陳雪飛，張云鵬，李燦平，馮凱，袁滔

吸波涂層雷達反射率原位測量技術(shù)

陳雪飛1，張云鵬2，李燦平1，馮凱2，袁滔1

（1.成都恩馳微波科技有限公司，成都 611731；2.電子科技大學(xué) 電子科學(xué)與工程學(xué)院，成都 611731）

為滿足吸波涂層在裝機條件下雷達反射率原位測量的迫切需求，提出一種基于天線近場測試的雷達反射率原位測量技術(shù)。設(shè)計小型化超寬帶天線、收發(fā)去耦結(jié)構(gòu)以及屏蔽罩，構(gòu)建原位測量探頭，并與微波掃頻模塊和數(shù)據(jù)處理模塊集成，研制出雷達反射率手持式寬頻測量儀并。經(jīng)對比驗證，在?17～0 dB反射率范圍以及2～18 GHz頻率范圍內(nèi)，該測量儀測量結(jié)果與弓形系統(tǒng)測量結(jié)果偏差小于1.5 dB。該測量儀適用于厚度為1.5 mm以內(nèi)已涂覆涂層雷達反射率的準確測量。

吸波涂層；雷達反射率；近場反射；原位測量

吸波涂層具有高性能、施工便捷等優(yōu)點，是目前應(yīng)用較廣、較為有效的隱身技術(shù)手段之一[1]。吸波涂層在服役過程中，受外部寒熱、雨雪、鹽霧、光照等環(huán)境和自身壽命等多種復(fù)雜因素影響，雷達反射率會發(fā)生變化[2]。因此，對已涂覆吸波涂層進行雷達反射率原位跟蹤測量，判斷是否需要維修更換，成為了材料研究人員和地勤維護人員長期關(guān)注的難題。

實驗室條件下可采用標準方法，通過制樣對涂層雷達反射率進行測試[3--4]。但在服役階段，受涂層無法取樣的限制，標準方法無法適用。為實現(xiàn)原位測量，常規(guī)手段采用同軸探頭[5--6]或波導(dǎo)探頭[7--8]與待測涂層表面緊貼進行測量。該方法中探頭無法與涂層下方的金屬基底電接觸，使得探頭開口處除導(dǎo)行波外還存在輻射波，探頭邊緣效應(yīng)會引入較大誤差，尤其在高頻下。為減小探頭邊緣效應(yīng)的影響，吳亮等[9-10]提出了H面扇形喇叭探頭，該探頭作用于待測涂層表面上的場可近似等效為遠場平面波，具有更低的邊緣效應(yīng)。郭寅生等[11]將H面扇形喇叭探頭與六端口反射計集成，實現(xiàn)了反射率的便攜式測量。盡管H面喇叭探頭在原位測量中具備體積小、穩(wěn)定性高等優(yōu)勢，但仍存在單個探頭帶寬窄（與矩波導(dǎo)對應(yīng)）、微波反射率測量結(jié)果與實際遠場雷達波作用下的真實值偏差較大等問題，這限制了其在原位條件下的應(yīng)用。

近年來，基于天線近場作用對材料進行微波無損檢測的技術(shù)得到了快速發(fā)展[12-14]。通過對天線和微波傳輸環(huán)境進行優(yōu)化設(shè)計，能實現(xiàn)將近場輻射能量集中在一個較小的波束空間中，并在近場獲得接近遠場平面波的場分布特性[15]。相較于傳輸線探頭開口處的輻射場，上述天線近場區(qū)的輻射場更能夠模擬雷達波照射狀態(tài)，從而簡化了涂層雷達吸波性能測試物理模型。王慷等[16]設(shè)計了準TEM波天線和龍伯透鏡天線，在天線近場對吸波材料反射率進行了測量，其反射率測量結(jié)果與遠場測量結(jié)果具有可比性。寇彬彬等[17]基于自由空間單反射模型，利用點聚焦透鏡天線結(jié)合定向耦合器及隔離器將天線收發(fā)信號進行有效分離，對材料的反射特性進行了測量。此外，Compass公司于2017年推出了一款手持式反射率測量儀[18]，其探頭為基于小型化介質(zhì)天線的單天線探頭，通過與矢量反射測量模塊集成，實現(xiàn)了反射率的超寬帶測量。

本文基于天線近場反射理論開展吸波涂層雷達反射率原位測量技術(shù)研究，設(shè)計一種雙槽對踵Vivaldi天線作為近場測量天線，將天線收發(fā)分置并引入去耦及屏蔽結(jié)構(gòu)，構(gòu)建原位測量探頭，與微波掃頻模塊、數(shù)據(jù)處理模塊和電源模塊集成，研制出雷達反射率手持式寬頻測量儀；采用匹配–短路校準結(jié)合時域選通的信號提取技術(shù)，解決收發(fā)串擾及背景干擾等問題；通過對多種涂層及膠板材料進行測量，并與標準弓形系統(tǒng)測量結(jié)果進行比對，驗證本文所提方法的可行性以及所研究設(shè)備的測量準確性。

1 測量模型與計算方法

為在超寬頻帶內(nèi)實現(xiàn)高的反射率測量動態(tài)范圍，本文采用天線收發(fā)分置配置[19-20]進行反射測量。垂直入射下，收發(fā)分置配置的信號流如圖1所示。0和1分別為發(fā)射天線饋電處和待測涂層表面處的入射波，0和1分別為接收天線饋電處和待測涂層表面處的反射波，d為方向性誤差，r為傳輸/反射追蹤誤差，s為失配誤差。對于收發(fā)分置，天線間的串擾是d的主要來源，只要天線探頭組成結(jié)構(gòu)保持穩(wěn)定，d基本不變；r來自測量系統(tǒng)的頻率響應(yīng)；s來自天線和待測涂層間的多重反射。根據(jù)信號流圖，天線饋電處的反射系數(shù)m可通過上述誤差項以及待測涂層處的反射系數(shù)a來表示，見式（1）[21]。

圖1 收發(fā)分置配置示意及其信號流

根據(jù)式（1），為求解d、r和s3個誤差項，需通過3個已知反射系數(shù)的不同校準件進行誤差項求解，并帶入式（1），最終可由測試量m計算出所需量a，見式（2）。

針對上述校準，傳統(tǒng)方法采用短路終端（a=?1）、匹配終端（a=0）和短路補償終端（a=ejπ(1?4d/λ)，為位移量）進行校準。對于原位測量，前2項校準均容易實現(xiàn)，而短路補償校準由于對天線探頭移動定位要求較高，同時需移動多個距離來覆蓋寬頻帶校準，實現(xiàn)難度較大。實際情況中，可采用時域選通技術(shù)對天線和待測涂層之間的多重反射進行有效抑制，因此在時域選通下可令s=0。僅采用匹配終端和短路終端即可完成校準，這不但簡化了操作流程，也避免在執(zhí)行短路補償校準時帶來的誤差，保證了校準精度。

根據(jù)式（1），誤差項d和r可通過式（3）來確定。

其中free和metal為匹配終端和短路終端下對應(yīng)的反射系數(shù)測量值。最終待測涂層實際反射系數(shù)可表示為式（4）。

2 測量裝置

2.1 天線設(shè)計

原位測量要求天線具有小型化超寬帶等特點。作為一種寬帶端射天線，Vivaldi天線具有尺寸小、質(zhì)量小、方向性好等優(yōu)點?；诖?，本文設(shè)計了一種工作在2～18 GHz頻段的雙槽對踵Vivaldi天線，該天線由2個非對稱的對踵Vivaldi天線單元構(gòu)成，由T型功分器進行饋電。每一單元包括短內(nèi)脊和長外脊，其脊曲線為指數(shù)漸變線。天線外脊外側(cè)開有錐形橢圓槽結(jié)構(gòu)，其能夠在低頻段提高天線增益，并改善端口匹配特性。天線內(nèi)脊分布在基板兩面，2個內(nèi)脊直邊的邊緣有部分重疊，并通過一排金屬通孔短接。短路結(jié)構(gòu)令天線具有更好的環(huán)路特性，也令天線的低頻品質(zhì)因數(shù)得以降低，從而進一步改善天線端口匹配特性。此外，為了獲得更好的近場窄波束特性，天線前方增加了一個半圓形介質(zhì)引向器。天線結(jié)構(gòu)示意如圖2a所示，長度為16 cm（不含同軸接頭），寬度為7.5 cm。天線基板選用Rogers RT4350，厚度為0.762 mm，表面涂覆綠油，加工實物如圖2b所示，采用SMA同軸接頭進行饋電，其在2～18 GHz頻帶內(nèi)駐波比均小于2，具有良好的寬帶阻抗匹配特性。

圖2 雙槽對踵Vivaldi天線結(jié)構(gòu)示意圖及實物

圖3給出了天線在4、8、12、16 GHz 4個頻點下的電場能量近場仿真結(jié)果，場強以dB表示，并以最大值進行歸一化。從圖3中可以看出，天線輻射能量沿軸線未有明顯擴散，具有較好的方向性。

2.2 測量探頭設(shè)計

天線測量探頭由收發(fā)分置天線構(gòu)成，發(fā)射天線和接收天線沿H面對稱放置，如圖4所示。為降低背景環(huán)境對天線輻射波束的影響，需要對波束作用的區(qū)域范圍作進一步限制。本文采用PC/ABS改性工程塑料制作了包圍收發(fā)天線的介質(zhì)筒，其直徑為110 mm，壁厚為2 mm。該介質(zhì)筒使待測涂層表面與天線的垂直距離恒為70 mm。此外，在介質(zhì)筒與待測涂層接觸的一端包圍一圈吸波材料，可以增強介質(zhì)筒內(nèi)部和外部的電磁屏蔽性能。天線輻射波束會因介質(zhì)筒與吸波材料的引入而受到影響，尤其在低頻段，因此，吸波材料的高度不能過大，需在減小背景干擾和影響天線輻射特性之間進行權(quán)衡。

為提高測試穩(wěn)定性，收發(fā)天線需進一步固定。本文將開有定位槽的2個定位板相互平行安裝于收發(fā)天線兩側(cè)，并與收發(fā)天線垂直，如圖4所示?？紤]介質(zhì)筒的直徑不能過大，收發(fā)天線之間的間距設(shè)置約為最大工作波長的二分之一，即70 mm。該間距下，耦合波和待測涂層的反射回波會進行矢量疊加，從而影響測試準確度。本文從硬件和軟件兩方面來解決互耦問題。在硬件方面，為最大程度地抑制互耦信號，在收發(fā)天線之間平行地設(shè)置一個去耦屏，如圖4所示。去耦屏由1片覆銅板和2片吸波膠板組成，覆銅板可對收發(fā)天線之間的耦合信號進行有效隔離，而覆銅板兩側(cè)的吸波膠板可減小覆銅板對天線波束的擾動。去耦屏前端具有鋸齒結(jié)構(gòu)，可有效降低其對反射回波的二次散射。去耦屏越長，去耦效果越好，但對天線輻射波束的擾動也越大。實際中通過仿真和實驗進行協(xié)同優(yōu)化，得到去耦屏最佳長度為105 mm。

圖5給出了在2～18 GHz頻段內(nèi)有無去耦屏時收發(fā)天線間的互耦影響。在增加去耦屏后，在2～4 GHz低頻段收發(fā)天線間的互耦強度（匹配狀態(tài)下的21參數(shù)）從?20 dB左右下降至?30 dB左右，測試動態(tài)范圍（匹配終端和短路終端對應(yīng)21參數(shù)的差值）增大了約10 dB。同時，增加去耦屏后，有效信號和互耦信號的矢量疊加效應(yīng)減弱，其對應(yīng)的21參數(shù)曲線（實線）波動更小。4 GHz以下的低頻段，在無去耦屏的情況下，21參數(shù)曲線存在嚴重重疊的現(xiàn)象；而增加去耦屏后，這種重疊現(xiàn)象被消除了，顯著提高了測試精度。

另一方面，本文從軟件上采用時域選通技術(shù)對測量數(shù)據(jù)進行濾波。時域選通技術(shù)是將輸入信號從頻域轉(zhuǎn)換到時域進行分析，然后利用時域選通函數(shù)濾除干擾信號，最后將結(jié)果轉(zhuǎn)換回頻域。當有效信號和干擾信號傳播時間滿足一定時差時，時域選通技術(shù)可以有效濾除干擾信號的影響[22]。圖6給出了當測量探頭緊貼金屬平板時，通過頻域–時域轉(zhuǎn)換獲得的21參數(shù)的時域響應(yīng)，其校準參考面為天線端口。可以看出，I區(qū)的主峰為有效信號，其余時間區(qū)對應(yīng)的峰值為干擾信號；其中，II區(qū)的干擾信號來自收發(fā)天線間的殘余耦合，III區(qū)的干擾信號對應(yīng)多路徑反射。為了濾除干擾信號分量，設(shè)置時域門的起點和終點在有效信號主峰的底部，將時域門與時間響應(yīng)相乘后，可以在保留主峰的同時對干擾信號進行濾波?；跁r域選通技術(shù)對圖5b的曲線進行濾波處理（取時域門寬為400 ps）后，得到終端匹配和終端短路下收發(fā)天線間21參數(shù)的頻率響應(yīng)，如圖7所示?？梢钥闯?，時域選通后曲線更為平滑，曲線上由于有效信號和干擾信號矢量疊加造成的周期波動消失，同時天線間的互耦得到了進一步抑制。

圖3 不同頻點電場能量近場仿真結(jié)果

圖4 天線測量探頭示意圖

圖5 有無去耦屏時收發(fā)天線間互耦影響

2.3 手持測量儀集成

本文基于構(gòu)建的天線測量探頭，對手持測量儀進行集成。測量儀主要由測量探頭、掃頻模塊、控制處理模塊、電源模塊、外殼把手五部分構(gòu)成，各部分連接示意如圖8a所示，實物如圖8b所示。收發(fā)天線通過半剛性電纜連接下后方的掃頻模塊，掃頻模塊通過串口與其上方的控制處理模塊進行通信；控制處理模塊通過按鍵輸入指令，通過屏幕和SD卡顯示，并導(dǎo)出測試數(shù)據(jù)；電源模塊位于下方把手底部，為掃頻模塊和控制處理模塊供電，其電池可快速拆卸及充電。

圖6 短路終端加載下測量探頭S21參數(shù)的時域響應(yīng)

圖7 時域選通下收發(fā)天線間互耦頻響曲線

為實現(xiàn)手持測量儀的小型化，本文采用Measall Technology公司的901R便捷模塊作為掃頻模塊。控制處理模塊采用單片機STM32F4ZGT6作為主控芯片，實現(xiàn)對掃頻模塊的控制，并對原始測量數(shù)據(jù)進行處理。單片機內(nèi)嵌了校準程序和時域選通算法，可自行處理和修正原始測量數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)可實時顯示并保存到SD卡。電源模塊由4節(jié)18650鋰電池構(gòu)成，能夠保證2 h以上的續(xù)航時間。外殼把手采用注塑與鋁合金結(jié)合的成型工藝，能夠?qū)?nèi)部元器件進行密封保護。把手上設(shè)置“確認”自復(fù)位按鍵，可通過“校準”和“測試”的開關(guān)切換執(zhí)行相應(yīng)確認操作。經(jīng)測量，手持測量儀外形尺寸為310 mm×300 mm×120 mm，質(zhì)量為2.6 kg，滿足手持使用要求。

圖8 手持測量儀結(jié)構(gòu)及實物

3 結(jié)果與分析

3.1 手持測量儀性能評估

首先對手持測量儀的動態(tài)范圍進行評估。利用測量儀對自由空間的反射率和一大金屬平板的反射率進行測量。自由空間對應(yīng)最小可接收信號，金屬平板對應(yīng)最大可接收信號，兩者之差即為動態(tài)范圍。取時域門寬為400 ps，得到測量儀動態(tài)范圍如圖9所示?？梢钥闯?，全頻帶動態(tài)范圍為?17～0 dB，能夠覆蓋大多數(shù)吸波涂層反射率范圍。

其次對手持測量儀測量重復(fù)性進行評估。采用一足夠大金屬平板，以該平板校準后對該平板進行10次連續(xù)測量，每次測量位置相同，獲得重復(fù)性測量結(jié)果如圖10所示?？梢钥闯?，10次測量結(jié)果重復(fù)性良好，偏差小于0.2 dB。

最后對待測涂層區(qū)尺寸的影響進行分析。針對已涂覆涂層，測量區(qū)可能處于涂層邊緣。本文模擬了該情形下涂層邊緣對天線探頭的影響，測試對象為邊長為300 mm的方形吸波膠板，如圖11所示。采用與吸波膠板相同橫向尺寸的方形金屬平板進行校準，選擇平板正中部為校準區(qū)域，校準之后將吸波膠板置于金屬平板上方且邊緣對齊。測量時，分別改變探頭與膠板邊緣的距離1和2，觀察測試曲線變化情況，如圖12所示。可以看出，隨著測量探頭逐漸靠近邊緣，吸波膠板的反射率曲線未出現(xiàn)明顯變化，探頭位于中部（1=2=100 mm）和邊緣（1或2=0 mm）時對應(yīng)的反射率偏差小于0.5 dB。上述結(jié)果表明包圍有屏蔽罩的天線測量探頭具有良好的位置適應(yīng)性，能夠有效減小背景環(huán)境對測量的影響。

圖9 手持測量儀反射率動態(tài)范圍

圖10 金屬平板反射率重復(fù)性測量結(jié)果

圖11 手持測量儀探頭與涂層邊緣位置關(guān)系

3.2 典型吸波樣板測量比對

本文采用與標準弓形系統(tǒng)比對的方法對手持測量儀測量精度進行驗證。待測樣板選用厚度為0.3 mm的吸波涂層、0.8 mm的吸波復(fù)材板、1.0 mm的吸波膠板以及1.5 mm的吸波膠板，4種樣板如圖13所示，樣板橫向尺寸均為200 mm×200 mm。對同一樣板分別采用標準弓形系統(tǒng)和本文研制的手持測量儀進行比對測量，結(jié)果如圖14所示。從比對結(jié)果可以看出，在–17～0 dB反射率范圍內(nèi)，本文提出的手持測量儀測量結(jié)果與弓形系統(tǒng)測量結(jié)果偏差小于1.5 dB，兩系統(tǒng)測得的反射率曲線具有良好的一致性。

圖12 探頭與吸波膠板邊緣不同距離下的反射率曲線

圖13 待測吸波樣板

圖14 4種吸波樣板測量比對結(jié)果

4 結(jié)語

本文提出了一種基于收發(fā)天線近場反射測量的涂層反射率原位獲取技術(shù)，詳細介紹了該方法的理論模型、算法實現(xiàn)，以及測量裝置的研制與實驗等內(nèi)容。相較于傳統(tǒng)傳輸線探頭測量法，該方法在測量帶寬、測量準確度等方面具有突出優(yōu)勢，單個設(shè)備帶寬覆蓋范圍為2～18 GHz。在?17～0 dB反射率范圍內(nèi)，對厚度不超過1.5 mm的同一樣板，所提設(shè)備測量結(jié)果與標準弓形系統(tǒng)測量結(jié)果偏差小于1.5 dB。所提設(shè)備適用于涂層、膠板、復(fù)材板等薄層吸波材料雷達反射率的現(xiàn)場檢測，能夠為服役條件下涂層材料雷達吸波性能的跟蹤及損傷評估提供重要技術(shù)支撐。

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In-situ Measurement Technology of Radar Reflectivity of Microwave Absorbing Coatings

CHEN Xue-fei1, ZHANG Yun-peng2, LI Can-ping1, FENG Kai2, YUAN Tao1

(1. Chengdu Enchi Microwave Technology Co., Ltd., Chengdu 611731, China; 2. School of Electronic Science and Engineering, University of Electronic Science and Technology of China, Chengdu 611731, China)

The work aims to propose an in-situ measurement technology of radar reflectivity, which is based on the antenna near-field measurement, so as to meet the urgent requirements for in-situ measurement of radar reflectivity of microwave absorbing coatings under installation conditions. A miniaturized ultra-wideband antenna, a decoupling structure, and a shielding cover were designed, and an in-situ measurement probe was constructed. By integrating the probe with a microwave frequency scanning module and a data processing module, a handheld broadband radar reflectivity measuring instrument was developed. Through comparison and verification, the deviation of its measurement result from the arch system was less than 1.5 dB in the reflectivity range of ?17 to 0 dB and the frequency range of 2 to 18 GHz. The instrument is suitable for accurate measurement of radar reflectivity of coatings with a thickness of less than 1.5 mm.

microwave absorbing coating; radar reflectivity; near-field reflection; in-situ measurement

TM931

A

1001-3563(2023)09-0112-08

10.19554/j.cnki.1001-3563.2023.09.014

2023?03?20

國家自然科學(xué)基金（62201130）；中國博士后科學(xué)基金（2021M690540）

陳雪飛（1985—），男，碩士。

張云鵬（1990—），男，博士。

責任編輯：曾鈺嬋