吸波涂層反射率原位測試技術(shù)研究

鄧樂武，魏 平，吳 杰

(中航工業(yè)成都飛機工業(yè)集團有限責(zé)任公司， 成都610092)

0 引言

涂敷型吸波材料作為電磁吸波材料的一種，在軍事上是主要的隱身材料之一，往往被涂敷于武器裝備的金屬表面用以降低武器裝備對雷達電磁波的反射率;在民用方面則被用于如人體安全防護、微波暗室、消除設(shè)備和通信及導(dǎo)航系統(tǒng)的電磁干擾、安全信息保密、電磁兼容等諸多方面，可以有效降低電磁污染［1］，而通常表征吸波涂料隱身特性的基本參量是其對電磁波的反射率。由于吸波涂料噴涂均勻性、一致性存在差異，吸波性能會隨著使用時間的增加而逐漸下降，其性能也達不到要求，需要更新涂料從而保持吸波效果。涂敷型吸波材料的性能保持時間長短取決于該材料的原料、構(gòu)造及使用環(huán)境等因素，一般為半年到數(shù)年不等。

目前，對吸波涂料的吸波性能的測量手段僅限于研制及生產(chǎn)階段的材料樣片，一般在實驗室內(nèi)進行。而對于使用階段的吸波涂料(如涂敷于武器裝備、建筑物等物體上的材料)的性能還沒有較好的檢測手段，只能根據(jù)經(jīng)驗來判斷吸波涂料的失效時間，誤差大小。在此背景下，進行吸波涂層反射率外場測試技術(shù)研究，以實現(xiàn)對裝備涂敷的吸波材料性能進行外場原位檢測，本文將介紹一種適用于外場原位檢測的吸波涂層反射率測試系統(tǒng)。

1 總體技術(shù)方案

1.1 總體設(shè)計

測試系統(tǒng)采用頻率步進模式測量反射率-頻率曲線，其總體設(shè)計框圖如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)總體設(shè)計框圖

兩個寬帶鎖相源的時基信號來自同一個高精度、低相噪、恒溫晶振的輸出信號，保持兩個高速捷變頻信號源的輸出信號相參［2］。

鎖相源1的輸出信號經(jīng)放大器，定向耦合器，輸出到波導(dǎo)探頭。探頭和被測物產(chǎn)生的回波信號經(jīng)過定向耦合器進入混頻器2與鎖相源2的輸出混頻，經(jīng)低通濾波得到回波中頻信號。鎖相源1和鎖相源2的輸出信號進入混頻器1，經(jīng)低通濾波得到參考中頻信號。

由于在固定頻率上進行正交解調(diào)可以保證較高的精度，在頻率控制模塊控制下，鎖相源1與鎖相源2保持恒定頻率差，以得到固定頻率的中頻信號。

參考和回波中頻信號經(jīng)過數(shù)字正交解調(diào)模塊，可得到基帶IQ信號，即S11參量，經(jīng)校準(zhǔn)和取模值，即可得到被測吸波涂層的反射率-頻率曲線。

數(shù)字正交解調(diào)模塊運用了軟件無線電技術(shù)，采用高速模數(shù)轉(zhuǎn)換器(ADC)及通用可編程處理器來實現(xiàn)中頻、基帶信號的數(shù)字化及比特流處理，采用高速數(shù)字電路替代了原有的中頻/基帶信號處理模擬電路［3］。中頻數(shù)字正交解調(diào)和數(shù)字濾波處理大大提高了正交解調(diào)的精度，減小了基帶信號處理電路中引入的低頻干擾;同時，由于采用了可編程邏輯器件，所以，可以靈活地采用各種數(shù)字信號處理方法及接口協(xié)議以適應(yīng)不同的測試場合。

1.2 整體結(jié)構(gòu)設(shè)計及特點

整體結(jié)構(gòu)包括主機箱、測量探頭和連接電纜。圖1中，虛線框內(nèi)的器件單元屬于廣義的“探頭”部分(本文中帶引號的“探頭”特指廣義的探頭結(jié)構(gòu)，不僅包括了波導(dǎo)探頭，還包括微波射頻的信號產(chǎn)生、放大、定向耦合、混頻等部分)，包括雙鎖相頻率源及頻率控制部分、發(fā)射信號放大器、回波信號定向耦合器、波導(dǎo)探頭和兩個混頻器，探頭的外形結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 智能微波探頭結(jié)構(gòu)效果

其余部分放置于機箱，包括恒溫晶振時基、數(shù)字正交解調(diào)模塊、嵌入式工控計算機和電源系統(tǒng)，如圖3所示。

圖3 測試系統(tǒng)整體效果圖

本系統(tǒng)在結(jié)構(gòu)上的一大特點是將所有的微波射頻部分全部集成在了“探頭”上，之所以如此安排，主要是考慮提高系統(tǒng)測量的可重復(fù)性和現(xiàn)場使用的可靠性。一般情況下，微波射頻結(jié)構(gòu)安排在主機箱中，通過射頻電纜連接至波導(dǎo)探頭。在現(xiàn)場測量時，需要頻繁更換不同波段的探頭，射頻電纜需要反復(fù)斷開和連接，為達到可靠連接，需要力矩扳手等專用工具，且需要耐心仔細操作，對使用人員要求較高，否則非常容易故障頻出;另一方面，射頻信號對射頻電纜的結(jié)構(gòu)形變敏感，電纜不同的彎曲狀態(tài)會造成測量結(jié)果不同程度的差異，多次測量難以做到高可重復(fù)性。且電纜形變造成的差異不固定，由于校準(zhǔn)技術(shù)要求，一經(jīng)校準(zhǔn)系統(tǒng)就應(yīng)當(dāng)保持恒定不變的狀態(tài)，校準(zhǔn)后任何系統(tǒng)狀態(tài)的改變都將影響到最終校準(zhǔn)的效果，所以，校準(zhǔn)技術(shù)也無法消除此種誤差。

而采用微波射頻結(jié)構(gòu)整體封裝至一個“探頭”中的特殊安排就能夠避免上述缺點。首先，“探頭”與機箱的連接包括控制信號、低頻時基信號、中頻信號，而不存在射頻信號，連接更加簡單，對現(xiàn)場作業(yè)人員的操作要求較低;其次，由于采用了微波結(jié)構(gòu)的固化封裝結(jié)構(gòu)，校準(zhǔn)技術(shù)能夠更有效地發(fā)揮其消除系統(tǒng)內(nèi)部固有誤差的優(yōu)勢，使得測量的重復(fù)性更高，提高了反射率-頻率曲線的測量精度。

2 技術(shù)途徑

2.1 采用頻率步進體制

系統(tǒng)采用頻率步進體制測量［4-5］，其過程和各個模塊輸出波形如圖4所示。

圖4 輸出波形圖

(1)發(fā)射波形(即鎖相源1波形)，按照時間推移，其頻率依次掃過 f0，f0+Δf，…，f0+nΔf。其中，f0為頻段起始頻率;Δf為頻率步進值;nΔf為整個頻段頻寬，整個頻段劃分為n+1個離散的頻率點進行測量。例如，1 GHz～2 GHz頻段，可以劃分為1 001個頻率點進行測量，則Δf為1 MHz，n為1 000。這樣就可以得到由1 001個離散點組成的1 GHz～2 GHz頻段的反射率-頻率曲線［6］。

(2)接收波形，即從波導(dǎo)探頭反射回系統(tǒng)的信號，其頻率與發(fā)射波形相同，時間上根據(jù)微波電路具體情況有不同程度的滯后。經(jīng)過定向耦合器，接收波形與鎖相源2波形混頻，下變頻后的信號為中頻回波信號，其中心頻率為固定中頻頻率IF。

(3)鎖相源2的波形，與鎖相源1的波形同時跳變，但是，其頻率與發(fā)射波形相差固定的中頻頻率IF。這樣，在鎖相源1和2混頻后，下變頻的信號才能為固定中頻頻率的參考信號。

(4)參考中頻和回波中頻的中心頻率均為IF，其中，回波中頻含有被測吸波涂層的反射率信息。經(jīng)過數(shù)字正交解調(diào)，在每一個離散的頻點上，可以得到形如I+jQ的S11參數(shù)。

(5)假如系統(tǒng)是完美的，沒有任何阻抗失配，且系統(tǒng)頻率響應(yīng)平坦，對S11參數(shù)取模值，即可得到離散的反射率-頻率曲線，一條實數(shù)曲線。但是，真實的世界存在各種不理想情況，直接對S11參數(shù)取模值得到的曲線不僅包含了被測吸波涂層的反射率信息，而且包含了非理想系統(tǒng)的各種系統(tǒng)誤差，是未經(jīng)校準(zhǔn)的、不可靠的。為了得到真實的被測吸波涂層反射率信息，需要對S11參數(shù)進行校準(zhǔn)運算。

(6)經(jīng)過校準(zhǔn)，得到了一組新的形如I+jQ的復(fù)數(shù)形式的曲線，對其取模值，即可得到真實的被測吸波涂層的反射率-頻率曲線。此時，系統(tǒng)測量完成，嵌入式工控計算機會將曲線實時顯示于液晶屏。

2.2 校準(zhǔn)方式和原理

本設(shè)計采用單端口校準(zhǔn)，該校準(zhǔn)方式采用如圖5所示的誤差模型［7］。

圖5 單端口誤差模型

單端口校準(zhǔn)模型中，有三個未知誤差量，需要三個獨立方程求解之。為了得到三個獨立方程，變量規(guī)定為:ΓA為實際反射系數(shù);ΓM為測得的反射系數(shù);e00為定向誤差;e10，e01為反射定向誤差;e11為源匹配誤差。

則有如下等式

則

當(dāng)然，一般情況下，取三個已知負(fù)載為開路負(fù)載、短路負(fù)載和完全匹配負(fù)載。具體到吸波涂層測試系統(tǒng)，我們需要在每個頻點上對上述方程組求解，以得到a、b和c在不同頻率上的值，用于后續(xù)測量結(jié)果的校準(zhǔn)。

2.3 智能微波探頭設(shè)計

設(shè)計一種專用于吸波涂料現(xiàn)場快速精確測量的新型智能微波探頭，不同于以往的簡單探頭(標(biāo)/非標(biāo)準(zhǔn)喇叭探頭、標(biāo)/非標(biāo)準(zhǔn)波導(dǎo)探頭)，這種新型探頭除了在微波結(jié)構(gòu)上做了專門的優(yōu)化設(shè)計，還在探頭上集成了微波電路、智能控制電路。

以往的簡單探頭，通過一根微波長電纜與測試設(shè)備主機相連，在使用過程中，由于經(jīng)常需要挪動探頭的位置，測試中微波電纜的曲折形變會導(dǎo)致微波傳輸通路中的相位、駐波等發(fā)生變化，影響校準(zhǔn)精度，從而帶來測量誤差;另一方面，不同的測量頻段需要不同的探頭，頻繁的更換探頭會導(dǎo)致微波電纜及接頭等的磨損、接觸不良等，造成測試曲線漂移、測量結(jié)果重復(fù)性差等現(xiàn)象。

為了解決上述問題，在新型微波探頭的設(shè)計中，將微波電路集成于探頭之上，微波電路與前端信號饋送部分完全采用固化的電路連接，免去了傳統(tǒng)方式中必需的主機箱/探頭間的射頻電纜連接。智能微波探頭采用恒溫晶振時基、吞脈沖可變分頻器的鎖相頻率合成方案、中頻數(shù)字處理技術(shù)等［8］，使用射頻集成電路設(shè)計，在逐個頻點掃描過程中，具有較快的鎖相穩(wěn)定時間，信號在探頭中生成、發(fā)射;探頭接收回波信號，并進行初步的處理;微波探頭與測試系統(tǒng)主機之間的電纜只傳送通信、中頻、供電等信號;另一方面，微波電路全部采用最新技術(shù)的微波集成電路設(shè)計，系統(tǒng)的長期穩(wěn)定性、一致性能夠得到最大保證。

經(jīng)過特殊設(shè)計的微波探頭，具有測量結(jié)果穩(wěn)定性高、重復(fù)性好、環(huán)境溫度影響小、矢量對消效果優(yōu)異及可靠性高等優(yōu)點。

3 測量結(jié)果分析

3.1 反射率測量準(zhǔn)確度

使用兩塊材料樣板，在緊縮場系統(tǒng)中通過RCS法測量得到了這兩塊材料樣板的反射率標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)。使用便攜式吸波涂層反射率測試系統(tǒng)對這兩塊材料樣板的反射率進行測量，測量數(shù)據(jù)與標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)曲線對比如圖6、圖7所示。從圖中可以看出，反射率測量曲線基本重合一致。

圖6 1#材料反射率測量曲線對比

圖7 2#材料反射率測量曲線對比

3.2 工作頻率及測量時間等其它指標(biāo)

使用頻譜儀對便攜式吸波涂層反射率測試系統(tǒng)的發(fā)射信號頻率進行了測量，每個頻段抽檢了高、中、低三個頻點，頻率精度滿足要求。系統(tǒng)開機預(yù)熱18 min后進行測量，完成一次測量耗費時間最多不超過10 s。

4 結(jié)束語

以上介紹的吸波涂層反射率測試技術(shù)，是一套利用微波測試技術(shù)并基于智能儀表和控制計算機的自動測控系統(tǒng)，具備數(shù)據(jù)采集、分析和處理能力，具有體積小、重量輕、測量速度快、操作簡單智能的特點。通過對比實驗表明，系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)裝備所涂敷吸波涂層的反射率原位快速檢測，對于裝備的吸波涂層研究、數(shù)據(jù)庫建立、維護修補等提供切實可行的檢測手段。本系統(tǒng)設(shè)計受限于只能對裝備平面進行檢測，對于涂覆吸波涂層的彎曲面測量還有待于做進一步研究。

［1］ 何國瑜，盧才成，洪家才，等.電磁散射的計算和測量［M］.北京:北京航空航天大學(xué)出版社，2006.He Guoyu，Lu Caicheng，Hong Jiacai，et al.Electromagnetic scattering computation and measurement［M］.Beijing:Beihang University Press，2006.

［2］ 孫嬌燕，李 森.鎖相與頻率合成技術(shù)［M］.大連:大連海事大學(xué)出版社，2009.Sun Jiaoyan，Li Sen.PLL and frequency synthesis technology［M］.Dalian:Dalian Maritime University Press，2009.

［3］ 王旭東，潘明海.數(shù)字信號處理的FPGA實現(xiàn)［M］.北京:清華大學(xué)出版社，2011.Wang Xudong，Pan Minghai.Digital signal processing with field programmable gate arrays［M］.Beijing:Tsinghua University Press，2011.

［4］ 龍 騰，李 耽，吳瓊之.頻率步進雷達參數(shù)設(shè)計與目標(biāo)抽取算法［J］.系統(tǒng)工程與電子技術(shù)，2001，23(6):26-31.Long Teng，Li Dan，Wu Qiongzhi.Design methods for step frequency waveform and the target pick-up algorithm［J］.Systems Engineering and Electronics，2001，23(6):26-31.

［5］ 毛二可，龍 騰，韓月秋.頻率步進雷達數(shù)字信號處理［J］. 航空學(xué)報，2001，22(S1):16-25.Mao Erke，Long Teng，Han Yueqiu.Digital signal processing of stepped frequency radar［J］.Acta Aeronautica Et Astronautica Sinica ，2001，22(S1):16-25.

［6］ 王華力，李興國.高距離分辨率脈間頻率步進系統(tǒng)的探討［J］. 現(xiàn)代雷達，1995，17(1):91-99.Wang Huali，Li Xingguo.Study of high range resolution step frequency system［J］.Modern Radar，1995，17(1):91-99.

［7］ 陳 婷，楊春濤，陳云梅，等.校準(zhǔn)件不完善對矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀單端口S參數(shù)測量引入的不確定度［J］.計量學(xué)報，2009，30(2):177-182.Chen Ting，Yang Chuntao，Chen Yunmei，et al.Uncertainty of VNA one-port S-parameter measurement due to non-ideal calibration standards［J］.Acta Metrologica Sinica，2009，30(2):177-182.

［8］ 楊明磊，陳伯孝，張守宏.寬帶信號的中頻正交采樣［J］. 現(xiàn)代雷達，2007，29(3):47-51.Yang Minglei，Chen Baixiao，Zhang Shouhong.Quadrature sampling of wideband IF signal［J］.Modern Radar，2007，29(3):47-51.