摘要：为了简化吸波材料反射率拱形法测试中的测试程序并减小测试系统的不确定度,参考国际标准IEEE-STD-1128—1998及《射频吸波材料吸波性能测试方法》(GJB 5239—2004),基于自主研制的1～6 GHz拱形法测试系统,提出了吸波材料反射率测量的新程序和杂散耦合抑制技术.将原国际标准中推荐采用的驻波比测量仪测试程序改进为利用矢量网络分析仪测量吸波材料反射率,通过分析矢量网络分析仪接收端口接收电平的驻波变化规律,将经过吸波材料衰减后的反射信号与发、收天线间的杂散耦合信号进行分离.结合杂散耦合的开阔空间测试结果,可对吸波材料反射率测量结果进行修正.实验证明,该方法可有效抑制杂散耦合、减小测试系统的不确定度.
关键词：拱形法;吸波材料;反射率;驻波比;杂散耦合
国际标准IEEE-STD-1128—1998[1]及《射频吸波材料吸波性能测试方法》(GJB 5239—2004)[2]中1～5 GHz吸波材料反射率测试推荐采用拱形法.IEEE-STD-1128—1998标准中的拱形法测试程序推荐采用驻波比测量仪,GJB 5239—2004根据当前国内外仪器现状,推荐采用矢量网络分析仪,但没有给出更为详细的设置及计算说明.国内外学者对拱形法测量吸波材料反射率进行了很多研究[3-6],但针对标准实施的研究不多见.拱形法测试中发、收天线间的杂散耦合对测试结果的不确定度影响较大,上述2个标准中仅给出了根据吸波材料上、下移动时产生的驻波来判断不确定度,没有涉及减小或消除杂散耦合的技术措施.为此,本文基于实验研制的1～6 GHz拱形法测试系统[7-9],讨论了利用矢量网络分析仪测量吸波材料反射率的详细过程,并提出了驻波分离法测试技术,将经过吸波材料衰减后的反射信号与发、收天线间的杂散耦合信号进行分离,减小了测试系统的不确定度.该方法可作为利用矢量网络分析仪的时域门功能抑制杂散耦合的备选方法[10],并可以避免由于时域门设置不当造成测量结果误差较大的问题.
1 传统测试方法与不确定度分析
如图1所示,拱形法测试系统基本程序如下:
① 仪器开机,检查环境噪声,确认信道无故障;
② 调整金属板使其高度位于拱形架中心,在不同的电磁波入射角度下测量参考反射电平Гp,当采用矢量网络分析仪测试时,Гp采用S21来表示[11],S21的校准状态通常为电缆直通校准;
③ 保持金属板位置不变,在金属反射板上放置射频吸波材料,然后测量相应测试角度的反射电平Гr;
④ 计算吸波材料的反射系数Г,
Г=Гr-Гp
(1)
⑤ 改变天线极化,重复步骤②～④.
图1 拱形法电磁模型
在上述测试中,无论是参考反射电平Гp还是吸波材料反射电平Гr,除包含有用信号Ep和Er外,还包含了发、收天线间未经金属板或吸波材料反射而直接耦合的杂散能量Ed,即仪器接收到的能量是Ed和Er的矢量合成.以Er为例，如图2所示,矢量合成后根据原矢量的相位相同或相位相反,对应就可能是最大值和最小值,因此,当杂散耦合能量Ed与有用信号能量Er可比拟时,合成后的矢量与原矢量幅值有很大差异,对测试结果的不确定度影响较大,而当两者相差较大时,矢量合成后幅值与较大的矢量接近.
(a) Er与Ed可比拟(以Er>Ed为例)
(b) Er与Ed相差较大(以Er>Ed为例)
图2 有用信号与杂散耦合信号矢量合成图
《射频吸波材料吸波性能测试方法》(GJB 5239—2004)中采用图3来定量评价杂散耦合信号对测量不确定度的影响.
图3 杂散耦合引起的测量不确定度[2]
图3中,3条曲线表示因同相相加或反相相消而引起的测量值与真实值的偏差限值,
为杂散耦合信号与有用信号的同相叠加,
或
为两者的反相相减.对于大部分情况,杂散耦合电平Ed低于有用信号Er,(Ed/Er)dB都落在图的左半部分.如果Ed与Er幅值可比拟,(Ed/Er)dB横坐标落在0附近,则与两条轨迹线的纵坐标差值很大,意味着测量不确定度很大.
实际测试过程中,通常以金属板位于拱形架中央为基准,装有吸波材料的平台在-10～10 cm之间上、下移动,此时可近似认为只有有用信号Er的行程,即Er矢量的相位发生了变化,并且相位的改变超过一个周期,而杂散耦合信号Ed的幅值和相位没有变化.如果某频率点的接收电平(Er和Ed的合成矢量)随平台移动变化非常小(小于1 dB),则Ed与Er幅度相差30 dB以上.通常拱形系统中杂散耦合小于有用信号,说明该拱形测试系统测试结果可信;反之,如果对于某频率点接收电平起伏较大(大于5 dB),说明Ed与Er幅度可比拟,测量不确定度较大.
本文利用矢量网络分析仪测试高度为600 mm的角锥吸波材料在10°入射角时的反射系数,当上、下移动金属板时,S21显示的接收电平在-25 dB上下波动,波动范围小于3 dB.若认为杂散耦合电平远小于有用信号,则说明该拱形法测试系统在该测试状态下因杂散耦合引起的测量不确定度小于3 dB,根据图3可知,杂散耦合幅度低于有用信号15 dB左右.
综上所述,GJB 5239—2004规定的方法虽然可以借助接收电平随平台上下移动得出杂散耦合与有用信号幅度的差值,但没有将两者进行分离,且评判杂散耦合对测试结果产生的不确定度必须首先通过测量以确定杂散耦合电平和有用信号的大小关系.因此，本文尝试应用驻波分析法解决上述问题.
2 驻波分析法
如前所述,当用矢量网络分析仪测试吸波材料反射率时,接收电平采用S21值来表示.假设矢量网络分析仪校准后校准面上接收到的参考电平值为A,发射天线经由金属板被接收天线接收到的能量为Ep,发射天线经由金属板和吸波材料被接收天线接收到的能量为Er,发射天线和接收天线之间的杂散耦合能量为Ed,则
(2)
当金属板上铺设吸波材料时,有
(3)
当铺有吸波材料的金属板在至少半个波长范围内上下移动时,可保证经过金属板的反射信号在一个周期内改变相位.杂散耦合信号与反射信号可同相叠加或反相相消,接收电平得到至少一个最大值和最小值,即
(4)
式中,S21-max为Er和Ed同相叠加的接收电平最大值;S21-min为Er和Ed反相相减的接收电平最小值.已知S21-max和S21-min,就可以得出Er和Ed相对于参考值A的电平值,即(假设Er>Ed)
(5)
通过式(2)将能量转换成传输系数，可以把Er,Ed两部分能量分离出来,但不能将二者明确分配.为了明确杂散耦合的量值,本文在开阔场地对所采用的拱形法测试系统收、发天线进行了隔离度测试.测试装置及现场如图4所示.为确保发、收天线间杂散耦合情况与吸波材料测试时一致,除严格控制发、收天线的极化方式和入射角度外,还需在天线间放置与吸波材料测试时相同布置的隔离板.图5为各角度天线垂直极化时的杂散耦合测试结果(以矢量网络分析仪连接测试电缆时的直通校准为0 dB).
(a) 测试装置原理
(b) 测试现场
图4 杂散耦合测试
图5 各入射角度杂散耦合测试结果(垂直极化)
由图5可以看出,在10°,20°,30°以及60°入射角度时,天线杂散耦合随着频率的升高逐渐减小,低频时一般接近-50 dB.当入射角度为60°时,杂散耦合较大,此时发、收天线角度接近平行,能量主要通过辐射接收,而非旁瓣耦合的方式.
杂散耦合电平确定后,下面结合某P600型泡沫渗碳吸波材料的测试实例说明驻波分析法的应用.测试系统设置:发、收天线垂直极化、入射角度为10°～60°,金属板位于拱形架中央,吸波材料高度为600 mm.测试时,首先测量金属板位于拱形架中央的反射率,然后铺放吸波材料并以拱形架中央为基准上下移动各10 cm,将测试数据保存到计算机数据库.采用软件Matlab进行访问并处理,结果如图6所示.
Er测量值为矢量网络分析仪2端口的实际接收电平(该电平是有用信号和杂散耦合的矢量合成),Ed测量值表示开阔场天线杂散耦合测量结果,Er计算值和Ed计算值则分别表示采用驻波分离法式(5)分离出的有用信号和杂散耦合.
由图6可知,本文所采用的拱形法系统和测试样品的杂散耦合大多时候远小于有用信号,对测试结果产生的不确定度很小,Er测量值和Er计算值差异可以忽略.
当入射角为60°时,收、发天线杂散耦合电平在整个测试频段内均较大,接近有用信号,根据图3可知,测试结果呈现较大的不确定度,反映在图6(d)中Er测量值和Er计算值有明显差异.对于入射角为10°,20°和30°三种情况,当频率低于2 GHz时,收、发天线杂散耦合电平也较大,造成在该频段内Er测量值和Er计算值差异明显.上述2种情况下如果直接按照GJB 5239—2004标准测量,不确定度会很大.而应用本文所提出的驻波分析法,可以将有用信号和杂散耦合通过计算分离出来,并参考杂散耦合的开阔场测量值将两者进行合理分配,有效减小了测量不确定度.图6中杂散耦合测量值在开阔场完成,杂散耦合计算值则基于拱形架置于暗室内的测量结果,考虑暗室壁面及拱形架等物体的反射因素,后者比前者电平更高.
(a) 10°
(b) 20°
(c) 30°
(d) 60°
图6 不同入射角度下应用驻波分离法测试吸波材料反射率(垂直极化)
3 结语
本文提出的方法适用于射频吸波材料反射率拱形法测试.在此类系统中,多数情况为发、收天线间的杂散耦合电平远低于经过吸波材料衰减后的反射电平,杂散耦合对测量不确定度影响较小.但当入射角较大或天线在某些频段方向性较差时,杂散耦合增强并与有用信号可比拟,本文提供的方法可有效减小测试系统的不确定度.
