УСТРОЙСТВО ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЯ ПАРАМЕТРОВ АНТЕНН Российский патент 1995 года по МПК G01R29/10 H01Q21/06 

Изобретение относится к антенной технике и может быть использовано для измерений характеристик излучения антенн, в частности активных фазированных антенных решеток (АФАР) в ближней зоне.

Известен измерительный комплекс для определения характеристик исследуемого передающего устройства по амплитудно-фазовому распределению поля в его раскрыве. Комплекс содержит передающее исследуемое антенное устройство, измерительный зонд (антенный элемент), два коммутатора, амплифазометр, блок управления, блок вычисления и два отрезка подвижного СВЧ-тракта, в котором три замера фазы при каждом положении зонда позволяют исключить влияние фазовых нестабильностей СВЧ-трактов измерительного устройства на результаты измерений.

Однако время измерения характеристик исследуемого устройства этим комплексом очень велико из-за механического перемещения измерительного зонда по узлам координатной сетки апертуры исследуемого антенного устройства. Кроме того, в данной системе низкая точность измерений, обусловленная фазовой нестабильностью самого исследуемого устройства, так как фазовые параметры исследуемого антенного устройства, в особенности содержащего АФАР, при длительных измерениях значительно изменяются. К тому же для достаточно мощных АФАР при длительных измерениях их характеристик необходимы системы обеспечения их температурного режима (системы охлаждения), что затрудняет проведение испытаний таких устройств в безэховых камерах, т.е. возникает проблема радио- и визуальной маскировки.

Известно устройство, в котором для измерений характеристик излучения в апертуре антенны и ее ближней зоне используется протяженный зонд, представляющий собой линейную синфазную антенную решетку, подключенную к блоку обработки сигналов, содержащему генератор, амплифазометр и ЭВМ. Протяженный зонд можно перемещать вдоль апертуры и по нормам к ней.

В известном устройстве время измерений параметров исследуемой антенной системы уменьшено по сравнению с измерительными системами, содержащими одиночный зонд. Однако его недостатками являются низкая точность измерений вследствие искажений сигнала из-за взаимного влияния элементов и относительно малая скорость измерений (из-за необходимости механического перемещения зонда).

Наиболее близким к заявленному является выбранное в качестве прототипа устройство, содержащее антенную решетку, генератор, выход которого является входом для подключения исследуемой антенны и соединен с первыми входами амплифазометров, выходы которых подключены к соответствующим входам вычислительного блока, и коммутаторы, соединенные управляющими входами с выходов блока управления, к входу которого подключен выход вычислительного блока.

Недостатками этого устройства являются низкая точность измерений вследствие искажений сигнала из-за взаимного влияния элементов и переотражений, относительно малая скорость измерений, обусловленная отсутствием дополнительных связей между блоками.

Целью изобретения является повышение скорости и достоверности измерений.

Основные пути решения поставленной задачи состоят в реализации многоканальной измерительной антенной системы, обеспечивающей одновременное измерение параметров излучения в плоскости, параллельной плоскости апертуры, при малых искажениях между каналами; создании блока обработки сигналов для параллельной обработки результатов измерений с высокими точностью и быстродействием.

На фиг.1 представлена схема устройства для измерения параметров антенн; на фиг.2 - антенная решетка с металлическим экраном.

Устройство для измерения параметров антенн содержит антенную решетку 1, которая содержит антенные излучатели 2, размещенные в узлах координатной сетки над металлическим экраном, состоящим из усеченных пирамид 3, большие основания которых совмещены с плоской частью основания 4 экрана, а на их малых основаниях размещены излучатели 2. Поверхность металлического экрана со стороны излучения покрыта поглощающим материалом 5. Измерительная антенная система вместе с исследуемой антенной 6 может быть размещена в безэховой камере 7 или в свободном пространстве. Металлическое основание 4 может быть плоским (как показано на фигурах) или представлять собой поверхность с криволинейной огибающей (конус, цилиндр, вырезка из параболической поверхности), выбранной в соответствии с формой поверхности исследуемой антенны.

Каждый антенный элемент содержит две идентичные проводящие пластины 8 уголкового профиля, первые продольные кромки которых установлены параллельно на малом основании усеченной пирамиды 3, а вторые продольные кромки образуют зазор 9 шириной (1,76-1,9)˙ 10^-2 λ, λ - рабочая длина волны, в котором расположен подстроечный проводник диаметром (1,5-1,7˙10^-3 λ (на фигурах не показан). Проводник присоединен к одной из вторых продольных кромок, при этом к другой продольной кромке одного из проводящих элементов подключен центральный проводник 10 коаксиального фидера 11 излучателя, а наружный его проводник подключен к металлическому экрану.

Расстояние между узлами координатной сетки равно (1,3-1,7) λ размеры усеченных пирамид выбраны из соотношений: высота Н = (1,9-2,2) λ, а поперечные размеры оснований соответственно а₁ = (0,33- -0,37) λ и (1,3-1,7) λ. В другом варианте первые продольные кромки проводящих элементов каждого излучателя антенной решетки соединены между собой проводящей пластиной, в которой выполнено отверстие для коаксиального фидера.

Антенная решетка 1 подключена к блоку обработки сигналов, содержащему n-канальный коммутатор 12 с блоком 13 управления, n амплифазометров 14, генератор 15 и ЭВМ 16. Все излучатели 2 антенной решетки 1 разбиты на n групп, каждая из которых присоединен к входу соответствующего канала коммутатора 12. Выход коммутатора присоединена к первому входу соответствующего амплифазометра 14, второй вход которого соединен с генератором 15, а выход присоединен к одному из входов ЭВМ 16, при этом к управляющим входам многоканального коммутатора подключен блок 13 управления.

В измерительной антенной системе металлический экран установлен с возможностью перемещения вдоль нормали к его плоской части и соответственно к апертуре исследуемой антенны 6 в пределах от длины волны λ до величины D/2 где D - наибольший размер апертуры исследуемой антенны (другими словами в области между реактивной ближней зоной и зоной Френеля).

Кроме того, может быть введена калибровочная антенна (на фигурах не показана), которую устанавливают в зоне расположения исследуемой антенны.

Устройство работает следующим образом.

Перед началом измерений производится калибровка. Для этого вместо исследуемой антенны 6 устанавливается калибровочная антенна, для которой с высокой точностью известны или могут быть вычислены значения амплитуды и фазы электромагнитного поля в точках расположения каждого из излучателей 2. Для того, чтобы уровни сигналов на различных излучателях 2 не перекрывали динамического диапазона амплифазометров 14, желательно, чтобы калибровочная антенна имела как можно более широкую диаграмму направленности. Затем с помощью блока 13 управления и ЭВМ 16 осуществляют поочередное включение всех каналов n-канального коммутатора 12, при этом измеряется комплексный коэффициент передачи каждого канала, который определяется как отношение комплексных напряжений, измеренных амплифазометрами 14, и комплексных напряженностей поля в точках расположения соответствующих излучателей 2. Все измеренные значения комплексных коэффициентов передачи всех каналов вводятся в память ЭВМ 16. После этого устанавливают исследуемую антенну и также с помощью блока 13 управления и ЭВМ 16 проводят рабочее включение всех элементов устройства. Затем проводят поочередное подключение с помощью n-канального коммутатора 12 каждого из излучателей 2 к соответствующим амплифазометрам 14 и измерение комплексных величин электромагнитного поля соответствующих излучателей 2 как отношение комплексных напряжений, измеренных амплифазометрам 14, к коэффициентам передачи соответствующих каналов, хранящимся в памяти ЭВМ 16. По результатам регистрации и измерения комплексных величин амплитудно-фазового распределения на поверхности в области расположения антенной решетки с помощью ЭВМ 16 определяют выходные характеристики исследуемой антенны 6.

Нет необходимости проводить калибровку измерительной антенной системы перед каждым измерением, так как при определении характеристик по амплитудно-фазовому распределению поля в ближней зоне на величину ошибки влияют не абсолютные изменения коэффициентов передачи каналов, а их изменения относительно друг друга. Но ввиду идентичности выполнения всех каналов, а также полимерного равенства их электрических длин изменения комплексных коэффициентов передачи всех каналов, связанных с изменением внешних условий, должны быть примерно равными, поэтому калибровку необходимо очень тщательно провести после сборки измерительной антенной системы и затем повторять во время проведения периодических регламентных работ.

Устройство позволяет проводить оптимизацию по точности измерений, так как имеется возможность изменения расстояния между апертурой исследуемой антенны 6 и апертурой устройства в пределах нескольких длин волн в области от λ до D/2 , где D - наибольший размер апертуры исследуемой антенны 6; λ - рабочая длина волны. Таким образом, обеспечивается более высокая точность при измерении в области между реактивной ближней зоной и зоной Франеля. Кроме того, точность измерений в предложенном устройстве повышается за счет уменьшения искажений измеряемого поля в области апертуры устройства. Поле, излучаемое исследуемой антенной 6, (в режиме передачи) принимают в каждой координатной точке апертуры устройства излучатели 2, каждый из которых представляет собой две близко расположенные щелевые антенны, отстоящие друг от друга на величину зазора 9 и образованные двумя изогнутыми металлическими пластинами 8 уголкового профиля. Дополнительно искажения измеряемого поля в предложенной измерительной антенной системе снижены за счет уменьшения взаимного влияния между излучателями 2, обусловленного выполнением металлического экрана в виде усеченных пирамид 3, покрытых со стороны излучения поглощающим материалом 5. Это достигается выбором геометрических размеров многоугольных усеченных пирамид 3 и типом поглощающего материала 5. Тем самым практически исключены искажения, вызванные переотражением измеряемого поля и взаимным влиянием излучателей 2. Кроме того, переотражения уменьшены до минимума за счет согласования излучателей 2 с выходным коаксиальным фидером посредством подстроечного элемента, расположенного у кромки вдоль зазора 9.

Из изложенного следует, что из зоны излучения, где сосредоточена основная мощность, переотражения практически не попадают во внешнее пространство. Кроме того, для подавления остаточного излучения, а также заднего и бокового излучения исследуемой антенны 6 и подавления паразитного излучения всех вспомогательных элементов устройство может быть размещено в окружении поглощающего материала 5 в безэховой камере 7 или свободном пространстве, что позволяет обеспечивать как радио-, так и визуальную маскировку исследуемой антенны 6.

Предложенное устройство обладает высоким быстродействием, обусловленным тем, что излучатели 2 дополнительно объединены в группы, вместе перекрывающие всю зону излучения, при этом каждая из групп подключена к отдельному каналу коммутатора 12 и отдельному амплифазометру 14, а выходы амплифазометров подключены к ЭВМ 16. Устройство позволяет производить контроль и измерение оперативных тактико-технических характеристик больших АФАР с высокой достоверностью при обеспечении радио- и визуальной маскировки. Это видно из следующего.

Контроль больших АФАР и измерение их характеристик производится при расстоянии между апертурами исследуемой АФАР и апертурой устройства менее 10 м, в то время как дальняя зона для этих АФАР может составлять около 10 км. Регистрация амплитудно-фазового распределения комплексного поля в ближней зоне исследуемой АФАР при работе в импульсном режиме происходит за время не превышающее 4-5 с, что существенно меньше чем в известных устройствах. Следует отметить также, что реальное время импульсного передающего режима АФАР составляет окло 10 с. Практически исключены искажения измеряемого комплексного поля в области апертуры устройства, что достигнуто за счет конструктивного выполнения излучателей, металлического экрана, покрытого поглощающим материалом, и возможности одновременного перемещения всех излучателей совместно с экраном в пределах нескольких длин волн по нормам к апертуре исследуемой антенны. Устройство позволяет производить измерение и контроль других антенн без существенной переделки, т.е. обладает относительной универсальностью. Оно обеспечивает радио- и визуальную маскировку исследуемого объекта, которая обусловлена отсутствием переотражений в рабочей зоне излучения, а также наличием как визуальной защиты, так и защиты от паразитного излучения всех имеющихся излучающих элементов, что выполнено благодаря сравнительно небольшим геометрическим размером устройства, излучающие элементы которого размещены в окружении поглощающего материала. Изложенное и определяeт технико-экономическую эффективность предложенного устройства для измерения параметров антенн.

Использование: в измерительных комплексах, предназначенных для измерения характеристик излучения антенн (в частности, активных фазированных антенных решеток) в ближней зоне. Сущность изобретения: устройство содержит антенную решетку, генератор, выход которого является входом для подключения исследуемой антенны. Генератор соединен с первыми входами амплифазометров, выходы которых подключены к соответствующим входам вычислительного блока. Коммутаторы соединены управляющими входами с выходом блока управления, к входу которого подключен выход вычислительного блока. Металлический экран выполнен в виде усеченных пирамид, совмещенных большими основаниями с плоской частью экрана. Ось каждой пирамиды проходит через соответствующий узел координатной сетки антенной решетки по нормали к плоской части металлического экрана. На малом основании каждой пирамиды размещен излучатель антенной решетки, который выполнен осесимметричным. Поверхность металлического экрана со стороны расположения излучателей покрыта поглощающим материалом. Каждый излучатель через коммутатор, который выполнен многоканальным, подсоединен к второму входу амплифазометра. Блок управления имеет дополнительный выход для подключения исследуемой антенны. 4 з.п. ф-лы, 2 ил.

1. УСТРОЙСТВО ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЯ ПАРАМЕТРОВ АНТЕНН, содержащее антенную решетку, генератор, выход которого является входом для подключения исследуемой антенны и соединен с первыми входами амплифазометров, выходы которых подключены к соответствующим входам вычислительного блока, и коммутаторы, соединенные управляющими входами с выходом блока управления, к входу которого подключен выход вычислительного блока, отличающееся тем, что в него введен металлический экран, который выполнен в виде усеченных пирамид, совмещенных большими основаниями с плоской частью экрана, причем ось каждой пирамиды проходит через соответствующий узел координатной сетки антенной решетки по нормали к плоской части металлического экрана, на малом основании каждой пирамиды размещен излучатель антенной решетки, который выполнен осесимметричным, а поверхность металлического экрана со стороны расположения излучателей покрыта поглощающим материалом, при этом каждый излучатель через коммутатор, который выполнен многоканальным, присоединен к второму входу амплифазометра, а блок управления имеет дополнительный выход для подключения исследуемой антенны. 2. Устройство по п.1, отличающееся тем, что каждый излучатель выполнен в виде двух идентичных проводящих элементов уголкового профиля, первые продольные кромки которых установлены параллельно на малом основании усеченной пирамиды, а вторые продольные кромки образуют зазор, в котором расположен подстроечный проводник, подсоединенный к одной из этих кромок, при этом к другой продольной кромке одного из проводящих элементов подключен центральный проводник коаксиального фидера излучателя, а наружный его проводник подключен к металлическому экрану. 3. Устройство по п.1, отличающееся тем, что расстояния между узлами координатной сетки антенной решетки равны (1,3-1,7)λ, высота каждой усеченной пирамиды равна (1,9-2,2)λ, сторона ее большего основания равна (1,3-1,7)λ, а сторона ее малого основания равна (0,33-0,37)λ, где λ - рабочая длина волны. 4. Устройство по пп.1 - 3, отличающееся тем, что первые продольные кромки проводящих элементов каждого излучателя антенной решетки соединены между собой проводящей пластиной, в которой выполнено отверстие для коаксиального фидера. 5. Устройство по пп. 1 - 4, отличающееся тем, что металлический экран установлен с возможностью перемещения вдоль нормали к его плоской части.