大型紧缩场静区不同位置电磁幅相特性测试分析

马永光 张雁钊

(1.北京无线电计量测试研究所，北京 100039；2.航天建筑设计研究院有限公司，北京 100071)

1 引 言

大型紧缩场是采用精密反射面，在近距离内将馈源发出的球面波变换为平面波的设备，其产生的准平面波可充分满足天线、天线罩及目标RCS电磁特性测试的远场环境要求。与传统外场相比，紧缩场具有占地相对小、背景电平低、可全天候测量、保密性好等优点，随着紧缩场技术日益成熟，该类型设备逐步成为雷达目标、高性能雷达天线、卫星整星、毫米波系统等各种高精度产品电磁特性测量的必要设备。对于大静区紧缩场，许多实验室用户特别关心静区整个区域的电磁幅相特性分布情况，对静区前截面、中心截面、后截面三处不同位置的电磁幅相特性抽检均提出了明确的现场测试需求。因此，专门研究了静区多个位置的现场测试方法，设计了现场测试系统。本文依据GJB 8480—2015《紧缩场性能测量方法》、JJF(军工)133—2017《紧缩场静区平面波幅相特性校准规范》等文件[1-8]，针对某静区尺寸为5m×5m×5m大型紧缩场，对静区前、中、后三处不同位置垂直来波方向竖直截面上的电磁幅相分布特性在工作频段(0.5～40)GHz内进行了性能现场测试，对测试结果详细分析了同一截面不同测量截线不同极化不同工作频率的电磁幅相差异及静区不同截面位置同一极化等多种条件下的电磁幅相差异。

2 测试系统构建分析

在几何布局(静区尺寸为5m×5m×5m)的大型紧缩场内获得的侧视及俯视测试示意图如图1和图2所示，借助于该暗室静区地面铺设的前后移动导轨，在导轨上安装移动滑车带动扫描装置前后移动，实现静区三个截面测试。

图1 大型紧缩场侧视示意图

图2 大型紧缩场俯视示意图

紧缩场静区电磁幅相性能测试基于探头扫描法，即使用场探头对紧缩场静区平面波场的幅相特性检测评估。该方法是国际上最通用的直接检测方法，测试系统链路如图3所示，利用高精度矢量网络分析仪、功率放大器、低噪声放大器、接收探头天线、稳幅稳相线缆与高性能扫描架获取静区场的幅相分布，通过数据处理分析获取各项被测参数。现场扫描系统基于极坐标形式，通过激光跟踪仪建立扫描架与反射面的精确几何关系，确定静区前、中、后三个待测截面位置。

图3 测试系统链路框图

测试涉及的大型紧缩场反射面及测试使用的扫描装置水平及竖直姿态实物图如图4和图5所示。扫描架为极坐标型式，主要由底座、支撑、大臂旋转及扫描导轨、极化转台等组成，扫描装置可整体拆卸、运输，现场组装于暗室地面导轨滑车上，该设备具有扫描臂旋转、沿扫描臂径向运动、探头天线极化状态切换等功能。

图4 被测紧缩场实物图

图5 测试用极坐标扫描架状态实物图

现场测试时选取静区3个截面中心十字线开展主极化(水平极化HH和垂直极化VV)幅相特性测试，通过激光跟踪仪每次实时反馈探头天线移动轨迹偏差，对测试相位结果进行修正。主极化扫描检测范围不小于5.0m×5.0m，现场测试接收探头扫描示意图如图6所示。

图6 任意截面测试接收探头扫描示意图

紧缩场静区幅相特性测试需要控制接收探头天线扫描轨迹满足百分之一波长要求，本次测试通过激光跟踪仪实时跟踪反馈进行精度调整控制，使用如图5中地面上支撑的激光跟踪仪所示，型号AT930，生产厂瑞士 LEICA，空间坐标测量不确定度15μm+6μm/m。

3 测试结果统计分析

评估紧缩场静区电磁幅相特性主要涉及3项指标：幅度锥削、幅度波纹、相位峰峰，3项参数示意图如图7所示。图7(a)中黑色虚线幅度拟合最大最小值之差表示幅度锥削，幅度实测红色曲线最大正值偏差或最大负值偏差表示幅度波纹，图7(b)中相位变化峰峰值为图中相位实测红色实线最大值与最小值之差。

图7 紧缩场幅相特性参数示意图

静区前、中、后三处位置横截面的测试数据统计结果分别如图8至图10所示。测试频段覆盖(0.5～40)GHz，分别获取水平(HH)极化和垂直(VV)极化检测结果。每项抽测频率相应扫描测量范围和位置均按该紧缩场静区设计尺寸及位置范围进行测试，水平方向与竖直方向代表扫描十字线的不同方向(参见图6)，所有数据获取后通过数据处理分析获得幅度锥削、幅度波纹、相位峰峰等结果。

图8 静区前截面电磁幅相特性统计分析图

图9 静区中心截面电磁幅相特性统计分析图

图8～图10各图含3个子图，第一个子图为幅度锥削统计，该子图含5条曲线，红色实线为幅度锥削设计限值，见表1；粉色实线代表水平极化-水平方向扫描各频点统计结果，绿色双划线代表垂直极化-水平方向扫描各频点统计结果，黑色点划线代表水平极化-竖直方向扫描各频点统计结果，蓝色虚线代表垂直极化-竖直方向扫描各频点统计结果；第二个子图为幅度波纹统计，第三个子图为相位峰峰值统计，每个子图均含5条曲线，每条曲线含义同第一个子图描述的测试状态。

图10 静区后截面电磁幅相特性统计分析图

表1 大型紧缩场静区设计指标限值

静区前截面、中心截面及后截面电磁幅相特性设计指标限值统一，均需要满足表1中的指标。测试过程中设置的主要参数信息见表2，扫描速度10mm/s，时域加门函数形式为凯塞窗。

表2 测试参数设置信息

每个馈源工作频段选择高、中、低三个测试频点，静区幅度相位特性在所选的测试频点处测量，从图8～图10测量值与表1设计限值相对比可知该紧缩场静区所有位置均满足设计指标要求，从图中可知幅相特性随频率的变化关系。

对不同截面位置不同极化特性做对比分析如图11和图12所示，每图含6个子图，左列图为水平HH极化统计结果，右列图为垂直VV极化统计结果；图11为水平方向幅相特性结果对比，图12为竖直方向幅相特性结果对比。

图11 静区前中后三处截面水平方向幅相特性对比图

图12 静区前中后三处截面竖直方向幅相特性对比图

图11和图12中每个子图均含有四条曲线，红色实线为相应参数设计限值；粉色实线代表静区前截面测试结果，黑色双划线代表静区中心截面测试结果，蓝色虚线代表静区后截面测试结果，从图中测试结果分析可知静区不同位置截面随测试频率变化幅相特性不同，不同极化测试条件在水平方向和竖直方向也有一定的变化规律。

4 结束语

大型紧缩场静区幅相特性测试对现场搭建的测试系统幅相稳定性提出了极高的要求，特别需要控制扫描移动导轨直线度峰峰值优于百分之一最短波长，对极坐标扫描臂提出了很高的精度和刚度要求，这会导致扫描行程在5m及以上的大型扫描架自身重量较重，对运输、安装及使用造成很大困难，本文采用了较为轻便的扫描架，虽然扫描导轨的直线度只有毫米级，但测试过程中了采用了高精度激光跟踪仪对移动直线度实时测量反馈修正，确保了精度达微米级。此外，在高频大尺寸静区相位特性测量中，扫描俯仰角和偏航角很难调整到使测试截面与来波的等相位面重合，可对扫描倾斜进行线性补偿。