УСТРОЙСТВО ДЛЯ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ЭНЕРГЕТИЧЕСКИХ ПАРАМЕТРОВ АНТЕННЫ Российский патент 1999 года по МПК G01R29/10 

Изобретение относится к радиоизмерительной технике и может быть использовано для автоматического измерения коэффициента усиления и эффективной площади поверхности антенны в широкой полосе частот.

Известно устройство для измерения коэффициента усиления антенны (см. а. с. СССР N 1737373, кл. G 01 R 29/10, 1990 г.), содержащее генератор сигналов, выход которого является выходом для подключения первой исследуемой антенны, измеритель мощности, вход которого является входом для подключения второй исследуемой антенны, идентичной первой исследуемой антенне, последовательно соединенные блок извлечения корня квадратного, вход которого подключен к выходу измерителя мощности, первый блок умножения, второй блок умножения и регистратор, частотомер, вход которого подключен к выходу исследуемой антенны, а выход - к второму входу первого блока умножения и к второму входу регистратора, блок памяти, выход которого подсоединен к второму входу второго блока умножения, последовательно соединенные генератор прямоугольных импульсов, ключ, первый счетчик, ждущий мультивибратор, блок дифференцирования, инвертор и элемент задержки, первый, второй и третий выходы которого подключены к управляющим входам первого и второго блоков умножения и регистратора соответственно, управляющий вход блока извлечения корня квадратного подсоединен к выходу инвертора, управляющий вход частотомера подсоединен к выходу блока дифференцирования, последовательно соединенные генератор одиночных импульсов и первый элемент ИЛИ, выход которого подсоединен к установочному входу первого счетчика, а второй вход подсоединен к выходу блока дифференцирования, последовательно соединенные второй счетчик, вход которого подключен к выходу ключа, а установочный вход - к выходу генератора одиночных импульсов, и цифро-аналоговый преобразователь, выход которого подсоединен к входу генератора сигналов, последовательно соединенные второй элемент ИЛИ, первый вход которого подключен к выходу генератора одиночных импульсов, а второй вход - к выходу инвертора, и RS-триггер, прямой выход которого подсоединен к управляющему входу ключа, а R-выход - к выходу введенного третьего элемента ИЛИ, первый и второй входы которого подключены к блоку дифференциирования и к второму выходу второго счетчика соответственно.

Однако, это устройство не позволяет определять эффективную площадь поверхности антенны.

Наиболее близким по технической сущности к заявляемому устройству является устройство для определения энергетических параметров антенны (SU, 1797081 A1, 23.02.93, G 01 R 29/10), содержащее генератор тактовых импульсов, последовательно соединенные генератор одиночного импульса, выход которого подключен к S-входу RS-триггера, двоичный счетчик, второй выход которого соединен в R- входом RS-триггера, цифровой преобразователь, управляемый генератор сигналов, направленный ответвитель, второй вход которого является выходом для подключения первой исследуемой антенны, частотомер, вход управления которого соединен с выходом инвертора, а информационный выход подключен к первому информационному входу регистратора, а выход управления соединен с входом элемента задержки, блок извлечения корня квадратного, информационный вход которого подключен к выходу цифрового измерителя мощности, первый блок деления, второй цифровой вход и вход управления которого соединены с информационным выходом частотомера и первым входом элемента задержки соответственно, первый блок умножения, второй информационный вход и вход управления которого подключены к первому выходу формирователя цифрового кода и к второму выходу элемента задержки соответственно, а выход соединен с вторым информационным входом регистратора, вход управления которого подключен к четвертому выходу элемента задержки, последовательно соединенные элемент ИЛИ, первый и второй входы которого подключены к выходу генератора одиночного импульса и к четвертому выходу элемента задержки соответственно, ждущий мультивибратор и блок дифференцирования, выход которого подключен к входу инвертора, перестраиваемый полосовой фильтр, информационный вход которого является входом для подключения второй исследуемой антенны, вход управления соединен с выходом цифрового преобразователя, а выход - с входом цифрового измерителя мощности.

Однако, это устройство не позволяет одновременно автоматически определять коэффициент усиления антенны.

Для исключения недостатков аналога и прототипа в устройстве для определения энергетических параметров антенны, содержащем генератор тактовых импульсов, последовательно соединенные генератор одиночного импульса, выход которого подключен к S-входу RS-триггера, двоичный счетчик, второй выход которого соединен с R-входом RS-триггера, цифровой преобразователь, управляемый генератор сигналов, направленный ответвитель, второй вход которого является выходом для подключения первой исследуемой антенны, частотомер, вход управления которого соединен с выходом инвертора, а информационный выход подключен к первому информационному входу регистратора, а выход управления соединен с входом элемента задержки, блок извлечения корня квадратного, информационный вход которого подключен к выходу цифрового измерителя мощности, первый блок деления, второй цифровой вход и вход управления которого соединены с информационным выходом частотомера и первым выходом элемента задержки соответственно, первый блок умножения, второй информационный вход и вход управления которого подключены к первому выходу формирователя цифрового кода и к второму выходу элемента задержки соответственно, а выход соединен с вторым информационным входом регистратора, вход управления которого подключен к четвертому выходу элемента задержки, последовательно соединенные элемент ИЛИ, первый и второй входы которого подключены к выходу генератора одиночного импульса и к четвертому выходу элемента задержки соответственно, ждущий мультивибратор и блок дифференцирования, выход которого подключен к входу инвертора, перестраиваемый полосовой фильтр, информационный вход которого является входом для подключения второй исследуемой антенны, вход управления соединен с выходом цифрового преобразователя, а выход - с входом цифрового измерителя мощности, согласно заявленному изобретению, элемент задержки выполнен четырехотводным, дополнительно введен элемент И, первый вход которого соединен с прямым выходом RS-триггера, второй вход - с выходом генератора тактовых импульсов, третий вход - с выходом ждущего мультивибратора, а выход подключен к счетному входу двоичного счетчика, последовательно соединенные второй блок умножения, первый и второй информационные вход которого подключены к выходу цифрового измерителя мощности и к второму выходу формирователя цифрового кода соответственно, а вход управления соединен с вторым выходом элемента задержки, и второй блок деления, второй информационный вход и вход управления которого подключены к выходу первого блока умножения и к третьему выходу элемента задержки соответственно, а выход в двоичном коде вырабатывает значение коэффициента усиления, которое подается на третий вход регистратора.

На фиг. 1 представлена структурная схема устройства, а на фиг. 2 - эпюры напряжения, поясняющие его работу.

Устройство для определения энергетических параметров антенны содержит двоичный счетчик 1, выполненный, например, на микросхеме типа К155ИЕ5, цифроаналоговый преобразователь 2, выполненный, например, на микросхеме типа К572ПА2А, управляемый генератор 3, выполненный, например, на диодах Ганна, блок 4 излечения корня квадратного, выполненный, например, на микросхеме типа К145ИП16, RS-триггер 5, трехвходовый элемент И 6, выполненный, например, на последовательно соединенных транзисторах с общей нагрузкой, направленный ответвитель 7, перестраиваемый полосовой фильтр 8, выполненный, например, на ЖИГ-фильтрах, цифровой измеритель 9 мощности, первый 10 и второй 11 блоки деления, выполненные, например на микросхеме типа К145ИП16, генератор 12 тактовых импульсов, например стандартный генератор импульсов, блок 13 дифференцирования, выполненный, например в виде дифференцирующей цепи, цифровой частотомер 14, например частотомер ЧЗ-34, четырехотводный элемент задержки 15, выполненный, например в виде четырехотводной линии задержки, первый 16 и второй 17 блоки умножения, выполненные, например, на микросхеме типа К1146ИП16, формирователь 18 цифрового кода, выполненный, например, в виде источника питания с отводами напряжений логических "1" и "0", генератор 19 одиночного импульса, элемент "ИЛИ" 20, выполненный, например, на диодах с общей нагрузкой, ждущий мультивибратор 21 с длительностью импульса, выбираемой из расчета времени, необходимого для перестройки управляемого генератора на одну дискрету и измерения цифровым измерителем мощности 9 уровня сигнала на выходе второй исследуемой антенны 25, инвертор 22, выполненный, например, в виде усилителя на одном каскаде, регистратор 23 типа МПУ16. На чертеже также представлены первая 24 и вторая 25 исследуемые антенны. При этом последовательно соединены генератор 19 одиночного импульса, выход которого также подключен к S-входу RS-триггера 5, двоичный счетчик 1, второй выход которого соединен с R-входом RS-триггера 5, цифроаналоговый преобразователь 2, управляемый генератор 3 сигналов, направленный ответвитель 7, второй выход которого является выходом для подключения первой исследуемой антенны 24, цифровой частотомер 14, вход управления которого соединен с выходом инвертора 22, информационный выход также подключен к первому информационному входу регистратора 23, а выход управления также соединен с входом элемента 15 задержки, блок 4 извлечения корня квадратного, информационный вход которого подключен к выходу цифрового измерителя 9 мощности, первый блок 10 деления, второй информационный вход и вход управления которого соединены с информационным выходом цифрового частотомера 14 и первым выходом элемента 15 задержки соответственно, первый блок 16 умножения, второй информационный вход и вход управления которого подключены к первому выходу формирователя 18 цифрового кода и к второму выходу элемента 15 задержки соответственно, а выход соединен со вторым информационным входом регистратора 23, вход управления которого подключен к четвертому выходу элемента 15 задержки, последовательно соединены элемент "ИЛИ", первый и второй входы которого подключены к выходу генератора 19 одиночного импульса и к четвертому выходу элемента 15 задержки соответственно, ждущий мультивибратор 21 и блок 13 дифференцирования, выход которого подключен к входу инвертора 22, информационный вход перестраиваемого полосового фильтра 8 является входом для подключения второй исследуемой антенны 25, вход управления соединен с выходом цифроаналогового преобразователя 2, а выход - с входом цифрового измерителя 9 мощности, элемент 15 задержки выполнен четырехотводным, первый вход элемента "И" 6 соединен с прямым выходом RS-триггера 5, второй вход - с выходом генератора 12 тактовых импульсов, третий вход - с выходом ждущего мультивибратора 21, а выход подключен к счетному входу двоичного счетчика 1, последовательно соединены второй блок 17 умножения, первый и второй информационные входы которого подключены к выходу цифрового измерителя 9 мощности и к второму выходу формирователя цифрового кода 18 соответственно, а вход управления соединен со вторым выходом элемента 15 задержки, и второй блок 11 деления, второй информационный вход и вход управления которого подключены к выходу первого блока 16 умножения и к третьему выходу элемента 15 задержки соответственно.

Исследуемые антенны 24 и 25 располагают на расстоянии R дальней зоны таким образом, чтобы главные максимумы их диаграмм направленности были ориентированы по одной прямой навстречу друг другу.

На выходе генератора 19 формируют положительный импульс прямоугольной формы, который на установочный вход двоичного счетчика 1 и S-вход RS-триггера 5 поступает непосредственно, а на вход ждущего мультивибратора 21 через элемент "ИЛИ" 20. RS-триггер 5 переводится в положение логической "1", двоичный счетчик 1 устанавливается в начальное состояние, а ждущий мультивибратор 21 запускается. При этом на прямом выходе RS-триггера 5 формируется напряжение И₁ (см. фиг. 2а) логической "1", которое поступает на первый вход элемента "И" 6, а на вход ждущего мультивибратора 21 вырабатывается положительный импульс И₂ (см. фиг. 2б), который подается на вход блока 13 дифференцирования и второй вход элемента "И" 6, на третий вход которого с выхода генератора 12 поступают квантующие импульсы И₃ (см. фиг. 2в). Передний фронт импульса И₂ блоком 13 дифференцирования дифференцируется и виде положительного импульса И₄ (см. фиг. 2г) подается на вход инвертора 22, с выхода которого в виде отрицательного импульса И₅ (см. фиг. 2д) поступает на управляющий вход цифрового частотомера 14. Цифровой частотомер 14 не срабатывает, а на выходе элемента "И" 6, на входы которого подаются положительные импульсы И₁, И₂ и И₃, образуется последовательность квантующих импульсов И₃ (см. фиг. 2е), которая поступает на счетный вход двоичного счетчика 1. Частота импульсов И₃ выбирается исходя из дискреты перестройки частоты управляемого генератора 3 и быстродействия двоичного счетчика 1 и цифроаналогового преобразователя 2. В результате поступления на счетный вход двоичного счетчика 1 квантующих импульсов И₃ (см. фиг. 2е) объем его плавно заполняется, а на его выходе в двоичном коде формируются текущие значения логических напряжений, которые поступают на вход цифроаналогового преобразователя 2. На выходе цифроаналогового преобразователя 2 вырабатывается нарастающее по амплитуде пилообразное напряжение И₆ (см. фиг. 2ж), которое, поступая на входы управления генератора 3 и перестраиваемого полосового фильтра 8, осуществляет их перестройку до частоты f₁ генератора 3.

В момент окончания первого импульса И₂ (см. фиг. 2б) ждущего мультивибратора 21 напряжение на его выходе становится равным логическому "0", поступление импульсов И₃ (см. фиг. 2е) на счетный вход двоичного счетчика 1 прекращается, амплитуда напряжения И₆ на выходе цифроаналогового преобразователя 2 принимает фиксированное значение И₆₁, а генератор 3 сигналов и полосовой фильтр 8 устанавливается на первую частоту f₁ измерения коэффициента G₁ усиления и эффективной площади S₁ поверхности исследуемых антенн 24 и 25.

Электромагнитная энергия генератора 3 с первого выхода направленного ответвителя 7 поступает на информационный вход частотомера 14, а с его второго выхода - на вход исследуемой антенны 24 и излучается в пространство. Принимаемая исследуемой антенной 25 энергия излучаемого сигнала через полосовой фильтр 8, настроенный на частоту f₁, поступает на вход цифрового измерителя 9 мощности. С выхода измерителя 9 мощности измеренное значение P_1пр мощности сигнала подается на информационный вход блока 4 извлечения корня квадратного.

Одновременно задний фронт И₂ ждущего мультивибратора 21 дифференцируется блоком 13 дифференцирования и в виде отрицательного импульса И₄ (см. фиг. 2г) поступает на вход инвертора 22. На выходе инвертора 22 формируется первый положительный импульса И₅ (см. фиг. 2д), который подается на вход управления частотомера 14, на информационный вход которого с первого выхода направленного ответвителя 7 поступает сигнал генератора 3 на частоте f₁. Частотомер 14 срабатывает и измеряет частоту f₁ настройки генератора 3 сигналов, значение которой с его информационного выхода в двоичном коде на второй информационный вход первого блока 10 деления и первый информационный вход регистратора 23.

В момент окончания измерения частоты f₁ частотомеры 14 на его выходе управления вырабатывается положительный импульс И₇ (см. фиг. 2з), который поступает на вход элемента 15 задержки и вход управления блока 4 извлечения корня квадратного. Блок 4 срабатывает и на его выходе в двоичном коде вырабатывается результат который в виде логических напряжений подается на первый информационный вход первого цифрового блока 10 деления, на второй информационный вход которого с информационного выхода частотомера 14 в двоичном коде поступают логические напряжения частоты f₁ настройки генератора 3. С первого выхода элемента 15 задержки задержанный на τ импульс И₇ подается на вход управления первого блока 10 деления. Первый блок деления срабатывает и осуществляет операцию деления . С выхода первого блока 10 деления результат поступает на вход первого блока 16 умножения, на второй информационный вход которого с выхода формирователя 18 цифрового кода в двоичном коде подается постоянная величина , где P_г - мощность сигнала на втором выходе направленного ответвителя 7, с - скорость света. Со второго выхода элемента 15 задержки задержанный на 2 τ импульс И₇ поступает на входы управления первого 16 и второго 17 блоков умножения, при этом на второй вход первого блока 16 умножения с первого выхода формирователя 18 цифрового кода подается постоянная величина а на первый и второй информационные входы второго блока умножения 17 с выхода цифрового измерителя 9 мощности и второго выхода формирователя 18 цифрового кода в двоичном коде поступают значения P_1пр и постоянной величины 4πR²/P_г соответственно. Первый и второй блоки умножения срабатывают и на их выходах в двоичном коде соответственно формируются значение эффективной площади поверхности на частоте f₁ генератора 3 и числовое значение 4πR²P_1пр/P_г . С выхода блока 16 результат умножения в двоичном коде поступает на вторые входы второго блока 11 деления и регистратора 23, а с выхода второго блока 17 умножения - на первый вход второго блока 11 деления.

С третьего выхода элемента 15 задержки задержанный на 3 τ импульс И₇ поступает на вход управления второго блока 11 деления. Блок 11 срабатывает и на его выходе в двоичном коде вырабатывается значение коэффициента усиления G = 4πR²P_1пр/P_г•S₁ , которое подается на третий вход регистратора 23.

С четвертого выхода элемента 15 задержки задержанный на 4 τ импульс И₇ на вход управления регистратора 23 подается непосредственно, а на вход ждущего мультивибратора 21 через элемент "ИЛИ" 20. Регистратор 23 срабатывает и фиксирует значение f₁ эффективной площади поверхности антенны, коэффициент усиления G антенны и частоту сигнала, на которой определяются энергетические параметры исследуемой антенны, а ждущий мультивибратор 21 запускается вторично. На выходе ждущего мультивибратора 21 формируется второй положительный импульс И₂ (см. фиг. 2б), который поступает на вход элемента "И" 6. На выходе элемента "И" 6 опять формируется последовательность тактовых импульсов И₃ (см. фиг. 2е) генератора 12, которые подаются на счетный вход двоичного счетчика 1. Объем памяти двоичного счетчика 1 снова плавно увеличивается, напряжение И₆ (см. фиг. 2ж) на выходе цифроаналогового преобразователя 2 плавно возрастает, а генератор 3 сигналов перестраивается на частоту f₂. В момент окончания длительности второго импульса И₂ ждущего мультивибратора 21 напряжение на его выходе становится равным логическому "0", поступление импульсов И₃ на счетный вход двоичного счетчика прекращается, амплитуда напряжения И₆₂ остается неизменной, перестройка генератора 3 сигналов и полосового фильтра 8 прекращается и процесс определения энергетических параметров исследуемых антенн (S₂G₂) на частоте f₂ (и всех последующих частотах) повторяется.

При перестройке генератора 3 сигналов до верхней границы f'' исследуемого диапазона, то есть при полном заполнении объема двоичного счетчика 1, на его последнем выходе высшего разряда формируется положительный импульс И₈ (см. фиг. 2и), который подается на R - вход RS - триггера 5. RS-триггера 5 возвращается в положение логического "0" и на его прямом выходе напряжение И₁ (см. фиг. 2а) становится равным логическому "0", формирование импульсов на выходе элемента "И" 6 прекращается, а генератор 3 и полосовой фильтр 8 остаются настроенными на частоту f'' и процесс определения энергетических параметров антенны прекращается.

Таким образом, предложенное техническое решение позволяет в дискретной форме фиксировать графики зависимостей коэффициента G усиления и эффективной площади S поверхности антенны от частоты, которые путем аппроксимации можно представлять в непрерывной форме.

Использование данного изобретения позволяет автоматически одновременно определять коэффициент увеличения и эффективную площадь поверхности антенны в широкой полосе частот, что значительно повышает быстродействие и снижает субъективные ошибки человека - оператора при пересчете энергетических параметров антенны.

Устройство для определения энергетических параметров антенны содержит двоичный счетчик (1), цифроаналоговый преобразователь ЦАП (2), управляемый генератор (3), блок (4) извлечения корня квадратного, RS-триггер (5), трехвходовый элемент И (6), направленный ответвитель (7), перестраиваемый полосовой фильтр (8), цифровой измеритель (9) мощности, первый (10) и второй (11) блоки деления, генератор (12) тактовых импульсов, блок (13) дифференцирования, цифровой частотомер (14), четырехотводный элемент задержки (15), первый (16) и второй (17) блоки умножения, формирователь (18) цифрового кода, генератор (19) одиночного импульса, элемент ИЛИ (20), ждущий мультивибратор (21), инвертор (22), регистратор (23), первую (24) и вторую (25) исследуемую антенну. Определение энергетических параметров антенны осуществляется дискретной перестройкой генератором 12, мультивибратором (21), RS-триггером (5), элементом И (6), счетчиком 1 и ЦАП (2) генератора (3) в заданном диапазоне частот, излучением антенной (24) энергии генератора (3) в пространство, приемом излучаемой энергии антенной (25), идентичной антенне (24), измерением фильтром 8 и измерителем 9 мощности уровня Pnpi на выходе антенны (25), измерением частотомером 14 частоты fi излучаемого генератором (3) сигнала, вычислением блоком (4), блоком (10) и блоком (16) эффективной площади Si поверхности исследуемой антенны на частоте fi, вычислением блоком (17) и блоком (11) коэффициента Gi усиления антенны и фиксацией регистратором (23) результата вычисления Si и Gi на каждой из дискретных частот fi. Технический результат заключается в автоматизации измерений и обеспечении возможности одновременного определения коэффициента усиления и эффективной площади поверхности антенны в широкой полосе частот, повышении быстродействия. 2 ил.

Устройство для определения энергетических параметров антенны, содержащее генератор тактовых импульсов, последовательно соединенные генератор одиночного импульса, выход которого подключен к S-входу RS-триггера, двоичный счетчик, второй выход которого соединен с R-входом RS-триггера, цифровой преобразователь, управляемый генератор сигналов, направленный ответвитель, второй вход которого является выходом для подключения первой исследуемой антенны, частотомер, вход управления которого соединен с выходом инвертора, а информационный выход подключен к первому информационному входу регистратора, а выход управления соединен с входом элемента задержки, блок извлечения корня квадратного, информационный вход которого подключен к выходу цифрового измерителя мощности, первый блок деления, второй цифровой вход и вход управления которого соединены с информационным выходом частотомера и первым выходом элемента задержки соответственно, первый блок умножения, второй информационный вход и вход управления которого подключены к первому выходу формирователя цифрового кода и к второму выходу элемента задержки соответственно, а выход соединен с вторым информационным входом регистратора, вход управления которого подключен к четвертому выходу элемента задержки, последовательно соединенные элемент ИЛИ, первый и второй входы которого подключены к выходу генератора одиночного импульса и четвертому выходу элемента задержки соответственно, ждущий мультивибратор и блок дифференцирования, выход которого подключен к входу инвертора, перестраиваемый полосовой фильтр, информационный вход которого является входом для подключения второй исследуемой антенны, вход управления соединен с выходом цифрового преобразователя, а выход - с входом цифрового измерителя мощности, отличающееся тем, что элемент задержки выполнен четырехотводным, дополнительно введен элемент И, первый вход которого соединен с прямым выходом RS-триггера, второй вход - с выходом генератора тактовых импульсов, третий вход - с выходом ждущего мультивибратора, а выход подключен к счетному входу двоичного счетчика, последовательно соединенные второй блок умножения, первый и второй информационные входы которого подключены к выходу цифрового измерителя мощности и второму выходу формирователя цифрового кода соответственно, а выход управления соединен с вторым выходом элемента задержки, и второй блок деления, второй информационный вход и вход управления которого подключены к выходу первого блока умножения и третьему выходу элемента задержки соответственно, а выход в двоичном коде вырабатывает значение коэффициента усиления, которое подается на третий вход регистратора.