某高功率微波场强测试系统关键技术初探

某高功率微波场强测试系统关键技术初探

姚湘荣,周瑞南,李敏杰

江南机电设计研究所 贵阳市 550025

摘要：

为避免高功率微波脉冲辐射时对协同作战人员【1】及电子设备造成伤害，设计场强测试系统对场强进行测试，为己方电磁防护提出合理的指标设计依据，本文对场强测试系统的接收天线、检波电路、场强测试误差等关键技术进行分析和设计，确保作战时的协同效能正常发挥，具有积极意义。

关键词：高功率微波系统；场强；测试系统；仿真；测试误差

1 引言

现代战争中，高功率微波武器辐射高能量的脉冲电磁波攻击和毁伤目标，在防空反导领域具有广泛的应用前景。然而，高功率微波武器参与协同作战时，如何保护己方人员和设备安全，需要测试高功率微波武器周围的辐射场强，为人员及设备的防护提供依据。

2  场强测试系统方案

场强测试系统主要含高功率微波场强探测器、数据传输装置、天线架设装置、终端接收主机及数据软件。

场强测试系统原理：场强探测器同时接收空间辐射的电磁波，并将其检波为电压信号，再经A/D采集后进行编码传输；数据传输装置将接收的数据发送至终端接收主机；终端接收主机将数据完成脉冲电压波形还原显示和数据存储；天线架设装置将场强探测器以及无线数传天线举升到一定空间；蓄电池为场强探测器以及数据传输装置提供电源。场强测试系统原理框图如图2所示。

图2  高功率微波场强测试系统原理框图

2.1 测试系统接收天线【2】设计

采用开口波导天线+小孔耦合+波导-同轴转换的方式实现。

利用开口波导高功率容量特性，避免天线被击穿；通过小孔耦合将高功率微波衰减至合适量级，再通过波导-同轴转换将电磁波转换为同轴传输，便于接入后端微波器件。接收天线如图2所示。

图2 接收天线示意图

在HFSS中对天线进行真，通过优化波导开口直径以及位置、同轴探针深入波导尺寸及位置等参数，可得到满足要求的频率、带宽、回波损耗、耦合度等参数。

天线仿真结果如图3所示。

图3  接收天线耦合度、回波损耗仿真曲线

从图3的仿真曲线可知，接收天线端口工作频率、带宽、回波损耗以及耦合度等均达到较好的技术指标。

天线场强分布仿真结果如图4所示。

图4  接收天线场强分布仿真

图4中，仿真输入信号功率为0dBW，天线附近最大场强约5.64kV/m。标准大气压下，空气击穿场强约6.2MV/m，由此可估算该天线功率容量约1.208MW，对应场强大于1600kV/m。故天线功率容量满足要求。

2.2 测试系统检波电路设计

电压转换原理框图如图5。

图5  微波脉冲检波原理图

微波脉冲经检波，输出脉冲电压。根据预先估算的场强量级，如果检波器输入功率范围0dBm～25dBm时，则选择直通通道输出脉冲包络，如果输入功率-15dBm～0dBm时，则选择放大通道输出脉冲包络，以此提高检波器动态范围。

假设脉冲宽度约20ns，为保证检波器能响应，检波器响应时间需快。在设计中使用的检波器响应时间小于5ns，能够满足脉冲宽度为20ns信号的检波。

单只检波器输入功率0dBm～25dBm时，检波器输出电压范围为10mV～2V，动态范围为25dB。通过分析对比验证，在其输出端端接增益为10V/V的运算放大电路后，在输入功率为-15dBm时，检波电压输出约10mV。因此，采用图7所示设计，可将检波器的动态范围提升至40dB。

2.3  场强测试误差分析

场强测试误差来源于两个方面，其一为标校不确定度，包括天线增益标定不确定度以及检波器标定不确定度，其小于2dB。另一为电压采集过程的量化误差。

测试采用高速A/D转换器实现检波功率的数字化。其中A/D转换器分辨率为14bit，最小量化电压为0.12mV，检波斜率为20mV/dB。为了准确测试脉冲信号功率，事先进行功率标定。

利用标准信号源输出脉冲信号，按1dB步进改变输出信号功率，同时记录检波脉冲幅值，建立输入功率与脉冲幅值的关系。在相邻的1dB范围对应的幅值范围内，将功率与幅值对应关系进行线性化处理，形成最终的功率-幅值映射表。

测试时，检波后的脉冲包络输入到A/D变换器后，根据功率-幅值映射表，以及高功率前端通道损耗计量值，可完成接收功率测试。

A/D变换满量程电压为2V，分辨率为14Bit，最小量化电压为0.12mV，检波器检波电压为0.01V～2V，与A/D转换量程相匹配。此外，检波器对数斜率为20mV/dB，因此功率测试分辨率小于0.01dB。

综合以上分析，场强测试误差能达到不大于3dB。

3 结束语

   本文对高功率微波武器辐射场强测试系统的组成、工作原理和重要环节进行了分析、仿真和讨论，具有较强参考意义，为保护己方人员健康及电子设备的正常工作作出了有意义的探索性工作。

参考文献

【1】电磁辐射暴露限制和测量方法：GJB5313A-2017 【S】.2017.

【2】任朗.天线理论基础【M】.北京：人民邮电出版社.1980.55-60.