CN202256192U - 雷达吸波材料反射率现场测量仪 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种雷达吸波材料反射率现场测量仪，包括信号源模块、接收机模块、信号分离模块、中频处理板、CPU模块和人机交互设备，所述信号源模块分别与接收机模块和信号分离模块相连，接收机模块分别与信号分离模块和中频处理板相连，CPU模块分别与接收机模块、中频处理板和人机交互设备相连，还包括波导天线，所述波导天线的同轴转换接头通过电缆连接所述信号源模块。本实用新型能够同时满足平面和曲面反射率的测量，测量范围扩大，测量误差较小，测量的准确性和精度提高，还能为操作者提供良好的视觉感受。

Description

雷达吸波材料反射率现场测量仪

技术领域

本实用新型涉及雷达吸波材料的性能检测领域，特别是涉及一种雷达吸波材料反射率现场测量仪。

背景技术

雷达吸波材料的性能测试对于雷达吸波材料的研究至关重要，也是雷达吸波材料的设计单位和制造单位渴望解决的问题之一，然而，现有的雷达吸波材料反射率现场测量仪存在以下不足：

1、现有测量仪只能对平面的反射率进行测量，但是大多数情况下，设计师或工艺师更关心的是在曲面上反射率的测量结果。

2、现有测量仪的测量频率只有C1、C2、X、Ku四个波段，测量范围受到限制。

3、现有测量仪未采用时域测量硬件配置，故测量的准确性较差，测量误差较大，测量精度较低，当测量结果在0～-5dB时，误差在1dB左右；当测量结果在-5～-14dB时，误差在3dB左右。

4、现有测量仪采用的显示器为单色液晶显示器，操作者的视觉感受较差。

实用新型内容

本实用新型的目的是为了克服上述背景技术的不足，提供一种雷达吸波材料反射率现场测量仪，能够同时满足平面和曲面反射率的测量，测量范围扩大，测量误差较小，测量的准确性和精度提高，还能为操作者提供良好的视觉感受。

本实用新型提供的雷达吸波材料反射率现场测量仪，包括信号源模块、接收机模块、信号分离模块、中频处理板、CPU模块和人机交互设备，所述信号源模块分别与接收机模块和信号分离模块相连，接收机模块分别与信号分离模块和中频处理板相连，CPU模块分别与接收机模块、中频处理板和人机交互设备相连，还包括波导天线，所述波导天线的同轴转换接头通过电缆连接所述信号源模块。

在上述技术方案中，所述波导天线为开口波导天线，所述开口波导天线包括两个平面波导法兰和波导腔，所述波导腔的截面呈梯形，位于两个平面波导法兰之间。

在上述技术方案中，所述波导天线还包括曲面波导法兰，曲面波导法兰通过螺栓与开口端的平面波导法兰连接。

在上述技术方案中，所述波导天线设有五只，频率范围分别为：S波段：2.6～4GHz；C1波段：4～6GHz：C2波段：6～8GHz；X波段：8～12GHz；Ku波段：12～18GHz。

在上述技术方案中，所述CPU模块包括接口控制单元、主控单元、数字中频处理单元和电源供给单元，主控单元分别与接口控制单元和数字中频处理单元相连，电源供给单元分别与接口控制单元、主控单元和数字中频处理单元相连。

在上述技术方案中，所述接口控制单元还与人机交互设备相连。

在上述技术方案中，所述人机交互设备为彩色薄膜场效应晶体管TFT液晶显示器和键盘。

与现有技术相比，本实用新型的优点在于：

1、本实用新型通过改变波导法兰外型的设计，而不改变波导腔和波导口的尺寸和形状，在不改变波导阻抗的前提下，创造性地解决了大曲率半径曲面反射率测量的难题，因此可以同时满足平面和大曲率半径曲面的反射率测量，更好地满足了工程应用的需要。

2、本实用新型的测量频率可达五个波段，即S、C1、C2、X、Ku波段，进一步拓宽了测量范围。

3、本实用新型的测量误差较小，当测量结果在0～-15dB时，均小于等于1dB，因此具有较高的测量精度；在设计时专门配置了时域测量功能硬件，有效的消除了杂波与多次反射的影响，进一步提高了测量的准确性和测量精度。

4、本实用新型采用彩色TFT液晶显示器，能够为操作者提供良好的视觉感受。

附图说明

图1为本实用新型实施例测量平板吸波材料反射率的结构示意图；

图2为本实用新型实施例测量曲面吸波材料反射率的结构示意图；

图3为波导天线的主视图；

图4为图3的俯视图；

图5为AV36211测量仪的结构框图。

图中：1-波导天线，2-同轴转换接头，3-平面波导法兰，4-波导腔，5-AV36211测量仪，6-电缆，7-平板吸波材料，8-曲面波导法兰，9-螺栓，10-曲面吸波材料。

具体实施方式

下面结合附图及实施例对本实用新型作进一步的详细描述。

参见图1和图2所示，本实用新型实施例提供的雷达吸波材料反射率现场测量仪，包括AV36211测量仪5和波导天线1，波导天线1的同轴转换接头2通过电缆6与AV36211测量仪5相连，波导天线1设有五只，频率范围分别为：S波段：2.6～4GHz；C1波段：4～6GHz：C2波段：6～8GHz；X波段：8～12GHz；Ku波段：12～18GHz。

参见图3和图4所示，波导天线1为开口波导天线，该开口波导天线包括两个平面波导法兰3和波导腔4，波导腔4的截面呈梯形，位于两个平面波导法兰3之间。

参见图1所示，测量平板吸波材料反射率时，将平板吸波材料7靠近开口端的平面波导法兰3；参见图2所示，波导天线1还可以包括曲面波导法兰8，曲面波导法兰8通过螺栓9与开口端的平面波导法兰3连接，测量曲面吸波材料反射率时，将曲面吸波材料10靠近曲面波导法兰8。

参见图5所示，AV36211测量仪5包括信号源模块、接收机模块、信号分离模块、中频处理板、CPU模块和人机交互设备，波导天线1的同轴转换接头2通过电缆6连接信号源模块，信号源模块分别与接收机模块和信号分离模块相连，接收机模块分别与信号分离模块和中频处理板相连，CPU模块分别与接收机模块、中频处理板和人机交互设备相连，接口控制单元还与人机交互设备相连。人机交互设备为彩色TFT(Thin Film Transistor，薄膜场效应晶体管)液晶显示器和键盘。CPU模块包括接口控制单元、主控单元、数字中频处理单元和电源供给单元，主控单元分别与接口控制单元和数字中频处理单元相连，电源供给单元分别与接口控制单元、主控单元和数字中频处理单元相连。

本实用新型实施例的设计原理如下：

AV36211测量仪5(即AV36211天线与传输线测试仪)采用宽带VCO频率合成技术，一次变频和全数字中频技术，在频率范围50MHz到18GHz内提供回波损耗、电压驻波比、电缆损耗等测试功能，测量快速，准确度高。手持式结构、电池供电、大容量机内存储器、支持USB扩展存储等特点，为现场工程师提供了随时随地测试解决方案，可满足外场测试的严格要求。AV36211天线与传输线测试仪所具备的射频信号收发功能为研制反射率测量仪提供了很好的设计平台，USB接口为外接计算机对采集的信号数据进行分析和处理也提供了良好地设计条件，这些都为反射率现场测量仪的再设计开发奠定了良好地基础。

本实用新型实施例主要由三大部分组成：

(1)第一部分是AV36211天线与传输线测试仪，包括信号源模块、接收机模块、信号分离模块、中频处理板、CPU模块、键盘和显示器，各模块的主要功能与作用如下：

a、信号源模块

信号源模块为测量被测件的网络特性提供激励信号，其频率直接决定整机频率范围。信号分五个频段产生，共同覆盖50GHz～18GHz频率范围。系统锁相环路控制VOC产生的5.0GHz～10GH微波信号，并通过系统锁相电路与时钟参考保持同步。5.0GHz～10GH的波段4激励信号由VCO锁相后直接产生，10GHz～18波段5微波信号由VCO锁相后信号进行倍频产生，VCO锁相后产生的5.0GHz～10GH信号经二分频后获得2.5GHz～5.0GHz的波段3激励信号，二分频后的2.5GHz～5.0GHz信号再经二分频后获得1.25GHz～2.5GHz的波段2信号，二分频后的2.50GHz～3.75GHz与固定的2.5GHz点频信号进行混频产生0.05GHz～1.25GHz的波段1信号，五个波段信号在波段开关处汇集一起共同构成50MHz～18GHz的频率覆盖范围。

信号源模块产生50MHz～18GHz的激励信号，经不等功分器分为两路，一路作为参考信号送入R混频器表征入射信号，另一路经定向耦合器加到被测件作为被测件的激励信号，定向耦合器将被测件反射波分离出来送入A混频器。

b、信号分离模块

信号分离模块用于分离被测件的入射信号R和反射信号A，本振信号源部分同步产生60.7MHz～18.0107GHz的本振信号，并同时与被测件的入射信号和反射信号混频产生10.7MHz的中频信号。信号分离模块采用小型化定向耦合器技术实现被测件的入射信号与反射信号的分离，信号分离模块由于在测试前端，其频率范围、方向性等性能指标直接决定了整机的性能指标。

c、接收机模块

AV36211天线与传输线测试仪的接收机模块包括两部分功能电路：一部分是与信号模块类似方案的60.7MHz～18010.7MHz的本振信号源产生电路，另一部分是混频电路单元，AV36211采用了基波混频接收机方案，并借鉴了软件无线电思想。50MHz～18GHz的入射信号和反射信号在混频电路单元与60.7MHz～18010.7MHz的本振信号进行基波混频，产生10.7MHz的中频信号，送往中频处理板进行调理与数字变换。

d、中频处理板

中频处理板对中频信号进行有效的调理并进行A/D变换成数字信号，数字中频处理和控制部分负责将数字中频进行数字检波、数字滤波、比值运算提取出被测件的幅度信息和相位信息、校准与误差修正、格式变换等并实现对整机的控制；本振信号源产生与激励信号源同步的频差固定的本振信号，进入R混频器和A混频器与50MHz～18000MHz的信号进行基波混频，输出中频信号。由于采用系统锁相技术，激励信号源和本振信号源共用时基，因此被测网络的幅度信息和相位信息被保留在中频信号中。

10.7MHz的中频信号经过放大滤波和A/D数字化，转换为数字化中频，FPGA对数字中频进行I/Q分解和滤波，提取被测网络的幅度信息和相位信息，发送给CPU模块。

e、CPU模块

CPU模块在AV36211天线与传输线测试仪中起核心作用，CPU模块由FPGA、ARM高性能嵌入式计算机模块、RAM、FLASH、外设、电源模块等部分组成。FPGA负责完成数字中频信号处理，主要包括I/Q分解、数字滤波等，分解出信号实部和虚部；ARM高性能嵌入式计算机模块完成信号的比值运算、误差修正、频时域变换、系统控制等作用，是系统的大脑；实时时钟、温度传感器、USB接口、液晶控制器等各种外设完善了系统功能，优化了人机界面；电源模块为整机提供各种类型的电源。CPU经过比值运算、误差修正求出被测网络的S参数，最后把测试结果以图形或数据的形式显示在液晶屏幕上。

f、其它模块

彩色TFT液晶和键盘模块。彩色TFT液晶为用户提供了良好的视觉感受，键盘模块接收并处理用户输入的指令。

在上述五个模块中，前四个模块为主要模块，f模块为辅助模块。

(2)第二部分是测试电缆与测试天线。

测试电缆采用进口同轴、低损耗电缆，其插入损耗：长度损耗：1dB/米；两端口损耗合计：1.5dB(18GHz处，低频会优于此指标)。低插入损耗可以良好地满足测量的要求，该损耗可以通过系统校准的方式消除。

测试天线采用根据电磁场理论设计的波导天线，该波导天线的波阻抗与平面波阻抗基本相当，可以满足雷达吸波材料现场测量的精度和重复性要求。根据主流雷达吸波材料频响的需要，每组波导天线有五只，其频响范围分别为：S波段：2.6～4GHz；C1波段：4～6GHz：C2波段：6～8GHz；X波段：8～12GHz；Ku波段：12～18GHz。

(3)第三部分是系统测试与控制软件。

该系统测试与控制软件支持windows2000和windowsXP操作系统，具有曲线调用，曲线采集、曲线上传、以不同的格式将曲线保存到PC机、不同窗口间曲线拖动和比较、曲线放大和打印曲线的功能。

本实用新型实施例利用开口波导的一端口反射特性测量与校准技术，通过波导终端不同匹配状态的反射特性相对比较，获得吸波材料的反射率。为此，比较测试前，需要先对测量系统进行一端口校准，然后分别对端口覆盖金属与吸波材料的状态进行反射特性测量，吸波材料状态的反射功率Px与金属状态的反射功率Pj比较，即可得到材料板的反射率，计算公式如下：

$\mathrm{\Γ}=10\×\mathrm{LOG}\left(\frac{P_x}{P_j}\right)$

上式中：Γ为吸波材料反射率，单位为dB；Px为吸波材料表面的反射功率(吸波材料下衬金属)，单位为mW；Pj为同曲率金属表面的反射功率，单位为mW。

本实用新型实施例中的测试电缆要求能稳幅稳相，以便满足现场动态测试过程中的幅相信号稳定采集要求。为此，需设计专门用于反射率测试系统的精密微波低损耗稳幅稳相电缆，以满足吸波材料反射率现场测试的精度要求。

本实用新型实施例中的测试用天线采用可满足现场大曲率半径表面接触式测量需要的波导型开口喇叭设计，在设计时同时考虑天线既要满足信号的辐射要求，又要满足天线口面与被测材料面有好的接触。在设计时，天线的参数要满足驻波小，增益较高的要求，以达到大曲率半径平面检测和良好的测量数据重复性要求。

本实用新型实施例采用VC/VB语言编写系统测试与控制程序。该程序将充分考虑与AV36211天线与传输线测试仪自带程序的兼容，实现对AV36211天线与传输线测试仪的控制，通过USB接口与计算机连接后，实现计算机与AV36211天线与传输线测试仪间的数据交换及数据的处理、存储与显示。

由于波导口面辐射的TE10模式的电磁波，与自由空间传输的TEM波存在电磁场分布的不一致性，只有当材料是均匀各向同性时，这两种波的反射特性测量结果才会一致，存在不均匀时，就会因场矢量方向的不一致，造成测试差异。为了减小波导法与远场法测试两者的测试误差，在设计时主要考虑通过改变天线测试方向和增加测试次数的方法来解决，即通过旋转改变天线方向进行测试，取多组(至少3组)数据平均，尽可能消除方向性带来的误差。

本实用新型实施例可以实现现场快速对雷达吸波涂层进行电性能检测，具有同步显示检测结果，并具有数据存储和交换功能的仪器。通过随机提供的USB接口还可实现与外部计算机的连接，方便对所采集的数据进行分析与处理。该仪器可以满足雷达吸波涂层反射率的现场检测，并具有便于携带、使用方便、测试快捷的特点。

本实用新型实施例的技术指标要求如下：

1、反射率测试范围：-30dB～0dB；

2、测试频率范围：3.8GHz～18GHz；

3、测试方式：扫频，步长：10MHz；

4、输出功率：-10dBmW；

5、测量精度：当测量结果在0～-15dB时，均小于等于1dB。

本实用新型实施例的主要设计参数如下：

1、频率范围：50MHz～18GHz。

2、显示通道和参数：

可提供两个选择通道：通道1和通道2，两个通道可同时显示，也可分开显示。每一个通道可分别设置其测量参数。

3、光标功能：

为每一个通道提供四个独立的光标，可显示光标所在位置的参数，每一个光标都有两种模式，一种是普通模式，一种是Δ模式：

a)普通模式：通过光标可读出并显示测量曲线的值，还具有光标搜寻功能，使用此功能可以使测量仪在测量曲线上自动进行最大值或最小值的搜寻。

b)Δ模式：可以读出当前光标与参考光标的差值，任一光标都可以作为参考光标。

4、测量点数：

扫频测量点数最多为1001点，可在11点～1001点以内任意设置。

5、数据输出：

提供USB A型接口，可连接USB盘做外部存储器；提供USB B型接口，可通过随机配备的USB电缆连接PC机，通过PC机软件将测试数据下载到PC机中。

6、频率准确度：

初始频率误差：±2×10-6(23℃)

温度稳定性：±1×10-6/10℃(相对于23℃)

7、频率分辨率：1kHz。

8、端口输出功率：-15dBm～-5dBm。

9、测量速度参见下表：

完成一次完整的测量所需时间表

10、天线参数：驻波比：＜2；增益：＞3dB。

11、转换接头：N-50K。

12、低损耗电缆：

长度：0.8m；驻波比：1.25∶1；插入损耗：长度损耗：1dB/米；两端口损耗合计：1.5dB(18GHz处，低频会优于此指标)。

13、高亮度TFT彩色液晶显示。

14、电源：直流供电或内置可充电电池组供电，或采用交流电源通过电源适配器供电，交流电源：110(1±10％)或220V(1±10％)，50Hz(1±5％)；直流电源：电压：12V～18V(不安装电池)，16V～18V(安装电池)，电流：2A(最小)。内置电池组：标称电压：10.8V；标称容量：7200mAH；工作时间：约3h；充电时间：约3h；最大功耗：25W(不包括对电池充电)。

15、外形尺寸：215mm(高)×290mm(宽)×78mm(深)。

16、重量(AV36211测量仪)：＜3.5kg。

17、损毁电平：27dBm or 25VDC。

18、工作温度范围：-10℃～50℃。

19、储存温度范围：-40～70℃。

本实用新型实施例具有体积小、重量轻、用户界面友好、测试精度高等特点，可以满足吸波涂层材料电性能现场检测的需要。此外，还可应用到天线、传输线、电缆等微波网络的驻波比、回波损耗、插入损耗、阻抗等参数的快速准确测量，具有DTF功能，可方便的测量馈线、电缆中的阻抗不连续点，具有外部电源和内部可充电电池两种供电模式。系统软件自动对反射率现场测量仪采集的数据进行处理，并将处理后的数据以曲线的形式在屏幕上显示，也可将上述数据通过USB接口导出到计算机上进行数据分析、处理或显示。

显然，本领域的技术人员可以对本实用新型进行各种改动和变型而不脱离本实用新型的精神和范围。这样，倘若本实用新型的这些修改和变型属于本实用新型权利要求及其等同技术的范围之内，则本实用新型也意图包含这些改动和变型在内。

本说明书中未作详细描述的内容属于本领域专业技术人员公知的现有技术。

Claims (7)

1.一种雷达吸波材料反射率现场测量仪，包括信号源模块、接收机模块、信号分离模块、中频处理板、CPU模块和人机交互设备，所述信号源模块分别与接收机模块和信号分离模块相连，接收机模块分别与信号分离模块和中频处理板相连，CPU模块分别与接收机模块、中频处理板和人机交互设备相连，其特征在于：还包括波导天线，所述波导天线的同轴转换接头通过电缆连接所述信号源模块。

2.如权利要求1所述的雷达吸波材料反射率现场测量仪，其特征在于：所述波导天线为开口波导天线，所述开口波导天线包括两个平面波导法兰和波导腔，所述波导腔的截面呈梯形，位于两个平面波导法兰之间。

3.如权利要求2所述的雷达吸波材料反射率现场测量仪，其特征在于：所述波导天线还包括曲面波导法兰，曲面波导法兰通过螺栓与开口端的平面波导法兰连接。

4.如权利要求1所述的雷达吸波材料反射率现场测量仪，其特征在于：所述波导天线设有五只，频率范围分别为：S波段：2.6～4GHz；C1波段：4～6GHz：C2波段：6～8GHz；X波段：8～12GHz；Ku波段：12～18GHz。

5.如权利要求1所述的雷达吸波材料反射率现场测量仪，其特征在于：所述CPU模块包括接口控制单元、主控单元、数字中频处理单元和电源供给单元，主控单元分别与接口控制单元和数字中频处理单元相连，电源供给单元分别与接口控制单元、主控单元和数字中频处理单元相连。

6.如权利要求5所述的雷达吸波材料反射率现场测量仪，其特征在于：所述接口控制单元还与人机交互设备相连。

7.如权利要求1至6任一项权利要求所述的雷达吸波材料反射率现场测量仪，其特征在于：所述人机交互设备为彩色薄膜场效应晶体管TFT液晶显示器和键盘。

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