CN107086377B - 一种紧缩场暗室内馈源镜像波束的吸波反射阵控制装置 - Google Patents

一种紧缩场暗室内馈源镜像波束的吸波反射阵控制装置 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种紧缩场暗室馈源镜像波束的吸波反射阵控制装置，该装置主要由紧缩场反射面、馈源、微波暗室和镜像波束调控***组成。通过控制区域内各吸波材料单元的高度将出射波前对齐调整至某远离静区的方向，目的是抑制区域反射杂波对静区的干扰，如馈源镜像反射。该装置由工作频率、馈源高度、静区高度和菲涅耳波带数目等参数确定。本发明的低频镜像波束控制具有宽带可重构性，通过镜像区内反射单元高度的连续控制，实现了低频暗室的宽带工作。

Description

一种紧缩场暗室内馈源镜像波束的吸波反射阵控制装置
技术领域
本发明涉及紧缩场暗室内的吸波材料布局，特别涉及一种馈源镜像的吸波反射阵控制，其主要应用于紧缩场的低频段工作测试，用以提升低频段天线方向图或雷达目标RCS测试所需静区平面波场的性能。
背景技术
随着先进米波雷达和隐身武器的发展，反隐身与隐身技术在米波波段的对抗在加剧，米波雷达天线和隐身目标米波特性测试的需求日益迫切。传统的室外远场在米波测试方面存在难以克服的缺陷，如电磁频谱拥挤、地面镜像和多路径干扰。紧缩场技术在米波测试中虽有不可替代的重要作用，但同样受于试验空间的限制，馈源地面镜像干扰仍然存在，且与静区正常波程距离接近无法由距离门滤除。美国陆军在亚利桑那电子靶场装备的紧缩场(沙漠、远离闹市区的繁杂电磁环境)，2014年改造将馈源地面镜像反射区采用大面积挖坑80ft(宽)×80ft(长)×9ft(深)处理，控制反射波方向以免对反射面的干扰照射，最低工作频率达275MHz。地面整形改造措施为：地面轴线脊形处理，深挖待反射的镜面距离、增大地面镜像的入射角来控制镜面反射方向，降低地面反射能量对静区的干扰。该方案实施的土方(面积600m2)开挖量达1600m3，改造室外场地不失为不得已为之的解决之道。但对室内工作的紧缩场，若地面不平整影响工艺设备安装或日常维护，以及增加反射面和馈源地基整体化的难度和成本。这大大限制了馈源镜像干扰抑制技术的应用。
发明内容
本发明的目的在于：提出一种紧缩场暗室内馈源镜像波束的吸波反射阵控制技术，降低镜像对反射面的照射，可以对应调整单元高度工作于多个频段，不局限于某个特定频段。
本发明为了达到上述发明目的采用如下技术方案：
一种紧缩场暗室内馈源镜像波束的吸波反射阵控制装置，该紧缩场主要由反射面、馈源、微波暗室和镜像波束调控***组成，其中，
所述的馈源，是一种近似球面波辐射源，用于***最终在静区内形成远场平面波时提供初始球面波源；
所述的紧缩场反射面，是精密机械加工的曲面，通常中心实体部分为旋转抛物面或球面，边缘通常锯齿或卷曲处理，用以校正激励波前转换为所期望的波前，用于将激励源发出的电磁波反射后在较小距离内紧缩的在固定区域形成所需的远场平面波；
所述的微波暗室，是采用吸波材料和金属屏蔽体组成，用于吸收或控制入射到墙面、天棚、地面的电磁波；
所述的镜像波束调控***，是一种吸波材料单元高度可调的控制***，通过控制区域内各吸波材料单元的高度将出射波前对齐调整至某远离静区的方向，目的是抑制区域反射杂波对静区的干扰，如馈源镜像反射，且通过镜像区内反射单元高度的连续控制，可实现低频暗室的宽带工作。
其中，所述的紧缩场，在较低频段(如UHF或VHF波段)工作时镜像干扰较大，通过调整镜像区吸波材料各单元的高度，实现出射波前相位的控制以调控镜像波束，远离静区以降低干扰。
其中，调整吸波反射阵单元的高度以匹配工作于宽带，不局限于电动或手动控制实现，不局限于某个特定工作频段。
其中，所述的镜像波束控制***，调整吸波反射阵单元的高度以匹配工作于宽带，不局限于电动或手动控制实现，不局限于某个特定工作频段。
其中，所述的镜像波束控制***，吸波反射阵单元高度布局可在相对带宽±5％的窄带内调控波束，工作频率于带外时调整各单元高度，以保持最佳镜像波束调控性能。
其中，吸波反射阵布置区域的边界不与紧缩场主波束所在的电轴方向垂直，旋转45度以实现调控后镜像波束的更低副瓣对反射面的照射，且与周围区域的高度一致减少额外不连续导致的反射。
其中，吸波反射阵镜像波束控制***布置于临近馈源的暗室墙壁边界，不局限于紧缩场在暗室内的某特定布局结构，包括馈源位于地面、侧墙或天花板。
其中，吸波反射阵镜像波束控制***配合对应的紧缩场的反射面口面设计，不局限于反射面某特定的边缘形式，包括锯齿或卷曲处理。
其中，吸波反射阵镜像波束控制***配合对应的紧缩场的反射面***，不局限于反射面数目或类型，包括单反射面、双或多反射面。
本发明的原理如下：
本发明基于相控波束控制的原理，通过控制镜像区内入射和出射点高度以实现控制相位对齐到某方向，将紧缩场暗室在低频段工作时馈源镜像波束调整到远离直接照射紧缩场反射面的方向，降低了对静区主波束的干扰，提升了静区准平面波的幅相平坦度，有利于改善天线或RCS的测试精度。
镜像区内入射和出射点高度控制方程满足下式，
Figure BDA0001275965990000031
其中xi，yi为镜像区离散化的各反射点坐标，zi为待求反射点高度，hF为馈源高度，λ为工作波长。式(1)即为馈源在地面镜像区的球面波前相位延迟，经反射点高度的控制，使出射波的相位历史对齐于z轴方向。
首先，镜像区的可依据几何光学确定初始范围，再根据菲涅耳椭球理论，计算前5～10个椭球与暗室墙壁相交区域；
其次，将镜像区依据吸波单元规格离散化，根据***工作波长，其中离散化的空间间隔小于半波长，求解式(1)方程来确定各反射单元的高度zi；
再次，若***工作频率变化超过了±5％的相对带宽，重新求解式(1)，变更吸波单元的反射点高度，使得镜像反射波束重新对齐于z轴方向。
本发明与现有技术相比的优点在于：
(1)本发明提升了紧缩场低频镜像波束控制的工程可实现性，尤其对于大型或超大型紧缩场暗室***，克服了传统的过高架设馈源或深挖地面镜像区的工程复杂性。因为过度架高馈源意味增加目标架设高度，增加大型或超大型待测试验件的架设难度和试验风险。因为镜像区深挖3倍波长以控制镜像反射方向，增加了馈源和反射面地基整体化的难度，将增加暗室***施工的复杂度和制造成本。
(2)本发明的低频镜像波束控制具有宽带可重构性，通过镜像区内反射单元高度的连续控制，实现了低频暗室的宽带工作。
附图说明
图1是紧缩场暗室馈源镜像波束的吸波反射阵控制装置示意侧视图，其中，1为馈源，2为镜像馈源，3为镜像照射波束，4为吸波反射阵，5为静区波束，6为静区，7为镜像反射波束，8为吸波反射阵调控后的镜像反射波束，9为吸波材料，10为紧缩场反射面；
图2是紧缩场暗室馈源镜像波束的吸波反射阵控制装置示意俯视图；
图3是镜像波束的吸波反射阵高度控制与布局示意图；
图4是镜像波束的吸波反射阵局部单元特写示意图；
图5是镜像波束的吸波反射阵单元与高度控制示意图，其中，51为吸波角锥，52为调高基座；
图6是自由无界空间内某紧缩场的平面波角谱；
图7是有地面反射时的某紧缩场的平面波角谱；
图8是相控反射阵布局后的某紧缩场的平面波角谱；
图9是相控反射阵布局后的某紧缩场静区横截线的幅度和相位分布；
图10是相控反射阵布局后的某紧缩场静区纵截线的幅度和相位分布。
具体实施方式
下面结合附图以及具体实施例进一步说明本发明。
本发明的一个优选实施例：
如图1所示的紧缩场暗室馈源镜像波束的吸波反射阵控制装置示意图，包括馈源1，镜像馈源2，镜像照射波束3，吸波反射阵4，静区波束5，静区6，镜像反射波束7，吸波反射阵调控后的镜像反射波束8，吸波材料9和紧缩场反射面10。反射面尺寸：16.16m×12.385m，焦距14.4m，虚顶点抬高1.026m，反射面左右锯齿10个、上下边齿12个，左右边齿长度3.2m、上下边齿长度2.4m，馈源高度2.0m，静区距离反射面上沿的口面18.0m。工作频率300MHz，反射面的电尺寸约为12～16倍波长，边齿长度2～3倍波长，口径基本满足锯齿边缘处理的低频极限要求。采用多层快速多极子算法分析计算口径的近场辐射、地面镜像和吸波反射阵处理后的静区场分布。
假定馈源为发射点，静区下沿高度投影对应的反射面位置为接收点，以这两点作为椭球的两焦点，计算前5个菲涅耳半波带与地面的相交面，确定馈源与反射面之间的待吸波反射阵处理的地面镜像区如图1所示，其中4为吸波反射阵，宽约为10m，长约12m。
在镜像区布置吸波材料的布局如图3所示旋转45度的正方形，暗室地面对称轴与正方形对角线重合，如图2所示。该区域布置28×28单元的吸波材料阵，吸波角锥单元底座规格为0.3m×0.3m，如图4所示。为了宽带工作，单元高度调整机构的示意如图5所示，其中，51为吸波角锥，52为调高基座。
本示例规格的紧缩场工作频率为300MHz，在自由空间内平面波角谱如图6所示，沿z轴正向的波谱纯度，保证了较好的静区性能。当存在理想金属地面时，镜像反射形成对反射面的偏焦照射，导致平面波角谱开裂出现上仰的波谱分量，干扰静区正常波束，如图7所示。
如前所述将地面镜像区吸波反射阵各单元高度控制，调控镜像波束出射相位对齐于沿地面垂直方向，形成的平面波角谱如图8所示。其中静区中心场横截线和纵截线的幅度和相位分布，如图9、图10所示，静区指标达到了行业内的典型要求，纵截线静区指标虽稍差，但明显优于未布置地面镜像区吸波反射阵的紧缩场***。
本发明未详细阐述的部分属于本领域公知技术。

Claims (8)

1.一种紧缩场暗室内馈源镜像波束的吸波反射阵控制装置，其特征在于：该装置主要由紧缩场反射面、馈源、微波暗室和镜像波束调控***组成，其中，
所述的馈源，是一种近似球面波辐射源，用于***最终在静区内形成远场平面波时提供初始球面波源；
所述的紧缩场反射面，是精密机械加工的曲面，通常中心实体部分为旋转抛物面或球面，边缘通常锯齿或卷曲处理，用以校正激励波前转换为所期望的波前，用于将激励源发出的电磁波反射后在较小距离内紧缩的在固定区域形成所需的远场平面波；
所述的微波暗室，是采用吸波材料和金属屏蔽体组成，用于吸收或控制入射到墙面、天棚、地面的电磁波；
所述的镜像波束调控***，是一种吸波材料单元高度可调的控制***，通过控制区域内各吸波材料单元的高度将出射波前对齐调整至某远离静区的方向，目的是抑制区域反射杂波对静区的干扰，且通过镜像区内反射单元高度的连续控制，可实现低频暗室的宽带工作；
通过控制镜像区内入射和出射点高度以实现控制相位对齐到某方向，将紧缩场暗室在低频段工作时馈源镜像波束调整到远离直接照射紧缩场反射面的方向，降低了对静区主波束的干扰，提升了静区准平面波的幅相平坦度，有利于改善天线或RCS的测试精度；
镜像区内入射和出射点高度控制方程满足下式，
Figure FDA0002497650100000011
其中xi，yi为镜像区离散化的各反射点坐标，zi为待求反射点高度，hF为馈源高度，λ为工作波长，式(1)即为馈源在地面镜像区的球面波前相位延迟，经反射点高度的控制，使出射波的相位对齐于z轴方向；
首先，镜像区可依据几何光学确定初始范围，再根据菲涅耳椭球理论，计算前5～10个椭球与暗室墙壁相交区域；
其次，将镜像区依据吸波单元规格离散化，根据***工作波长，其中离散化的空间间隔小于半波长，求解式(1)方程来确定各反射单元的高度zi；
再次，若***工作频率变化超过了±5％的相对带宽，重新求解式(1)，变更吸波单元的反射点高度，使得镜像反射波束重新对齐于z轴方向。
2.如权利要求1所述的一种紧缩场暗室内馈源镜像波束的吸波反射阵控制装置，其特征在于：所述的紧缩场，在低频段工作时，通过调整馈源镜像区各吸波材料单元的高度，实现出射波前相位的控制以调控镜像波束，远离静区以降低干扰。
3.如权利要求1所述的一种紧缩场暗室内馈源镜像波束的吸波反射阵控制装置，其特征在于：所述的镜像波束调控***，调整吸波反射阵单元的高度以匹配工作于宽带，不局限于电动或手动控制实现，不局限于某个特定工作频段。
4.如权利要求1所述的一种紧缩场暗室内馈源镜像波束的吸波反射阵控制装置，其特征在于：所述的镜像波束调控***，吸波反射阵单元高度布局可在相对带宽±5％的窄带内调控波束，工作频率于带外时调整各单元高度，以保持最佳镜像波束调控性能。
5.如权利要求1所述的一种紧缩场暗室内馈源镜像波束的吸波反射阵控制装置，其特征在于：所述的镜像波束控制的吸波反射阵布置区域的边界不与紧缩场主波束所在的电轴方向垂直，旋转45度以实现调控后镜像波束的更低副瓣对反射面的照射，且与周围区域的高度一致减少额外不连续导致的反射。
6.如权利要求1所述的一种紧缩场暗室内馈源镜像波束的吸波反射阵控制装置，其特征在于：所述的镜像波束调控***布置于临近馈源的暗室墙壁边界，包括馈源位于地面、侧墙或天花板。
7.如权利要求1所述的一种紧缩场暗室内馈源镜像波束的吸波反射阵控制装置，其特征在于：所述的镜像波束调控***配合对应的紧缩场的反射面口面设计，包括锯齿或卷曲处理。
8.如权利要求1所述的一种紧缩场暗室内馈源镜像波束的吸波反射阵控制装置，其特征在于：所述的镜像波束调控***配合对应的紧缩场的反射面***，包括单反射面、双或多反射面。
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