反射率远场测试系统研究

第２期　机电技术　ｌ３３　

反射率远场测试系统研究。　

李晓乐　刘汝兵林麒　

（福建省等离子体和磁共振重点实验室、厦门大学物理与机电工程学院，福建厦门３６１００５）　

摘要：搭建了基于矢量网络分析仪的反射率远场测试系统测量雷达吸波材料反射率。利用１８０　ｍｍＸ１８０　ｍｍＸ５　ｍｍ　铝板作为标准体，检测了系统的性能指标；利用大头针测试了系统的位置精度；测试了高度３００　ｍｍ的泡沫实心角锥吸波　

材料的反射率。实验结果表明，该反射率远场测试系统的幅度精度在１　ｄＢ内，位置误差优于５　ｍｍ，对反射率测试结果误　

差小于１　ｄＢ，系统测试精度小于２％。　关键词：吸波材料反射率；远场法；矢量网络分析仪；测量精度　中图分类号：ＴＭ９７３．１文献标识码：Ａ文章编号：１６７２—４８０１（２０１５）０２－１３３－０４　

吸波材料反射率表征了雷达吸波材料（Ｒａｄａｒ　

Ａｂｓｏｒｂｉｎｇ　Ｍａｔｅｒｉａｌ，简称ＲＡＭ）对正入射的电磁波　

的吸收能力，是衡量材料吸波性能指标的重要特　

性参数ｕ一。随着隐身技术的迅速发展，吸波材料　

的应用越来越广泛，这就需要一种更为准确便捷　

的测量吸波材料反射率的方法。　

国外ＲＡＭ反射率测量可追溯到二次世界大　

战期间，最初是为了测量用于微波无反射暗室的　ＲＡＭ性能，后来用于测量ＲＡＭ的ＲＣＳ（Ｒａｄａｒ　ｓｃａｔ．　

ｔｅｒｉｎｇ　Ｃｒｏｓｓ　Ｓｅｃｔｉｏｎ）。常用的测量ＲＡＭ反射率的　方法有：弓形法、远场ＲＣＳ法、空间样板平移法等口ｌ。　

弓形法是被国内外推荐的测试吸波材料反射率的　

主要方法，但是天线间杂散耦合严重，受限于测试　

场地的尺寸，耦合问题不易解决，导致测量精度　

低、频率低、不适用于大入射角测量等。另外，在　

弓形法中喇叭天线距被ｉ贝０物仅１～２　Ｉｎ，入射波是　

球面波，而在实际考察吸波材料的性能时希望入　

射波为平面波。利用远场法测量ＲＡＭ反射率，能　

更真实地表征ＲＡＭ的性能　。　

为了得到尽可能准确的测量数据，在测量过　

程中，需要充分考虑测试环境背景噪声、收发天线　

的耦合、目标与地面的干涉、测试位置误差等对测　

试结果的影响。　

本文搭建了基于矢量网络分析仪的反射率远　

场法测试系统，介绍了其各组成部分及功能，描述　

了测量原理及步骤。测试系统利用矢量网络分析　

仪强大的时域门功能，采用宽带扫频变换到时域，　

利用时域门技术将目标信号的位置卡在时域门　内，滤除时域门外的杂波信号，然后对加时域门后　

的信号进行ＦＦＴ处理获得测量值的频域数据。本　

文的方法由于能够有效滤除背景杂波影响，从而　

大大提高了测试的灵敏度和精确度　一１。　

１反射率远场法测试系统　

本文建立的基于矢量网络分析仪的反射率远　

场测试系统框图如图１所示。　

福建省自然科学基金（２０１０Ｊ０１０１４）　作者简介：李晓乐（１９８８一），女，硕士研究生，研究方向：电磁场与微波技术。　（ａ）测试系统组成　

（ｂ）暗室俯视图　图１　远场法反射率测试系统框图　

该测试系统主要由矢量网络分析仪、

收发天　１３４　机电技术　２０１５年４月　

线、计算机、转台和转台控制柜等组成。被测目标　

置于暗室静区，利用该系统采用远场ＲＣＳ法测试　

吸波材料的反射率，整个测试过程在微波暗室中　进行。　

图ｌａ给出了暗室内测试目标与天线，以及暗室　

外测试系统的组成，暗室尺寸为５．４　ｍｘ５．４　ｍｘ４　ｍ　

（长×宽×高）。图ｌｂ则是暗室俯视图，给出天线与　

测试目标的相对位置关系，天线距目标３．４　ｍ，收　

发天线间距离ｄ为０．２～１　ｍ。　

１．１矢量网络分析仪　

矢量网络分析仪是ＲＣＳ远场法反射率测试系　

统的核心部件，它内置信号源可作为信号的收发　

设备，也可作为测量设备来测量网络的Ｊｓ，　（即接　

收到的回波信号强度与其输出信号强度之比）参　

数。本系统采用的矢量网络分析仪型号为Ａｇｉ．　

１ｅｎｔ　Ｎ５２２４Ａ，通过以太网接口与计算机连接，并通　

过基于Ｌａｂｖｉｅｗ的测试软件对矢量网络分析仪的　

测试过程进行远程控制。　

测量吸波材料的Ｓ：。参数时，矢量网络分析仪　

的一个通道发射微波信号，通过微波电缆送往发　

射天线并辐射到空间中，使其到达被测目标；另一　

个通道通过接收天线接收目标回波信号。利用矢　

量网络分析仪数字处理模块将接收到的目标反射　

频域信号进行傅里叶反变换，得到时域信号。再　

采用时域门技术将目标信号的位置卡在时域门　

内，滤除时域门外的杂波信号。最后对加时域门　

后的信号进行ＦＦＴ处理获得测量值的频域数据。　

１．２收发天线　

收发天线采用标准增益角锥喇叭天线，工作　

频段为８～１２　ＧＨｚ。将其置于暗室天线支架上，通　

过微波电缆与矢量网络分析仪相连，天线支架可　

任意调节天线垂直高度和两天线间的水平距离，　

以保证收发天线和待测目标处于同一高度，且严　

格极化匹配。在两天线间放置吸波材料（如图１ｂ　

所示），以消除两者问的杂散耦合。　

１－３转台及转台控制柜　

转台安装在暗室静区，放置待测目标的低散　

射泡沫支座置于其上。在转台前设置吸波墙。吸　

波墙用吸波材料制成，宽于泡沫支座、与泡沫支座　

同高，确保有效遮挡转台和支座，仅露出被测目　

标，避免微波照射到支座与转台，产生杂波干扰。　转台控制柜与计算机连接，对转台进行精密的自　

动控制，以保证测量精度的要求。　

２　ＲＣＳ远场法反射率测量原理及步骤　

２．１　ＲＣＳ远场法反射率测量原理　

ＧＪＢ２０３８Ａ一２００１定义吸波材料反射率为：在　给定波长和极化的条件下，电磁波从同一方向，以　

同一功率密度入射到雷达吸波材料和相同尺寸的　

良导体表面，吸波材料的散射功率与相同尺寸的良　

导体平面的散射功率之比为该材料的反射率ｎｌ。即　

在相同测试条件下，通过测量和比较吸波材料与　

标准体的反射回波差值，可得吸波材料反射率。　

常用的标准体有金属球、正圆柱体、平板和角反射　

体。根据（（ＧＪＢ　２０３８Ａ一２０１１雷达吸波材料反射　率测试方法》，本系统选用１８０　ｍｍＸ１８０　ｍｍ￣５　ｍｍ　

的方形铝板作为标准体。　

在实际测量过程中，由矢量网络分析仪测量　

得到的是散射参数ｓ　（以ｄＢ为单位）。通过测　

量，可得到以下参数。　

１）被测目标的反射率ｒ。　

可由式（１）计算得到。　

Ｆ＝Ｓ：　一Ｓ　（１）　

式中，ｒ为被测吸波材料的反射率；Ｓ　。、Ｓ　。分别　

为被测吸波材料和标准板的测试值。　

２）被测目标的ＲＣＳ　

可由式（２）计算得到　。　

Ｏ＇ｄＢｓ　＝Ｓ２ｌ—Ｓ２ｌ０＋　０　（２）　式中，　为被测目标的ＲＣＳ真实值；　。为标准　

板的ＲＣＳ理论值。　

３）厚度为５　ｍｍ标准板的ＲＣＳ理论值。　

厚度为５　ｍｍ标准板的ＲＣＳ理论值可由式（３）　

计算得到　１。　

＝４　ｎ　ｂ　／Ａ　（３）　

式中，。，ｂ分别为标准板的长、宽，ｍ；Ａ为工作波　

长，ｍ；　为雷达散射截面，ｍ　。　

２．２　ＲＣＳ远场法反射率测试步骤　

设置矢网扫频范围为８～１２　ＧＨｚ，采样点数为　

８０１个，测量迹线为Ｓ　。。测试步骤如下：　

１）测量空暗室，进行对消，减小杂波影响。　

２）测量标准体，将其变换到时域，用距离波门　截取高于背景的目标区，然后逆变换回频域，记录　

数据。

　第２期　李晓乐等：反射率远场测试系统研究　１３５　

３）测量待测目标，在相同距离波门内记录其　

频域数据。　

３　系统性能测试实验结果及分析　

３．１　系统的线性度检测　

对于测试系统的线性度和动态范围，可以选　

用几块不同尺寸且已知雷达散射截面的金属平　

板，将测试系统测量的这些金属板的雷达散射截　

面的比值与其已知的雷达散射截面比值加以比较　

来决定　。　

根据测量原理及步骤，测量得到待测铝板Ｉ　

（长Ｘ宽×厚＝１３２　ｍｍｘ４０　ｍｍｘ５　ｍｍ）和待测铝板Ⅱ　

（长Ｘ宽×厚＝２６０　ｍｍｘ３５　ｍｍｘ５　ｍｍ）的实测ＲＣＳ　

值，将两者做比值计算得到图２中的实测曲线。　

由式（３）计算得到铝板Ｉ和铝板Ⅱ理论ＲＣＳ值，同　

样将两者进行比值计算得到图２中的理论曲线。　

由图２可知，铝板Ｉ、铝板Ⅱ的实测值之比与　

理论值之比在各频率点处误差小于１，可见系统的　

线性度良好，动态变化范围小，满足测试要求。　

８　９　ｌ０　ｌ】　ｌ２　频率／ＧＨｚ　图２铝板Ｉ与铝板Ⅱ的实测ＲＣＳ　及理｜论ＲＣＳ比值对比图　

３．２系统幅度精度检测　

接着，以１８０　ｍｍｘ１８０　ｍｍ￣５　ｍｍ的铝板为标　

准板，测量铝板Ⅲ（１２０　ｍｍｘｌ２０　ｍｍｘ５　ｍｍ）的ＲＣＳ　

值，并与其理论值进行比较。如图３所示，铝板Ⅲ　

的ＲＣＳ实测值在各频率点处与其理论值的差值均　

小于１　ｄＢ，系统幅度精度满足测试要求。　

３－３　系统位置精度检测　

通过对两颗大头针进行一维成像测试来检测　

系统位置精度。如图４ａ所示，大头针高３０　ｍｍ，沿　

电磁波入射方向前后放置，两大头针实际间距ｄ　

分别选择５０　ｍｍ、１００　ｍｍ和２００　ｍｍ。测试结果如　

图４ｂ—ｄ所示。　８　９　ｌＯ　ｌ１　１２　频率／Ｇｔｔｚ　图３铝板Ⅲ的实测ＲＣＳ值和理论ＲＣＳ值对比图　

（ａ）一维成像距离照片　

＂６０００　＞１：　盯．１　９　ｎｓ　－８９　２９帕　￣１０．００　……＇　口～Ｊ　ｌ’　－…ｌｌ　２：　Ｉ６　７７１　６　ｎｓ　．８０　７１　ｄＢ　；＇Ｏ．ＣＯ　【　ｉｓｔ．ｆＴＩ　ａｎ￥）　１　Ｊ　０２ｍ　｛＆∞　．ＩＯ．００　＼　１００．００　√　ｎ　／　ｆ＿Ｊ、　，　ｒ　＾　ｍ加，　，、　＼　ｆ　／　厂　ｊ　；　、　Ｉ　１越∞　～《　√一　Ｉ　１３０，００　ｆ　。１４０．００　■　（ｂ）相距５０　ｍｍ测试结果　Ｏｍ　＞１：　：　９　ｎｓ　－８６　６８　ｄ８　瑚∞　…，　ｔ＇　…－●　２：　４７１２ｌ　４１１５　．８８　６５　ｄＢ　瑚ｍ　（　ｊｓｔ　ｒｒｊ　ａｎｓ１　１　１３ｍ　￣７０００　－８０￣０　舶ｍ　．　１锄瑚　，、　ｆ　ｌ　，／　／’　１㈣　７　、Ｊ　１　／　、　｛　／　，　Ⅷ　《　１∞ｌ衄　｝　艟　（ｃ）相距１００　ｍｍ测试结果　脚００　＞１：　１５　７７１　８　ｎｓ　－８６　３４　ｄＢ　枷舯　●　‘Ｉ＿ｉ　口．１口，　＿、　…｜．　２：　ｌ７．０９（　０　ｎｓ　．８８　６４　ｄＢ　［　，ｉｓｔ（Ｔ１　日ｎｓ１　１　．１２ｍ　棚肿　ｒ　－ｇＯ００　啪ｌ伽　＼　＼　厂　１１ａ脚　ｌ　、　ＪＪ　｝　＼　｛、　、　＼　／　＾ｆ　１．｝　，　，、　』　’　＿锕　ｆ　ｙ　Ｉ　１３０．００　Ｖ　＂￣ｌＯ．００　糍　（ｄ）相距２００　ｍｍＮ试结果　

图４两大头针的一维成像照片及测试结果　

根据式（４），可得两大头针的时延差△ｚ。由式　

（５）可进一步计算得到两者的间距ｄ：。　Ｏ　８　６　４　２　Ｏ　∞口＼∽ｕ　６　５　５　４　４　３　３　丑∽譬一一鞲晤奸＿

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