一種頻選材料插入相位延遲測試系統(tǒng)及其測試方法
【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)用趨勢為背景，具體 涉及一種頻選材料插入相位延遲測試系統(tǒng)及其測試方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 頻率選擇表面（Frequency selective surface，簡稱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)出對入射波全反射或全透射特性。正是這種對入射波全反射 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量功能進(jìn)行測量。檢索國內(nèi)外文獻(xiàn)，關(guān)于頻選材料的 插入相位延遲測試方法和數(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iro進(jìn)行長時(shí)間的 在線比對測量，對測量穩(wěn)定度和相位分辨率具有極高的要求，越高的測量穩(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 相位延遲測試系統(tǒng)及其測試方法，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 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試系統(tǒng)的測試方法，包括 如下步驟：
[0010] (1)確保試驗(yàn)過程中測試系統(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幅度相同，信號為設(shè)定的相位差，并使 用示波器監(jiān)測矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀輸出的相干信號（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相位差， 從0°開始等間隔移相，通過接收機(jī)采集功率測試數(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相位差，從0°開始等間隔移相，通過接 收機(jī)采集功率測試數(shù)據(jù)，記錄插入頻選材料后的功率測試數(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：基于以幅度測量代替直接相位測量的原理模型，提出 插入相位延遲測量的優(yōu)化方案，并進(jìn)行測試支路的相干性設(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)定度的相位測量，為頻選材料雷達(dá)天線 罩電性能的分析與評估提供手段。
【附圖說明】
[0018] 圖1是本發(fā)明頻選材料插入相位延遲測試系統(tǒng)的測試原理圖；
[0019] 圖2是本發(fā)明兩路輸出信號不同相位夾角下的合成矢量軌跡圖；
[0020] 圖3是圖2中兩路輸出信號插入相位延遲測試矢量合成原理圖；
[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)施例和附圖對本發(fā)明進(jìn)一步說明。
[0024] 參照圖1~圖4所示，本發(fā)明所述的頻選材料插入相位延遲測試系統(tǒng)，包括1臺矢 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)明建立了以幅度測量代替直接相位測量的頻選材料插入相位延遲測試模型， 并通過信號相干性測試，提高測試穩(wěn)定性；插入相位延遲測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)測試法進(jìn)行優(yōu)化后的頻選材料插 入相位延遲測試原理如附圖1所示。圖中檢測端口 3處為功率計(jì)，用A、B表示傳輸?shù)膬陕?輸出信號幅度，測量的檢測功率表達(dá)式為：
[0028]
(1)
[0029] 可見，當(dāng)A、B兩路輸出信號幅度恒定的情況下，相對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