使用手持式矢量網絡分析儀測量雷達散射截面

圖1 雷達散射界面的基本概念

雷達方程
圖2 為典型的雷達方程描述，發射信號功率Pt通過增益為Gt的發射天線，并通過空間的衰減（距離為R）后，遇到目標并將部分信號功率（反射信號與入射信號的功率比為目標的雷達散射截面）反射回雷達接收天線，同樣經過空間衰減，通過增益為Gr的接收天線得到功率為Pr，Pr與以上這些參數的關系在圖3方程中表示。

圖2 典型雷達方程，

這里發射和接收天線分開了一個β角，單站雷達的發射和接收天線處于同一位置（β=0），目標與雷達的距離為R，信號的極化與發射和接收天線的極化相關

圖3 雷達散射界面測量框圖

Pt＝雷達發射功率
Pr＝雷達接收功率
Gt＝雷達發射天線增益
Gr＝雷達接收天線增益
Gσ＝目標雷達散射截面等效增益
Ae＝雷達接收天線有效面積（m2）
R＝目標距離
λ＝信號波長
＝目標雷達散射截面積（m2），（定義為，其中k 為常數）
這里雷達散射截面積可以通過

這里k是常數

由以上方程得出，只要測得，我們即可以推導得到目標雷達散射截面積，如果我們將發射天線和接收天線分別接在矢量網絡分析儀的測量端口1 和端口2，那么測量等同于S21 測量，而由于k 是常數與被測目標無關，因此我們只要對標準球進行校準測量即可以得到在測量條件下（測量距離和測量頻率）的k 值。矢量網絡分析儀一般采用頻率掃描測量，在此測量模式下我們可以通過傅立葉反變換得到時域（距離域）測量結果（類似于脈沖雷達），通過將不是目標（不同的距離）的反射響應濾除的方法，可以提高測量準確度。

矢量網絡分析儀測量雷達散射截面
矢量網絡分析儀以圖5所示方式以頻率掃描測量S參數。掃描的頻率范圍以相應的雷達頻率范圍為參考，圖5中采用WR-90波導在X波段（8.2－12.4GHz）進行測量。

圖5，MS2028C使用波導天線進行散射界面測量

圖6為矢量網絡分析儀測量雷達散射截面的典型連接框圖。發射天線和接收天線分別接在矢量網絡分析儀的兩個測量端口上。一般來說這兩個天線應處于同一平面上（相對于被測目標來說），并相互貼近。如果需要考慮極化影響，無論發射天線和接收天線應該可以單獨或同時90度旋轉（如圖5中波導天線的E面和H面旋轉）。被測目標應置于低反射的支架上或者單獨在空中（航線上）。為了濾除其他位置的物體反射造成的測量誤差，我們可以采用頻率掃描測量并進行傅立葉反變換得到時域（距離域）測量曲線，使用時域濾波運算（時域門功能）將不屬于被測目標的反射濾除，然后，將濾波后的結果再進行傅立葉變換轉為頻率域顯示。但是由于矢量網絡分析儀采用離散頻率點掃描方式，因此，傅立葉反變換會有距離折疊現象（即在一定距離后，前面位置的響應重復出現），出現折疊的時間（距離）與頻率掃描測量的關系是：ta=(N-1)/(頻率掃寬)，這里N是頻率掃描點數。因此，測量距離R一般應小于ta×C/2，此處除2是因為信號傳播路徑是在測量距離上的來回。

圖6 矢量網絡分析儀測試雷達散射界面框圖

天線系統的校準
根據前面的描述，我們對雷達散射截面的測量可以歸于矢量網絡分析儀的S21測量，而矢量網絡分析儀的端口校準（圖6中的矢網校準面），可以認為是對矢量網絡分析儀本身的發射功率和接收增益的歸一化，而對天線增益和空間衰減的校準一般使用校準球或校準平面金屬板。當然，也可以使用其他形狀的物體，只要已知其散射截面積。使用球體的好處在于其散射截面積與頻率無關，而校準物體的散射截面積最好與被測目標的散射截面積相近。例如，直徑1.13米的金屬球體的雷達散射截面積為1m2。

圖7，雷達散射截面與目標物理尺寸

測量顯示
在完成矢量網絡分析儀端口12項誤差修正（校準）后，將天線接入測量端口并對準測量目標（或校準球體）區域，進行頻率掃描測量得到S21（f），然后使用帶通模式時域變換得到時域（距離域）S21（D），如圖8和圖9所示，并且可以使用時域門（時域濾波器）將不需要的反射濾除。

圖8，目標區域（沒有放置被測目標和校準）所有反射的時域顯示

圖9，在目標區域放置RCS為0.018平方米的校準球體的時域顯示

測量步驟和測量運算
將對目標的雷達散射截面測量所使用的矢量網絡分析儀設定為S21的測量。

圖10，使用矢量網絡分析儀對雷達散射截面測量設定

這樣，，，
由于，所以
因此，，如果支架的反射較大，并且標準物體也是放在支架上進行校準測量的。那么，

由于已知，我們即可以得到，例如，
圖11 中的目標與圖9中直徑為6英寸的校準金屬球體相比較（參考光標讀數），知道，，，根據
，得到

圖11，測量一個直徑為12英寸的金屬球體的S21時域曲線

信號極化
反射信號的極化方向可能與雷達發射信號的極化方向不同，目標的形狀不同反射的極化也會不同，見圖2 中的Et 和Er描述。
為了修正極化誤差，我們可以分別測量目標在垂直和水平極化情況下的雷達散射截面，這樣我們就可以建立散射截面極化矩陣。所要做的是，在一種發射極化（垂直或水平）情況下，測量兩種極化（垂直和水平）的S參數。