CN115639514A - 微波倍频测试系统的非线性误差的开环测量方法 - Google Patents

Abstract

本发明实施例涉及电磁测试技术领域，特别涉及一种微波倍频测试系统的非线性误差的开环测量方法。方法包括：利用所述微波倍频测试系统对待测样本进行电磁散射特性测试，以获得所述待测样本在预设频率、预设角域范围内的RCS测量值；对所述待测样本进行电磁散射特性仿真计算，以获得所述待测样本在所述预设频率、所述预设角域范围内的RCS理论值；确定所述微波倍频测试系统的开环测量误差，所述开环测量误差包括背景噪声误差；根据所述RCS测量值、所述RCS理论值以及所述开环测量误差，确定所述微波倍频测试系统的非线性误差。本发明提供的方法不需要引入具有波导端口的可调衰减器，测试成本低。

Description

微波倍频测试系统的非线性误差的开环测量方法

技术领域

本发明实施例涉及电磁测试技术领域，特别涉及一种微波倍频测试系统的非线性误差的开环测量方法。

背景技术

微波倍频测试系统是测试目标电磁散射特性的重要测试系统，在该系统中，由于微波电子元器件本身的电气特性，会使倍频测试系统产生非线性误差，非线性误差会影响目标电磁散射特性的测试精度。因此，需要对倍频测试系统的非线性误差进行测量，以确定其非线性误差是否在允许范围内。

相关技术中，通常采用闭环的方法测量微波倍频测试系统的非线性误差，但该方法需要在测试系统的收发链路中串接具有波导端口的可调衰减器。但由于具有波导端口的可调衰减器价格昂贵，因此，闭环测量方法的测量成本较高。

因此，目前亟待需要一种测量成本低的方法来确定微波倍频测试系统的非线性误差。

发明内容

本发明实施例提供了一种微波倍频测试系统的非线性误差的开环测量方法，测量成本低。

本发明实施例提供了一种微波倍频测试系统的非线性误差的开环测量方法，包括：

利用所述微波倍频测试系统对待测样本进行电磁散射特性测试，以获得所述待测样本在预设频率、预设角域范围内的RCS测量值；

对所述待测样本进行电磁散射特性仿真计算，以获得所述待测样本在所述预设频率、所述预设角域范围内的RCS理论值；

确定所述微波倍频测试系统的开环测量误差，所述开环测量误差包括背景噪声误差；

根据所述RCS测量值、所述RCS理论值以及所述开环测量误差，确定所述微波倍频测试系统的非线性误差。

在一种可能的设计中，所述微波倍频测试系统包括发射天线、接收天线、设置于所述发射天线和所述接收天线之间的转台以及设置于所述转台上的用于支撑所述待测样本的支架；

所述利用所述微波倍频测试系统对待测样本进行电磁散射特性测试，以获得所述待测样本在预设频率、预设角域范围内的RCS测量值，包括：

将所述待测样本放置于所述支架上；

控制所述转台按照预设的角度间隔旋转，以使所述支架和所述待测样本跟随所述转台旋转；

响应于所述微波倍频测试系统中的各设备均预热完成，利用所述发射天线向所述待测样本发射所述预设频率的测试信号；

利用所述接收天线接收所述待测样本产生的回波信号，以获得所述待测样本在所述预设频率、预设角域范围内的RCS测量值。

在一种可能的设计中，所述开环测量误差还包括所述转台的定位精度误差导致的测量误差。

在一种可能的设计中，所述背景噪声误差是通过如下方式计算得到的：

确定多个测试频率，所述测试频率中的最大频率大于所述预设频率，且所述测试频率中的最小频率小于所述预设频率；

针对每个所述测试频率，均利用所述微波倍频测试系统对其背景进行电磁散射特性测试，获得该测试频率下的背景RCS值；

根据获得的多个背景RCS值的平均值和所述RCS测量值的信噪比，确定所述背景噪声误差。

在一种可能的设计中，所述待测样本的RCS散射量级大于所述微波倍频测试系统的设计量程；

所述开环测量误差还包括所述微波倍频测试系统的动态压缩误差。

在一种可能的设计中，利用所述微波倍频测试系统对所述待测样本进行电磁散射特性测试的时间超过设定时间；

所述开环测量误差还包括所述微波倍频测试系统的不稳定漂移误差。

在一种可能的设计中，所述待测样本为非球体的标准体。

在一种可能的设计中，所述待测样本为金属立方体。

在一种可能的设计中，所述根据所述RCS测量值、所述RCS理论值以及所述开环测量误差，确定所述微波倍频测试系统的非线性误差之前，还包括：

对所述RCS测量值和所述RCS理论值进行归一化处理，以去除所述微波倍频测试系统的标定误差。

在一种可能的设计中，所述预设角域范围内包括多个散射峰；

所述根据所述RCS测量值、所述RCS理论值以及所述开环测量误差，确定所述微波倍频测试系统的非线性误差，包括：

针对每个所述散射峰，均计算该散射峰对应的归一化后的RCS理论值与该散射峰对应的归一化后的RCS测量值的差值；

将计算出的多个所述差值中的最大差值与所述开环测量误差的差值确定为所述微波倍频测试系统的非线性误差。

本发明实施例提供了一种微波倍频测试系统的非线性误差的开环测量方法，该方法首先利用该微波倍频测试系统对待测样本进行电磁散射特性测试，以获得待测样本在预设频率、预设角域范围内的RCS测量值。然后利用仿真计算的方法获得该待测样本在该预设频率、该预设角域范围内的RCS理论值。再然后确定该微波倍频测试系统的开环测量误差，最后根据该RCS测量值、该RCS理论值以及该开环测量误差，确定该微波倍频测试系统的非线性误差。由于该方法不需要引入具有波导端口的可调衰减器，因此测试成本低。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1是本发明一实施例提供的微波倍频测试系统的非线性误差的开环测量方法的流程示意图；

图2是本发明一实施例提供的微波倍频测试系统的示意图；

图3是本发明一实施例提供的利用微波倍频测试系统对待测样本进行电磁散射特性测试得到的RCS曲线；

图4是本发明一实施例提供的对图3所示的测试结果进行归一化处理后得到的RCS曲线；

图5是本发明一实施例提供的对待测样本进行电磁散射特性仿真计算得到的RCS曲线；

图6是本发明一实施例提供的对图5所示的测试结果进行归一化处理后得到的RCS曲线；

图7是本发明一实施例提供的利用微波倍频测试系统对背景进行电磁散射特性测试得到的RCS曲线。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例，基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

请参考图1，本发明实施例提供了一种微波倍频测试系统的非线性误差的开环测量方法，包括：

步骤100，利用微波倍频测试系统对待测样本进行电磁散射特性测试，以获得待测样本在预设频率、预设角域范围内的RCS测量值；

步骤102，对待测样本进行电磁散射特性仿真计算，以获得待测样本在预设频率、预设角域范围内的RCS理论值；

步骤104，确定微波倍频测试系统的开环测量误差，开环测量误差包括背景噪声误差；

步骤106，根据RCS测量值、RCS理论值以及开环测量误差，确定微波倍频测试系统的非线性误差。

本发明实施例提供了一种微波倍频测试系统的非线性误差的开环测量方法，该方法首先利用电磁散射特性测试的方法获得待测样本在预设频率、预设角域范围内的RCS测量值。然后利用仿真计算的方法获得该待测样本在该预设频率、该预设角域范围内的RCS理论值。再然后确定该微波倍频测试系统的开环测量误差，最后根据该RCS测量值、该RCS理论值以及该开环测量误差，确定该微波倍频测试系统的非线性误差。由于该方法不需要引入具有波导端口的可调衰减器，因此测试成本低。

在该实施例中，预设频率可以是用户需要的任何频率，如40～110GHZ中的任一频率或频率范围。预设角域范围可以是用户需要的任何范围，如0～360°、90～110°等。

如图2所示，为本实施例提供的微波倍频测试系统的示意图。从图中可以看出，该系统包括发射链路、参考链路和接收链路。其中，发射链路包括依次连接的信号源、第一扩频模块以及发射天线；参考链路包括与第一扩频模块的耦合输出端连接的参考接收机；接收链路包括依次连接的接收天线、第二扩频模块以及测试接收机。此外，该测试系统还包括用于连接上述各设备的线缆等。

需要说明的是，本发明不对上述各设备的具体型号和规格做具体限定。例如，信号源可以是矢量网络分析仪等可以产生测试信号的设备；第一扩频模块和信号源之间的线缆、第二扩频模块和测试接收机之间的线缆可以是型号为DC-65GHz的同轴线缆；第一扩频模块和发射天线之间，以及第二扩频模块和接收天线之间可以采用波导连接。实际使用中，用户可以根据测试需要选用满足测试需求的设备和线缆。

此外，在一些实施方式中，信号源和第一扩频模块之间、第二扩频模块和测试接收机之间还可以连接有滤波器、功率放大器等设备，本发明不做具体限定。

在一些实施方式中，待测样本为非球体的标准体。

在一些实施方式中，待测样本为金属立方体。如此，在不同的测试角度下，可以产生不同的RCS值。当然，待测样本也可以是三棱柱等，本发明并不以此为限。

下面以一个具体实施例为例，详述各步骤的实现过程。在该实施例中，待测样本为200mm的金属立方体、预设频率为65GHZ、预设角域范围为90～100°。

在一些实施方式中，该微波倍频测试系统还包括设置于发射天线和接收天线之间的转台以及设置于转台上的用于支撑待测样本的支架；

步骤100包括：

步骤A1，将待测样本放置于支架上；

步骤A2，控制转台按照预设的角度间隔旋转，以使支架和待测样本跟随转台旋转；

步骤A3，响应于微波倍频测试系统中的各设备均预热完成，利用发射天线向待测样本发射预设频率的测试信号；

步骤A4，利用接收天线接收待测样本产生的回波信号，以获得待测样本在预设频率、预设角域范围内的RCS测量值。

针对步骤A1，将待测样本(即200mm的金属立方体)放置在支架的顶端，调节好立方体的摆放姿态，确保立方体顶面完全水平。此外，支架为泡沫支架，以减少对测试的电磁干扰。

针对步骤A2，预设的角度间隔为0.01°，也即使转台按照0.01°的步进角度旋转，以使立方体也按照0.01°的步进角度旋转。

针对步骤A3和A4，发射天线以65GHZ的频率向立方体发射测试信号，经接收天线接收回波信号后，得到立方体在90～100°角域范围内的RCS测量值，测量得到的RCS曲线如图3所示。

其中，90°为电磁波垂直入射立方体表面的位置，该位置测得的RCS值最大，该位置的散射峰记为主峰。随着转台的旋转，测试角度逐渐增大，测得的RCS值逐步降低，各散射峰记为副峰。从图3可以看出，在90～100°角域范围内存在多个散射峰。

在一些实施方式中，为了去除该微波倍频测试系统的标定误差，需要对该RCS测量值进行归一化处理。归一化处理后各散射峰的RCS曲线如图4和表1所示。

表1各散射峰的RCS测量值归一化统计表

接下来，针对步骤102，对待测样本进行电磁散射特性仿真计算，以获得待测样本在预设频率、预设角域范围内的RCS理论值。

该步骤中，仿真计算为本领域常用手段，此处不再赘述，仿真获得的RCS曲线如图5所示，图中，90°处为主峰，其它散射峰处为副峰。

同样地，在一些实施方式中，为了去除该微波倍频测试系统的标定误差，需要对仿真得到的RCS理论值进行归一化处理。归一化处理后各散射峰的RCS理论值如图6和表2所示。

表2各散射峰的RCS理论值归一化统计表

再然后，针对步骤104，确定微波倍频测试系统的开环测量误差，开环测量误差包括背景噪声误差。

在一些实施方式中，背景噪声误差是通过如下方式计算得到的：

确定多个测试频率，测试频率中的最大频率大于预设频率，且测试频率中的最小频率小于预设频率；

针对每个测试频率，均利用微波倍频测试系统对其背景进行电磁散射特性测试，获得该测试频率下的背景RCS值；

根据获得的多个背景RCS值的平均值和RCS测量值的信噪比，确定背景噪声误差。

在该实施例中，取多个小于预设频率的测试频率、预设频率以及多个大于预设频率的测试频率进行电磁散射特性测试，如此，计算结果更为准确。采用该方法获得的微波倍频测试系统的暗室背景的RCS测试曲线如图7所示，根据图7原始数据统计可得知，背景噪声的平均值为-58.15dBsm。

假定微波倍频测试系统有足够的动态范围接收待测样本及背景回波信号，则待测样本RCS测量的环境背景影响主要由待测样本回波与背景回波的比值确定，由于背景噪声产生的标准不确定度Δσ可表示为：

式中，ε_n为待测样本回波与背景回波的比值，即待测样本RCS值与背景噪声RCS值的比值。

本实施例中，对于200mmd立方体、65G测试频率来说，统计-5dBsm以上的峰值，能保证待测样本回波与背景回波有着较高的信噪比。

对于-5dBm²量级及以上的散射峰，其标准不确定度也不相同(按正态分布处理)，具体值如表3所示：

表3对于-5dBm²的散射峰，背景噪声影响的标准不确定度

序号	暗室背景(dBm<sup>2</sup>)	半宽度误差(dB)	标准不确定度(dB)
				1	-45	0.087	0.0435
2	-50	0.049	0.0245
				3	-55	0.028	0.014
4	-60	0.015	0.0075
				5	<-65	<0.01	<0.005

从上表可知，背景噪声均值为-58.15dBsm的情况下，背景噪声对待测样本各散射峰产生的影响小于0.014dB。

在一些实施方式中，开环测量误差还包括转台的定位精度误差导致的目标测量误差。

在该实施例中，转台的定位精度误差服从正态分布，可以按照95％置信区间确定其定位精度误差。其标准不确定度u_b按下式计算:

式中，a为转台精度的最大误差。

该实施例中，根据转台精度的检测报告，该转台精度的最大误差为0.055°。由于立方体为角度敏感目标，角度的定位误差可能造成统计测量峰值偏低。根据200mm立方体65GHZ的RCS仿真计算曲线(归一化后的曲线，即图6)可知，主峰(90°处)附近第一副峰处转台精度的最大误差为0.032°，产生的RCS量级误差如表4所示：

表4 200mm立方体副峰附近定位精度引入的误差

根据上表可以得知，转台的定位精度误差造成的测量误差为0.13dB。

在一些实施方式中，若待测样本的RCS散射量级大于微波倍频测试系统的设计量程；则开环测量误差还包括微波倍频测试系统的动态压缩误差。

这是由于当测量的目标散射量级超过系统可测量的范围时，接收机获取到的信号可能偏小导致数据失真，此时应当参照被测系统的设计量程进行计算，选择合适的立方体进行测量，避免立方体散射超过系统设计量程。该实施例详细计算了立方体的散射量级，未超过系统的设计量程，因此该项误差可忽略。

在一些实施方式中，若利用微波倍频测试系统对待测样本进行电磁散射特性测试的时间超过设定时间；则开环测量误差还包括微波倍频测试系统的不稳定漂移误差。

这是由于测试系统在长时间工作后环境温度会发生变化，输出信号也可能出现漂移，本实施例中立方体的RCS测试所需要的时间很短，在2min以内即可完成，因此，此项误差可以忽略。

综上分析可以，本发明实施例中，开环测量误差只包括背景噪声误差和转台定位精度误差，如表5所示。

表5 200mm立方体开环测量误差

最后，针对步骤106，根据RCS测量值、RCS理论值以及开环测量误差，确定微波倍频测试系统的非线性误差。

在一些实施方式中，预设角域范围内包括多个散射峰；

步骤106包括：

针对每个散射峰，均计算该散射峰对应的归一化后的RCS理论值与该散射峰对应的归一化后的RCS测量值的差值；

将计算出的多个差值中的最大差值与开环测量误差的差值确定为微波倍频测试系统的非线性误差。

在该步骤中，归一化后的RCS理论值与该散射峰对应的归一化后的RCS测量值的差值为系统的扩展非线性误差，计算结果如表6所示：

表6该微波倍频测试系统的扩展非线性误差

从上表可以看出，开环测量得到的测试系统的扩展非线性误差的最大值为0.64dB。

由于扩展非线性误差中叠加了开环测量误差，因此，用该扩展非线性误差的最大值(即0.64dB)减去开环测量误差(即0.144dB)，即可获得微波倍频测试系统的非线性误差(即0.496dB)。

需要说明的是，上述实施例只是为了让本领域技术人员更好地理解本方案。在其它实施方式中，用户可以根据测试需要选用其它的测试频率、测试角域范围、待测样本以及转台等，本申请并不以此为限。

需要说明的是，在本文中，诸如第一和第二之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个…”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同因素。

本领域普通技术人员可以理解：实现上述方法实施例的全部或部分步骤可以通过程序指令相关的硬件来完成，前述的程序可以存储在计算机可读取的存储介质中，该程序在执行时，执行包括上述方法实施例的步骤；而前述的存储介质包括：ROM、RAM、磁碟或者光盘等各种可以存储程序代码的介质中。

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，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。

Claims (10)

1.一种微波倍频测试系统的非线性误差的开环测量方法，其特征在于，包括：

利用所述微波倍频测试系统对待测样本进行电磁散射特性测试，以获得所述待测样本在预设频率、预设角域范围内的RCS测量值；

对所述待测样本进行电磁散射特性仿真计算，以获得所述待测样本在所述预设频率、所述预设角域范围内的RCS理论值；

确定所述微波倍频测试系统的开环测量误差，所述开环测量误差包括背景噪声误差；

根据所述RCS测量值、所述RCS理论值以及所述开环测量误差，确定所述微波倍频测试系统的非线性误差。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述微波倍频测试系统包括发射天线、接收天线、设置于所述发射天线和所述接收天线之间的转台以及设置于所述转台上的用于支撑所述待测样本的支架；

所述利用所述微波倍频测试系统对待测样本进行电磁散射特性测试，以获得所述待测样本在预设频率、预设角域范围内的RCS测量值，包括：

将所述待测样本放置于所述支架上；

控制所述转台按照预设的角度间隔旋转，以使所述支架和所述待测样本跟随所述转台旋转；

响应于所述微波倍频测试系统中的各设备均预热完成，利用所述发射天线向所述待测样本发射所述预设频率的测试信号；

利用所述接收天线接收所述待测样本产生的回波信号，以获得所述待测样本在所述预设频率、预设角域范围内的RCS测量值。

3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，所述开环测量误差还包括所述转台的定位精度误差导致的测量误差。

4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述背景噪声误差是通过如下方式计算得到的：

确定多个测试频率，所述测试频率中的最大频率大于所述预设频率，且所述测试频率中的最小频率小于所述预设频率；

针对每个所述测试频率，均利用所述微波倍频测试系统对其背景进行电磁散射特性测试，获得该测试频率下的背景RCS值；

根据获得的多个背景RCS值的平均值和所述RCS测量值的信噪比，确定所述背景噪声误差。

5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述待测样本的RCS散射量级大于所述微波倍频测试系统的设计量程；

所述开环测量误差还包括所述微波倍频测试系统的动态压缩误差。

6.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，利用所述微波倍频测试系统对所述待测样本进行电磁散射特性测试的时间超过设定时间；

所述开环测量误差还包括所述微波倍频测试系统的不稳定漂移误差。

7.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述待测样本为非球体的标准体。

8.根据权利要求7所述的方法，其特征在于，所述待测样本为金属立方体。

9.根据权利要求1-8任一项所述的方法，其特征在于，所述根据所述RCS测量值、所述RCS理论值以及所述开环测量误差，确定所述微波倍频测试系统的非线性误差之前，还包括：

对所述RCS测量值和所述RCS理论值进行归一化处理，以去除所述微波倍频测试系统的标定误差。

10.根据权利要求9所述的方法，其特征在于，所述预设角域范围内包括多个散射峰；

所述根据所述RCS测量值、所述RCS理论值以及所述开环测量误差，确定所述微波倍频测试系统的非线性误差，包括：

针对每个所述散射峰，均计算该散射峰对应的归一化后的RCS理论值与该散射峰对应的归一化后的RCS测量值的差值；

将计算出的多个所述差值中的最大差值与所述开环测量误差的差值确定为所述微波倍频测试系统的非线性误差。

Images