尹　彬,王帥雷,陳振興

(北京華航無線電測量研究所,北京 100013)

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·工程應(yīng)用·

射頻信號極化模擬技術(shù)研究與實(shí)現(xiàn)*

尹彬,王帥雷,陳振興

(北京華航無線電測量研究所,北京 100013)

極化信息在雷達(dá)目標(biāo)檢測和識別中起到越來越重要的作用。射頻信號極化模擬技術(shù)利用正交雙極化寬帶天線產(chǎn)生軸比可調(diào)、旋向可調(diào)、傾角可調(diào)的平面波，模擬雷達(dá)信號極化特性。極化模擬裝置具有本地控制、遠(yuǎn)程控制、外場數(shù)據(jù)回放和自動化校準(zhǔn)等功能，實(shí)現(xiàn)了線極化、圓極化和橢圓極化等高精度、大帶寬極化狀態(tài)的快速模擬，可滿足工程應(yīng)用要求。

極化特性；模擬；實(shí)現(xiàn)

0　引言

雷達(dá)極化技術(shù)涉及目標(biāo)散射波的極化信息處理，受到國內(nèi)外學(xué)術(shù)界的高度重視，已應(yīng)用在很多領(lǐng)域，如大地觀測、災(zāi)難救助和遙感等。雷達(dá)目標(biāo)散射中的極化信息與目標(biāo)回波的幅度、相位、多普勒頻率、波形等信息一樣，是非常有用的信息，它在抗有源干擾和雜波干擾、目標(biāo)信號濾波和增強(qiáng)、目標(biāo)檢測和目標(biāo)識別中有著巨大的應(yīng)用潛力。

本文針對射頻信號極化模擬技術(shù)進(jìn)行理論研究，提出了極化模擬裝置硬件、軟件的實(shí)現(xiàn)途徑，以及極化模擬裝置的相關(guān)功能。實(shí)現(xiàn)了極化模擬裝置的本地極化控制、遠(yuǎn)程極化控制、極化數(shù)據(jù)回放和自動校準(zhǔn)等功能。該極化模擬裝置可準(zhǔn)確地模擬極化特性變化，實(shí)現(xiàn)線極化、圓極化和橢圓極化等高精度、大帶寬極化狀態(tài)的快速模擬，頻率帶寬范圍為0.8～18GHz，功率控制誤差在0～30dB時≤±0.5dB，30～50dB時≤±1dB，相位控制誤差≤±3°，輸出功率平坦度≤±1dB(0.8～18GHz，衰減器、移相器置零)，極化狀態(tài)刷新周期≤10ms。

1　極化模擬理論

極化模擬裝置利用雙極化寬帶天線產(chǎn)生軸比可調(diào)、旋向可調(diào)、傾角可調(diào)的平面波，模擬雷達(dá)信號極化特性，以供雷達(dá)目標(biāo)極化特性測試。

均勻平面波是指波陣面(等相位面)是一個平面，并且在波陣面上各點(diǎn)的電場強(qiáng)度和磁場強(qiáng)度的大小和方向都分別相等的電磁波。設(shè)均勻平面波沿z方向傳播，則等相位面為z為常數(shù)的平面，如圖1所示。

圖1　平面波

波的極化是指在相對于大地平面的電磁波傳播空間給定點(diǎn)處，電場強(qiáng)度矢量的端點(diǎn)隨時間變化的軌跡。極化的形式則根據(jù)電場的矢端軌跡來確定。一般情況下，沿z方向傳播的均勻平面波的電場為：

E=axEx+ayEy

式中，ω為信號角頻率,k=2π/λ為波數(shù),φx,φy分別為x，y方向的初始相位。

當(dāng)Ex和Ey同向時就得到線極化，即φx=φy=0，合成電場強(qiáng)度為：

合成電場大小為：

合成矢量與x軸夾角為：

可見，合成場強(qiáng)的方向始終保持與x軸成α角方向，電場矢端是一條直線，故稱為線極化波，如圖2所示。工程上常把E的方向平行于地面的直線波稱為水平極化波，把垂直于地面的直線波稱為垂直極化波。

圖2　線極化

當(dāng)Ex和Ey的振幅相等，相位差90°時，得到圓極化。即Exm=Eym=Em，φy=φx+90°，則合成電場強(qiáng)度為：

所以合成場強(qiáng)大小為：

即：α=ω t-kz-φx。

可見，合成場強(qiáng)大小不變，方向隨時間線性變化，矢端軌跡為一個圓，故稱圓極化，如圖3所示，給出z=0的平面上合成的場強(qiáng)的矢端軌跡。

合成矢量E的旋轉(zhuǎn)方向與波的傳播方向之間符合右手螺旋關(guān)系的圓極化波，稱為右旋圓極化波，而符合左手螺旋關(guān)系的圓極化波，稱為左旋圓極化波。按這一規(guī)定，Ey分量相位落后Ex90°，就得到右旋圓極化波，Ey分量相位提前Ex90°，就得到左旋圓極化波。

圖3　右旋圓極化

當(dāng)Ex和Ey的振幅不相等，相位差不固定時，得到橢圓極化。設(shè)φx=0，φy=φ，則有：

(1)

式(1)是典型橢圓參數(shù)方程，在式(1)中消去ω t，得：

(2)

式(2)是個橢圓方程，E的矢端軌跡為橢圓，稱為橢圓極化波，如圖4所示。

圖4　橢圓極化波

通過分別控制雙極化輸入端的信號幅度和相位，在z處的平面上，根據(jù)平面波極化原理模擬不同的平面波極化，如圖5所示。

圖5　平面波極化模擬

2　極化模擬設(shè)計和實(shí)現(xiàn)2.1　總體設(shè)計

極化模擬裝置用于模擬目標(biāo)雷達(dá)極化變化，實(shí)現(xiàn)對測角精度指標(biāo)的評估。極化模擬裝置具備以下功能特點(diǎn)：

1) 與正交雙極化天線、信號源配合，改變雙極化天線兩端口的幅度比、相位差，模擬不同極化特性雷達(dá)信號；

2) 具有以太網(wǎng)接口，可與雷達(dá)控制臺實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程通訊及控制，實(shí)現(xiàn)測試自動化；

3) 可載入外場雷達(dá)實(shí)測數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)外場數(shù)據(jù)回放；

4) 與矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀連接，實(shí)現(xiàn)自動化校準(zhǔn)。

極化模擬裝置由顯控單元、饋電單元和電源單元組成。顯控單元接收本地控制參數(shù)或通過以太網(wǎng)接收雷達(dá)控制臺遠(yuǎn)控參數(shù)，包括頻率、幅度比、相位差等，查表計算相應(yīng)的控制碼實(shí)現(xiàn)對饋電單元控制。饋電單元完成水平極化通道和垂直極化通道的幅相調(diào)制。電源單元提供系統(tǒng)用電。極化模擬裝置系統(tǒng)組成如圖6所示。

圖6　極化模擬裝置系統(tǒng)組成框圖

2.2硬件設(shè)計

顯控單元包括顯示、鍵盤、網(wǎng)絡(luò)接口、主控計算機(jī)和數(shù)字I/O接口板等幾個模塊。采用8.4英寸彩色觸屏顯示器，分辨率1024×768，鍵盤采用8×8鍵盤陣列。極化控制所需幅相參數(shù)可由鍵盤輸入，或通過標(biāo)準(zhǔn)的RJ45網(wǎng)絡(luò)接口遠(yuǎn)程輸入。

饋電單元包括水平極化幅相控制通道、垂直極化幅相控制通道。饋電單元用于實(shí)現(xiàn)雙極化寬帶天線輸入信號的調(diào)制，產(chǎn)生軸比可調(diào)、旋向可調(diào)、傾角可調(diào)的平面波。實(shí)現(xiàn)原理為：射頻信號通過功分器分別給垂直和水平支路，根據(jù)頻率通過開關(guān)選擇0.8～2GHz和2～18GHz支路，射頻信號通過移相器和衰減器調(diào)節(jié)功率以及相位產(chǎn)生制定軸比、旋向、傾角的兩路射頻信號，然后通過開關(guān)選擇并通過功率放大器將垂直極化和水平極化射頻信號輸出給雙極化寬帶天線輻射給被試設(shè)備。水平垂直幅相控制通道原理框圖如圖7所示。

圖7　水平垂直幅相控制通道示意圖

電源包括：給主控計算機(jī)及數(shù)字I/O板供電的開關(guān)電源和給微波器件供電的線性電源。開關(guān)電源采用標(biāo)準(zhǔn)CPCI電源，總功率250W，電壓包括3.3V、5V、12V、-12V。線性電源主要給放大器、移相器和開關(guān)供電，電壓包括±5V、9V、12V、±15V等。

2.3軟件設(shè)計

極化模擬裝置軟件包括極化控制軟件和極化校準(zhǔn)軟件兩部分，其中極化控制軟件實(shí)現(xiàn)模擬不同極化特性雷達(dá)信號的功能，極化校準(zhǔn)軟件為極化控制提供所需的衰減器、移相器表格及初值表格。其中，極化控制流程圖如圖8所示。極化校準(zhǔn)流程圖如圖9所示。

圖8　極化控制流程圖

圖9　極化校準(zhǔn)流程圖

極化模擬裝置軟件可通過選擇“本地控制”、“遠(yuǎn)程控制”、“數(shù)據(jù)回放”或“校準(zhǔn)模式”按鈕，切換到相應(yīng)的工作模式。

3　極化模擬測試結(jié)果

極化模擬裝置可以模擬不同極化特性的雷達(dá)信號，其主要技術(shù)指標(biāo)如下：

1) 功率控制誤差：0～30dB時≤±0.5dB；30～50dB時≤±1dB；2) 最大輸出功率：≥+17dBm；3) 相位控制范圍：0～360°；4) 相位控制誤差：±3°；5) 輸出功率平坦度：1dB(0.8～18GHz，衰減器、移相器置零)。

利用矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀測試上述技術(shù)指標(biāo)，具體測試結(jié)果如圖10～14所示。

圖10　輸出功率平坦度結(jié)果

圖10為水平通道和垂直通道在0.8GHz、1.5GHz、1.95GHz、2GHz、4GHz、8GHz、10GHz、13GHz、15GHz和18GHz時測試的插損值。根據(jù)數(shù)據(jù)分析可知，水平通道和垂直通道插損范圍在1dB范圍內(nèi)，且均不大于1dB，即最大輸出功率大于等于17dBm(輸入功率為20dBm時)。

圖11　水平通道相位控制范圍及準(zhǔn)確度結(jié)果

圖12　垂直通道相位控制范圍及準(zhǔn)確度結(jié)果

圖11～12為水平通道和垂直通道在0.8GHz、1.5GHz、1.95GHz、2GHz、10GHz和18GHz時輸出相位控制范圍和控制準(zhǔn)確度測試結(jié)果。根據(jù)數(shù)據(jù)分析可知，水平通道和垂直通道相位控制范圍為0～360°，控制誤差滿足±3°以內(nèi)。

圖13～14為水平通道和垂直通道在0.8GHz、1.5GHz、1.95GHz、2GHz、10GHz和18GHz時輸出功率控制范圍和控制準(zhǔn)確度測試結(jié)果。根據(jù)上述測試結(jié)果可知，水平通道和垂直通道功率控制誤差滿足0～30dB時≤±0.5dB；30～50dB時≤±1dB。

圖13　水平通道功率控制范圍及準(zhǔn)確度結(jié)果

圖14垂直通道功率控制范圍及準(zhǔn)確度結(jié)果

控制極化狀態(tài)通過雙極化天線將射頻信號在空間輻射，采用單極化天線旋轉(zhuǎn)360°接收射頻信號(保證發(fā)射天線與接收天線位于同一軸線上)，測試接收射頻信號幅、相分布圖，繪制電場強(qiáng)度矢量端點(diǎn)的軌跡測試其極化特性。

以5GHz的橢圓極化為例，分別繪制軸比為5dB、10dB，傾角為0°的左旋橢圓極化模擬信號的幅、相分布圖如圖15～16所示，此時對應(yīng)極化模擬裝置設(shè)置參數(shù)分別為垂直通道與水平通道幅度比為-5dB、-10dB，相位差為90°。

圖15　5GHz, 5dB軸比的左旋圓極化幅相分布圖

在圖15～16中，以實(shí)測值水平極化幅相值為幅相基準(zhǔn)畫出理論左旋圓極化幅相分布圖，并與實(shí)測值進(jìn)行比較。5dB軸比時， 最大幅度差為0.4203dB, 平均幅

圖16　5GHz, 10dB軸比的左旋圓極化幅相分布圖

度差為0.1235 dB，方差為0.1776 dB，傾角為-2.0861°；10dB軸比時，最大幅度差為0.8538dB, 平均幅度差為0.1554dB，方差為0.2858dB，傾角為-2.9252°。由結(jié)果可見，極化模擬裝置的極化控制結(jié)果與理論值有較高的擬合度，其極化失真度較低，滿足工程應(yīng)用。

4　結(jié)束語

本文提出的極化模擬裝置具備本地控制、遠(yuǎn)程控制和外場數(shù)據(jù)回放等功能，能夠?qū)崿F(xiàn)高精度、大帶寬的極化狀態(tài)的快速模擬，為被試設(shè)備測試模擬雷達(dá)極化變化，完成整機(jī)調(diào)試、極化補(bǔ)償、交驗(yàn)測試等工作。目前，該極化模擬裝置已完成了與被試設(shè)備的對接聯(lián)試試驗(yàn)并交付使用，使用過程中，設(shè)備狀態(tài)穩(wěn)定可靠，極化特性模擬準(zhǔn)確?！?/p>

[1]黃培康，殷洪成，許小劍. 雷達(dá)目標(biāo)特性[M]. 北京：電子工業(yè)出版社，2005.

[2]肖順平. 寬帶極化雷達(dá)目標(biāo)識別的理論與應(yīng)用[D].長沙：國防科技大學(xué)，1995.

[3]莊釗文，肖順平，王雪松. 雷達(dá)極化信息處理及應(yīng)用[M]. 北京：國防工業(yè)出版社，1999.

[4]王雪松，王劍，王濤，等. 雷達(dá)目標(biāo)極化散射矩陣的瞬時測量方法[J]. 電子學(xué)報，2006，34(6)：1020-1025.

Research and implementation of RF signal polarization simulation technology

Yin Bin, Wang Shuailei, Chen Zhenxing

(Beijing Huahang Radio Measurement & Research Institute, Beijing 100013, China)

Polarization information plays a more and more important role in radar target detection and recognition. Simulation of RF signal polarization technology uses dual-polarized broadband antenna to produce axial ratio adjustable, rotation adjustable, angle adjustable plane wave which can simulate radar signal polarization characteristics. RF signal polarization simulator can realize local control, remote control, data playback and automatic calibration. It can realize the simulation of line polarization, circular polarization and elliptical polarization in high accuracy and wide band for engineering application.

polarization property;simulation;implementation

國防基礎(chǔ)科研計劃資助項(xiàng)目(A0420132308)

2015-10-17；2016-05-19修回。

尹彬(1988-)，男，工程師，碩士，研究方向?yàn)槔走_(dá)系統(tǒng)仿真與試驗(yàn)驗(yàn)證技術(shù)。

TN974

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