CN109298249A - 一种微波拍波辐射场测量装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种微波拍波辐射场测量装置及方法，包括接收天线、传输衰减器、功分器、示波器和数据终端；接收天线接收微波辐射场的微波拍波信号；传输衰减器对微波拍波信号进行功率水平降低；功分器将输入的微波拍波信号分为多路信号，每路信号利用不同的滤波器，保留本通路要处理的频率信号，滤除其他频率信号后，直接或者经过检波器后进入示波器进行采集观测；示波器对滤波信号进行采集观测；数据终端与示波器连接，将示波器电压测值还原成分立频率的空间场强再进行合成计算处理，利用数据处理程序对示波器采集的信号进行分析处理。该测量装置具有多频适应性强、不产生新的拍频信号、测量精度高的优点。

Description

一种微波拍波辐射场测量装置及方法

技术领域

本发明涉及微波测量技术领域，具体涉及一种微波拍波辐射场测量装置及方法，适用于微波拍波信号辐射场的高精度测量。

背景技术

微波是指频率在300MHz到300GHz、对应的电波长在1m和1mm之间的电磁波。随着科技进步，越来越多的电子产品被广泛应用，给生活带来便利的同时，也使得电磁环境日益复杂，进行准确的辐射场测量对电磁环境评估、发射信号检测以及开展电磁防护等方面具有重要的意义。

当发射信号频谱不纯或者电磁环境较为复杂时，空间中可能同时存在着多个频率的信号。如果空间有两个或两个以上的电磁波同时传播，在空间某一点，任意时刻的电磁波振幅将是各个电磁波振幅的矢量和，但每一个电磁波都独立地保持自己原有的特性(频率、波长、极化方向)。如果两个电磁波频率f₁、f₂都较高，但两者频率差Δf却很小，即频率差值远小于频率和值，则在空间合成时，合振幅将加强或减弱各Δf次，这种现象称为拍。合振幅在单位时间内加强或减弱的次数称为拍频，空间合成后的电磁波称为拍波。

目前的微波辐射场测量的基本思路是将天线接收的微波信号，经过衰减传输环节后进行检波，根据示波器记录的波形幅值和检波器灵敏度曲线确定检波器输入功率，再结合测量系统衰减环节的衰减量回推计算得到测量系统接收的微波功率。天线、衰减环节等器件是按照频率设计性能指标的，当频率不同时，天线增益、衰减传输环节衰减量都存在差异，因此当包含两个频率f₁、f₂的拍波信号由天线接收并进行衰减传输时，存在着无法选择天线、衰减传输环节对应频率点技术指标的难题。

如图1所示，常规微波辐射场测量装置组成框图，该装置主要由接收天线、传输衰减、检波器、示波器等组成。常规检波器主体为微波二极管，是一种非线性器件，当输入频率为f₁的单频点信号或窄带信号时，检波器可以利用自身的滤波性能滤除高次谐波信号，检出输入信号的包络电压。通过事先标定的检波器在单频点f₁下不同输入功率与输出电压幅值的灵敏度曲线，就可以通过检波包络电压准确推算出输入信号的功率水平。拍波信号属于辐射场的合成信号，在接收天线口面处的合成信号只有两个频率f₁、f₂分量。当合成拍波信号通过天线接收和衰减传输后，利用检波器检波时，则会存在以下问题：检波器灵敏度是在单频点f₁或f₂的不同功率下标定获得的，而拍波信号是两个频率f₁、f₂信号同时进入检波器，因此常规微波辐射场测量方法中无论采用两个频率f₁、f₂中任何一个频率下检波器灵敏度标定数据来判断输入信号功率都会存在较大偏差(可达几个dB)，无法满足辐射场精确测量的需求；单一检波器用于微波拍波辐射场测量时，由于难以准确获取待测信号输入功率组合比例，将导致无法准确选择相应的检波器灵敏度数据，而且即使已知了待测信号功率组合比例，也还需要对两个频率f₁、f₂拍波信号不同功率水平各种组合情况下的检波输出进行考察，极大增加了标定难度；单一检波器对拍波信号检波会产生第三个频率信号f₃＝Δf＝|f₁-f₂|，该拍频信号叠加在检波电压包络上，使得检波电压包络振荡起伏，难以准确判读。

发明内容

本发明主要解决微波拍波辐射场测量时，常规测量方法及系统(天线、传输衰减环节、检波器等)准确度不高的问题，提出了一种微波拍波辐射场测量装置及方法，该测量装置具有多频适应性强、不产生新的拍频信号、测量精度高的优点。

为达到上述目的，本发明采用如下技术方案：

一种微波拍波辐射场测量装置，包括接收天线、传输衰减器、功分器、示波器和数据终端；

所述的接收天线，用于接收微波辐射场的微波拍波信号；

所述的传输衰减器，用于与接收天线连接，对微波拍波信号进行功率水平降低；

所述的功分器，用于与传输衰减器连接，将输入的微波拍波信号等分为多路信号，每路信号利用不同的滤波器，保留本通路要处理的频率信号，滤除其他频率信号后，直接或者经过检波器后进入示波器进行采集观测；

所述的示波器，用于与多路信号的滤波器连接，用于对滤波信号进行采集观测；

所述的数据终端，用于与示波器连接，将示波器电压测值还原成分立频率的空间场强再进行合成计算处理，利用数据处理程序对示波器采集的信号进行分析处理。

作为本发明的进一步改进，每路信号线路上还包括检波器，

所述的检波器，与对应的滤波器连接，将有载波信号检出电压包络再馈入示波器进行观测。

作为本发明的进一步改进，所述的数据终端包括数据接收模块、滤波检波模块、延时移相模块、运算分析模块、数据输出模块和系统标定数据库模块；数据接收模块、滤波检波模块、延时移相模块、运算分析模块及数据输出模块依次连接，数据接收模块、系统标定数据库模块和数据输出模块依次连接，

接收模块，用于将示波器采集的数字信号进行调理；

滤波检波模块，用于对频带外的干扰信号进行抑制，对未检波的有载波信号取出包络，

延时移相模块，用于对信号时间位置进行调整，

运算分析模块，用于完成多路信号的比较、叠加、频谱分析以及拍波辐射场计算。

系统标定数据库模块，用于对事先标定的系统数据进行存储；

数据输出模块，利用设计的程序将示波器多路信号进行调理观测，结合事先标定的系统数据将示波器电压测值依次还原成天线口面处的功率密度、口面场强和拍波合成场强。

一种微波拍波辐射场测量装置的测量方法，包括以下步骤：

1)微波拍波辐射场信号由天线接收以后，传输衰减器将信号功率水平降低到后端系统可以承受的功率范围内；

2)功分器将微波拍波信号等分为n路信号，n为拍波信号频点数目；

3)滤波器i将拍波信号中频率f_i信号保留，滤除其他频点信号；

4)对滤波信号的进行采集观测；

5)数据终端对示波器采集信号进行分析处理。

作为本发明的进一步改进，步骤4)中，当示波器模拟带宽和采样率不满足直接观测时，加入检波器将滤波器输出的有载波信号检出电压包络再馈入示波器进行观测；当采用宽带高速示波器时，在示波器上直接观测滤波后的有载波信号。

作为本发明的进一步改进，步骤5)具体为：

将多路的示波器观测信号进行调理观测，并结合事先标定的系统数据将示波器电压测值依次还原成天线口面处的功率密度、口面场强和拍波合成场强，即将微波拍波信号还原成分立频率的空间场强再进行合成计算处理。

作为本发明的进一步改进，天线口面处的功率密度、口面场强和拍波合成场强，对应参数的计算公式如下：

P_i＝f_i(V_i) (1)

式中：

V_i——第i路测量电压值，i＝1,2,…,n；

f_i()——第i路输入功率与输出电压关系函数；

P_i——第i路输入功率；

Ae_i——第i路对应频率f_i信号的天线有效面积；

S_i——第i路对应频率f_i信号的天线口面处功率密度；

R₀——电磁波信号传输空间波阻抗；

——第i路对应频率f_i信号的天线口面电场强度；

——微波拍波辐射场场强

n——拍波信号频点数目，即等分通道数。

作为本发明的进一步改进，微波拍波辐射场测量装置在用于辐射场测量之前，需要对各通道的输入功率和输出电压灵敏度关系的参数进行标定测试，标定数据导入数据处理程度的系统标定数据库内；测量装置各环节驻波系数＜1.2。

相对于现有技术，本发明具有以下优点：

本发明装置在衰减环节后设置功分器，该功分器将输入的拍波信号等分为多路信号，每路信号利用不同的滤波器，保留本通路要处理的频率信号，滤除其他频率信号后，直接或者经过检波器后进入示波器进行采集观测，并利用数据处理程序对示波器采集的信号进行分析处理。避免了单频系统通路无法处理不同频率信号的问题，并且解决了检波器非线性特性在处理拍波信号产生拍频效应导致测量精度不高的难题，适用于对拍波信号幅度、波形等参数精确测量。具体优点如下：

(1)多频适应性强。目前常用的微波辐射场测量系统都是针对单频点进行标定使用，无法满足多频点合成拍波信号的测量要求。而微波拍波辐射场测量方法及装置将微波拍波辐射场信号还原成分立频率的空间场强再进行合成计算处理，既可满足双频或多频合成拍波信号的测量，而且原理上更贴近微波拍波信号电场叠加的物理本质。

(2)不产生新的拍频信号。拍波信号属于辐射场的合成信号，在接收天线口面处的合成信号只有两个频率f₁、f₂分量，常用的微波辐射场测量方法和装置采用单一检波器对合成拍波信号进行检波，由于检波器自身非线性特性，会产生新的拍频信号，并使得检波信号幅值振荡起伏。微波拍波辐射场测量方法及装置每一路仅处理单频点信号，不产生新的拍频，有效避免了干扰，拍波波形噪声较小，易于判读和处理。

(3)测量精度高。常用的微波辐射场测量采用合成拍波信号中任意一个频率来选择系统输入功率与输出电压标定数据的做法，会造成测量结果较大偏差(可达几个dB)，而微波拍波辐射场测量方法及装置可以将测量偏差降低到0.3dB以内。

本发明的测量方法利用多路等分、选频滤波和数据处理等方式将微波拍波辐射场信号还原成分立频率的空间场强再进行合成计算处理，这样就避免了单频系统通路无法处理不同频率信号的问题，并且解决了检波器非线性特性在处理拍波信号产生拍频效应导致测量精度不高的难题，适用于对拍波信号幅度、波形等参数精确测量。

附图说明

图1为常规微波辐射场测量装置组成框图；

图2为微波拍波辐射场测量装置(两路)组成框图；

图3数据处理程序的内部功能框图；

图4为微波拍波辐射场典型波形及频谱，(a)为波形，(b)为频谱；

图5为常规微波测量系统拍波信号检波波形及频谱，(a)为波形，(b)为频谱；

图6为微波拍波辐射场测量系统获得的拍波波形；

图7为常规微波测量系统、微波拍波辐射场测量系统测值偏差比较。

具体实施方式

如图2所示，本发明的微波拍波辐射场测量装置(两路)组成框图，主要由接收天线、传输衰减、示波器、数据终端等组成。当示波器模拟带宽、采样率、存储深度等特性不满足直接观测时，可以加入检波器将有载波信号检出电压包络再馈入示波器进行观测。测量装置可以拓展到用于多频点的多路系统。在衰减环节后设置功分器，该功分器将输入的拍波信号等分为多路信号，每路信号利用不同的滤波器，保留本通路要处理的频率信号，滤除其他频率信号后，直接或者经过检波器后进入示波器进行采集观测，并利用数据处理程序对示波器采集的信号进行分析处理。具体地，各个单元的作用如下：

所述的接收天线，用于接收微波辐射场的微波拍波信号；

所述的传输衰减器，用于与接收天线连接，对微波拍波信号进行功率水平降低；

所述的功分器，用于与传输衰减器连接，将输入的微波拍波信号分为多路信号，每路信号利用不同的滤波器，保留本通路要处理的频率信号，滤除其他频率信号后，直接或者经过检波器后进入示波器进行采集观测；

所述的示波器，用于与多路信号的滤波器连接，用于对滤波信号进行采集观测；

所述的数据终端，用于与示波器连接，将示波器电压测值还原成分立频率的空间场强再进行合成计算处理，利用数据处理程序对示波器采集的信号进行分析处理。

每路信号线路上还包括检波器，所述的检波器，与对应的滤波器连接，将有载波信号检出电压包络再馈入示波器进行观测。

数据终端包括数据接收模块、滤波检波模块、延时移相模块、运算分析模块、数据输出模块和系统标定数据库模块；数据接收模块、滤波检波模块、延时移相模块、运算分析模块及数据输出模块依次连接，数据接收模块、系统标定数据库模块和数据输出模块依次连接，

接收模块，用于将示波器采集的数字信号进行调理；

滤波检波模块，用于对频带外的干扰信号进行抑制，对未检波的有载波信号取出包络，

延时移相模块，用于对信号时间位置进行调整，

运算分析模块，用于完成多路信号的比较、叠加、频谱分析以及拍波辐射场计算。

系统标定数据库模块，用于对事先标定的系统数据进行存储；

数据输出模块，利用设计的程序将示波器多路信号进行调理观测，结合事先标定的系统数据将示波器电压测值依次还原成天线口面处的功率密度、口面场强和拍波合成场强。

本发明的基本原理：微波拍波辐射本质上是不同频率电磁波信号在自由空间里场的叠加。本发明基本原理是将微波拍波信号还原成分立频率的空间场强再进行合成计算处理，这样就避免了单频系统通路无法处理不同频率信号的问题，并且解决了检波器非线性特性在处理拍波信号产生拍频效应导致测量精度不高的难题。

天线接收到由n个频率分别为f₁,f₂,…,f_n的叠加合成的拍波信号后，经过功分器等分成n路信号，采用多路选频滤波方式将等分后的拍波信号分检为不同频率的信号(保留f_i频率信号，滤除其他频率信号)，如图2所示。当示波器模拟带宽和采样率不满足直接观测时，可以加入检波器将有载波信号检出电压包络再馈入示波器进行观测。当采用宽带高速示波器时(模拟带宽高于最高频率分量3倍及以上)可以在示波器上直接观测滤波后的有载波信号(f_i频率信号)。

图3为数据终端上的数据处理程序的内部功能示意图，主要由数据接收模块、滤波检波模块、延时移相模块、运算分析模块、数据输出模块、系统标定数据等组成。

利用设计的程序将示波器多路信号进行调理观测(延时、叠加、滤波检波、频谱分析等)，如图3所示。结合事先标定的系统数据(输入功率与输出电压关系函数)将示波器电压测值依次还原成天线口面处的功率密度、口面场强和拍波合成场强，如公式(1)～(4)所示。功能丰富的示波器也可以利用自身功能实现不同通道的延时、信号叠加、频谱分析等简单操作。

P_i＝f_i(V_i) (1)

式中：

V_i——第i路测量电压值，i＝1,2,…,n；

f_i()——第i路输入功率与输出电压关系函数；

P_i——第i路输入功率；

Ae_i——第i路对应频率f_i信号的天线有效面积；

S_i——第i路对应频率f_i信号的天线口面处功率密度；

R₀——电磁波信号传输空间波阻抗；

——第i路对应频率f_i信号的天线口面电场强度；

——微波拍波辐射场场强

n——拍波信号频点数目，即等分通道数。

数据处理程序将多路的示波器观测信号进行调理观测(延时、叠加、滤波检波、频谱分析)，并结合事先标定的系统数据(输入功率与输出电压关系函数)将示波器电压测值依次还原成天线口面处的功率密度、口面场强和拍波合成场强，如公式(1)～(4)所示。

本发明的基本工作步骤包括：

(1)微波拍波辐射场信号由天线接收以后，传输衰减环节将信号功率水平降低到后端系统可以承受的功率范围内。

(2)功分器将微波拍波信号等分为n路信号，n为拍波信号频点数目。

(3)滤波器i将拍波信号中频率f_i信号保留，滤除其他频点信号。

(4)当示波器模拟带宽和采样率不满足直接观测时，可以加入检波器i将滤波器i输出的有载波信号检出电压包络再馈入示波器进行观测。当采用宽带高速示波器时(模拟带宽高于最高频率分量3倍及以上)可以在示波器上直接观测滤波后的有载波信号。

(5)数据终端对示波器采集信号进行分析处理。数据处理程序包含了系统各通路不同频点的标定数据库和多个功能模块，其中的接收模块将示波器采集的数字信号进行调理，滤波模块对频带外的干扰信号进行抑制，检波模块对未检波的有载波信号取出包络，延时移相模块对信号时间位置进行调整，运算分析模块完成多路信号的比较、叠加、频谱分析以及拍波辐射场计算等功能。

具体地，微波拍波辐射场测量装置在用于辐射场测量之前，需要对各通道的输入功率和输出电压灵敏度关系等参数进行标定测试，标定数据导入数据处理程度的系统标定数据库内。测量装置各环节驻波系数应当＜1.2，以减小反射失配影响。

当多路微波拍波信号极化夹角为0°时，即电场方向同向传输时，拍波合成场强峰值等于各拍波分量信号电场幅度最大值之和。当多路微波拍波信号在空间传输时存在极化夹角时，利用微波拍波辐射场高精度测量方法和装置进行场强合成时需要考虑极化夹角影响，即应当进行场的矢量合成。

图4为微波拍波辐射场典型波形及频谱。拍波信号由载频9.3GHz，脉宽100ns和载频9.7GHz，脉宽50ns的两个信号合成，由图可看出拍波信号波形为两个频点信号的叠加，主要频率仍然为9.3GHz和9.7GHz。

图5为常规微波测量系统拍波信号检波波形及频谱。由于检波器非线性特性，检波器输出信号中包含了400MHz、9.3GHz、9.7GHz、19GHz等多个频率分量，主要频率分量为400MHz的拍频信号，检波波形含有宽幅振荡。

图6为微波拍波辐射场测量系统获得的拍波波形。

图7为常规微波测量系统、微波拍波辐射场测量系统测值偏差比较。

与现有的技术相比，本发明装置利用多路等分、选频滤波和数据处理等方式将微波拍波辐射场信号还原成分立频率的空间场强再进行合成计算处理，这样就避免了单频系统通路无法处理不同频率信号的问题，并且解决了检波器非线性特性在处理拍波信号产生拍频效应导致测量精度不高的难题，适用于对拍波信号幅度、波形等参数精确测量。

(1)多频适应性强。目前常用的微波辐射场测量系统都是针对单频点进行标定使用，无法满足多频点合成拍波信号的测量要求。而微波拍波辐射场测量方法及装置将微波拍波辐射场信号还原成分立频率的空间场强再进行合成计算处理，既可满足双频或多频合成拍波信号的测量，而且原理上更贴近微波拍波信号电场叠加的物理本质。

(2)不产生新的拍频信号。拍波信号属于辐射场的合成信号，在接收天线口面处的合成信号只有两个频率f₁、f₂分量，如图4所示。常用的微波辐射场测量方法和装置采用单一检波器对合成拍波信号进行检波，由于检波器自身非线性特性，会产生新的拍频信号，并使得检波信号幅值振荡起伏，如图5所示。微波拍波辐射场测量方法及装置每一路仅处理单频点信号，不产生新的拍频，有效避免了干扰，拍波波形噪声较小，易于判读和处理，如图6所示。

(3)测量精度高。常用的微波辐射场测量采用合成拍波信号中任意一个频率来选择系统输入功率与输出电压标定数据的做法，会造成测量结果较大偏差(可达几个dB)，而微波拍波辐射场测量方法及装置可以将测量偏差降低到0.3dB以内。

最后应说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，天线形式不限于固定极化或单一形式的天线，天线数量也可以为分立的多个。除了采用一个示波器多个通道采集多路信号外，也可以采用多个示波器进行同时采集。尽管参照实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，都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当中。

Claims (8)

1.一种微波拍波辐射场测量装置，其特征在于，包括接收天线、传输衰减器、功分器、示波器和数据终端；

所述的接收天线，用于接收微波辐射场的微波拍波信号；

所述的传输衰减器，用于与接收天线连接，对微波拍波信号进行功率水平降低；

所述的功分器，用于与传输衰减器连接，将输入的微波拍波信号等分为多路信号，每路信号利用不同的滤波器，保留本通路要处理的频率信号，滤除其他频率信号后，直接或者经过检波器后进入示波器进行采集观测；

所述的示波器，用于与多路信号的滤波器连接，用于对滤波信号进行采集观测；

所述的数据终端，用于与示波器连接，将示波器电压测值还原成分立频率的空间场强再进行合成计算处理，利用数据处理程序对示波器采集的信号进行分析处理。

2.根据权利要求1所述的微波拍波辐射场测量装置，其特征在于，每路信号线路上还包括检波器，

所述的检波器，与对应的滤波器连接，将有载波信号检出电压包络再馈入示波器进行观测。

3.根据权利要求1所述的微波拍波辐射场测量装置，其特征在于，所述的数据终端包括数据接收模块、滤波检波模块、延时移相模块、运算分析模块、数据输出模块和系统标定数据库模块；数据接收模块、滤波检波模块、延时移相模块、运算分析模块及数据输出模块依次连接，数据接收模块、系统标定数据库模块和数据输出模块依次连接，

数据接收模块，用于将示波器采集的数字信号进行调理；

滤波检波模块，用于对频带外的干扰信号进行抑制，对未检波的有载波信号取出包络，

延时移相模块，用于对信号时间位置进行调整，

运算分析模块，用于完成多路信号的比较、叠加、频谱分析以及拍波辐射场计算；

系统标定数据库模块，用于对事先标定的系统数据进行存储；

数据输出模块，利用设计的程序将示波器多路信号进行调理观测，结合事先标定的系统数据将示波器电压测值依次还原成天线口面处的功率密度、口面场强和拍波合成场强。

4.权利要求1所述的一种微波拍波辐射场测量装置的测量方法，其特征在于，包括以下步骤：

1)微波拍波信号由天线接收以后，传输衰减器将信号功率水平降低到后端系统可以承受的功率范围内；

2)功分器将微波拍波信号等分为n路信号，n为拍波信号频点数目；

3)滤波器i将拍波信号中频率f_i信号保留，滤除其他频点信号；

4)对滤波信号进行采集观测；

5)数据终端对示波器的采集信号进行分析处理。

5.根据权利要求4所述的微波拍波辐射场测量装置的测量方法，其特征在于，步骤4)中，当示波器模拟带宽和采样率不满足直接观测时，加入检波器将滤波器输出的有载波信号检出电压包络再馈入示波器进行观测；当采用宽带高速示波器时，在示波器上直接观测滤波后的有载波信号。

6.根据权利要求4所述的微波拍波辐射场测量装置的测量方法，其特征在于，步骤5)具体为：

将多路的示波器观测信号进行调理观测，并结合事先标定的系统数据将示波器电压测值依次还原成天线口面处的功率密度、口面场强和拍波合成场强，即将微波拍波信号还原成分立频率的空间场强再进行合成计算处理。

7.根据权利要求6所述的微波拍波辐射场测量装置的测量方法，其特征在于，天线口面处的功率密度、口面场强和拍波合成场强，对应参数的计算公式如下：

P_i＝f_i(V_i) (1)

式中：

V_i——第i路测量电压值，i＝1,2,…,n；

f_i()——第i路输入功率与输出电压关系函数；

P_i——第i路输入功率；

Ae_i——第i路对应频率f_i信号的天线有效面积；

S_i——第i路对应频率f_i信号的天线口面处功率密度；

R₀——电磁波信号传输空间波阻抗；

——第i路对应频率f_i信号的天线口面电场强度；

——微波拍波辐射场场强

n——拍波信号频点数目，即等分通道数。

8.根据权利要求4所述的微波拍波辐射场测量装置的测量方法，其特征在于，微波拍波辐射场测量装置在用于辐射场测量之前，需要对各通道的输入功率和输出电压灵敏度关系的参数进行标定测试，标定数据导入数据处理程度的系统标定数据库内；测量装置各环节驻波系数＜1.2。