CN109188111A - 超高场强、超短脉冲、窄带微波辐射场测量系统及测量方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种超高场强、超短脉冲、窄带微波辐射场测量系统，由顺序相连的宽带双脊喇叭天线、微波宽带衰减器、高速微波检波器、高速数字示波器组成，其中宽带双脊喇叭天线与微波宽带衰减器是通过低损耗射频同轴电缆相连的。本发明还提供了一种超高场强、超短脉冲、窄带微波辐射场测量方法。本发明采用宽带双脊喇叭天线作为前端场接收探头，具有较宽的适用范围；采用低损耗射频同轴电缆和微波宽带衰减器对前端宽带双脊喇叭天线接收到的高功率微波脉冲信号进行传输和衰减，既安全，又提高测量的动态范围，具有准确性和灵活性。用高速微波检波器对微波脉冲信号检波后，就可以通过示波器测量信号的幅值、上升时间、脉冲宽度等参量了。

Description

超高场强、超短脉冲、窄带微波辐射场测量系统及测量方法

技术领域

本发明涉及一种电磁测量系统及方法，具体涉及一种超高场强、超短脉冲、窄带微波辐射场测量系统及测量方法，属于复杂电磁环境效应试验技术领域。

背景技术

随着高功率微波武器技术的发展，电子信息设备和系统面临高功率微波武器的威胁。高功率微波以其超高场强、超短脉冲的微波电磁辐射，在电子信息设备和系统的天线、电缆、孔缝等路径上耦合很强的高功率微波电磁脉冲，使电子信息设备和系统的敏感电子器件和模块性能下降、损坏，设备和系统无法工作。美军已开展了高功率微波弹头装载于精确定位导弹、滑翔炸弹和无人飞行器(UAV)的技术研究，其空军研究部门己在2012年将小型化高功率微波辐射源集成到无人机作战平台上，研制的电磁脉冲弹已装载于精确定位导弹、滑翔炸弹和无人机。2012年10月16日，英国《每日邮报》报道，美国波音公司与空军研究实验室联合测试了无人机投放的电磁脉冲弹，项目代号为“反电子设备高功率微波先进导弹项目”(CHAMP)，在试验中，该导弹在犹他州试验场低空飞行，向7个目标辐照高功率微波电磁脉冲，彻底瘫痪了所有试验计算机。美军正在实施针对大型舰船目标的超级CHAMP计划。俄罗斯研制的高功率微波武器在其本土防御及叙利亚战场上已经发挥了重要作用。其研制的克拉苏哈-2系统和克拉苏哈-4系统已经在2014年的乌克兰冲突和2015年的叙利亚战争中初露锋芒，有着不错的表现。2016年10月，俄罗斯在叙利亚部署克拉苏哈-4系统对抗北约在该地区部署的预警机和侦察机。

为了研究高功率微波源的辐射特性，以及高功率微波辐射对电子信息系统的危害效应、损伤门限、相应的防护效果等，在开展相关的试验中，均需要对高功率微波辐射场进行准确的测量。然而，现有的微波辐射场测量方法和测量仪器，均无法准确测量超高场强、超短脉冲、窄带高功率微波辐射场。

在电磁兼容兼容和常规电磁环境测量中，最常见的一种测量方法为接收天线和频谱分析仪法，即接收天线接收到的射频环境信号通过射频电缆馈入至频谱分析仪，频谱分析仪显示接收到的频谱电压值(dBuV)，将天线系数、电缆衰减等对频谱分析仪接收电压进行修正后，即可获得场强值(dBuV/m)，此种方法不仅可以测量场强幅值，还可以测量环境的频谱。采用频谱分析仪测量时，为了减少测量误差，往往要根据所要测量的信号特点来设定仪器的分辨率带宽、视频带宽和扫描速度(或时间)等参数。频谱分析仪的扫描时间与测量带宽、分辨率带宽(信号滤波器的带宽)等有关。由于不同带宽的电路的响应时间不同，通常带宽较宽的电路响应时间比带宽较窄的响应时间快。如果扫描时间过快，则电路来不及响应而产生显示误差；但对于脉冲信号来说，如果扫描时间过慢，则很难捕捉到脉冲信号，且信号过大时容易产生非线性失真，使测试结果不准确。由于频谱分析仪的电路响应时间在ms量级，此种方法适用于连续波或宽脉冲小场强环境的测量，不适合ns级超短脉冲信号的测量。

另一种常见的方法是场强计测量方法，国内使用的场强计基本为美国、德国等国外进口产品，价格昂贵，通常由主机和探头两部分组成，探头通常由加载偶极子和二极管组成，主机为数据处理和显示、控制单元。如美国HOLIDAY公司的型号HI6005，频率范围为100kHz～5GHz，响应时间1ms，测试范围0.5～800V/m；德国NARDAR公司的NBM550，配EF0391探头时，频率范围100kHz～3GHz，抗烧毁电平(CW)：800V/m，测试范围0.2～320V/m；配5091探头时，频率范围：300MHz～57GHz，抗烧毁电平1500V/m，测试范围8～614V/m。这些场强计主要用于标准规定的电磁干扰和电磁敏感性测试。从其响应时间、抗烧毁电平及测量范围看，均不能满足ns级超短脉冲、数十kV/m超高场强信号的测量。

发明内容

本发明的目的在于提供一种超高场强、超短脉冲、窄带微波辐射场测量方法，用以解决场强幅值达到数十kV/m，脉冲宽度仅数十ns、载波频率达到数GHz以上的窄带高功率微波辐射场的准确测量问题。

本发明是这样实现的：

超高场强、超短脉冲、窄带微波辐射场测量系统，由顺序相连的宽带双脊喇叭天线、微波宽带衰减器、高速微波检波器、高速数字示波器组成，其中宽带双脊喇叭天线与微波宽带衰减器是通过低损耗射频同轴电缆相连的。

更进一步的方案是：

宽带双脊喇叭天线用于接收高场强的脉冲辐射场，具有较宽的频带，适用于不同频率的窄谱高功率微波辐射场测量。由于宽带双脊喇叭天线具有较好的极化特性，较宽的波束，可以通过调整天线的极化方向来测量高功率微波辐射场的不同极化分量(通常测量水平极化和垂直极化两个分量)，而且对来波方向的对准精度要求较低。宽带双脊喇叭天线在测量之前，应进行校准，获得其天线系数Af，具体方法就是在建立的已知场强E₀下，测量天线端口接收到的信号电压(U₀)，AF＝E₀/U₀，取对数，因此，天线系数的单位为dB/m，天线在不同频率时的系数不一样，需要针对所有待测试的频率进行校准。

更进一步的方案是：

低损耗射频同轴电缆用于传输宽带双脊喇叭天线接收到的微波脉冲信号，低损耗射频同轴电缆通常采用双屏蔽的同轴电缆或半刚性同轴电缆，减小电缆在高场强电磁脉冲场下直接耦合影响。低损耗射频同轴电缆的长度在20m～50m，确保测试人员和测量示波器可以距主波束足够远，低损耗射频同轴电缆每米的射频损耗不大于1dB；

更进一步的方案是：

微波宽带衰减器应选择合适的衰减量，可根据需要选择10dB、20dB、30dB等，频率范围覆盖被测高功率微波辐射场的主频。通过综合配置低损耗射频同轴电缆和微波宽带衰减器的衰减量后，使宽带双脊喇叭天线接收到的微波脉冲信号传输至高速微波检波器的输入端时，信号的幅值范围在高速微波检波器的线性工作区。

更进一步的方案是：

高速微波检波器对测试的微波脉冲信号进行包络检波，响应时间小于0.5ns(通常要求小于信号脉冲宽度的1/3)，最大可承受功率不小于+30dBm，电压灵敏度优于0.4mV/μW，驻波比小于2，频率范围覆盖待测高功率微波辐射场的主频。测试前，应对高速微波检波器进行校准，即针对所测高功率微波频率，校准测量高速微波检波器在不同射频输入功率P下的输出电压U。由于高速微波检波器属于非线性半导体器件，校准时，输入功率应在线性工作区由小至大，逐渐增大，测量时也应确保输入信号处于其线性工作区内。

本发明还提供了一种超高场强、超短脉冲、窄带微波辐射场测量方法，主要使用了本发明提供的超高场强、超短脉冲、窄带微波辐射场测量系统，具体包括：宽带双脊喇叭天线用于接收高场强的脉冲辐射场，将高场强信号转化为高频电压信号，通过具有适当衰减量的低损耗射频同轴电缆和微波宽带衰减器后，接入高速微波检波器，检波输出的窄脉冲信号包络馈入高速数字示波器，由高速数字示波器测量检波后包络信号的电压幅值Up和脉冲宽度τ等参数。将接收喇叭天线系数Af(dB/m)、低损耗射频同轴电缆衰减系统Lf(dB)、微波宽带衰减器的衰减量At(dB)、检波器检波系数P(U)等参数综合考虑后，则可以获得高功率微波辐射场的峰值场强Ep。通过读取示波器上一组脉冲的间隔时间T，可以获得脉冲的重复频率。

更进一步的方案是：

高速数字示波器用于测量高速微波检波器的检波输出信号，可以根据测量的波形，读取峰值电压Up和脉冲宽度τ。根据测量的峰值电压Up和高速微波检波器的校准参数，使可获得高速微波检波器的射频输入峰值功率Pp(Up)(dBm)，考虑低损耗射频同轴电缆和微波宽带衰减器的衰减量，便可获得宽带双脊喇叭天线的接收功率Pa，转换成射频电压Ua(dBV)后，加上天线系数Af(dB/m),即可获得被测高功率微波辐射场的峰值场强。按系统阻抗50Ω考虑，峰值场强计算公式如下式所示：

Ep(dBV/m)＝Ua(dBV)+Af(dB/m)

＝Pp(Up)(dBm)+At(dB)+Lf(dB)+Af(dB/m)-13

本发明具有如下有益的技术效果：

1)采用宽带双脊喇叭天线作为前端场接收探头，可以适应不同波段的高功率微波辐射场的测试要求，具有较宽的适用范围；同时，由于宽带双脊喇叭天线具有较宽的波束(平均波束宽度50°左右)，可以降低对准误差；此外，宽带双脊喇叭天线还具有较好的极化特性，可以通过调整天线的姿态来测量高功率微波辐射场的正交极化分量，从而获得复合场强。

2)采用低损耗射频同轴电缆和微波宽带衰减器对前端宽带双脊喇叭天线接收到的高功率微波脉冲信号进行传输和衰减，一方面可以使测试人员和测试仪器远离高场强被测区域，避免高场强对人员和仪器的危害，减小测量误差；另一方面，将高速微波检波器置于射频同轴电缆和微波宽带衰减器之后，可以利用低损耗射频同轴电缆自身对射频微波信号的衰减，以及可变的微波宽带衰减器的衰减量(根据信号强度适当调整衰减量)，可以将宽带双脊喇叭天线接收的高功率微波信号衰减至高速微波检波器的线性工作范围，提高测量的动态范围和准确性，也提高了测试系统的灵活性。

3)采用高速微波检波器对测试的微波脉冲信号进行包络检波后由示波器读取，可以极大地拓展高功率微波辐射场的频率范围。通常示波器测量射频信号时，受限于示波器的带宽和采样率，只能测量较低频率的信号(采样率的十分之一左右)，因此，用现有示波器直接测量几GHz以至十几GHz的高功率微波信号，是无法实现的。用高速微波检波器对微波脉冲信号检波后，就可以通过示波器测量信号的幅值、上升时间、脉冲宽度等参量了。

附图说明

图1为超高场强、超短脉冲、窄带微波辐射场测量系统结构示意图；

图2为本发明一个实施例中高速数字示波器显示的波形。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步的详细说明。

如附图1所示，本发明提供的超高场强、超短脉冲、窄带微波辐射场测量系统，由顺序相连的宽带双脊喇叭天线1、微波宽带衰减器3、高速微波检波器4、高速数字示波器5组成，其中宽带双脊喇叭天线1与微波宽带衰减器3是通过低损耗射频同轴电缆2相连的。

宽带双脊喇叭天线的同轴输出端口接低损耗射频同轴电缆一端，低损耗射频同轴电缆另一端接微波宽带衰减器的输入端，微波宽带衰减器的输出端接高速微波检波器的射频输入端，高速微波检波器的检波输出端，通过一截小于0.5m长的短同轴电缆接至高速数字示波器的采样通道，高速数字示波器设置为信号触发方式，触发电平、横轴单位格时间、纵轴单位格电压等根据信号特征进行合适设置，使其能显示完整的信号波形，如图2所示。

测试前，通常需要对被测辐射场有一个大致的估算，以选择合适的低损耗射频同轴电缆长度及微波宽带衰减器的衰减量。开始时，尽量选用长的低损耗射频同轴电缆和衰减量大的微波宽带衰减器，确保高速微波检波器不被烧毁；根据测量显示的信号情况，减小微波宽带衰减器的衰减量，或缩短低损耗射频同轴电缆长度，减小电缆损耗；低损耗射频同轴电缆可以由二至三根电缆串接，但要注意不同长度的低损耗射频同轴电缆其衰减量不一样。

低损耗射频同轴电缆应选用屏蔽效能好的半刚性同轴电缆，暴露在高场强区域的电缆应尽量短。

测量过程中，需要将宽带双脊喇叭天线架设在一定的高度，通常采用非金属测试支架，且安装固定时，宽带双脊喇叭天线的极化方向可调。

为了保证测试人员的安全，测试人员及相关人员应远离高场强区域，或处于屏蔽室内部。

为了保证高速数字示波器免受高功率微波场干扰或损坏，需要将高速数字示波器置于屏蔽室或专用的屏蔽箱内部。

以图2所示利用本发明测量的某超高场强、超短脉冲、窄带微波辐射场示波器显示的波形为例，窄带微波辐射场载波频率为10GHz，脉冲宽度为39ns。经过对测试系统校准及数据处理后，利用公式(1)计算空间脉冲场的场强，其中，高速微波检波器检波输出电压Up＝208.17mV，对应的检波器输入功率Pp(Up)＝16.5dBm，低损耗射频同轴电缆在测试频率的损耗Lf＝35dB，微波宽带衰减器的衰减量为At＝20dB，宽带双脊喇叭天线在测试频率的天线系数Af＝37dB/m，通过计算，所测高功率微波脉冲辐射场的峰值场强为59566V/m，脉冲宽度为38.9ns。

尽管这里参照本发明的解释性实施例对本发明进行了描述，上述实施例仅为本发明较佳的实施方式，本发明的实施方式并不受上述实施例的限制，应该理解，本领域技术人员可以设计出很多其他的修改和实施方式，这些修改和实施方式将落在本申请公开的原则范围和精神之内。

Claims (9)

1.超高场强、超短脉冲、窄带微波辐射场测量系统，其特征在于由顺序相连的宽带双脊喇叭天线、微波宽带衰减器、高速微波检波器、高速数字示波器组成，其中宽带双脊喇叭天线与微波宽带衰减器是通过低损耗射频同轴电缆相连的。

2.根据权利要求1所述超高场强、超短脉冲、窄带微波辐射场测量系统，其特征在于：

所述宽带双脊喇叭天线用于接收高场强的脉冲辐射场，宽带双脊喇叭天线在测量之前，先进行校准，具体为：在建立的已知场强E0下，测量天线端口接收到的信号电压U₀，AF＝E₀/U₀，取对数，获得天线系数Af，天线系数的单位为dB/m，天线在不同频率时的系数不一样，需要针对所有待测试的频率进行校准。

3.根据权利要求1所述超高场强、超短脉冲、窄带微波辐射场测量系统，其特征在于：

所述低损耗射频同轴电缆用于传输宽带双脊喇叭天线接收到的微波脉冲信号，低损耗射频同轴电缆的长度在20m～50m，低损耗射频同轴电缆每米的射频损耗不大于1dB。

4.根据权利要求3所述超高场强、超短脉冲、窄带微波辐射场测量系统，其特征在于：

微波宽带衰减器频率范围覆盖被测高功率微波辐射场的主频，通过综合配置低损耗射频同轴电缆和微波宽带衰减器的衰减量后，使宽带双脊喇叭天线接收到的微波脉冲信号传输至高速微波检波器的输入端时，信号的幅值范围在高速微波检波器的线性工作区。

5.根据权利要求1所述超高场强、超短脉冲、窄带微波辐射场测量系统，其特征在于：

高速微波检波器对测试的微波脉冲信号进行包络检波，响应时间小于信号脉冲宽度的1/3，最大可承受功率不小于+30dBm，电压灵敏度优于0.4mV/μW，驻波比小于2，频率范围覆盖待测高功率微波辐射场的主频。

6.根据权利要求5所述超高场强、超短脉冲、窄带微波辐射场测量系统，其特征在于：

所述高速微波检波器在测试前，应对高速微波检波器进行校准，即针对所测高功率微波频率，校准测量高速微波检波器在不同射频输入功率P下的输出电压U；由于高速微波检波器属于非线性半导体器件，校准时，输入功率在线性工作区由小至大，逐渐增大，测量时也要确保输入信号处于其线性工作区内。

7.根据权利要求5或6所述超高场强、超短脉冲、窄带微波辐射场测量系统，其特征在于：

所述高速微波检波器响应时间小于0.5ns。

8.一种超高场强、超短脉冲、窄带微波辐射场测量方法，其特征在于采用了权利要求1至6任一权利要求所述的超高场强、超短脉冲、窄带微波辐射场测量系统，具体包括：宽带双脊喇叭天线用于接收高场强的脉冲辐射场，将高场强信号转化为高频电压信号，通过具有适当衰减量的低损耗射频同轴电缆和微波宽带衰减器后，接入高速微波检波器，检波输出的窄脉冲信号包络馈入高速数字示波器，由高速数字示波器测量检波后包络信号的电压幅值Up和脉冲宽度τ参数；将接收喇叭天线系数Af单位dB/m、低损耗射频同轴电缆衰减系统Lf单位dB、微波宽带衰减器的衰减量At单位dB、检波器检波系数P单位U的参数综合考虑后，则可以获得高功率微波辐射场的峰值场强Ep；通过读取示波器上一组脉冲的间隔时间T，可以获得脉冲的重复频率。

9.根据权利要求8所述超高场强、超短脉冲、窄带微波辐射场测量方法，其特征在于：

高速数字示波器用于测量高速微波检波器的检波输出信号，可以根据测量的波形，读取峰值电压Up和脉冲宽度τ；根据测量的峰值电压Up和高速微波检波器的校准参数，使可获得高速微波检波器的射频输入峰值功率Pp(Up)单位dBm，考虑低损耗射频同轴电缆和微波宽带衰减器的衰减量，便可获得宽带双脊喇叭天线的接收功率Pa，转换成射频电压Ua单位dBV后，加上天线系数Af单位dB/m,即可获得被测高功率微波辐射场的峰值场强；按系统阻抗50Ω考虑，峰值场强计算公式如下式所示：