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CN105203562A - 一种频选材料插入相位延迟测试系统及其测试方法 - Google Patents

一种频选材料插入相位延迟测试系统及其测试方法 Download PDF

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CN105203562A
CN105203562A CN201510549302.9A CN201510549302A CN105203562A CN 105203562 A CN105203562 A CN 105203562A CN 201510549302 A CN201510549302 A CN 201510549302A CN 105203562 A CN105203562 A CN 105203562A
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CN201510549302.9A
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陈亮
刘义
严海妍
黄琛
谢大刚
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701 Research Institute of CSSC
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701 Research Institute of CSSC
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Abstract

本发明提供了一种频选材料插入相位延迟测试系统及其测试方法，系统包括矢量网络分析仪、30dB衰减器、功分器、接收机、两副喇叭天线以及数据处理模块，矢量网络分析仪的一个输出端口与发射喇叭天线连接，另一个输出端口经30dB衰减器与功分器的一个输入端连接，功分器的另一个输入端与接收喇叭天线连接，功分器的输出端与接收机连接，两路信号经功分器合成后输出至接收机；所述数据处理模块用于将接收机采集的功率测试数据形成余弦曲线，并将插入频选材料前后的余弦曲线进行比较，得到频选材料在测试频点的插入相位延迟。方法基于测试系统模型，结合数据处理技术，提出了相位曲线的余弦拟合方法以实现高精度和高稳定度的相位测量。

Description

一种频选材料插入相位延迟测试系统及其测试方法
技术领域
本发明属于电磁材料研究领域，以频选材料雷达天线罩的应用趋势为背景，具体涉及一种频选材料插入相位延迟测试系统及其测试方法。
背景技术
频率选择表面(Frequencyselectivesurface，简称FSS)复合材料是由无源谐振单元(金属贴片或孔径)按一定的排列方式组成的单层或多层周期性阵列结构，简称频选材料。其频率选择性源于其周期性结构与电磁波的相互作用，当入射波的频率接近贴片或孔径的谐振频率点时，FSS表现出对入射波全反射或全透射特性。正是这种对入射波全反射和全透射的特性，使得频率选择表面在微波和光学领域得了广泛的应用。频选材料主要应用于电磁隐身领域，利用带通频率选择特性来制备雷达罩或各型结构罩，在雷达工作频段内它具有良好的透波性能，不影响天线正常工作。而在工作频段以外，频选雷达罩相当于一个全反射金属罩，利用特殊的低雷达散射截面结构形式，将敌方雷达波散射到各个方向去。
对于频选材料的研究常常局限于介质厚度、加载方式、介电常数等因素对谐振频率传输带宽、传输损耗等基本电性能的影响。而插入相位延迟(Insertionphasedelay，IPD)对于频选材料而言，是与透波率同等重要的技术指标，与瞄准误差密切相关。频选材料插入相位延迟(IPD)是隐身雷达天线罩相对于真空电波传播的相位延迟的差值，理论上可以利用矢量网络分析仪的传输特性测量功能进行测量。检索国内外文献，关于频选材料的插入相位延迟测试方法和数据处理方法尚属空白。
受限于频选材料天线罩的制造工艺和周期，在加工过程中要对IPD进行长时间的在线比对测量，对测量稳定度和相位分辨率具有极高的要求，越高的测量稳定度和相位分辨率意味着越高的加工制造精度。
发明内容
本发明要解决的问题是，针对现有技术存在的上述不足，提供一种频选材料插入相位延迟测试系统及其测试方法，通过相位曲线余弦拟合方法实现高精度插入相位延迟测量。
本发明解决上述问题采用的技术方案是：
一种频选材料插入相位延迟测试系统，包括矢量网络分析仪、30dB衰减器、功分器、接收机、两副喇叭天线以及数据处理模块，所述矢量网络分析仪的一个输出端口与发射喇叭天线连接，另一个输出端口经30dB衰减器与功分器的一个输入端连接，功分器的另一个输入端与接收喇叭天线连接，功分器的输出端与接收机连接，两路信号经功分器合成后输出至接收机；所述数据处理模块用于将接收机采集的功率测试数据形成余弦曲线，并将插入频选材料前后的余弦曲线进行比较，得到频选材料在测试频点的插入相位延迟。
按上述方案，所述矢量网络分析仪采用Agilent公司的PNA-x矢量网络分析仪。
本发明还提供了一种基于上述频选材料插入相位延迟测试系统的测试方法，包括如下步骤：
(1)确保试验过程中测试系统的两副喇叭天线的位置固定不变；
(2)调整矢量网络分析仪的两端口输出信号幅度相同，信号为设定的相位差，并使用示波器监测矢量网络分析仪输出的相干信号(保证幅度和相位差的精度)；
(3)在频选材料未插入喇叭天线前，设置矢量网络分析仪的两路输出信号相位差，从0°开始等间隔移相，通过接收机采集功率测试数据，采样点达到一定密度，并达到一个移相周期后停止采集，记录插入频选材料前的测试数据；
(4)将频选材料按工况确定的姿态安装并插入测试系统的两副喇叭天线之间，重复步骤(3)中设置矢量网络分析仪的两路输出信号相位差，从0°开始等间隔移相，通过接收机采集功率测试数据，记录插入频选材料后的功率测试数据；
(5)将步骤(3)和(4)中记录的插入频选材料前后的单位为dBmW的功率测试数据转换为单位为mW的线性功率值，再导入数据处理模块中；
(6)对步骤(5)中的线性功率值进行基于最小二乘法的余弦拟合，形成较为标准的余弦曲线，将插入频选材料前后的余弦曲线比较，得到频选材料在测试频点的插入相位延迟，线性功率值在数据处理模块的界面上直接显示。
按上述方案，所述步骤(3)中移相周期的取值范围为0～360°，间隔小于等于5°(取样间隔越小，测试结果越精准)。
本发明具有以下有益效果：基于以幅度测量代替直接相位测量的原理模型，提出插入相位延迟测量的优化方案，并进行测试支路的相干性设计，同时结合数据处理技术，提出了相位曲线的余弦拟合方法以实现高精度和高稳定度的相位测量，为频选材料雷达天线罩电性能的分析与评估提供手段。
附图说明
图1是本发明频选材料插入相位延迟测试系统的测试原理图；
图2是本发明两路输出信号不同相位夹角下的合成矢量轨迹图；
图3是图2中两路输出信号插入相位延迟测试矢量合成原理图；
图4是本发明频选材料插入相位延迟测试系统的试验布置图；
图5是本发明频选材料插入相位延迟测试数据的余弦曲线比较界面及验证结果图。
具体实施方式
下面结合实施例和附图对本发明进一步说明。
参照图1～图4所示，本发明所述的频选材料插入相位延迟测试系统，包括1台矢量网络分析仪、1个30dB衰减器、1个功分器、一个接收机、发射喇叭天线、接收喇叭天线以及数据处理模块，所述矢量网络分析仪的一个输出端口与发射喇叭天线连接，另一个输出端口经30dB衰减器与功分器的一个输入端连接，功分器的另一个输入端与接收喇叭天线连接，两路信号经功分器合成后输出至接收机；所述数据处理模块用于将接收机采集的功率测试数据形成余弦曲线，并将插入频选材料前后的余弦曲线进行比较，得到频选材料在测试频点的插入相位延迟。发射喇叭天线、接收喇叭天线均为双脊喇叭天线AT4418，测试系统各个组成配置如表1所示。
表1频选材料IPD试验仪表配置
本发明建立了以幅度测量代替直接相位测量的频选材料插入相位延迟测试模型，并通过信号相干性测试，提高测试稳定性；插入相位延迟测量的核心是获取频选材料存在与不存在时的电磁波相位传输延迟差异，基于多端口网络测试法进行优化后的频选材料插入相位延迟测试原理如附图1所示。图中检测端口3处为功率计，用A、B表示传输的两路输出信号幅度，测量的检测功率表达式为：
可见，当A、B两路输出信号幅度恒定的情况下，相对不同的相位夹角合成矢量轨迹是图2所示的复平面内的圆，检测功率P的交流分量正比于相位夹角的余弦。相位夹角是由测量信号通路1-4-5-3与直达信号通路1-3的固有相位差再叠加频选材料的插入相位延迟构成的。利用步进移相器改变电路状态N，检测端口3将依次得到功率检测值PN，进行余弦拟合，得到拟合曲线相对于步进移相器特定状态序列的相位。插入相位延迟的作用相当于拟合曲线的相位平移，因此，基于同样的步进移相器特定状态序列，就可以得到频选材料插入喇叭天线前后矢量合成角差这个差值就是测得的频选材料插入相位延迟值，如图3所示。
设计试验布置如附图4所示，参考测试原理图1，需改变A、B两路信号相位差，由于微波数字步进移相器重复性较差，且相位精度3°～5°，幅度1dB～1.5dB，可能造成测试结果较大误差。本发明选用Agilent公司矢量网络分析仪PNA-xN5242A，可同时提供两路幅度相同、相位可调的相干信号，简化系统构成的同时保证测试精度。在矢量网络分析仪的直通支路串接30dB衰减器，以保证两路信号幅度相当，提高数据处理精度。
本发明设计的插入相位延迟测试系统以幅度测试替代相位测试，一定程度提高了测试精度，但系统中网络分析仪两路信号相位、幅度误差和功率计测试误差将导致测试采样点无法连接成为理想余弦曲线，则需通过数据处理方法进行拟合，本发明采用基于最小二乘法的测试数据余弦拟合方法，进一步提高插入相位延迟测试精度。
插入相位延迟测试的余弦拟合直接使用LabVIEW自带的曲线拟合ExpressVI来完成，选择模型类型为广义线性最小二乘估计，根据检测端口3的功率表达式建立模型的目标函数为：
y＝acos(Φ)+b(2)
其中，y为检测端口3(功率计)测到的功率序列，b为检测功率P的直流分量，即功率表达式(1)中的|A|2+|B|2，acos(Φ)为检测功率P的交流分量，且正比于夹角Φ的余弦，a为功率表达式(1)中的2|A||B|。
建立两个矢量A和B，分别代表A、B两路输出信号，A和B的值为随机输入，|A|和|B|分别表示矢量A和B的模，相位Φ的取值范围为0～360°，间隔为5°，按照检测端口3的功率表达式(1)生成功率P’，然后加上高斯白噪声，形成最终的检测功率P；然后使用曲线拟合ExpressVI进行曲线拟合；最后再进行归一化，去掉a和b，得到最终的夹角的余弦曲线。
实际测试过程中，先在不插入频选材料的情况下测试获取一组归一化后的数据，然后再插入频选材料，按照相同流程获取另外一组归一化后的数据，在求两组数据相同幅值处的相位差值即可获取频选材料的插入相位延迟。
以某S波段频选材料作为测试对象，按附图4中搭建测试系统，在4GHz频点进行频选材料垂直状态下的IPD测试，最终的检测功率P值如图5中左列的原始数据图所示，然后使用曲线拟合ExpressVI进行曲线拟合，得到的最佳拟合曲线如图5中中间的最佳拟合曲线图所示，最后再进行归一化，去掉a和b，得到最终的夹角的余弦曲线，如图5中右列的归一化曲线图所示，得到测试的插入相位延迟结果为18.63°，与仿真设计结果比较误差小于1°，验证了本发明提出的IPD测试方法的准确性和有效性。
应理解，上述实施例仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围。此外应理解，在阅读了本发明讲授的内容之后，本领域技术人员可以对本发明作各种改动或修改，而不脱离本发明技术方案的精神和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围中。

Claims (4)

1.一种频选材料插入相位延迟测试系统，其特征在于：包括矢量网络分析仪、30dB衰减器、功分器、接收机、两副喇叭天线以及数据处理模块，所述矢量网络分析仪的一个输出端口与发射喇叭天线连接，另一个输出端口经30dB衰减器与功分器的一个输入端连接，功分器的另一个输入端与接收喇叭天线连接，功分器的输出端与接收机连接，两路信号经功分器合成后输出至接收机；所述数据处理模块用于将接收机采集的功率测试数据形成余弦曲线，并将插入频选材料前后的余弦曲线进行比较，得到频选材料在测试频点的插入相位延迟。
2.如权利要求1所述的频选材料插入相位延迟测试系统，其特征在于：所述矢量网络分析仪采用Agilent公司的PNA-x矢量网络分析仪。
3.一种基于上述权利要求1～2任意之一所述的频选材料插入相位延迟测试系统的测试方法，包括如下步骤：
(1)确保试验过程中测试系统的两副喇叭天线的位置固定不变；
(2)调整矢量网络分析仪的两端口输出信号幅度相同，信号为设定的相位差，并使用示波器监测矢量网络分析仪输出的相干信号；
(3)在频选材料未插入喇叭天线前，设置矢量网络分析仪两路输出信号相位差，从0°开始等间隔移相，通过接收机采集功率测试数据，采样点达到一定密度，并达到一个移相周期后停止采集，记录插入频选材料前的测试数据；
(4)将频选材料按工况确定的姿态安装并插入测试系统的两副喇叭天线之间，重复步骤(3)中设置矢量网络分析仪两路输出信号相位差，从0°开始等间隔移相，通过接收机采集功率测试数据，记录插入频选材料后的功率测试数据；
(5)将步骤(3)和(4)中记录的插入频选材料前后的单位为dBmW的功率测试数据转换为单位为mW的线性功率值，再导入数据处理模块中；
(6)对步骤(5)中的线性功率值进行基于最小二乘法的余弦拟合，形成较为标准的余弦曲线，将插入频选材料前后的余弦曲线比较，得到频选材料在测试频点的插入相位延迟，线性功率值在数据处理模块的界面上直接显示。
4.如权利要求3所述的频选材料插入相位延迟测试方法，其特征在于：所述步骤(3)中移相周期的取值范围为0～360°，间隔小于等于5°。
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