大型双反射紧缩场幅相特性校准技术研究

马永光 杨金涛 吴 翔 何 鑫 黄承祖 黄建领

(北京无线电计量测试研究所，北京 100039)

1 引 言

紧缩场是采用精密的反射面，安装于专门设计的微波暗室内，在近距离内将馈源发出的球面波变换为准平面波的测量系统。与传统的其它类型测量场相比，紧缩场具有占地小、背景电平低、可全天候测量、保密性好等优点，已逐步成为隐身研究、高性能雷达天线测试、卫星整星测试、毫米波天线及毫米波系统性能测试等各种高精度测量的必要设备。

当前，国内已陆续建造了几十个紧缩场，各紧缩场类型及静区尺寸不尽相同，各紧缩场的静区性能差异也较大。早期建造的紧缩场，它的电气设计停留在较早期的水平，口面、边齿设计等优化不足，面板的加工、拼装精度等相对较低，有的紧缩场在建造时，甚至没有进行电气调整和性能检测。随着长时间的使用，紧缩场环境内吸波材料的老化、紧缩场反射面面板的形变、馈源及反射面的相对几何位置的改变、边齿的形变等因素都可能会导致紧缩场的静区性能发生改变[1-5]，所有这些都需要专业的计量校准机构定期校准紧缩场的静区性能。

研究大型紧缩场静区性能校准技术可为紧缩场新建、使用和维护过程随时提供进行质量控制的技术手段，通过对紧缩场静区性能进行校准，可实现量值溯源，可以掌握紧缩场测试系统的静区性能是否符合测试指标要求，可为分析测量结果引入的测量不确定度提供实际数据，会对准确的紧缩场实验室评价提供帮助；通过定期的紧缩场性能校准，可对紧缩场测试系统性能进行监测，有效验证各紧缩场实验室的测量技术能力，还可以识别发现各紧缩场实验室存在的问题，从而可以采取纠正措施，向实验室的客户提供更高的可信度，以保证武器型号中使用的天线、天线罩及目标RCS测试结果的准确可靠性。本文以大型双柱面紧缩场待校为例，从现场计量幅相系统构建、大型复杂扫描系统设计、现场计量实施等方面详细分析了紧缩场静区性能现场校准相关技术[6-8]。

2 校准系统分析

本文分析的待校双反射面紧缩场是双柱面紧缩场，布局示意图如图1所示，采用两个弯曲面互相垂直的抛物柱面校准馈源发出的球面波，副面首先校准一维波前形成柱面波，主面校准另外一维波前而获得平面波静区。通过副面的补偿作用会抵消一部分由于偏馈抛物面聚焦所带来的误差，其静区性能较单反射面紧缩场有所提升。其主面等效的焦径比大于单反射面紧缩场的焦径比，一定程度上可以减小空间衰减的不均匀，同时交叉极化也略有提升。由于电磁波经过两个反射面，使得传播光程更长，使得在RCS测试中，目标回波光程与暗室墙壁的直接回波有较大的光程差，更易于实现较低的RCS背景电平。

图1 双柱面紧缩场工作原理布局图Fig.1 Double cylinder compaction field working principle layout

图2 双柱面紧缩场现场计量幅相系统构建图Fig.2 Construction diagram of on-site measuring amplitude and phase system of double cylinder compaction field

大型紧缩场静区平面波幅相性能校准主要采用探头扫描法，现场计量幅相系统主要由微波幅相系统和扫描设备系统组成，布局示意图如图2所示。微波幅相系统实现对探头接收信号进行幅度和相位测量，扫描设备系统可以实现控制检测探头的接收位置和姿态。扫描架系统是现场校准的关键设备，需要其平面度指标达到百分之一个波长，随着工作频率的升高，精度指标越难实现。本课题组研制的高精度扫描系统运动功能由天线部件(包括天线极化转台、进给补偿机构和激光靶标组件)、直线运动模块、主旋转模块、方位调整模块、俯仰调整模块、动态配重模块等6个功能模块联合工作实现，共计7个运动自由度，实现了高自动化、高精度的设计目标，半径式安装模式工作行程达6m，直径式安装模式工作行程达3m，安装中心高度可达(4～10)m，经计量人员现场检测，设备平面度指标RMS值可达0.05mm。现场安装后对扫描架架身整体挂装吸波材料，减少架体散射对现场测量的影响，探头天线周围也均覆盖吸波材料进行遮挡。

双反射面紧缩场不同于单反射面紧缩场，一般双反射面紧缩场布局馈源与反射面不在同一个房间内，发射馈源与紧缩场静区天线距离较远，所以微波幅相系统不采用单独使用矢量网络分析仪的发收方式，而由信号源单独产生发射信号后通过馈源及反射面辐射出去，利用矢量网络分析仪接收测试天线和参考天线两路信号获取幅相信息，利用扫描架设备控制接收天线的位置，可进行不同静区位置的选择测试，系统连接框图如图3所示。

图3 检测系统框图Fig.3 Detection system block diagram

现场计量时，需要利用激光跟踪仪对接收天线在紧缩场静区中的位置进行精确定位，对扫描架的扫描运动平面进行校准，通过对接收天线移动轨迹的直线度和平面度指标进行现场检测，必要时根据实际需要利用检测数据对静区平面波相位性能结果进行补偿修正，实现相位高精度测量。

3 现场计量实施

根据双柱面紧缩场现场计量需求，在现场安装了高精度大型扫描设备，大型扫描架分为水平方向扫描和竖直方向扫描姿态，如图4所示。扫描方向坐标示意图如图5所示。在静区内架设大型多自由度高性能扫描架，可控制扫描面方位、俯仰角度偏差，利用不同频段探头接收天线覆盖待校频率，通过半径扫描数据拼接实现静区全范围幅相特性计量。

图4 现场计量所用大型极坐标扫描设备实物图Fig.4 Physical map of large polar coordinate scanning equipment used for on-site measurement

图5 现场计量扫描坐标示意图Fig.5 On-site metrology scan coordinate diagram

其中，某极化条件下水平方向幅相计量结果如图6所示，静区边缘位置交叉极化现场计量结果如图7所示。

图6 水平方向幅相计量结果曲线图Fig.6 Horizontal amplitude and phase measurement results of a certain frequency point

图7 交叉极化计量结果曲线图Fig.7 Cross-polarization measurement result of a certain frequency point

图6中,幅度锥削(幅度拟合曲线变化最大差值)，单位dB；幅度波纹(幅度实测曲线与拟合曲线最大差值)，单位dB；相位起伏(相位实测曲线与拟合曲线最大差值)；幅度锥削表征静区截线上某极化条件下幅度理论设计情况，幅度纹波表征幅度实际变化分布与理论设计分布的差别，幅度波纹主要由于静区内场干扰源在静区内叠加干扰场而引起的，干扰源主要包括反射面边齿、馈源直漏及暗室反射。因此其可以评估边齿设计、馈源副瓣特性、暗室设计等，同时当馈源主瓣出现纹波时，也可引起静区内的纹波。图7交叉极化表征静区场相应位置静区边缘接收极化与馈源极化方向正交的极化幅度分量，主极化分量与交叉极化分量之差，反映了静区内的极化纯度，主要受反射面的布局影响，通过在固定点连续旋转法测量。

4 结束语

该紧缩场在某极化条件下，幅度锥削0.8dB，幅度波纹0.5dB，相位波纹6°，交叉极化-40.1dB，均满足紧缩场各项设计指标要求。本文以某单位大型双反射面紧缩场现场校准需求为例，详细分析了大型紧缩场静区校准所涉及的幅相系统构建、大型扫描装置设计、现场计量分析等相关校准技术，实施效果满足紧缩场用户需求。通过对紧缩场静区性能定期校准，可以帮助紧缩场用户加深对紧缩场静区特性的了解，引起用户对紧缩场性能可能发生变化的因素加以重视，可为测量结果引入的测量不确定度分析提供依据，可有助于实现各紧缩场系统量值统一。