СПОСОБ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ДИАГРАММЫ НАПРАВЛЕННОСТИ АНТЕННЫ Российский патент 1994 года по МПК G01R29/10 

Изобретение относится к технике измерений параметров антенн.

Известны способы измерения диаграммы направленности (ДН) антенн в безэховой камере, включающие восстановление ДН испытуемой антенны по данным измерений ближних электромагнитных полей с учетом ДН приемных зондов.

Недостатком указанных способов является большая трудоемкость в определении корректирующей матрицы для измеренных значений ближних полей.

Наиболее близким по технической сущности измерений ДН является способ, который основан на возбуждении испытуемой антенны в безэховой цилиндрической камере источником СВЧ-колебаний, измерении в отсчетном угловом положении (n) приемным зондом с известной ДН величины электромагнитного поля (< l_Σ (2π n/N] испытуемой антенны, коррекции значения этого поля (< l (2 π n/N)] и восстановлении ДН испытуемой антенны (F) из соотношения F = <l (2π n / N) ] [Ф] { [Ф] [ (2 π n / N) > } [Ф] ^-1 где [Ф] , [Ф] ^-1 - унитарные матрицы прямого и обратного дискретного преобразования Фурье:
[(2π n/N) > - матрица-столбец из комплексно-сопряженной ДН приемного зонда;
{ . . . } - диагональная матрица;
n = 0,1, . . . , N - 1;
N - общее число отсчетных угловых положений при измерении ДН.

Недостатком такого способа также является большая трудоемкость в определении корректирующей матрицы для измеренных значений ближних полей вследствие использования дополнительной эталонной антенны.

Целью изобретения является повышение оперативности измерений путем упрощения процедуры коррекции измеренных значений электромагнитного поля для уменьшения влияния приемного зонда на ближнее поле испытуемой антенны.

Поставленная цель достигается тем, что дополнительно измеряют коэффициенты отражения от входа испытуемой антенны () и от нагрузки приемного зонда () в их фидерных линиях, а также измеряют коэффициенты передачи по направлению между испытуемой антенной и приемным зондом (), а затем корректируют измеренные значения электpомагнитного поля в соответствии с соотношением
< l(2Πn/N)] = <l_Σ(2Πn/N)] { 1-[(1+)/(1+Г_АΣ)] ²} .

Предложенный способ соответствует критерию "новизна", так как имеет от прототипа отличительные признаки, заключающиеся в том, что дополнительно измеряют коэффициенты передачи по напряжению между испытуемой антенной и приемным зондом (). Кроме того, измеряют коэффициенты отражения от входа испытуемой антенны () и от нагрузки приемного зонда () в их фидерных трактах. Способ, содержащий такую совокупность существенных признаков, не описан в источниках патентной и технической литературы, что подтверждается патентными исследованиями. Кроме того, отличительные признаки не обнаружены в известных технических решениях и благодаря им у предложенного способа появляется новое свойство, заключающееся в повышении оперативности измерений, не совпадающее со свойствами, проявленными отличительными признаками в известных решениях и не равное сумме этих свойств, что позволяет считать заявленное решение соответствующим критерию "существенные отличия".

На чертеже приведена структурная электрическая схема устройства для осуществления способа определения ДН антенны.

Устройство содержит испытуемую антенну 1, подключенную через фидерную линию к генератору 2 СВЧ. В фидерную линию включены направленные ответвители (НО) 3 и 4 для прямой и отраженной от антенны 1 волн. Приемный зонд 5 через фидерную линию подключен к измерительному приемнику 6 (на схеме обозначенному в виде согласованной СВЧ-нагрузки). В эту фидерную линию также включены НО 7 и 8 прямой и отраженной волн. Автоматический измеритель 9 амплитуд и фаз (типа Р2), осуществляющий амплифазометрию относительных модулей и фаз СВЧ-сигналов, может подключаться своим опорным и сигнальным входами V и VI к выходам НО 3, 4, 7, 8, обозначенным I, II, III, IV.

Способ осуществляют следующим образом. Как известно, ДН испытуемой антенны (F) может быть восстановлена с использованием следующего соотношения
F = <l(2Πn/N)] [Ф] { [Ф] [(2Πn/N)>} [Ф] ^-1, (1) где < l(2 πn/N) - скорректированные значения (напряжения) измеренного электромагнитного поля испытуемой антенны;
[Ф] , [Ф] ^-1 - унитарные матрицы прямого и обратного дискретного преобразования Фурье;
[f^*(2π n/N) > - матрица-столбец из комплексно-сопряженной ДН приемного зонда;
{ . . . } - диагональная матрица;
n = 0, 1, . . . , N-1;
N - общее число отсчетных угловых положений при измерении ДН.

В формуле (1) корректировка измеренных значений электромагнитного поля испытуемой антенны (пропорциональных величине напряжений или ЭДС, наведенных в приемном зонде) достигается трудоемкой операцией, связанной с установкой и измерением ДН эталонной антенны. Сама корректировка измеренных напряжений (< l_Σ (2 πn/N) позволяет учесть реакцию отражающего измерительного оборудования вследствие появления отраженной в фидере испытуемой антенны 1 волны. Определим, каким образом явление, связанное с уменьшением реакции приемного зонда, может быть учтено в основном алгоритме восстановления ДН (1). ЭДС, наведенная в приемном зонде в каждом угловом положении, может быть определена с учетом реакции приемного зонда следующим образом:
l_Σ = l/[1-Z²/(Z_АZ_З)] , (2) где l - "идеальное" значение ЭДС (без реакции зонда), определяемое так: l = l_AZ_A^-1Z;
l_A - ЭДС на клеммах испытуемой антенны;
Z - взаимное сопротивление антенны и зонда;
Z_A - входное сопротивление антенны;
Z_З - входное сопротивление приемного зонда. Используя метод наведенных ЭДС для антенны и приемного зонда можно записать, что
Z откуда следует i_З = -i_AZ/Z_З и, l_А = i_АZ1- , а также l_АZ-А

¹Z = i_АZ[1-Z²/(Z_ЗZ_А)] . Считаем, что i_AZ = l_Σ - ЭДС, наведенная на клеммах зонда, с учетом реакции зонда, а l_AZ_A^-1Z = l - ЭДС, наведенная в зонде без учета переотражений. Таким образом, соотношение (2) доказано и можно взять его за основу при выводе расчетной формулы (1). Так как Z = l ˙ Z_A/l_A, то выражение (2) переписываем так
- l_Σ-l+l_Σ= 0 (3) Выражение (3) представляет собой квадратное уравнение относительно l, корнями которого являются
l_1,2= l_Σ (4) Знак плюс в формуле (4) не имеет физического смысла, так как в этом случае l _→ ∞ при l_Σ _→ 0. Поэтому с учетом того, что l_Σ / Z₃ = ε_σ², l_A²/Z_A = ε_A² и l² /Z_З = ε , где ε _Σ, ε_A и ε- нормированные ЭДС, получим вместо (4)
ε = . (5) Поскольку конкретные физические условия таковы, что всегда ε_Σ² << ε_A²(мощность, перехватываемая, например, линейным коллиматорным зондом, существенно меньше мощности, подводимой к испытуемой антенне), то радикал в формуле (5) правомерно аппроксимировать тремя членами его разложения в степенной ряд:
ε [1-(ε_Σ/ε_А)²] ε_Σ. (6) Cчитаем, что для фидерного тракта антенны ε_А= += (1+), где , - нормированные амплитуды падающей и отраженной волн; = /- коэффициент отражения от входа антенны, определяемый не только качеством ее согласования, но и реакцией приемного зонда, т. е. эхоусловиями антенных измерений. Аналогично представим и наведенные нормированные ЭДС в зонде:
ε = += (1+Г_Н), ε_Σ = += (1+), где = /= / - коэффициент отражения от нагрузки 6 (приемника) зонда, инвариантный для всех угловых положений приемного зонда. Таким образом, окончательно алгоритм (6) можно представить в виде
= { 1-[(1+)/(1+)] ²} , (7) где - коэффициент передачи по напряжению между приемным зондом и антенной при наличии между ними взаимовлияния.

Величина в фигурных скобках по существу и является корректирующим сомножителем, определяемым для каждого отсчетного положения приемного зонда путем измерения и , что может быть осуществлено, например, измерителем типа Р2. Величина измеряется только однажды. Предпочтительнее, однако, тщательное согласование коллиматорного зонда со своей нагрузкой (приемником), при котором 0. Амплифазометрия значений , и осуществляется с использованием автоматического измерителя, схема подключения которого приведена на чертеже. Для восстановления ДН испытуемой антенны достаточно ограничиться измерениями только этих указанных величин, так как практически ДН восстанавливается и по результатам скорректированных значений , так как величина / в формуле (7) пропорциональна , а /= , при этом очевидно, что величина подводимой к антенне мощности должна быть постоянна в процессе измерений ДН, т. е. A_o = const для всех угловых отсчетных положений приемного зонда.

Технико-экономическая эффективность предложенного способа заключается в том, что он позволяет повысить оперативность измерений ближних полей антенн и установления их ДН, учитывая реакцию измерительного зонда. Все это позволяет считать его более эффективным при определении ДН антенн по результатам измерений их ближних полей.

Использование: в технике антенных измерений, в частности для измерения диаграммы направленности (ДН) антенн. Сущность изобретения: измеряют в отсчетном угловом положении приемным зондом с известной ДН величины электромагнитного поля испытуемой антенны, коэффициенты отражения от входа испытуемой антенны и от нагрузки приемного зонда в их фидерных линиях, коэффициент передачи по напряжению между испытуемой антенной и приемным зондом, корректируют измеренные значения электромагнитного поля в соответствии с соотношением, приведенным в описании. 1 ил.

СПОСОБ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ДИАГРАММЫ НАПРАВЛЕННОСТИ АНТЕННЫ, основанный на возбуждении испытуемой антенны в безэховой цилиндрической камере источником СВЧ-колебаний, измерении в отсчетном угловом положении (n) приемным зондом с известной ДН величины электромагнитного поля ( < l_Σ( 2 π n / N ) ] ) испытуемой антенны, коррекции значения этого поля ( < l ( 2 π n / N ) ] ) и восстановлении ДН испытуемой антенны (F) из соотношения
F = <l(2Πn/N)] [Φ] { [Φ] [(2Πn/N)>} [Φ] ^-1, ,
где [Φ ] , [Φ ] ^-1 - унитарные матрицы прямого и обратного дискретного преобразования Фурье;
[ (2πn/N) - матрица-столбец из комплексно-сопряженной ДН приемного зонда;
{ . . . } - диагональная матрица;
n = 0,1, . . . N - 1; N - общее число отсчетных угловых положений при измерении ДН,
отличающийся тем, что, с целью повышения оперативности измерений путем упрощения процедуры коррекции измеренных значений электромагнитного поля для уменьшения влияния приемного зонда на ближнее поле испытуемой антенны, дополнительно измеряют коэффициенты отражения от входа испытуемой антенны () и от нагрузки приемного зонда () в их фидерных линиях, измеряют коэффициент передачи по напряжению между испытуемой антенной и приемным зондом (), корректируют измеренные значения электромагнитного поля в соответствии с соотношением
< l(2πn/N)] = l_Σ(2πn/N)] { 1-[(1+)/(1+)] ²} . .