Применение генераторов плоского поля типа GTEM-камер для радиолокационных измерений

Андрей Смирнов, руководитель направления ЭМС и радиоизмерений АО «НПФ «Диполь», д. т. н.
smirnov@dipaul.ru

Статья посвящена методу измерений эффективной площади рассеяния (ЭПР) объектов с использованием GTEM-камер, который основан на принципах косвенных расчетов напряженности поля излучаемых помех в GTEM-камерах, широко используемых при тестировании электромагнитной совместимости (ЭМС). Сочетание возможностей GTEM-камер для тестирования устойчивости к излучению и для измерений эмиссии излучаемых помех позволяет, определяя S-параметры камеры с размещенным объектом, проводить оценку ЭПР данного объекта без применения мер ЭПР, что трактуется как абсолютный метод измерений. Преимущество предложенного подхода заключается в возможности измерений ЭПР в диапазоне частот существенно ниже 0,5-1 ГГц, что недоступно традиционными средствами измерений. Проведенные экспериментальные измерения на сферических отражателях показали чрезвычайную близость полученных результатов к теоретическим оценкам.

Измерения эффективной площади рассеяния относятся к области радиотехнических измерений и связаны с оцениванием амплитудных характеристик электромагнитного поля. Используемые для таких целей радиолокационные измерительные комплексы (РИК) как открытого, так и закрытого типа фактически имитируют работу радара и применяют метод измерений замещением или сравнением с мерой. Для градировки измерительного тракта применяются входящие в состав РИК комплекты мер ЭПР, что позволяет исключить влияние многих источников погрешностей и необходимость учета многих звеньев измерительного тракта. Несмотря на историческую продолжительность радиолокационных измерений, развитие и появление новых типов РИК, рабочий частотный диапазон реализованных измерений ограничен снизу частотой порядка 0,5–1 ГГц. Между тем, ожидаемые преимущества радиолокационных обнаружителей более низкого частотного диапазона заставляют искать пути получения экспериментальных оценок ЭПР для заданного частотного диапазона. Однако попытки реализовать данные измерительные задачи традиционными способами сталкиваются с проблемами как инструментального, так и методического характера. Вот некоторые из них:

• сложности с созданием РИК традиционной конфигурации для метровых длин волн (в основном из-за крупных полеобразующих систем);
• существенный рост погрешности градуировки трактов РИК из-за значительного уровня фоновых отражений в низкочастотном диапазоне;
• относительно низкая частота измерений в традиционных РИК ограничивает возможности пространственной селекции полезных сигналов, использующей широкополосные сигналы (ЛЧМ, импульсные или частотно-синтезированные);
• возрастание погрешности оценок действительных значений в низкочастотном диапазоне, являющемся для типовых размеров мер резонансной или рэлеевской областью.

На основе вышесказанного можно уверенно заключить, что развитие альтернативных методов измерений ЭПР и технических средств для их реализации в низкочастотном диапазоне хотя бы для ограниченных по габаритам объектов представляет актуальный практический интерес.

Примечательно то, что минимально необходимый частотный диапазон в испытаниях ЭМС сегодня востребован для радиолокационных измерений

Обоснование метода измерений и результаты опробования

Одним из вероятных направлений данного развития являются следующие пути:

• переход от существующих методов измерений ЭПР к абсолютным методам, свободным от применения мер ЭПР и использующим принцип измерений на основе классического уравнения радиолокации либо формализованного теоретического определения ЭПР;
• анализ возможности и применение современных косвенных методик измерений характеристик электромагнитных полей, порождаемых объектами испытаний, реализованных в смежных областях электродинамики.

В упрощенном виде оценивание ЭПР на основе уравнения радиолокации может быть выполнено согласно выражению:

где σ — ЭПР объекта; Ρ_пад — входная мощность излучающей антенны; Ρ_рас — выходная мощность приемной антенны; R — расстояние до объекта измерений; G — коэффициент усиления излучающей антенны; А — эффективная площадь приемной антенны.

Анализ (1) показал, что для измерений ЭПР необходим учет многих составляющих измерительного тракта. Реализация методики нуждается в оценке действительных характеристик элементов тракта, а также их стабильности по времени и по динамическому диапазону измерений. В результате ожидаемое значение погрешности становится достаточно высоким даже для простейшего варианта уравнения (1). Кроме того, не исчезают технические проблемы по созданию падающего и регистрации рассеянного поля, характерные для низкочастотного диапазона. Поэтому подобная методика не может быть реализована с учетом предъявляемых требований по погрешности и динамическому диапазону.

Формализованное теоретическое определение ЭПР включает значения падающего и рассеянного поля и выражается формулой [1]:

где Ε_пад — напряженность падающего поля непосредственно у объекта; Ε_рас — напряженность рассеянного поля на R расстоянии от объекта измерений.

Стремление к бесконечности расстояния R необходимо для независимости величины ЭПР от расстояния. В реальности достаточно выбрать R, начиная с которого напряженность Ε_рас от расстояния имеет характер обратно пропорциональной зависимости, а падающее электромагнитное поле подобно плоской волне.

Реализация методики измерений ЭПР по формуле (2) включала бы два измерения напряженности поля и означала реализацию измерений физической величины (в данном случае ЭПР) по ее определению. Первое измерение было бы оценкой падающего поля, второе — оценкой рассеянного поля. Впрочем, данный подход не нашел распространения по следующим причинам:

• трудности одновременного или синхронизованного измерения двух значений напряженности поля в разнесенных точках пространства в широком динамическом диапазоне;
• влияние фоновых сигналов на измерение напряженности рассеянного поля;
• необходимость разделения падающего и рассеянного поля;
• нестабильность трассы распространения и характеристик измерительного тракта;
• необходимость точного значения действительных значений характеристик тракта;
• выделение рассеянного поля на фоне помеховых сигналов;
• низкое значение абсолютного значения рассеянного поля.

Между тем указанные измерительные задачи по оценке значений напряженности поля из формулы (2) весьма похожи на задачи из области тестирования характеристик электромагнитной совместимости (ЭМС) относительно излучаемых помех. Так, задача создания падающего поля и контроля его характеристик идентична задаче тестирования устойчивости к излучаемым помехам. А измерение напряженности рассеянного поля подобно измерению эмиссии излучаемых помех. При этом, хотя в области ЭМС данные задачи разнесены по времени или пространству, описанные проблемы генерирования и измерений характеристик электромагнитных полей, обусловленные низким частотным диапазоном, наблюдаются здесь точно так же. Примечательна схожесть тенденций развития радиолокационных измерительных комплексов и измерительно-испытательных систем ЭМС. Как и в радиолокационных измерениях, так и в области оценки характеристик ЭМС проявились как минимум два этапа развития средств измерений. Если первый из них основывался на измерениях на открытых площадках или на открытых радиолокационных полигонах (рис. 1), то второй этап характеризуются переходом в закрытые полигоны, размещаемые в безэховых камерах (рис.2). В каждой из областей можно выделить и третий этап, общим для которого является внедрение методов моделирования и методик измерений на основании преобразования данных первичных измерений в финальные характеристики.

С точки зрения использования методического аппарата испытаний ЭМС применительно к радиолокационным измерениям примечательно то, что минимально необходимый частотный диапазон в испытаниях ЭМС сегодня востребован для радиолокационных измерений. В частности, наиболее интенсивно измерение эмиссии излучаемых помех выполняется в диапазоне 30–1000 МГц, а тестирование устойчивости — в пределах 80–1000 МГц. В то же время существующие измерительные комплексы позволяют проводить измерения ЭПР в частотном диапазоне выше 0,5–1 ГГц. Поскольку измерение ЭПР, как известно, предполагает одновременное облучение полем и измерение напряженности поля, то среди инструментальных средств предпочтительны универсальные технические средства из области ЭМС, обеспечивающие тестирование как по эмиссии, так и по устойчивости относительно излучаемых помех.

В связи с этим целесообразно обратить внимание на полеобразующие структуры типа GTEM-камер и связанные с ними методики тестирования устойчивости и измерений эмиссии излучаемых помех [2]. По сути, GTEM-камера — это полосковая структура переменного поперечного сечения с согласованной нагрузкой на одной стороне. Центральный проводник (так называемый septum) представляет собой плоскую панель, несколько смещенную в сторону от оси камеры для увеличения рабочего объема. Основные характеристики GTEM-камер:

• частотный диапазон (полный и рабочий);
• допустимые габаритные размеры объекта испытаний.

Полный частотный диапазон GTEM-камеры как полосковой структуры широк и занимает частоты практически от 0 Гц до 18–20 ГГц (по данным производителей TESEQ, ETS Lindgren и т. д.). Рабочий частотный диапазон имеет более узкий интервал за счет уменьшенной верхней рабочей частоты, ограниченной допустимым КСВН или вариациями поля в рабочем объеме.

Изначально GTEM-камеры использовались как генераторы электромагнитного поля при тестировании устойчивости к излучаемым помехам. Размеры рабочего объема (габаритные размеры объекта испытаний), определяемые положением центрального проводника, составляют 1/3 от высоты центрального проводника. При этом напряженность падающего поля в середине рабочего объема оценивается на основе входного напряжения и высоты центрального проводника d:

В то же время замкнутый характер пространства камеры обусловливает дополнительную возможность оценки эмиссии излучаемых помех путем косвенных измерений [2]. В частности, если максимальные габаритные размеры объектов испытаний не превышают длины волны, модель объекта в виде случайно ориентированного вибратора адекватна реальному объекту испытаний. В настоящее время на основе этого предположения разработана методика измерений эмиссии излучаемых помех в диапазоне частот до 1 ГГц, нашедшая отражение в [2]. Поскольку целью измерений эмиссии излучаемых помех становится оценка максимально возможной напряженности поля помех на заданном расстоянии, то знание полной излученной мощности позволяет провести подобную оценку. Согласно [2] такая оценка выполняется по результатам измерений выходных напряжений GTEM-камеры при трех ортогональных положениях размещенного внутри GTEM-камеры объекта испытаний. Затем полная излученная мощность используется для оценки напряженности поля помех на выбранном расстоянии. В целом расчетные соотношения могут быть объединены в одну формулу, связывающую непосредственно выходное напряжение GTEM-камеры (среднеквадратическое значение трех компонент) и напряженность создаваемого поля помех на заданном расстоянии. Тогда итоговая формула для напряженности поля помех описывается выражением:

где Ε_изл — напряженность поля помех; R — измерительное расстояние; η — волновое сопротивления свободного пространства, 120π Ом; κ = 2π/λ — волновое число, λ — длина волны; e_n — градировочный коэффициент GTEM-камеры в режиме генерации поля в рабочей зоне и связывающий входную мощность P_вх и напряженность падающего поля Ε_пад ; ; Z_c — волновое сопротивление линии, номинально 50 Ом; d — расстояние между проводниками в GTEM-камере в сечении рабочего объема; — модуль выходного напряжения по результатам измерений выходных напряжений для трех ортогональных положений (X, Y, Z) объекта испытаний.

Таким образом, если внутри камеры разместить объект и на вход камеры подать некоторое входное напряжение U_вх, создающее падающее поле Ε_пад, то возникшее выходное напряжение GTEM-камеры U_вых, являющееся результатом Ε_пад, позволит рассчитать напряженность поля Ε_изл, созданного объектом на расстоянии R. Поскольку напряжения U_вх и U_вых измеряются в одном сечении GTEM-камеры, можно выразить их отношение в терминах S-параметров. При измерениях ЭПР наиболее часто измеряются ЭПР на согласованных поляризациях. При традиционном положении объекта облучающее поле является вертикально поляризованным. Следовательно, в рассеянном сигнале также интерес представляет единственная вертикальная компонента. Поэтому формально полагая, что:

и подставляя вместе с Ε_пад в (1), получаем выражение для оценки ЭПР при единственном положении объекта внутри GTEM-камеры:

или приводим к следующему окончательному выражению для ЭПР в терминах S-параметров:

Полученное выражение (7) отражает принцип разработанного абсолютного метода измерений ЭПР с учетом ограничений и условий применимости [2]. Развитая на его основе методика измерений не требует использования мер ЭПР.

Результаты экспериментов

Для опробования методики и проверки заложенного принципа были проведены экспериментальные измерения ЭПР металлических сфер диаметрами 81 и 112 мм (рис. 3). Измерительная установка представляла совокупность векторного анализатора цепей Keysight и GTEM-камеры TESEQ (тип GTEM 250, высота проводника 250 см) (рис. 4).

Процедура измерений не отличалась от традиционной для подобных измерений и включала для каждого объекта:

• последовательные измерения частотной зависимости отраженного собственного фонового сигнала и сигнала объекта с фоном;
• последующее векторное вычитание фонового сигнала;
• преобразование частотной зависимости во временную область;
• анализ наблюдаемой импульсной характеристики и временное стробирование полезного сигнала;
• обратное преобразование в частотную область и анализ результатов частотной зависимости S11 для «чистого» полезного сигнала.

На рис. 5 показаны измерения импульсных характеристик сфер с ярко выраженными откликами сфер и некомпенсированным фоновым сигналом, обусловленным затенением объектом части задней стенки GTEM-камеры.

На рис. 6 представлены завершающие результаты измерений ЭПР металлических сфер в широкой полосе частот.

Наблюдается значительное совпадение с теоретическими результатами в диапазоне до 1–1,5 ГГц, что соответствует ограничениям в [1]. При этом близость к теории более характерна для сферы меньшего диаметра, что, опять же, соответствует [1] в части соотношения габаритного размера объекта и высоты центрального проводника (25 см для GTEM250). Более того, для сферы меньшего диаметра характерно большое совпадение в диапазоне частот до 2 ГГц, что выходит за рамки стандартизованного частотного диапазона измерений.

Заключение

Подводя итог теоретическим рассуждениям и практическому исследованию, можно констатировать следующее.

Предложенный абсолютный метод измерений позволяет измерять ЭПР без применения мер ЭПР.

Метод и связанная с ним методика позволяют проводить измерения ЭПР простейших тел в диапазоне частот до 1 ГГц и несколько выше с приемлемой погрешностью.

В перспективе с помощью разработанного метода предполагается получать экспериментальные данные о действительных значения мер ЭПР в рэлеевской и резонансной области тел простейших форм непрерывно по частотному диапазону. Возможность получения точных результатов измерений ЭПР калибровочных отражателей позволит получить нормированные данные об ЭПР в качестве стандартных справочных сведений для частотного диапазона рэлеевской и резонансной области.