УСТРОЙСТВО ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЯ РАДИОТЕХНИЧЕСКИХ ХАРАКТЕРИСТИК СИСТЕМ АНТЕННА-ОБТЕКАТЕЛЬ Российский патент 1999 года по МПК G01R29/10 

Изобретение относится к радиотехнике и может быть использовано для радиотехнических испытаний системы антенна-обтекатель.

Известно устройство для измерения радиотехнических характеристик системы антенна-обтекатель (А-О) [1], содержащее поворотный стенд с антенной и обтекателем, вспомогательные антенны, СВЧ-переключатели, управитель, измерительные каналы, подсоединенные к вычитающему и суммирующим блокам, выходы которых связаны с индикатором отношения напряжений, соединенным с регистрирующим прибором.

Известно также устройство для измерения параметров систем (А-О), содержащее вентили СВЧ, модулятор СВЧ с управителем, регулируемый фазовращатель, два детектора СВЧ и схему вычитания и суммирования на низкой частоте [2].

Одним из недостатков известного устройства является наличие погрешностей измерений, обусловленных имеющей место на практике неидентичностью коэффициентов передачи детекторов СВЧ и коэффициентов усиления измерительных каналов. Вторым недостатком известных устройств является низкая чувствительность, обусловленная тем, что повышение чувствительности требует повышения коэффициентов усиления измерительных каналов, а это, в свою очередь, приводит к увеличению влияния эффекта неидентичности коэффициентов передачи детекторов СВЧ и коэффициентов усиления измерительных каналов на точность измерений. Таким образом, в известных схемотехнических решениях требование к повышению чувствительности измерений вступает в противоречие с требованием к повышению точности измерений.

Целью предлагаемого изобретения является повышение точности измерений путем устранения погрешностей измерений, обусловленных неидентичностью коэффициентов передачи детекторов СВЧ, и повышение чувствительности устройства за счет возможности реализации коэффициентов усиления измерительных каналов, существенно превышающих коэффициенты усиления измерительных каналов в известных устройствах.

Указанная цель достигается за счет того, что в известное устройство для измерения радиотехнических характеристик системы (А-О), содержащее два измерительных канала, состоящих из последовательно соединенных СВЧ-детектора и усилителя, последовательно соединенные СВЧ-переключатель, два входа которого соединены с выходами управителя, и СВЧ-мост, выходы которого соединены со входами СВЧ-детекторов измерительных каналов, а также вычитающий блок, входы которого соединены с первыми выходами усилителей, и суммирующий блок, входы которого соединены со вторыми выходами усилителей, два индикатора отношения напряжений, выходы которых соединены со входами регистрирующего прибора, третий вход которого подключен к датчику угла поворота обтекателя, установленного на поворотном стенде с расположенной на нем антенной, два разностных канала которой подключены через последовательно соединенные вентиль СВЧ и регулируемый фазовращатель к третьему и четвертому входам СВЧ-переключателя, а суммарный канал - через третий вентиль СВЧ ко второму входу СВЧ-моста, а также вспомогательную антенну с генератором СВЧ, вход которого соединен с третьим выходом управителя, дополнительно введены последовательно соединенные первый электронный ключ, первый вход которого соединен с четвертым выходом управителя, и регулятор коэффициента усиления, выход которого соединен со вторым входом усилителя первого измерительного канала, а также три цепочки из последовательно соединенных электронного ключа и устройства выборки и хранения, при этом первые входы трех электронных ключей соединены с пятым, шестым и седьмым выходами управителя, вторые входы второго и третьего электронных ключей соединены с двумя выходами вычитающего блока, третий выход которого соединен со вторым входом первого электронного ключа, а второй вход четвертого электронного ключа соединен с выходом суммирующего блока, выходы первого и второго устройства выборки и хранения подключены к первым входам индикаторов отношения напряжений, вторые входы которых соединены с двумя выходами третьего устройства выборки и хранения, третий выход которого подключен к четвертому входу регистрирующего прибора.

На чертеже изображена блок-схема предлагаемого устройства, где:
1 - антенна
2 - обтекатель
3 - поворотный стенд
4 - датчик угла поворота обтекателя
5, 6, 7 - вентили СВЧ
8, 9 - регулируемые фазовращатели
10 - СВЧ-переключатель трехпозиционный
11 - СВЧ-мост
12 - первый СВЧ-детектор
13 - второй СВЧ-детектор
14 - первый усилитель
15 - второй усилитель
16 - первый электронный ключ
17 - регулятор коэффициента усиления первого измерительного канала
18 - вычитающий блок
19 - суммирующий блок
20 - управитель
21 - второй электронный ключ
22 - третий электронный ключ
23 - четвертый электронный ключ
24 - первое устройство выборки и хранения
25 - второе устройство выборки и хранения
26 - третье устройство выборки и хранения
27 - первый индикатор отношения напряжений
28 - второй индикатор отношения напряжений
29 - регистрирующий прибор
30 - генератор СВЧ
31 - вспомогательная антенна
Пеленгационная антенна 1, имеющая два разностных канала Δ₁ и Δ₂ или один суммарный канал Σ, а также радиопрозрачный обтекатель 2, установлена на поворотном стенде 3, снабженном датчиком угла поворота обтекателя 4. Выходы пеленгационной антенны Δ₁, Δ₂, Σ подключены соответственно ко входам вентилей СВЧ 5, 6, 7. Выходы вентилей СВЧ 5, 6 подключены соответственно ко входам регулируемых фазовращателей 8, 9, выходы последних подключены ко входам трехпозиционного СВЧ-переключателя 10, выход которого подключен к одному из входов СВЧ-моста 11. Второй вход СВЧ-моста 11 подключен к выходу вентиля СВЧ 7. Первый выход СВЧ-моста 11 подключен к первому СВЧ-детектору 12, а второй выход СВЧ-моста 11 подключен ко второму СВЧ-детектору 13. Выход первого СВЧ-детектора 12 подключен к первому усилителю 14, а выход второго СВЧ-детектора 13 подключен ко второму усилителю 15. Последовательно включенные первый СВЧ-детектор 12 и первый усилитель 14 образуют первый измерительный канал, последовательно включенные второй СВЧ-детектор 13 и второй усилитель 15 образуют второй измерительный канал. Выходы первого и второго усилителей 14, 15 соединены со входами соответственно вычитающего блока 18 и суммирующего блока 19. Выход вычитающего блока 18 соединен со входом первого электронного ключа 16, а выход последовательно соединен со входом регулятора коэффициента усиления первого измерительного канала 17, причем выход регулятора коэффициента усиления первого измерительного канала 17 соединен со входом управления первого усилителя 14. Для управления электронными ключами и другими узлами устройств применен управитель 20. Первый и второй выходы управителя соединены с первым и вторым входами управления СВЧ-переключателя трехпозиционного 10.

Выходы вычитающего блока 18 соединены также со входами второго и третьего электронных ключей 21 и 22. Выход суммирующего блока 19 соединен со входом четвертого электронного ключа 23. Выходы второго, третьего и четвертого электронных ключей 21, 22, 23 соединены соответственно со входами первого, второго и третьего устройств выборки и хранения 24, 25, 26. Входы управления первого, второго, третьего и четвертого электронных ключей 16, 21, 22, 23 соединены с соответственно четвертым, пятым, шестым и седьмым выходами управителя 20. Выходы первого и второго устройств выборки и хранения 24, 25 соединены с первыми входами соответственно первого и второго индикаторов отношения напряжений 27, 28, причем вторые входы последних подключены соответственно к выходам третьего устройства выборки и хранения 26 (см. фиг. 1). Выходы индикаторов отношения напряжении 27, 28, а также третий выход третьего устройства выборки и хранения 26 соединены соответственно со входами вертикального отклонения трех каналов регистрирующего прибора 29, причем входы горизонтального отклонения всех трех каналов регистрирующего прибора 29 соединены с выходом датчика угла поворота обтекателя 4, установленного на поворотном устройстве 3. В качестве источника СВЧ-энергии в устройстве применен генератор СВЧ 30, выход которого соединен со входом вспомогательной антенны 31, служащей для формирования квазиплоского поля в области испытуемой системы антенна-обтекатель.

Вход внешней манипуляции генератора СВЧ 30 соединен с третьим выходом управителя 20. Выход первого индикатора отношения напряжений 27 служит для регистрации угловых ошибок пеленга испытуемой системы антенна-обтекатель, возникающих в первом разностном канале, выход второго индикатора отношения напряжений 28 служит для регистрации угловых ошибок пеленга испытуемой системы антенна-обтекатель, возникающих во втором разностном канале, а выход третьего устройства выборки и хранения 26 является выходом сигнала суммарного канала и служит для регистрации коэффициента прохождения испытуемой системы антенна-обтекатель.

Работает устройство следующим образом. Управитель 20 формирует на своем третьем выходе сигнал в виде меандра низкой частоты FM, например, F_м 10 кГц и по входу внешней манипуляции генератора СВЧ 30 осуществляет манипуляцию выходного сигнала СВЧ, генерируемого генератором СВЧ 30. Частота манипуляции должна соответствовать рабочему диапазону частот манипуляции применяемого генератора СВЧ.

Управление СВЧ-переключателем трехпозиционным 10 осуществляется сигналами в виде пачек меандра частотой F_п, более низкой, чем частота FM.

Рекомендуемое соотношение F_м = (10 - 12) F_п. С учетом приведенного выше значения F_м выбираем, например, F_п = 800 Гц.

Примечание. Значение частоты F_п должно соответствовать разрешенной частоте переключения СВЧ-переключателя.

Логика управления СВЧ-переключателем трехпозиционным 10 и дальнейшей обработки сигнала с помощью электронных ключей состоит в том, что первые N периодов частоты меандра F_п (например, можно выбрать N = 36), осуществляется попеременное подключение и отключение с частотой F_п выхода первого разностного канала антенны Δ₁ к первому входу СВЧ-моста 11, причем в этот отрезок времени выход второго разностного канала отключен от первого входа СВЧ-моста 11, затем в следующие N периодов частоты меандра F_п осуществляется попеременное подключение и отключение с частотой F_п выхода второго разностного канала антенны Δ₂ к первому входу СВЧ-моста 11, причем на этот промежуток времени осуществляется отключение выхода первого разностного канала Δ₁ от первого входа СВЧ-моста 11. Таким образом, в первой позиции СВЧ-переключателя трехпозиционного 10 на первом выходе СВЧ-моста 11 имеется сигнал амплитудой Σ_A-0+Δ_1A-0, а на втором выходе СВЧ-моста 11 имеется сигнал амплитудой Σ_A-0-Δ_1A-0, во второй позиции СВЧ-переключателя 10 на первом выходе СВЧ-моста 11 имеется сигнал амплитудой Σ_A-0+Δ_2A-0, а на втором выходе СВЧ-моста 11 имеется сигнал амплитудой Σ_A-0-Δ_2A-0, третьей позиции СВЧ-переключателя трехпозиционного 10 на первом выходе СВЧ-моста 11 имеется сигнал Σ_A-0, а на втором выходе СВЧ-моста также имеется сигнал Σ_A-0.
С помощью первого электронного ключа 16, управляемого управителем 20 в моменты времени, соответствующее отключению разностных каналов Δ₁, Δ₂ от первого входа СВЧ-моста 11, с выхода вычитающего блока 18 снимается напряжение U_в, значение и знак которого равны:
U_в = P_Σ(K_п1K_и1-K_п2K_и2),
где P_Σ - уровень мощности полезного сигнала на выходе суммарного канала,
К_п1,2 - коэффициенты преобразования детекторов СВЧ 12, 13,
К_и1,2 - коэффициенты усиления первого и второго усилителей 14, 15.

С помощью регулятора коэффициента усиления первого измерительного канала 17 в предлагаемом устройстве коэффициент усиления первого измерительного канала регулируется таким образом, чтобы U_в = 0, и таким образом обеспечивается К_п1 • К_и1 = К_п2 • К_и2 в любых условиях измерений и этим достигается полезный эффект предполагаемого изобретения, позволяющий исключить погрешности измерений, обусловленные неидентичностью коэффициентов передачи детекторов СВЧ 12, 13 и коэффициентов усиления усилителей 14, 15, причем появляется возможность повышения чувствительности устройства за счет беспрепятственного увеличения коэффициентов усиления измерительных каналов. С помощью второго, третьего и четвертого электронных ключей 21, 22, 23, управляемых управителем 20 в соответствии с описанной выше логикой работы СВЧ-переключателя трехпозиционного 10, на выходах соответственно первого и второго индикаторов отношения напряжений 27, 28 происходит выделение сигналов соответствующих угловым ошибкам системы антенна-обтекатель на выходе первого Δ₁ и второго Δ₂ разностных каналов системы антенна-обтекатель:

где Δ_1,2-A-0 - сигналы на выходе разностных каналов системы А-О;
Σ_A-0 - сигнал на выходе суммарного канала системы А-О
фазовые сдвиги между сигналами разностных Δ₁, Δ₂ и суммарного Σ каналов.

В процессе регулировки устройства в отсутствии обтекателя путем регулировки регулируемых фазовращателей 8, 9 добиваются, чтобы

С выхода третьего устройства выборки и хранения 26 выделяется сигнал Σ_A-0, который после нормировки к сигналу суммарного канала Σ_A на выходе системы А-О в отсутствии обтекателя позволяет выделить информацию о коэффициенте прохождения (КП) системы антенна-обтекатель:

Как видно из приведенной блок-схемы устройства (фиг. 1), алгоритм обработки напряжений U_1,2ИА-О с выходов соответственно первого и второго измерительных каналов в случае измерения угловой ошибки пеленга Δd_изм системы А-О имеет вид:

где индекс А-О здесь и далее соответствует наличию обтекателя в системе А-О, а в случае измерения коэффициента прохождения КП:

где индекс A здесь и далее соответствует отсутствию обтекателя в системе А-О.

Полагая далее для простоты, что коэффициент передачи СВЧ-переключателя 10 по каждому из каналов в режиме пропускания равен 1, в режиме запирания O, получим, что выходные напряжения на выходах измерительных каналов (выходах первого и второго усилителей) равны:
U_1ИА-0 = K_п1K_и1(Σ_A-0+Δ_1,2A-0); (3)

При измерении угловых ошибок пеленга Δd_1,2, соответствующих первому Δ₁ и второму Δ₂ разностных каналов антенны на выходах первого и второго индикаторов отношения напряжений, пренебрегая составляющими второго порядка малости, после ряда упрощений в соответствии с (1) будем иметь:
Δd_1,2изм = Δα_ист+ε(Δ_1,2d); (1a),
где - истинное значение угловой ошибки пеленга при измерении используемым методом электронной калибровки;
ε(Δ_1,2α) - погрешность измерения угловой ошибки пеленга, обусловленная неидентичностью измерительных каналов:

При измерении коэффициента прохождения в соответствии с алгоритмом (2) после ряда упрощений получим:
KП_изм = K_изм+ε(KП), (2a)
где истинное значение коэффициента прохождения при используемом методе электронной калибровки;
ε(KП) - погрешность измерения коэффициента прохождения, обусловленная неидентичностью измерительных каналов, равная:

Несложный анализ выражений (5) и (6) показывает, что сведение значений этих погрешностей к нулю требует выполнения условия равенства произведений K_п1 • K_и1 = K_п2 • K_и2.

Указанное условие реализуется в предлагаемом изобретении путем введения новых элементов и связей, обеспечивающих регулирование коэффициентов усиления измерительных каналов и выделения полезной информации в задаваемые управителем 20 промежутки времени.

Устройство для измерения радиотехнических характеристик систем антенна-обтекатель включает три вентиля СВЧ (5,6,7), два регулируемых фазовращателя (8,9), СВЧ-мост (11), два СВЧ-детектора (12,13), два усилителя (14,15), четыре электронных ключа (16,21,22,23), три устройства выборки и хранения (24,25,26), два индикатора отношения напряжений (27,28), поворотный стенд (3), датчик угла поворота обтекателя (4), трехпозиционный СВЧ-переключатель (10), регулятор коэффициента усиления первого измерительного канала (17), вычитающий блок (18), суммирующий блок (19), управитель (20), регистрирующий прибор (29), генератор СВЧ (30), вспомогательную антенну (31). Технический результат заключается в повышении точности измерений, чувствительности устройства. 1 ил.

Устройство для измерения радиотехнических характеристик системы антенна-обтекатель, содержащее два измерительных канала, включающих последовательно соединенные СВЧ-детектор и усилитель, вспомогательную антенну, СВЧ-переключатель, первый вход управления которого соединен с первым выходом управителя, вычитающий блок, суммирующий блок, индикатор отношения напряжений, выход которого соединен с входом регистрирующего прибора, другой выход которого подключен к датчику угла поворота обтекателя, установленного на поворотном стенде с расположенной на нем антенной, отличающееся тем, что введены СВЧ-мост, выходы которого соединены с входами СВЧ-детекторов, второй индикатор отношения напряжений, выход которого соединен с третьим входом регистрирующего прибора, генератор СВЧ, выход которого соединен со входом вспомогательной антенны, а вход соединен с третьим выходом управителя, три вентиля, два регулируемых фазовращателя, четыре электронных ключа, три устройства выборки и хранения, регулятор коэффициента усиления, причем СВЧ-переключатель выполнен трехпозиционным, входы вычитающего блока соединены с первыми выходами усилителей, вторые выходы которых соединены с входами суммирующего блока, СВЧ-переключатель последовательно соединен с СВЧ-мостом, второй выход управителя соединен с вторым входом управления СВЧ-переключателя, два разностных канала выходов антенны подключены соответственно к входам двух вентилей СВЧ, выходы которых подключены соответственно ко входам регулируемых фазовращателей, выходы которых подключены соответственно к третьему и четвертому входам СВЧ-переключателя, суммарный канал выхода антенны через третий вентиль подключен к второму входу СВЧ-моста, первый электронный ключ соединен последовательно с регулятором коэффициента усиления, выход которого соединен с входом усилителя первого измерительного канала, выходы второго, третьего и четвертого электронных ключей соединены соответственно с входами первого, второго и третьего устройства выборки и хранения, выходы первого и второго устройства выборки и хранения соединены с первыми входами соответственно первого и второго индикаторов отношения напряжений, вторые входы которых подключены к выходам третьего устройства выборки и хранения, третий выход которого подключен к четвертому входу регистрирующего прибора, входы управления первого, второго, третьего и четвертого электронных ключей соединены соответственно с четвертым, пятым, шестым и седьмым выходами управителя, вторые входы второго и третьего электронных ключей соединены с двумя выходами вычитающего блока, вторые входы первого и четвертого электронных ключей соединены соответственно с третьим выходом вычитающего блока и с выходом суммирующего блока.