CN115128361A - 超大动态范围脉冲场强测试系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种超大动态范围脉冲场强测试系统及方法，包括脉冲信号接受前端、第一级弱信号检测链路、第二级中等强度信号检测链路、第三级高强度信号检测链路以及信号场强大小计算模块；脉冲信号接受前端为超宽频喇叭天线，用于接受未知待测脉冲信号；第一级弱信号检测链路用于对信号强度弱的脉冲信号进行场强测试；第二级中等强度信号检测链路用于对信号强度较大的脉冲信号进行场强测试；第三级高强度信号检测链路用于对强脉冲信号进行场强测试；信号场强大小计算模块用于对脉冲信号场强大小进行高精度测量与标定；本系统可以实现对超大动态范围内未知功率水平的脉冲信号进行分级测量，具有测试动态范围大、稳定性高、测试精度高的特点。

Description

超大动态范围脉冲场强测试系统及方法

技术领域

本发明属于微波测量的应用领域，涉及一种超大动态范围脉冲场强测试系统及方法。

背景技术

电子战是敌我双方通过对战场电磁频谱资源控制权和使用权的斗争，已成为继传统海陆空三维立体战争的另一重要战场，是现代化战争的胜负手。现代化的电子战场既有预警雷达、通信、电子侦察与噪声干扰等小功率脉冲微弱信号，又有微波定向能武器发射的大功率脉冲强干扰信号，电磁环境极为复杂。对该类复杂信号的电场强度同时准确测量是提高电子战能力的前提。

目前，对于强脉冲信号场强测试主要包括频域法、时域法和宽带场强计法。频域法采用频谱分析仪和接收天线进行测量，可以获得宽频带内信号的幅频特性，但在脉冲宽度和脉冲周期等参数未知的情况下，可能会因为分辨率带宽(RBW)设置不当而无法准确获得脉冲信号频谱。时域法采用示波器和接收天线进行测量，可以获得信号的脉冲宽度和脉冲周期等参数，对时域测量结果进行傅里叶变换可以获得脉冲信号的频谱特性，但依据奈奎斯特抽样定律，时域法要得到正确的测量结果，示波器的采样率应大于被测信号最高频率分量的2倍。宽带场强计法采用电场探头和场强仪进行测量，测量动态范围大，无需修正使用方便灵活，但对于脉冲场，获得的是场强平均值，且不能提供频率信息。针对时、频域测量方法的优缺点，有学者提出了雷达脉冲场的时频域组合测量方法，在发射源参数未知情况下，通过一次时频域组合测量，利用时域测量信息修正频域法由于RBW设置不当的频域测量结果，可以得到准确的脉冲场峰值场强，但该方法需要考虑天线系数、电缆衰减等参数，测量结果处理分析复杂，对于大功率脉冲场测量，需要对频谱仪和示波器进行屏蔽防护和接衰减器避免烧毁，且该方法采用接收天线，尺寸和口径大，对于近场分布，由于场波动大，无法准确反映接收天线每一个测量点的场分布。

而对于微弱的脉冲信号，其检测难度相比脉冲信号更大。这里微弱信号相对于噪声而言，不只是说信号的幅度很小，主要指的是被噪声淹没的、信噪比很低的信号。对其检测主要包括5种经典的基本方法：(1)滤波法；(2)取样积分与数字式平均法；(3)相关检测法；(4)自适应噪声抵消法；(5)光子计数器法。其基本的思想大多为通过技术手段实现信噪比的提高，从而实现弱信号提取。近年来，一些新的关于弱信号检测的方法被提出，其中具有重要意义的有如下几种方法：(1)基于混沌振子的弱信号检测法；(2)基于随机共振理论的弱信号检测法；(3)基于小波变换的弱信号检测法；(4)基于稀疏分解的弱信号检测法；(5)基于深度学习模型的微弱信号检测法。这些新方法是从新的角度对弱信号的特征出发从而对其进行检测。

综上，单独对强脉冲信号或者若脉冲信号进行场强测量按照经典的测试理论与最新研究方法是可以进行测量的。但是对于未知的极大、极小脉冲信号能否同时进行场强检测，目前研究很少。为了实现该功能，有学者提出以下研究思路几种研究思路：(1)分段倍乘法：将输人端分成不同的动态段，根据不同的输人电平选择相应的测量段。显然，由于在某个时刻，因为测量灵敏度不合适，会丢失微弱信号。或者又会因为动态不合适而采集不到高峰值的瞬态电平；(2)自动增益控制法：将前级放大以至中频放大部分做成带有自动增益(AGC)作用的电路，以求最大限度的适应不同信号输入电平的要求。从而有效地扩大输人动态范围。这是目前较为有效的方法，并被广泛应用。但是上述方法普遍存在着一些难以克服的问题：首先是电路复杂，不仅仅是前端电路为适应大范围的要求而必须的大范围AGC控制，还要为保证后级大动态的输出设计足够条件的电路。特别是模拟显示部分，既要保证大的动态，更要保证电路足够精度的线性。于是又要求电路有足够的功率储备。其次是电路工作难以达到长期的稳定，由于复杂的电路和众多的电路环节，使得电路工作对环境提出很高的要求。特别是温度的影响，往往要求仪器有足够长的预热时间。即便如此，也难保证应用中测量精度的变化，特别是带有直流放大电路的仪器，更无法保证长期稳定性。

本发明系统将通过引入气体放电管等微波器件构建了一种超大动态范围脉冲场强测试系统，并给出具体测试方法，脉冲信号场强幅值测量范围(6.14×10^-5～6.14×10³)V/m，信号功率可覆盖范围-80dbm～80dBm。该测试系统可实现对未知功率水平的脉冲信号进行电场强度高精度测量。

发明内容

鉴于以上所述现有技术的缺点，本发明的目的在于利用定向耦合器、气体放电管等微波器件组建一套超大动态范围脉冲场强测试系统及方法，实现超大动态范围脉冲场强测量。

为实现上述发明目的，本发明技术方案如下：

超大动态范围脉冲场强测试系统如附图所示，包括脉冲信号接受前端Ⅰ，第一级弱信号检测链路Ⅱ，第二级中等强度信号检测电路Ⅲ，第三级高强度信号检测电路Ⅳ以及信号场强大小计算模块Ⅴ；

所述脉冲信号接受前端Ⅰ为超宽频喇叭天线，用于接受未知待测脉冲信号；所述第一级弱信号检测链路Ⅱ用于对信号功率范围为：-80dBm＜P1≤-20dBm，场强范围为：6.14×10^-5V/m＜E1≤0.06V/m的脉冲信号进行场强测试；所述第二级中等强度信号检测链路Ⅲ用于对信号功率范围为：-20dBm＜P1≤30dBm，场强范围为：0.06V/m＜E2≤19.42V/m的脉冲信号进行场强测试；所述第三级高强度信号检测链路Ⅳ用于对功率范围为：30dBm＜P1≤80dBm，场强范围为：19.42V/m＜E2≤6.14×10³V/m的脉冲信号进行场强测试；所述信号场强大小计算模块Ⅴ用于对脉冲信号场强大小进行高精度测量与标定。

作为优选方式，所述第一级弱信号检测链路Ⅱ包括通过同轴电缆依次连接的第一定向耦合器2、第一气体放电管3、低噪声放大器4、第一微波检波器5；其中第一定向耦合器2用于对第一级弱信号检测链路Ⅱ中全反射的信号进行耦合，然后将耦合到的信号送到第二级中等强度信号检测电路Ⅲ进行检测；第一气体放电管3用于对超过一定阈值的脉冲信号进行阻断，保护链路中的低噪声放大器4以及第一微波检波器5不受超出其工作功率水平范围的脉冲信号损伤；低噪声放大器4用于对弱信号进行低噪声放大；第一微波检波器5用于对弱信号进行检波；超宽频喇叭天线通过同轴电缆与第一定向耦合器的直通端14连接，第一定向耦合器的输入端15通过同轴电缆与第一气体放电管3连接，第一定向耦合器的隔离端16与第一匹配负载18连接，第一定向耦合器的耦合端17通过同轴电缆与第二定向耦合器的直通端19连接；第一微波检波器5通过同轴电缆与信号场强大小计算模块Ⅴ中的AD转换模块12连接。

作为优选方式，所述第二级中等强度信号检测电路Ⅲ包括同轴电缆依次连接的第二定向耦合器6、第二气体放电管7、第一微波衰减器8、第二微波检波器9；其中第二定向耦合器6用于对第二级中等强度信号检测电路Ⅲ中全发射的信号进行耦合，然后将耦合到的信号送到第三级高强度信号检测电路Ⅳ进行检测；第二气体放电管7用于对超过一定阈值的脉冲信号进行阻断，保护链路中的第一微波衰减器8以及第二微波检波器9不受超出其工作功率水平范围的脉冲信号损伤；第一微波衰减器8用于对中等强度信号进行适当衰减，使得第二微波检波器9工作在线性区；第二微波检波器9用于对本链路中的脉冲信号进行检波；第二定向耦合器的隔离端21与第二匹配负载23连接，第二定向耦合器的输入端20通过同轴电缆与第二气体放电管7连接，第二定向耦合器的耦合端22通过同轴电缆与第二微波衰减器10连接，第二微波检波器9通过同轴电缆与信号场强大小计算模块Ⅴ中的AD转换模块12连接。

作为优选方式，所述第三级高强度信号检测电路Ⅳ包括同轴电缆依次连接的第二微波衰减器10、第三微波检波器11；其中第二微波衰减器10用于对第二级中等强度信号检测电路Ⅲ经第二定向耦合器6耦合下来的高强度信号进行衰减，使得第三微波检波器11工作在线性区；第三微波检波器11用于对本链路中的脉冲信号进行检波。第二微波检波器10通过同轴电缆与第三微波检波器11连接，第三微波检波器11通过同轴电缆与信号场强大小计算模块Ⅴ中的AD转换模块12连接。作为优选方式，信号场强大小计算模块Ⅴ包括AD转换模块12和数据处理中心13，第一级弱信号检测链路Ⅱ中的弱信号经第一微波检波器5检波后、第二级中等强度信号检测电路Ⅲ中的中等强信号经第二微波检波器9检波后以及第三级高强度信号检测电路Ⅳ中的高强度信号经第三微波检波器11检波后均通过同轴电缆与信号场强大小计算模块Ⅴ中的AD转换模块12连接，AD转换模块12通过网线与数据处理中心13连接。

本发明通过引入气体放电管、定向耦合器实现了不同功率水平的脉冲信号场强分级检测，实现了超大动态范围脉冲场强精确测量。

超大动态范围脉冲场强测试系统及方法具体测试过程是：超宽带喇叭天线1接受未知功率水平的脉冲信号后通过第一定向耦合器2，到达第一气体放电管3，此时若接受到的信号是弱信号，则信号几乎无损通过第一气体放电管3，随后经过低噪声放大器4，信号被放大后再由第一微波检波器5检波，检波后的数据通过同轴电缆传送给AD转换模块12，AD转换模块12得到数字信号后通过网线将数据送到数据处理中心13，数据处理中心13完成对场强幅值大小计算；若到达第一气体放电管3的脉冲信号强度超过第一气体放电管3的工作阈值，则第一气体放电管3发生空气击穿，此时脉冲信号将发生全反射，信号反射后经过第一定向耦合器的耦合端17将信号进行衰减后送到第二级中等强度信号检测电路Ⅲ中，此时信号通过第二定向耦合器6后进入第二气体放电管7，此时若信号强度小于第二气体放电管7的工作阈值，则信号进入第一微波衰减器8，经第一微波衰减器8后信号会适当衰减，然后进入第二微波检波器9进行检波，随后检波数据被送入AD转换模块12，经AD转换模块12处理后的数字信号被送到数据处理中心13进行场强幅值大小计算；若到达第二气体放电管7的脉冲信号强度超过第二气体放电管7的工作阈值，则第二气体放电管7发生空气击穿，此时脉冲信号将发生全反射，信号反射后经过第二定向耦合器的耦合端22将信号进行衰减后送到第三级高强度信号检测电路Ⅳ中，此时信号经第二微波衰减器10适当衰减后被送到第三微波检波器进行检波，检波后的数据被送到AD转换模块12，经AD转换模块12处理后的数字信号被送到数据处理中心13进行场强幅值大小计算。

为了实现上述发明目的，本发明还提供一种利用上述装置进行脉冲场强测试方法，包括如下步骤：

步骤1：连接测试系统；

步骤2：对AD转换模块12后的数据进行分析比较，判断待测脉冲信号功率水平，即可判断待测脉冲信号是通过第一级弱信号检测链路Ⅱ、第二级中等强度信号检测电路Ⅲ还是通过第三级高强度信号检测电路Ⅳ进行测定的；

步骤3：在步骤2判断出待测脉冲信号功率水平后，即可判断利用哪条链路对对脉冲信号场强大小进行计算，则脉冲信号场强计算公式分别如下：

首先对第一微波检波器5、第二微波检波器9和第三微波检波器11进行校准，得到不同检波电压U与输入信号功率P之间的关系，即：

U～P(1)

若待测脉冲信号功率≤-20dBm，则该信号由第一级弱信号检测链路Ⅱ检波后由AD转换模块12得到信号的电压幅值，设其值为U₀，则根据上述公式(1)可得微波检波器5输入端的功率为P₀，此时，待测脉冲信号场强E₀的大小按公式(2)计算得到：

其中，G为低噪声放大器的增益，L₁为第一气体放电管3的插入损耗，L₂为第一定向耦合器2的插入损耗，L₃为第一级弱信号检测链路Ⅱ中连接超宽频喇叭天线1与第一定向耦合器2、连接第一定向耦合器2与第一气体放电管3、连接第一气体放电管3与低噪声放大器4以及连接低噪声放大器与第一微波检波器5的同轴电缆的总的插入损耗，R为自由空间波阻抗，a为超宽频喇叭天线1的耦合系数。

若待测脉冲信号功率大于-20dBm，在到达第一气体放电管3后使得第一气体放电管3发生空气击穿，此时信号发生全反射，由第一定向耦合器2的耦合端17将该信号耦合到第二级中等强度信号检测电路Ⅲ中，若此时信号强度没有超过第二气体放电管7的工作阈值，则该信号由第二级中等强度信号检测电路Ⅲ中的第二微波检波器9检波后送入AD转换模块得到检波后的数字电压，若其数值为U₁，那么根据公式(1)可得到第二微波检波器9的输入端功率为P1，此时，待测脉冲信号场强E₀的大小按公式(3)计算得到：

其中，A为第一微波衰减器8的衰减量，L₄为第二气体放电管7的插入损耗，L₅为第二定向耦合器6的插入损耗，L₆为第一定向耦合器2的耦合度，L₇为第一级弱信号检测链路Ⅱ中连接超宽频喇叭天线1与第一定向耦合器2、连接第一定向耦合器2与第一气体放电管3、连接第一定向耦合器2与第二定向耦合器6、连接第二定向耦合器6与第二气体放电管7以及连接第二气体放电管7与第一微波衰减器8以及第一微波衰减器8与第二微波检波器9的同轴电缆的总的插入损耗。

若待测脉冲信号功率＞30dBm，在到达第二气体放电管7后使得第二气体放电管7发生空气击穿，此时信号发生全反射，由第二定向耦合器6的耦合端22将该信号耦合到第三级高强度信号检测电路Ⅳ中，经过第二微波衰减器10使得信号衰减到第三微波检波器11的线性工作区，假设由第三微波检波器11检波后送入AD转换模块得到检波后的数字电压数值为U₂，那么根据公式(1)可得到第二微波检波器11的输入端功率为P₂，此时，待测脉冲信号场强E₀的大小按公式(4)计算得到：

其中，B为第二微波衰减器10的衰减量，L₈为第二定向耦合器6的耦合度，L₉为第一定向耦合器2的耦合度，L₁₀为连接第三微波检波器11与第二微波衰减器10、连接第二微波衰减器10与第二定向耦合器6耦合端、连接第二定向耦合器6与第二气体放电管7、连接第二定向耦合器6与第一定向耦合器2耦合端，连接第一定向耦合器2与第一气体放电管3、连接第一定向耦合器2与超宽频喇叭天线1的同轴电缆总的插入损耗。

本发明的有益效果为：

1、气体放电管的引入可以让不同强度的信号场强实现分级测量，提高了测试系统的测量动态范围。

2、本系统能够对宽频带内未知信号强度的脉冲信号同时高精度测量，电路构建精简、具有长期稳定性的特点。

附图说明

图1是本系统的结构示意图。

其中，1为超宽频喇叭天线、2为第一定向耦合器、3为第一气体放电管、4为低噪声放大器、5为第一微波检波器、6为第二定向耦合器、7为第二气体放电管、8为第一微波衰减器、9为第二微波检波器、10为第二微波衰减器、11为第三微波检波器、12为AD转换模块、13为数据处理中心、14为第一定向耦合器的直通端、15为第一定向耦合器的输入端、16为第一定向耦合器的隔离端、17为第一定向耦合器的耦合端、18为第一匹配负载、19为第二定向耦合器的直通端、20为第二定向耦合器的输入端、21为第二定向耦合器的隔离端、22为第二定向耦合器的耦合端、23为第二匹配负载。

具体实施方式

以下通过特定的具体实例说明本发明的实施方式，本领域技术人员可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本发明的其他优点与功效。本发明还可以通过另外不同的具体实施方式加以实施或应用，本说明书中的各项细节也可以基于不同观点与应用，在没有背离本发明的精神下进行各种修饰或改变。

一种超大动态范围脉冲场强测试系统，包括脉冲信号接受前端Ⅰ，第一级弱信号检测链路Ⅱ，第二级中等强度信号检测电路Ⅲ，第三级高强度信号检测电路Ⅳ以及信号场强大小计算模块Ⅴ；

所述脉冲信号接受前端Ⅰ为超宽频喇叭天线，用于接受未知待测脉冲信号；所述第一级弱信号检测链路Ⅱ用于对信号功率范围为：-80dBm＜P1≤-20dBm，场强范围为：6.14×10^-5V/m＜E1≤0.06V/m的脉冲信号进行场强测试；所述第二级中等强度信号检测链路Ⅲ用于对信号功率范围为：-20dBm＜P1≤30dBm，场强范围为：0.06V/m＜E2≤19.42V/m的脉冲信号进行场强测试；所述第三级高强度信号检测链路Ⅳ用于对功率范围为：30dBm＜P1≤80dBm，场强范围为：19.42V/m＜E2≤6.14×10³V/m的脉冲信号进行场强测试；所述信号场强大小计算模块Ⅴ用于对脉冲信号场强大小进行测量与标定。

所述脉冲信号接受前端Ⅰ、第一级弱信号检测链路Ⅱ、第二级中等强度信号检测电路Ⅲ、第三级高强度信号检测电路Ⅳ以及信号场强大小计算模块Ⅴ均通过同轴电缆进行连接。

所述第一级弱信号检测链路Ⅱ包括通过同轴电缆依次连接的第一定向耦合器2、第一气体放电管3、低噪声放大器4、第一微波检波器5；其中第一定向耦合器2用于对第一级弱信号检测链路Ⅱ中全反射的信号进行耦合，然后将耦合到的信号送到第二级中等强度信号检测电路Ⅲ进行检测；第一气体放电管3用于对超过一定阈值的脉冲信号进行阻断，保护链路中的低噪声放大器4以及第一微波检波器5不受超出其工作功率水平范围的脉冲信号损伤；低噪声放大器4用于对弱信号进行低噪声放大；第一微波检波器5用于对弱信号进行检波；超宽频喇叭天线通过同轴电缆与第一定向耦合器的直通端14连接，第一定向耦合器的输入端15通过同轴电缆与第一气体放电管3连接，第一定向耦合器的隔离端16与第一匹配负载18连接，第一定向耦合器的耦合端17通过同轴电缆与第二定向耦合器的直通端19连接；第一微波检波器5通过同轴电缆与信号场强大小计算模块Ⅴ中的AD转换模块12连接。

所述第二级中等强度信号检测电路Ⅲ包括同轴电缆依次连接的第二定向耦合器6、第二气体放电管7、第一微波衰减器8、第二微波检波器9；其中第二定向耦合器6用于对第二级中等强度信号检测电路Ⅲ中全发射的信号进行耦合，然后将耦合到的信号送到第三级高强度信号检测电路Ⅳ进行检测；第二气体放电管7用于对超过一定阈值的脉冲信号进行阻断，保护链路中的第一微波衰减器8以及第二微波检波器9不受超出其工作功率水平范围的脉冲信号损伤；第一微波衰减器8用于对中等强度信号进行适当衰减，使得第二微波检波器9工作在线性区；第二微波检波器9用于对本链路中的脉冲信号进行检波；第二定向耦合器的隔离端21与第二匹配负载23连接，第二定向耦合器的输入端20通过同轴电缆与第二气体放电管7连接，第二定向耦合器的耦合端22通过同轴电缆与第二微波衰减器10连接，第二微波检波器9通过同轴电缆与信号场强大小计算模块Ⅴ中的AD转换模块12连接。

所述第三级高强度信号检测电路Ⅳ包括同轴电缆依次连接的第二微波衰减器10、第三微波检波器11；其中第二微波衰减器10用于对第二级中等强度信号检测电路Ⅲ经第二定向耦合器6耦合下来的高强度信号进行衰减，使得第三微波检波器11工作在线性区；第三微波检波器11用于对本链路中的脉冲信号进行检波。第二微波检波器10通过同轴电缆与第三微波检波器11连接，第三微波检波器11通过同轴电缆与信号场强大小计算模块Ⅴ中的AD转换模块12连接。信号场强大小计算模块Ⅴ包括AD转换模块12和数据处理中心13，第一级弱信号检测链路Ⅱ中的弱信号经第一微波检波器5检波后、第二级中等强度信号检测电路Ⅲ中的中等强信号经第二微波检波器9检波后以及第三级高强度信号检测电路Ⅳ中的高强度信号经第三微波检波器11检波后均通过同轴电缆与信号场强大小计算模块Ⅴ中的AD转换模块12连接，AD转换模块12通过网线与数据处理中心13连接。

本发明通过引入气体放电管、定向耦合器实现了不同功率水平的脉冲信号场强分级检测，实现了超大动态范围脉冲场强精确测量。

超大动态范围脉冲场强测试系统及方法具体测试过程是：超宽带喇叭天线1接受未知功率水平的脉冲信号后通过第一定向耦合器2，到达第一气体放电管3，此时若接受到的信号是弱信号，则信号几乎无损通过第一气体放电管3，随后经过低噪声放大器4，信号被放大后再由第一微波检波器5检波，检波后的数据通过同轴电缆传送给AD转换模块12，AD转换模块12得到数字信号后通过网线将数据送到数据处理中心13，数据处理中心13完成对场强幅值大小计算；若到达第一气体放电管3的脉冲信号强度超过第一气体放电管3的工作阈值，则第一气体放电管3发生空气击穿，此时脉冲信号将发生全反射，信号反射后经过第一定向耦合器的耦合端17将信号进行衰减后送到第二级中等强度信号检测电路Ⅲ中，此时信号通过第二定向耦合器6后进入第二气体放电管7，此时若信号强度小于第二气体放电管7的工作阈值，则信号进入第一微波衰减器8，经第一微波衰减器8后信号会适当衰减，然后进入第二微波检波器9进行检波，随后检波数据被送入AD转换模块12，经AD转换模块12处理后的数字信号被送到数据处理中心13进行场强幅值大小计算；若到达第二气体放电管7的脉冲信号强度超过第二气体放电管7的工作阈值，则第二气体放电管7发生空气击穿，此时脉冲信号将发生全反射，信号反射后经过第二定向耦合器的耦合端22将信号进行衰减后送到第三级高强度信号检测电路Ⅳ中，此时信号经第二微波衰减器10适当衰减后被送到第三微波检波器进行检波，检波后的数据被送到AD转换模块12，经AD转换模块12处理后的数字信号被送到数据处理中心13进行场强幅值大小计算。

利用上述测试系统进行脉冲信号场强测试的方法，包括如下步骤：

步骤1：按照附图1连接测试系统；

步骤2：对AD转换模块12后的数据进行分析比较，判断待测脉冲信号功率水平，即可判断待测脉冲信号是通过第一级弱信号检测链路Ⅱ、第二级中等强度信号检测电路Ⅲ还是通过第三级高强度信号检测电路Ⅳ进行测定的；

步骤3：在步骤2判断出待测脉冲信号功率水平后，即可判断利用哪条链路对对脉冲信号场强大小进行计算，则脉冲信号场强计算公式分别如下：

首先对第一微波检波器5、第二微波检波器9和第三微波检波器11进行校准，得到不同检波电压U与输入信号功率P之间的关系，即：

U～P(1)

若待测脉冲信号功率≤-20dBm，则该信号由第一级弱信号检测链路Ⅱ检波后由AD转换模块12得到信号的电压幅值，设其值为U₀，则根据上述公式(1)可得微波检波器5输入端的功率为P₀，此时，待测脉冲信号场强E₀的大小按公式(2)计算得到：

其中，G为低噪声放大器的增益，L₁为第一气体放电管3的插入损耗，L₂为第一定向耦合器2的插入损耗，L₃为第一级弱信号检测链路Ⅱ中连接超宽频喇叭天线1与第一定向耦合器2、连接第一定向耦合器2与第一气体放电管3、连接第一气体放电管3与低噪声放大器4以及连接低噪声放大器与第一微波检波器5的同轴电缆的总的插入损耗，R为自由空间波阻抗，a为超宽频喇叭天线1的耦合系数。

若待测脉冲信号功率大于-20dBm，在到达第一气体放电管3后使得第一气体放电管3发生空气击穿，此时信号发生全反射，由第一定向耦合器2的耦合端17将该信号耦合到第二级中等强度信号检测电路Ⅲ中，若此时信号强度没有超过第二气体放电管7的工作阈值，则该信号由第二级中等强度信号检测电路Ⅲ中的第二微波检波器9检波后送入AD转换模块得到检波后的数字电压，若其数值为U₁，那么根据公式(1)可得到第二微波检波器9的输入端功率为P1，此时，待测脉冲信号场强E₀的大小按公式(3)计算得到：

其中，A为第一微波衰减器8的衰减量，L₄为第二气体放电管7的插入损耗，L₅为第二定向耦合器6的插入损耗，L₆为第一定向耦合器2的耦合度，L₇为第一级弱信号检测链路Ⅱ中连接超宽频喇叭天线1与第一定向耦合器2、连接第一定向耦合器2与第一气体放电管3、连接第一定向耦合器2与第二定向耦合器6、连接第二定向耦合器6与第二气体放电管7以及连接第二气体放电管7与第一微波衰减器8以及第一微波衰减器8与第二微波检波器9的同轴电缆的总的插入损耗。

若待测脉冲信号功率＞30dBm，在到达第二气体放电管7后使得第二气体放电管7发生空气击穿，此时信号发生全反射，由第二定向耦合器6的耦合端22将该信号耦合到第三级高强度信号检测电路Ⅳ中，经过第二微波衰减器10使得信号衰减到第三微波检波器11的线性工作区，假设由第三微波检波器11检波后送入AD转换模块得到检波后的数字电压数值为U₂，那么根据公式(1)可得到第二微波检波器11的输入端功率为P₂，此时，待测脉冲信号场强E₀的大小按公式(4)计算得到：

其中，B为第二微波衰减器10的衰减量，L₈为第二定向耦合器6的耦合度，L₉为第一定向耦合器2的耦合度，L₁₀为连接第三微波检波器11与第二微波衰减器10、连接第二微波衰减器10与第二定向耦合器6耦合端、连接第二定向耦合器6与第二气体放电管7、连接第二定向耦合器6与第一定向耦合器2耦合端，连接第一定向耦合器2与第一气体放电管3、连接第一定向耦合器2与超宽频喇叭天线1的同轴电缆总的插入损耗。

上述实施例仅例示性说明本发明的原理及其功效，而非用于限制本发明。任何熟悉此技术的人士皆可在不违背本发明的精神及范畴下，对上述实施例进行修饰或改变。因此，凡所属技术领域中具有通常知识者在未脱离本发明所揭示的精神与技术思想下所完成的一切等效修饰或改变，仍应由本发明的权利要求所涵盖。

Claims (6)

1.一种超大动态范围脉冲场强测试系统，其特征在于：包括脉冲信号接受前端Ⅰ，第一级弱信号检测链路Ⅱ，第二级中等强度信号检测电路Ⅲ，第三级高强度信号检测电路Ⅳ以及信号场强大小计算模块Ⅴ；

所述脉冲信号接受前端Ⅰ为超宽频喇叭天线，用于接受未知待测脉冲信号；所述第一级弱信号检测链路Ⅱ用于对信号功率范围为：-80dBm＜P1≤-20dBm，场强范围为：6.14×10^{- 5}V/m＜E1≤0.06V/m的脉冲信号进行场强测试；所述第二级中等强度信号检测链路Ⅲ用于对信号功率范围为：-20dBm＜P1≤30dBm，场强范围为：0.06V/m＜E2≤19.42V/m的脉冲信号进行场强测试；所述第三级高强度信号检测链路Ⅳ用于对功率范围为：30dBm＜P1≤80dBm，场强范围为：19.42V/m＜E2≤6.14×10³V/m的脉冲信号进行场强测试；所述信号场强大小计算模块Ⅴ用于对脉冲信号场强大小进行测量与标定。

2.根据权利要求1所述的超大动态范围脉冲场强测试系统，其特征在于：所述第一级弱信号检测链路Ⅱ包括通过同轴电缆依次连接的第一定向耦合器(2)、第一气体放电管(3)、低噪声放大器(4)、第一微波检波器(5)；其中第一定向耦合器(2)用于对第一级弱信号检测链路Ⅱ中全反射的信号进行耦合，然后将耦合到的信号送到第二级中等强度信号检测电路Ⅲ进行检测；第一气体放电管(3)用于对超过一定阈值的脉冲信号进行阻断，保护链路中的低噪声放大器(4)以及第一微波检波器(5)不受超出其工作功率水平范围的脉冲信号损伤；低噪声放大器(4)用于对弱信号进行低噪声放大；第一微波检波器(5)用于对弱信号进行检波；超宽频喇叭天线通过同轴电缆与第一定向耦合器的直通端(14)连接，第一定向耦合器的输入端(15)通过同轴电缆与第一气体放电管(3)连接，第一定向耦合器的隔离端(16)与第一匹配负载(18)连接，第一定向耦合器的耦合端(17)通过同轴电缆与第二定向耦合器的直通端(19)连接；第一微波检波器(5)通过同轴电缆与信号场强大小计算模块Ⅴ中的AD转换模块(12)连接。

3.根据权利要求1所述的超大动态范围脉冲场强测试系统，其特征在于：所述第二级中等强度信号检测电路Ⅲ包括同轴电缆依次连接的第二定向耦合器(6)、第二气体放电管(7)、第一微波衰减器(8)、第二微波检波器(9)；其中第二定向耦合器(6)用于对第二级中等强度信号检测电路Ⅲ中全发射的信号进行耦合，然后将耦合到的信号送到第三级高强度信号检测电路Ⅳ进行检测；第二气体放电管(7)用于对超过一定阈值的脉冲信号进行阻断，保护链路中的第一微波衰减器(8)以及第二微波检波器(9)不受超出其工作功率水平范围的脉冲信号损伤；第一微波衰减器(8)用于对中等强度信号进行适当衰减，使得第二微波检波器(9)工作在线性区；第二微波检波器(9)用于对本链路中的脉冲信号进行检波；第二定向耦合器的隔离端(21)与第二匹配负载(23)连接，第二定向耦合器的输入端(20)通过同轴电缆与第二气体放电管(7)连接，第二定向耦合器的耦合端(22)通过同轴电缆与第二微波衰减器(10)连接，第二微波检波器(9)通过同轴电缆与信号场强大小计算模块Ⅴ中的AD转换模块(12)连接。

4.根据权利要求1所述的超大动态范围脉冲场强测试系统，其特征在于：所述第三级高强度信号检测电路Ⅳ包括同轴电缆依次连接的第二微波衰减器(10)、第三微波检波器(11)；其中第二微波衰减器(10)用于对第二级中等强度信号检测电路Ⅲ经第二定向耦合器(6)耦合下来的高强度信号进行衰减，使得第三微波检波器(11)工作在线性区；第三微波检波器(11)用于对本链路中的脉冲信号进行检波；第二微波检波器(10)通过同轴电缆与第三微波检波器(11)连接，第三微波检波器(11)通过同轴电缆与信号场强大小计算模块Ⅴ中的AD转换模块(12)连接。

5.根据权利要求1所述的超大动态范围脉冲场强测试系统，其特征在于：信号场强大小计算模块Ⅴ包括AD转换模块(12)和数据处理中心(13)，第一级弱信号检测链路Ⅱ中的弱信号经第一微波检波器(5)检波后、第二级中等强度信号检测电路Ⅲ中的中等强信号经第二微波检波器(9)检波后以及第三级高强度信号检测电路Ⅳ中的高强度信号经第三微波检波器(11)检波后均通过同轴电缆与信号场强大小计算模块Ⅴ中的AD转换模块(12)连接，AD转换模块(12)通过网线与数据处理中心(13)连接。

6.根据权利要求1至5任意一项所述测试系统进行脉冲信号场强测试的方法，其特征在于包括如下步骤：

步骤1：连接测试系统；

步骤2：对AD转换模块(12)后的数据进行分析比较，判断待测脉冲信号功率水平，即可判断待测脉冲信号是通过第一级弱信号检测链路Ⅱ、第二级中等强度信号检测电路Ⅲ还是通过第三级高强度信号检测电路Ⅳ进行测定的；

步骤3：在步骤2判断出待测脉冲信号功率水平后，即可判断利用哪条链路对对脉冲信号场强大小进行计算，则脉冲信号场强计算公式分别如下：

首先对第一微波检波器(5)、第二微波检波器(9)和第三微波检波器(11)进行校准，得到不同检波电压U与输入信号功率P之间的关系，即：

U～P(1)

若待测脉冲信号功率≤-20dBm，则该信号由第一级弱信号检测链路Ⅱ检波后由AD转换模块(12)得到信号的电压幅值，设其值为U₀，则根据上述公式(1)可得微波检波器(5)输入端的功率为P₀，此时，待测脉冲信号场强E₀的大小按公式(2)计算得到：

其中，G为低噪声放大器的增益，L₁为第一气体放电管(3)的插入损耗，L₂为第一定向耦合器(2)的插入损耗，L₃为第一级弱信号检测链路Ⅱ中连接超宽频喇叭天线(1)与第一定向耦合器(2)、连接第一定向耦合器(2)与第一气体放电管(3)、连接第一气体放电管(3)与低噪声放大器(4)以及连接低噪声放大器与第一微波检波器(5)的同轴电缆的总的插入损耗，R为自由空间波阻抗，a为超宽频喇叭天线(1)的耦合系数；

若待测脉冲信号功率大于-20dBm，在到达第一气体放电管(3)后使得第一气体放电管(3)发生空气击穿，此时信号发生全反射，由第一定向耦合器的耦合端(17)将该信号耦合到第二级中等强度信号检测电路Ⅲ中，若此时信号强度没有超过第二气体放电管(7)的工作阈值，则该信号由第二级中等强度信号检测电路Ⅲ中的第二微波检波器(9)检波后送入AD转换模块得到检波后的数字电压，若其数值为U₁，那么根据公式(1)可得到第二微波检波器(9)的输入端功率为P1，此时，待测脉冲信号场强E₀的大小按公式(3)计算得到：

其中，A为第一微波衰减器(8)的衰减量，L₄为第二气体放电管(7)的插入损耗，L₅为第二定向耦合器(6)的插入损耗，L₆为第一定向耦合器(2)的耦合度，L₇为第一级弱信号检测链路Ⅱ中连接超宽频喇叭天线(1)与第一定向耦合器(2)、连接第一定向耦合器(2)与第一气体放电管(3)、连接第一定向耦合器(2)与第二定向耦合器(6)、连接第二定向耦合器(6)与第二气体放电管(7)以及连接第二气体放电管(7)与第一微波衰减器(8)以及第一微波衰减器(8)与第二微波检波器(9)的同轴电缆的总的插入损耗；

若待测脉冲信号功率＞30dBm，在到达第二气体放电管(7)后使得第二气体放电管(7)发生空气击穿，此时信号发生全反射，由第二定向耦合器的耦合端(22)将该信号耦合到第三级高强度信号检测电路Ⅳ中，经过第二微波衰减器(10)使得信号衰减到第三微波检波器(11)的线性工作区，假设由第三微波检波器(11)检波后送入AD转换模块得到检波后的数字电压数值为U₂，那么根据公式(1)可得到第二微波检波器(11)的输入端功率为P₂，此时，待测脉冲信号场强E₀的大小按公式(4)计算得到：

其中，B为第二微波衰减器(10)的衰减量，L₈为第二定向耦合器(6)的耦合度，L₉为第一定向耦合器(2)的耦合度，L₁₀为连接第三微波检波器(11)与第二微波衰减器(10)、连接第二微波衰减器(10)与第二定向耦合器(6)耦合端、连接第二定向耦合器(6)与第二气体放电管(7)、连接第二定向耦合器(6)与第一定向耦合器(2)耦合端，连接第一定向耦合器(2)与第一气体放电管(3)、连接第一定向耦合器(2)与超宽频喇叭天线(1)的同轴电缆总的插入损耗。

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