一種頻選材料插入相位延遲測(cè)試系統(tǒng)及其測(cè)試方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明屬于電磁材料研究領(lǐng)域，以頻選材料雷達(dá)天線罩的應(yīng)用趨勢(shì)為背景，具體 涉及一種頻選材料插入相位延遲測(cè)試系統(tǒng)及其測(cè)試方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 頻率選擇表面（Frequency selective surface，簡(jiǎn)稱FSS)復(fù)合材料是由無源諧振 單元（金屬貼片或孔徑）按一定的排列方式組成的單層或多層周期性陣列結(jié)構(gòu)，簡(jiǎn)稱頻選 材料。其頻率選擇性源于其周期性結(jié)構(gòu)與電磁波的相互作用，當(dāng)入射波的頻率接近貼片或 孔徑的諧振頻率點(diǎn)時(shí)，F(xiàn)SS表現(xiàn)出對(duì)入射波全反射或全透射特性。正是這種對(duì)入射波全反射 和全透射的特性，使得頻率選擇表面在微波和光學(xué)領(lǐng)域得了廣泛的應(yīng)用。頻選材料主要應(yīng) 用于電磁隱身領(lǐng)域，利用帶通頻率選擇特性來制備雷達(dá)罩或各型結(jié)構(gòu)罩，在雷達(dá)工作頻段 內(nèi)它具有良好的透波性能，不影響天線正常工作。而在工作頻段以外，頻選雷達(dá)罩相當(dāng)于一 個(gè)全反射金屬罩，利用特殊的低雷達(dá)散射截面結(jié)構(gòu)形式，將敵方雷達(dá)波散射到各個(gè)方向去。
[0003] 對(duì)于頻選材料的研究常常局限于介質(zhì)厚度、加載方式、介電常數(shù)等因素對(duì)諧振頻 率傳輸帶寬、傳輸損耗等基本電性能的影響。而插入相位延遲（Insertion phase delay， IPD)對(duì)于頻選材料而言，是與透波率同等重要的技術(shù)指標(biāo)，與瞄準(zhǔn)誤差密切相關(guān)。頻選材料 插入相位延遲（IPD)是隱身雷達(dá)天線罩相對(duì)于真空電波傳播的相位延遲的差值，理論上可 以利用矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀的傳輸特性測(cè)量功能進(jìn)行測(cè)量。檢索國(guó)內(nèi)外文獻(xiàn)，關(guān)于頻選材料的 插入相位延遲測(cè)試方法和數(shù)據(jù)處理方法尚屬空白。
[0004] 受限于頻選材料天線罩的制造工藝和周期，在加工過程中要對(duì)iro進(jìn)行長(zhǎng)時(shí)間的 在線比對(duì)測(cè)量，對(duì)測(cè)量穩(wěn)定度和相位分辨率具有極高的要求，越高的測(cè)量穩(wěn)定度和相位分 辨率意味著越高的加工制造精度。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005] 本發(fā)明要解決的問題是，針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)存在的上述不足，提供一種頻選材料插入 相位延遲測(cè)試系統(tǒng)及其測(cè)試方法，通過相位曲線余弦擬合方法實(shí)現(xiàn)高精度插入相位延遲測(cè) 量。
[0006] 本發(fā)明解決上述問題采用的技術(shù)方案是：
[0007] -種頻選材料插入相位延遲測(cè)試系統(tǒng)，包括矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀、30dB衰減器、功分 器、接收機(jī)、兩副喇叭天線以及數(shù)據(jù)處理模塊，所述矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀的一個(gè)輸出端口與發(fā)射 喇叭天線連接，另一個(gè)輸出端口經(jīng)30dB衰減器與功分器的一個(gè)輸入端連接，功分器的另一 個(gè)輸入端與接收喇叭天線連接，功分器的輸出端與接收機(jī)連接，兩路信號(hào)經(jīng)功分器合成后 輸出至接收機(jī)；所述數(shù)據(jù)處理模塊用于將接收機(jī)采集的功率測(cè)試數(shù)據(jù)形成余弦曲線，并將 插入頻選材料前后的余弦曲線進(jìn)行比較，得到頻選材料在測(cè)試頻點(diǎn)的插入相位延遲。
[0008] 按上述方案，所述矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀采用Agilent公司的PNA-x矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀。
[0009] 本發(fā)明還提供了一種基于上述頻選材料插入相位延遲測(cè)試系統(tǒng)的測(cè)試方法，包括 如下步驟：
[0010] (1)確保試驗(yàn)過程中測(cè)試系統(tǒng)的兩副喇叭天線的位置固定不變；
[0011] (2)調(diào)整矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀的兩端口輸出信號(hào)幅度相同，信號(hào)為設(shè)定的相位差，并使 用示波器監(jiān)測(cè)矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀輸出的相干信號(hào)（保證幅度和相位差的精度）；
[0012] (3)在頻選材料未插入喇叭天線前，設(shè)置矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀的兩路輸出信號(hào)相位差， 從0°開始等間隔移相，通過接收機(jī)采集功率測(cè)試數(shù)據(jù)，采樣點(diǎn)達(dá)到一定密度，并達(dá)到一個(gè) 移相周期后停止采集，記錄插入頻選材料前的測(cè)試數(shù)據(jù)；
[0013] (4)將頻選材料按工況確定的姿態(tài)安裝并插入測(cè)試系統(tǒng)的兩副喇叭天線之間，重 復(fù)步驟（3)中設(shè)置矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀的兩路輸出信號(hào)相位差，從0°開始等間隔移相，通過接 收機(jī)采集功率測(cè)試數(shù)據(jù)，記錄插入頻選材料后的功率測(cè)試數(shù)據(jù)；
[0014] (5)將步驟（3)和⑷中記錄的插入頻選材料前后的單位為dBmW的功率測(cè)試數(shù)據(jù) 轉(zhuǎn)換為單位為mW的線性功率值，再導(dǎo)入數(shù)據(jù)處理模塊中；
[0015] (6)對(duì)步驟（5)中的線性功率值進(jìn)行基于最小二乘法的余弦擬合，形成較為標(biāo)準(zhǔn) 的余弦曲線，將插入頻選材料前后的余弦曲線比較，得到頻選材料在測(cè)試頻點(diǎn)的插入相位 延遲，線性功率值在數(shù)據(jù)處理模塊的界面上直接顯示。
[0016] 按上述方案，所述步驟（3)中移相周期的取值范圍為0~360°，間隔小于等于 5° (取樣間隔越小，測(cè)試結(jié)果越精準(zhǔn)）。
[0017] 本發(fā)明具有以下有益效果：基于以幅度測(cè)量代替直接相位測(cè)量的原理模型，提出 插入相位延遲測(cè)量的優(yōu)化方案，并進(jìn)行測(cè)試支路的相干性設(shè)計(jì)，同時(shí)結(jié)合數(shù)據(jù)處理技術(shù)，提 出了相位曲線的余弦擬合方法以實(shí)現(xiàn)高精度和高穩(wěn)定度的相位測(cè)量，為頻選材料雷達(dá)天線 罩電性能的分析與評(píng)估提供手段。
【附圖說明】
[0018] 圖1是本發(fā)明頻選材料插入相位延遲測(cè)試系統(tǒng)的測(cè)試原理圖；
[0019] 圖2是本發(fā)明兩路輸出信號(hào)不同相位夾角下的合成矢量軌跡圖；
[0020] 圖3是圖2中兩路輸出信號(hào)插入相位延遲測(cè)試矢量合成原理圖；
[0021] 圖4是本發(fā)明頻選材料插入相位延遲測(cè)試系統(tǒng)的試驗(yàn)布置圖；
[0022] 圖5是本發(fā)明頻選材料插入相位延遲測(cè)試數(shù)據(jù)的余弦曲線比較界面及驗(yàn)證結(jié)果 圖。
【具體實(shí)施方式】
[0023] 下面結(jié)合實(shí)施例和附圖對(duì)本發(fā)明進(jìn)一步說明。
[0024] 參照?qǐng)D1~圖4所示，本發(fā)明所述的頻選材料插入相位延遲測(cè)試系統(tǒng)，包括1臺(tái)矢 量網(wǎng)絡(luò)分析儀、1個(gè)30dB衰減器、1個(gè)功分器、一個(gè)接收機(jī)、發(fā)射喇叭天線、接收喇叭天線以 及數(shù)據(jù)處理模塊，所述矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀的一個(gè)輸出端口與發(fā)射喇叭天線連接，另一個(gè)輸出 端口經(jīng)30dB衰減器與功分器的一個(gè)輸入端連接，功分器的另一個(gè)輸入端與接收喇機(jī)天線 連接，兩路信號(hào)經(jīng)功分器合成后輸出至接收機(jī)；所述數(shù)據(jù)處理模塊用于將接收機(jī)采集的功 率測(cè)試數(shù)據(jù)形成余弦曲線，并將插入頻選材料前后的余弦曲線進(jìn)行比較，得到頻選材料在 測(cè)試頻點(diǎn)的插入相位延遲。發(fā)射喇叭天線、接收喇叭天線均為雙脊喇叭天線AT4418,測(cè)試系 統(tǒng)各個(gè)組成配置如表1所示。
[0025] 表1頻選材料iro試驗(yàn)儀表配置
[0026]
[0027] 本發(fā)明建立了以幅度測(cè)量代替直接相位測(cè)量的頻選材料插入相位延遲測(cè)試模型， 并通過信號(hào)相干性測(cè)試，提高測(cè)試穩(wěn)定性；插入相位延遲測(cè)量的核心是獲取頻選材料存在 與不存在時(shí)的電磁波相位傳輸延遲差異，基于多端口網(wǎng)絡(luò)測(cè)試法進(jìn)行優(yōu)化后的頻選材料插 入相位延遲測(cè)試原理如附圖1所示。圖中檢測(cè)端口 3處為功率計(jì)，用A、B表示傳輸?shù)膬陕?輸出信號(hào)幅度，測(cè)量的檢測(cè)功率表達(dá)式為：
[0028]
(1)
[0029] 可見，當(dāng)A、B兩路輸出信號(hào)幅度恒定的情況下，相對(duì)不同的相位夾角卜合成矢量 軌跡是圖2所示的復(fù)平面內(nèi)的