沈小玲，馮孝斌，張達(dá)凱，劉胤凱，張?jiān)?，馮雨

(電磁散射重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100854)

0 引言

目標(biāo)的電磁散射特性是表征雷達(dá)目標(biāo)對(duì)于照射電磁波散射能力的一個(gè)物理量[1]。電磁散射特性測(cè)量系統(tǒng)正是獲取該特征的測(cè)量設(shè)備。不同于遠(yuǎn)場(chǎng)，在近場(chǎng)電磁散射特性測(cè)量中存在一些特有問題，本文針對(duì)其中提高近場(chǎng)電磁散射特性測(cè)量系統(tǒng)收發(fā)隔離度的難題給出了一種解決方法。

1 問題引入

近場(chǎng)電磁散射特性測(cè)量系統(tǒng)在設(shè)計(jì)中，除了近遠(yuǎn)場(chǎng)變換等難題外[2]，其接收機(jī)動(dòng)態(tài)范圍也是一個(gè)重要問題，直接影響到系統(tǒng)測(cè)試能力。引起動(dòng)態(tài)范圍不足的原因主要有背景電平太高、信號(hào)寄生頻率分量過多、收發(fā)隔離不足等。背景電平和寄生頻率分量受到測(cè)試場(chǎng)地、電磁環(huán)境和頻率規(guī)劃等多方面原因影響，針對(duì)前兩點(diǎn)以往的文獻(xiàn)中已經(jīng)提到了場(chǎng)地改建、低散射支架、多路徑抑制、濾波設(shè)計(jì)、雜散抑制等多種解決方法[3-5]。在本文中主要針對(duì)提高近場(chǎng)測(cè)量系統(tǒng)收發(fā)隔離度展開論述。

電磁散射特性測(cè)量中，為了提高回波信號(hào)穩(wěn)定度以及對(duì)低散射目標(biāo)的測(cè)量能力，往往將發(fā)射信號(hào)通過功率放大器放大至穩(wěn)定的大功率信號(hào)后再送入發(fā)射天線。一方面大功率的直接耦合波信號(hào)通過周圍設(shè)備反射或者天線耦合進(jìn)入接收機(jī)后，很可能帶來接收機(jī)阻塞問題，進(jìn)而導(dǎo)致接收信號(hào)失真；另一方面，受到電源放電及放大器飽和等原因影響，射頻信號(hào)經(jīng)過脈沖功放后會(huì)產(chǎn)生嚴(yán)重拖尾，拖尾信號(hào)與回波信號(hào)疊加在一起進(jìn)入接收機(jī)。

在遠(yuǎn)場(chǎng)測(cè)量中，系統(tǒng)與目標(biāo)距離較遠(yuǎn)，目標(biāo)回波與直接耦合波間隔時(shí)間足夠長(zhǎng)，可以與直接耦合波及其拖尾在時(shí)域上分離開來，同時(shí)即使直接耦合波導(dǎo)致接收機(jī)產(chǎn)生了阻塞，也足以在回波到來之前恢復(fù)至線性工作狀態(tài)。仿真結(jié)果如圖1所示。可見無論理想還是實(shí)際情況，上述問題在遠(yuǎn)場(chǎng)測(cè)量中均沒有對(duì)目標(biāo)回波產(chǎn)生影響。

但在近場(chǎng)測(cè)量中，由于系統(tǒng)與目標(biāo)間距離較短，導(dǎo)致目標(biāo)回波與直接耦合波在時(shí)域上難以分離。仿真結(jié)果如圖2所示。由仿真結(jié)果可見，在理想情況下直接耦合波與回波信號(hào)可在時(shí)域上分離開。但實(shí)際工作中，受直接耦合波及其拖尾影響，回波信號(hào)已經(jīng)被淹沒，或者由于拖尾的疊加導(dǎo)致接收機(jī)飽和，最終導(dǎo)致系統(tǒng)動(dòng)態(tài)范圍變小。系統(tǒng)的隔離度越差，這種影響越明顯，系統(tǒng)的測(cè)量能力越受限。

圖1 理想及實(shí)際情況下遠(yuǎn)場(chǎng)測(cè)量直接耦合波及目標(biāo)回波信號(hào)仿真結(jié)果

圖2 理想及實(shí)際情況下近場(chǎng)測(cè)量直接耦合波及回波信號(hào)仿真結(jié)果

2 問題分析及改善方法

要解決上述問題，可以從源頭、傳輸路徑或接收端進(jìn)行分析和抑制。接收機(jī)輸出的直接耦合波Pr主要來源如式(1)所示。

(1)

(2)

式中：PT為功放輸出信號(hào)功率；GR-T為接收天線在收發(fā)之間的方向性增益(包含背瓣反射及副瓣增益)；r為收發(fā)天線之間距離(因功放與發(fā)射天線常就近安裝，本文忽略了功放與發(fā)射天線的位置差)。

(3)

式中：GT-R為發(fā)射天線在收發(fā)之間的方向性增益(包含背瓣反射及副瓣增益)。

由以上可得

(4)

由公式(4)可見，在發(fā)射功率及收發(fā)天線距離不變的情況下，影響收發(fā)隔離度的因素主要是接收機(jī)增益、天線背瓣及副瓣等。因此，本文主要從接收端抑制和天線方向圖設(shè)計(jì)2方面展開研究。

2.1 基于時(shí)域?yàn)V波的直接耦合波抑制方法

針對(duì)接收機(jī)阻塞這類問題的常用方法是在低噪放前增加限幅器，但考慮到限幅器位于接收機(jī)第一級(jí)，其引入的插入損耗將會(huì)給接收機(jī)噪聲系數(shù)帶來一定量的惡化[5-8]，且此方法對(duì)直接耦合波及其拖尾信號(hào)問題并不奏效，因此并未采用這種方式。

從系統(tǒng)動(dòng)態(tài)范圍的角度分析，接收機(jī)動(dòng)態(tài)范圍的衡量主要通過對(duì)低散射目標(biāo)和較大目標(biāo)的測(cè)量能力來體現(xiàn)。在低RCS(radar cross section)散射目標(biāo)測(cè)量中可以采用脈沖壓縮方法進(jìn)行直接耦合波和目標(biāo)回波的分辨，以減少對(duì)弱小信號(hào)測(cè)量帶來的影響。但針對(duì)較大RCS目標(biāo)測(cè)量，其目標(biāo)回波較大，直接耦合波及其拖尾信號(hào)的疊加會(huì)導(dǎo)致接收機(jī)飽和，進(jìn)而導(dǎo)致接收線性動(dòng)態(tài)范圍變小，影響測(cè)量結(jié)果準(zhǔn)確性。

針對(duì)這個(gè)問題，本文從接收前端增益入手，給出了一種通過時(shí)域?yàn)V波提高系統(tǒng)隔離度的方法：

由公式(4)可看出，若將Gr設(shè)計(jì)為時(shí)變?cè)鲆?，?dāng)直接耦合波進(jìn)入接收機(jī)時(shí)，將Gr設(shè)置為較低值，實(shí)現(xiàn)對(duì)直接耦合波的衰減抑制；當(dāng)目標(biāo)回波進(jìn)入接收機(jī)時(shí)，將Gr設(shè)置為較高值，實(shí)現(xiàn)對(duì)弱小回波信號(hào)的放大。以此方法實(shí)現(xiàn)對(duì)直接耦合波及其拖尾信號(hào)的抑制。

仿真結(jié)果如圖3所示，接收輸出線性動(dòng)態(tài)范圍為-60～0 dBmW，通過時(shí)域?yàn)V波將直接耦合波及其拖尾信號(hào)抑制至-20 dBmW以下后，接收線性動(dòng)態(tài)范圍損失小于1 dB?？梢姴扇∩鲜鰰r(shí)域?yàn)V波措施后，直接耦合波及拖尾信號(hào)的影響得到了很好抑制，其帶來的接收線性動(dòng)態(tài)范圍損失基本可以忽略。

圖3 采取時(shí)序控制后的仿真結(jié)果

2.2 基于副瓣背瓣優(yōu)化設(shè)計(jì)的隔離度提高方法

近場(chǎng)電磁散射特性測(cè)量系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，根據(jù)系統(tǒng)測(cè)試精度高、抗干擾能力強(qiáng)、輻射范圍廣以及小型化的要求選擇了Vivaldi天線[6-13]，但其存在背瓣和副瓣大的缺點(diǎn)，再加上天線后面的車體為金屬結(jié)構(gòu)，因此影響較大。本文中對(duì)Vivaldi天線背板和副瓣開展了優(yōu)化設(shè)計(jì)，分別在天線的銅片上增加了扼流槽，以及在天線頂端增加了矩形金屬貼片作為引向器[14-16]。無線模型圖如圖4所示。

圖4 天線模型圖

由仿真結(jié)果(圖5)可以看出，增加扼流槽后，背瓣和副瓣電平得到了約7 dB和1 dB的改善；增加引向器后，分別再次降低了3 dB和8 dB左右，從天線的方向性上提高了系統(tǒng)的隔離度。綜上所述，采用以上措施后，理論上帶給系統(tǒng)收發(fā)隔離度約10 dB的優(yōu)化。

圖5 天線方向圖仿真結(jié)果(10 GHz)

3 實(shí)測(cè)結(jié)果分析

采用以上設(shè)計(jì)前后，分別使用同一套測(cè)量系統(tǒng)對(duì)理論值為-9 dBm2的金屬球進(jìn)行了近場(chǎng)電磁散射特性測(cè)量。

原始測(cè)試結(jié)果如圖6a)所示，成像底噪約為-43.29 dBm2，測(cè)量值為-8.36 dBm2。

采用文中方法處理后的測(cè)試結(jié)果如圖6b)所示，成像底噪約為-54.68 dBm2，測(cè)量值為-9.08 dBm2。

由結(jié)果可以看出，采用上文的2種方法后，底噪降低約11.39 dB，測(cè)量準(zhǔn)確度改善約0.55 dB，系統(tǒng)測(cè)量能力及測(cè)量準(zhǔn)確性得了到明顯提高。

圖6 金屬球?qū)崪y(cè)結(jié)果

4 結(jié)束語

本文通過對(duì)近場(chǎng)測(cè)量中收發(fā)隔離度差所致測(cè)量能力不足的現(xiàn)象進(jìn)行了分析，并給出了一種提高近場(chǎng)電磁散射特性測(cè)量系統(tǒng)收發(fā)隔離度的方法，通過時(shí)域?yàn)V波對(duì)直接耦合波及拖尾信號(hào)進(jìn)行了抑制，通過扼流槽及引向器設(shè)計(jì)降低了天線的背瓣及旁瓣電平，外場(chǎng)標(biāo)準(zhǔn)金屬球成像測(cè)試結(jié)果表明了該方法的有效性。