ι1作为基准值，再将需要测量的吸波材料板替换金属参照物同样驱动移动样板支架，记录显示器显示最大和最小电流差△Ι2，用已得到的2个数据计算为当前板载吸波材料测试样板反射率之间的差异见式（2）：

r=201g（△Ι2/△Ι1） （2）

由此可知，该测试方法的基本原理是通过吸波材料板在空间平移过程中所产生的电场强度的变化，借助微波测量线来实现自由空间下测量吸波材料样板的反射率，测试系统如图4所示。

3 测试系统的误差来源及分析

3.1 弓形测试技术的误差来源及分析

3.1.1 吸波材料测试样板形状对测试结果的影响

当使用矢量网络分析测试吸波材料的反射率时，吸波材料测试样板的大小形状要和标准板的尺寸相同，要以减少吸波材料测试样板所产生测量误差为标准，吸波材料测试样板的正确形状和大小的选取可以再次被降低，包括所引起的测量误差边缘散射和喇叭天线辐射模式。

经过各国的研究，参考同一区域反射的金属标准版制备成正方形，圆形，四周锯齿形，该基准正方形金属标准板带来的测量误差的最小的最终的实验结果。一般要求金属标准板边的长度尺寸一般为5～15倍波长。还要注意的是：在放置金属标准板和吸波材料测试样板时，2板之间的缝隙要在2～3mm的误差之内，以便避免反射和漏波。

3.1.2 大角度入射对测试结果的影响

大角度入射情况下对吸波材料测试样板反射率的产生的误差较大，因为发射和接收天线之间的耦合是非常严重的，而且耦合问题难以解决。在一个典型的情况下，例如，所述的弧形框架的半径是2m，吸波材料测试样板长宽高尺寸是60cm×60cm×60cm，天线相对于地面吸波材料测试样板的入射角为60°。在图5所示的天线角度，从发射天线辐射出来能量会散落到地面或者吸波材料測试样板的侧面影响板的吸波性能，而此时接收天线所接受到的能量也会随之影响矢量网络分析仪的测试结果，为了避免发射天线辐射的直漏，可以用吸波屏住散落的能量，但是吸波屏与吸波材料测试样板的距离会小于25cm，会对测试结果产生一定的误差。所以当入射角≥60°时，测试结果更糟糕，已经不能使用吸波屏来控制发射天线的直漏能量了，所以弓形测试技术在大入射角情况下是不太建议使用的。

3.1.3 天线间杂散耦合对测试结果的影响

在弓形法测试工程中，如果接收天线和发射天线之间的距离不断缩小，那么发射天线所辐射出的波会多多少少的由接收天线直接吸收，这种现象被称为天线间的耦合[4]。既然这一情况不可避免，那么就要估摸出天线间的耦合所产生误差的大小。如果收发天线间的耦合电平≥吸波材料测试样板所能衰减的电平，那么接收天线将无法区分出是耦合电平还是吸波材料反射回来的电平，那么所测试的数据是无用的。所以笔者在测试吸波材料测试样板反射率时，选择金属板作为标板，将吸波材料测试样板放置在金属板上能够有效隔离天线间的直接耦合。

3.1.4 客观因素对测试结果的影响

除了以上3个对误差有重大影响的因素，还有一些客观的因素。比如，测试系统中所使用的网络分析仪和频谱分析仪自身就会存在一定的小误差；背景误差是铺设在地面上的一种吸波材料，能使其反射率低于-40d B，还要保证整个房间的反射率在一定可控范围内；弓形支架要做到对称表面光滑，但是在现实实施制作组合过程中会避免不了轻微的摩擦，也不能绝对保证对称；吸波材料测试样板会随着温度硬度的变化而使性能出现微小的变化，频繁使用过程中也会出现磨损等。

3.2 微波暗室测试系统存在的误差来源及分析

3.2.1 测试位置误差

虽然定标时采用了定标仪，但是不能保证目标待测物和收发天线等高、旋转支架的转轴和待测物中心重合，所产生的误差直接会影响测试结果[5]，反复测量取平均值

3.2.2 定标体引入的校准误差

目标RCS做出准确的测试一般情况下使用金属球做校准体，其做工与工艺精度会对结果产生一些误差。在校准过程中，矢量网络分析仪记录的标准球的反射电平不是最大值，校准不够准确，导致测量测试结果不准确。为了测试校准值的准确度，可以校准后，测量标准球的RCS值，再通过公式，得到标准金属球RCS理论值，再将理论值和测量值进行对比。如果测量误差在±0.5范围内，则校准结果是准确的，如果测量误差在±0.5范围外，说明校准结果是不准确的，我们需要重新校准。

3.2.3 背景回波产生的误差

在测试过程中，微波暗室的四壁，地板和天花板的关会导致电磁波多重反射，从而接收天线收到的反射波由几个信号的波形组成：开始是直接耦合到接收天线的信从发送天线发出；然后，经过背景吸收材料反射到天线接收的信号；最后，由环境中其他平面物体产生的反射信号。如果测试场地满足上一章所要求的设置条件，那么其他平面杂散反射信号总是滞后于有用信号，可以通过时域函数的测量仪器和数字信号处理技术将有用的信号提取出来。

3.2.4 客观因素产生的误差

收发天线间的副瓣特性引入的误差；测试支架、测试电缆和天线对场的扰动、散射引入的误差；频谱分析仪幅值线性引入的误差；收发天线的位置和极化失配引入的误差；电缆损耗平坦度引入的误差；信号源、功率放大器稳定度及系统噪声引入的误差。

4 结语

综上所述，上文介绍了雷达波隐身材料的吸波特性的4种测试技术，并进行了原理概述。通过对2种测试技术进行的误差分析，希望对研究吸波材料的吸波性能后续的工作具有一定的指导意义。当然，很多问题还有待进一步深入的研究：吸波材料电磁参数变温测试技术研究；全极化米波雷达反隐身及极化信息处理研究；对于已涂覆于飞行器表面的雷达吸波材料吸波性能测试的研究；将误差分析后的结果纠正到所开发测试系统软件的结果。

参考文献

[1] 朱洪立，叶智书，陈开来，等.宽频雷达吸波材料研究[J].工程塑料应用，2006，34（2）：14-16.

[2] 王磊，张玉军，张伟儒，等.吸波材料的研究现状与发展趋势[J].现代陶瓷技术，2004（4）：23-25.

[3] 郭权国，蒋全兴.拱形法中收发天线杂散耦合对测试结果的影响[J].宇航计测技术，2005（1）：33-37.

[4] 周松林.天线测试距离对测量结果的影响[J].电视技术，2005（5）：64-66.

[5] 郭静.微波暗室目标RCS测试方法的研究与试验[D].南京：南京航空航天大学，2008.