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

Изобретение относится к радиоизмерительной технике и может использоваться для автоматического измерения эффективной площади поверхности и диаграммы направленности антенны в широкой полосе частот.

Известно устройство для измерения диаграммы направленности приемной антенны (см. авторское свидетельство СССР 1 136 037 по кл. G 01 R 29/10, 1982 г. ), содержащее генератор, к выходу которого подключена передающая антенна, а управляющий вход соединен с выходом модулятора, приемник, выход которого соединен с входами блока выработки уровня компарирования и первым входом амплитудного компаратора, второй вход которого подключен к выходу блока выработки уровня компарирования, механизм вращения исследуемой приемной антенны, снабженный датчиком угла поворота, соединенным с сервоприводом, самописец, первый вход которого соединен с датчиком угла поворота, последовательно соединенные формирователь остроконечных импульсов, вход которого подключен к выходу амплитудного компаратора, и первый бинарный статический триггер, выход которого соединен с входом модулятора, последовательно соединенные дифференцирующая цепь, вход которой подключен к выходу модулятора, и электронный ключ, выход которого подключен к управляющему входу первого бинарного статического триггера, а также второй бинарный статический триггер и последовательно соединенные источник напряжения и блок запуска, при этом выход блока запуска соединен с входами запуска первого и второго бинарных статических триггеров, третий и второй входы которых соответственно соединены с датчиком угла поворота, выход второго бинарного статического триггера подключен к входу сервопривода и управляющему входу электронного ключа, а выход модулятора соединен с вторым входом самописца, причем модулятор выполнен в виде пилообразного напряжения с временем T_пл нарастания пилы, определяемым следующим неравенством: T_иу << T_пл << T_ва, где T_иу - время инерционности устройства, T - период вращения исследуемой приемной антенны.

Однако, это устройство имеет недостаток, обусловленный невысокой точностью измерения, связанный с дискретным измерением диаграмм направленности приемной антенны, что приводит к пропуску ее узких лепестков, и невозможностью измерения эффективной площади поверхности антенны.

Наиболее близким техническим решением к изобретению является устройство для определения энергетических параметров антенны (см. авторское свидетельство СССР N 1 797 081 по кл. G 01 R 29/10, 1991 г.), содержащее управляемый генератор сигналов, последовательно соединенные генератор тактовых импульсов, электронный ключ, двоичный счетчик и цифроаналоговый преобразователь, выход которого подключен к входу управления управляемого генератора, последовательно соединенные ждущий мультивибратор, блок дифференцирования и инвертор, генератор одиночного импульса, выход которого подключен к установочному входу двоичного счетчика, элемент ИЛИ, первый вход которого подключен к выходу генератора одиночного импульса, последовательно соединенные полосовой фильтр, вход которого является входом для подключения первой исследуемой антенны, цифровой измеритель мощности и блок извлечения корня квадратного, блок умножения, второй вход которого подключен к выходу формирователя цифрового кода, третий вход - к первому входу регистратора, к второму входу которого подсоединен выход частотомера, а к третьему входу - третий выход элемента задержки, RS-триггер, направленный ответвитель, вход которого подключен к выходу перестраиваемого генератора сигнала, первый выход направленного ответвителя является выходом для подключения входа второй исследуемой антенны, идентичной первой исследуемой антенне, а второй выход - к выходу частотомера, выход которого подключен к второму входу блока деления, первый вход которого подключен к выходу блока извлечения корня квадратного, третий вход - к первому выходу элемента задержки, а выход - к первому входу блока умножения, второй выход частотомера подсоединен к входу элемента задержки, второму входу блока извлечения корня квадратного и к входу второго электронного ключа, выход которого подключен к первому входу элемента ИЛИ, выход которого подсоединен к входу ждущего мультивибратора, к выходу которого подключен управляющий вход первого электронного ключа, управляющий вход второго электронного ключа подсоединен к выходу RS-триггера, R-вход которого подключен к второму выходу двоичного счетчика, а S-вход - к выходу генератора одиночного импульса, управляющий вход частотомера подключен к выходу инвертора, а управляющий вход перестраиваемого полосового фильтра подсоединен к выходу цифроаналогового преобразователя.

Однако, это устройство также имеет недостаток, вызванный невозможностью измерения диаграммы направленности антенны.

Для исключений этого недостатка в устройство для определения энергетических параметров антенны, содержащее последовательно соединенные генератор тактовых импульсов, первый электронный ключ, двоичный счетчик, первый цифроаналоговый преобразователь, управляемый генератор, направленный ответвитель, первый выход которого является выходом для подключения входа первой исследуемой антенны, а второй выход соединен с информационным входом частотомера, управляющий выход которого подключен к входу элемента задержки и управляющему входу блока извлечения корня квадратного, выход которого соединен с первым информационным входом блока деления, второй информационный вход которого подключен к информационному выходу частотомера, а выход соединен с первым информационным входом блока умножения, второй информационный вход которого подключен к выходу формирователя цифрового кода, а выход соединен с первым информационным входом регистратора, второй информационный вход которого подключен к информационному выходу частотомера, последовательно соединенные генератор одиночного импульса, выход которого также подключен к установочному входу двоичного счетчика, первый RS-триггер, R-вход которого подключен к второму выходу двоичного счетчика, второй электронный ключ, первый элемент ИЛИ, второй вход которого соединен с выходом генератора одиночного импульса, ждущий мультивибратор, выход которого подключен к управляющему входу первого электронного ключа, блок дифференцирования, инвертор, выход которого соединен с управляющим входом частотомера, последовательно соединенные полосовой фильтр, информационный вход которого является входом второй исследуемой антенны, а управляющий вход подключен к выходу первого цифроаналогового преобразователя, и цифровой измеритель мощности, выход которого подключен к информационному входу блока извлечения корня квадратного, при этом первый, второй и третий выходы элемента задержки соединены с управляющими входами блока деления, блока умножения и регистратора соответственно, введены второй цифроаналоговый преобразователь, на вход которого поступают сигналы с выхода цифрового измерителя мощности, последовательно соединенные второй элемент ИЛИ, первый вход которого подключен к выходу генератора одиночного импульса, второй RS-триггер, S-вход которого соединен с третьим выходом элемента задержки, механизм вращения второй исследуемой антенны, снабженный датчиком угла поворота и концевым выключателем, выход которого подключен к второму входу второго элемента ИЛИ, и самописец, информационный вход которого подключен к выходу второго цифроаналогового преобразователя, а управляющий вход соединен с прямым выходом второго RS-триггера.

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

Устройство для определения энергетических параметров антенны содержит генератор 1 тактовых импульсов, первый и второй электронные ключи 2.1 и 2.2, выполненные, например, на тиристорах, двоичный счетчик 3, выполненный, например, на микросхеме типа К155ИЕ5, цифровой измеритель 4 мощности, блок 5 извлечения корня квадратного, выполненный, например, на микросхеме типа К145ИП16, ждущий мультивибратор 6 с длительностью импульса, равной сумме времен измерения мощности на входе приемной антенны и вычисления и регистрации значения эффективной площади поверхности антенны, первый и второй цифроаналоговые преобразователи 7.1 и 7.2, выполненные, например, на микросхеме типа К572ПА2А, управляемый генератор 8, выполненный, например, на диодах Ганна, направленный ответвитель 9, перестраиваемый полосовой фильтр 10, выполненный, например, на ЖИГ-фильтрах, блок 11 деления, выполненный, например, на микросхеме К145ИП16, первый и второй элементы ИЛИ 12.1 и 12.2, выполненные, например, на диодах с общей нагрузкой, блок 13 дифференцирования, выполненный, например, в виде дифференцирующей цепи, инвертор 14, выполненный, например, в виде однокаскадного усилителя, частотомер 15 типа Ч3-34, механизм 16 вращения, выполненный, например, в виде электродвигателя с редуктором и снабженный датчиком угла поворота и концевым выключателем, самописец 17, регистратор 18 типа МПУ16-3, блок 19 умножения, выполненный, например, на микросхеме типа К145ИП16, генератор 20 одиночного импульса типа Г4-32, первый и второй RS-триггеры 21.1 и 21.2, элемент 22 задержки, выполненный, например, в виде трехотводной линии задержки, формирователь 23 цифрового кода, выполненный, например, в виде источника питания с отводами соответствующих напряжений. При этом последовательно соединены генератор 1 тактовых импульсов, первый электронный ключ 2.1, двоичный счетчик 3, первый цифроаналоговый преобразователь 7.1, управляемый генератор 8, направленный ответвитель 9, первый выход которого является выходом для подключения входа первой исследуемой антенны 24, а второй выход соединен с информационным входом частотомера 15, управляющий вход которого подключен к входу элемента 22 задержки и управляющему входу блока 5 извлечения корня квадратного, а выход которого соединен с первым информационным входом блока 11 деления, второй информационный вход которого подключен к информационному выходу частотомера 15, а выход соединен с первым информационным входом блока 19 умножения, второй информационный вход которого подключен к выходу формирователя 23 цифрового кода, а выход соединен с первым информационным входом регистратора 18, второй информационный вход которого подключен к информационному выходу частотомера 15, последовательно соединены генератор 20 одиночного импульса, выход которого также подключен к установочному входу двоичного счетчика 3, первый RS-триггер 21.1, R-вход которого подключен к второму выходу двоичного счетчика 3, второй электронный ключ 2.2, первый элемент ИЛИ 12.1, второй вход которого соединен с выходом генератора 20 одиночного импульса, ждущий мультивибратор 6, выход которого также подключен к управляющему входу первого электронного ключа 2.1, блок 13 дифференцирования и инвертор 14, выход которого соединен с управляющим входом частотомера 15, последовательно соединены полосовой фильтр 10, информационный вход которого является выходом второй исследуемой антенны 25, идентичной первой исследуемой антенне 25, а управляющий вход подключен к выходу первого цифроаналогового преобразователя 7.1, и цифровой измеритель 4 мощности, выход которого подключен к информационному входу блока 5 извлечения корня квадратного, первый, второй и третий выходы элемента 22 задержки соединены с управляющими входами блока 11 деления, блока 19 умножения и регистратора 18 соответственно, последовательно соединены второй элемент ИЛИ 12.2, первый вход которого подключен к выходу генератора 20 одиночного импульса, второй RS-триггер 21.2, S-вход которого соединен с третьим выходом элемента 22 задержки, механизм 16 вращения антенны 25 и самописец 17, информационный вход которого подключен к выходу второго цифроаналогового преобразователя 7.2, а управляющий вход соединен с прямым выходом второго RS-триггера 21.2, выход концевого выключателя механизма 16 вращения подключен к второму входу второго элемента ИЛИ 12.2.

Устройство для определения энергетических параметров антенны работает следующим образом.

Исследуемые антенны 24 и 25 располагают на расстоянии дальней зоны таким образом, чтобы главные максимумы их диаграмм направленности были ориентированы по одной прямой навстречу друг другу. На выходе генератора 20 формируют положительный импульс прямоугольной формы, который на установочный вход двоичного счетчика 3 и S-вход второго RS-триггера 21.2 поступает непосредственно, а на вход ждущего мультивибратора 6 и R-вход второго RS-триггера 21.2 - через первый и второй элементы ИЛИ 12.1 и 12.2 соответственно. Первый RS-триггер 21.1 переводится в положение логической "1", второй RS-триггер 21.2 принимает состояние логического "0", двоичный счетчик 3 устанавливается в начальное состояние, а ждущий мультивибратор 6 запускается. При этом на прямом выходе первого RS-триггера 21.1 формируется напряжение U₁ (фиг. 2а) логической "1", которое подается на управляющий вход второго электронного ключа 2.2 и открывает его, на прямом выходе второго RS-триггера 21.2 образуется напряжение U₂ (фиг. 2б) логического "0", поступающее на механизм вращения 16 антенны 25 и самописец 17, которые остаются в состоянии покоя, а на выходе ждущего мультивибратора 6 вырабатывается положительный импульс U₃ (фиг. 2в), который поступает на вход блока 13 дифференцирования и управляющий вход первого электронного ключа 2.1. Передний фронт импульса U₃ дифференцируется блоком 13 и в виде положительного импульса U₄ (фиг. 2г) подается на вход инвертора 14, с выхода которого в виде отрицательного импульса U₅ (фиг. 2д) поступает на управляющий вход частотомера 15. Частотомер 15 не срабатывает, а первый электронный ключ 2.1 открывается, подключая выход генератора 1 тактовых импульсов U₆ (фиг. 2е), частота которых выбирается исходя из дискреты перестройки частоты генератора 8, к счетному входу двоичного счетчика 3. В результате поступления на счетный вход двоичного счетчика 3 прямоугольных импульсов U₇ (фиг. 2 ж) объем его плавно заполняется, а на его выходе в двоичном коде формируются текущие значения логических напряжений, которые подаются на вход первого цифроаналогового преобразователя 7.1. На выходе первого цифроаналогового преобразователя 7.1 вырабатывается возрастающее по амплитуде пилообразное напряжение U₈ (фиг. 2з), которое, поступая на входы генератора 8 и перестраиваемого полосового фильтра 10, осуществляет перестройку их частот до частоты f₁ генератора 7. В момент окончания длительности импульса U₃ (фиг. 2в) ждущего мультивибратора 6 напряжение на его выходе становится равным логическому "0", поступление импульсов U₇ (фиг. 2ж) на вход двоичного счетчика 3 прекращается, амплитуда напряжения U₈ на выходе первого цифроаналогового преобразователя 7.1 остается неизменной, а генератор 8 сигналов и полосовой фильтр 10 устанавливаются на первую частоту измерения эффективной площади поверхности и диаграмм направленности исследуемых антенн 24 и 25.

Электромагнитная энергия с выхода генератора 8 через направленный ответвитель 9 поступает на информационный вход частотомера 15 и вход исследуемой передающей антенны 24 и излучается в пространство. Принимаемая исследуемой приемной антенной 25 энергия сигнала через полосовой фильтр 10 подается на вход измерителя 4 мощности. С выхода цифрового измерителя 4 мощности измеренное значение мощности P_пр сигнала подается на информационный вход блока 5 извлечения корня квадратного и вход второго цифроаналогового преобразователя 7.2.

Одновременно задний фронт импульса U₃ едущего мультивибратора 6 дифференцируется блоком 13 и в виде отрицательного импульса U₄ (фиг. 2г) поступает на вход инвертора 14. На выходе инвертора 14 формируется первый положительный импульс U₅ (фиг. 2д), который подается на управляющий вход частотомера 15, на информационный вход которого со второго выхода направленного ответвителя 9 поступает сигнал генератора 8. Частотомер 15 срабатывает и измеряет частоту f₁ настройки генератора 8 сигналов, значение которой с его информационного выхода в двоичном коде подается на вторые информационные входы блока 11 деления и регистратора 18.

В момент окончания измерения частоты f₁ частотомером 15 на его управляющем выходе вырабатывается положительный импульс U₉ (фиг. 2и), который через открытый второй электронный ключ 2.2 и первый элемент ИЛИ 12.1 подается на вход элемента 22 задержки и управляющий вход блока 5 извлечения корня квадратного. Блок 5 извлечения корня квадратного срабатывает и на его выходе в двоичном коде вырабатывается результат который в виде логических напряжений подается на первые разрядные входы блока 11 деления, на вторые разрядные входы которого с информационного выхода частотомера 15 в двоичном коде поступают логические напряжения значения частоты f₁ генератора 8. С первого выхода элемента 22 задержки задержанный на τ импульс U₉ (фиг. 2и) подается на управляющий вход блока 11 деления. Блок 11 деления срабатывает и осуществляет операцию деления С выхода блока 11 результат деления в двоичном коде поступает на первый информационный вход блока 19 умножения, на второй информационный вход которого в двоичном коде подается постоянная величина с выхода формирователя 23 цифрового кода. Со второго выхода элемента 22 задержки задержанный на 2τ импульс U₉ (фиг. 2и) поступает на управляющий вход блока 19 умножения и запускает его. Блок 19 умножения срабатывает, и на его выходе в двоичном коде формируется числовое значение эффективной площади поверхности антенны на частоте f₁ генератора 8, которое поступает на первый информационный вход регистратора 18, на второй информационный вход которого в двоичном коде поступает значение частоты f₁. С третьего выхода элемента 22 задержки задержанный на 3r импульс U₉ подается на S-вход второго RS-триггера 21.2 и на управляющий вход регистратора 18. Последний срабатывает и фиксирует значение эффективной площади поверхности антенны S_x1 и частоту f₁ генератора 8, а второй RS-триггер 21.2 переводится в положение логической "1". Величина задержки τ элемента 22 задержки выбирается из расчета времени, необходимого для срабатывания блока 5 извлечения корня квадратного, блока 11 деления и блока 19 умножения. На выходе второго RS-триггера 21.2 вырабатывается напряжение U₂ (фиг. 2б) логической "1", которое включает самописец 17 и с помощью механизма вращения 16 переводит приемную антенну 25 в режим вращения. Скорость вращения приемной антенны 25 и перемещение носителя информации самописца 17 выбираются исходя из времени измерения цифровым измерителем 4 мощности сигнала на выходе приемной антенны 25. При этом вращении антенны 25 изменение мощности на входе цифрового измерителя 4 соответствует уровню диаграммы направленности F(Q) антенны 25. Одновременно с выхода цифрового измерителя 4 мощности текущие значения уровней мощности сигнала поступают на второй цифроаналоговый преобразователь 7.2. На выходе второго цифроаналогового преобразователя 7.2 формируется аналоговый сигнал, который подается на информационный вход самописца 17, где происходит его регистрация. При совершении антенной 25 полного оборота с концевого выключателя механизма вращения 16 через первый и второй элементы ИЛИ 12.1 и 12.2 на вход соответственно ждущего мультивибратора 6 и R-вход второго RS-триггера 21.2. На прямом выходе второго RS-триггера 21 образуется напряжение U₂ (фиг. 2б) логического "0", самописец 17 отключается, вращение приемной антенны 25 прекращается, а на выходе ждущего мультивибратора 6 снова вырабатывается положительный импульс U₃ (фиг. 2в), который подается на управляющий вход первого электронного ключа 2.1. Первый электронный ключ 2.1 снова открывается, и выход генератора 1 тактовых импульсов опять подключается к счетному входу двоичного счетчика 3. Объем памяти двоичного счетчика 3 продолжает плавно увеличиваться, напряжение U₈ (фиг. 2з) продолжает плавно возрастать, осуществляя перестройку частоты генератора 8 до частоты f₂.

В момент окончания длительности второго импульса ждущего мультивибратора 6 напряжение на его выходе становится равным логическому "0", поступление импульсов U₇ (фиг. 2ж) на счетный вход двоичного счетчика 3 прекращается, амплитуда (фиг. 2з) на выходе первого цифроаналогового преобразователя 7.1 остается неизменной, а перестройка генератора 8 сигналов и полосового фильтра 10 на частоте f₂ прекращается и процесс измерения эффективной площади и диаграммы направленности антенны 25 на частоте f₂ (и всех последующих частотах) повторяется.

При перестройке генератора 8 до верхней границы f'' исследуемого диапазона, то есть при полном заполнении двоичного счетчика 3, на последнем выходе его высшего разряда формируется положительный импульс U₁₀ (фиг. 2к), который подается на R-вход первого RS-триггера 21.1. Первый RS-триггер 21.1 возвращается в положение логического "0", и на его прямом выходе напряжение U₁ становится соответствующим логическому "0" (фиг. 2а). Второй электронный ключ 2.2 закрывается, напряжение с выхода концевого выключателя механизма 16 вращения на вход ждущего мультивибратора 6 не поступает, первый электронный ключ 2.1 не открывается, перестройка генератора 8 сигналов и полосового фильтра 10 не производится, и процесс измерения эффективной площади поверхности и диаграмм направленности исследуемых антенн прекращается.

Таким образом, предложенное техническое решение по сравнению с прототипом позволяет дополнительно измерять, кроме эффективной площади поверхности антенны, и ее диаграмму направленности в широкой полосе частот.

Технический результат заключается в повышении точности измерения, обеспечении измерения эффективной площади поверхности антенны и ее диаграммы направленности в широкой полосе частот. Технический результат обеспечивается путем дискретной перестройки генератором (1) тактовых импульсов, первым электронным ключом (2.1), двоичным счетчиком (3) и первым цифроаналоговым преобразователем (7.1) генератора (8) сигналов в заданном диапазоне частот, излучения первой исследуемой антенной (24) энергии генератор (8) в пространство, приема второй исследуемой антенной 25, идентичной первой исследуемой антенне (24), излучаемой энергии, измерения перестраиваемой фильтром (10) и измерителем мощности (4) уровня сигнала на выходе исследуемой приемной антенны (25), измерения частотомером (15) частоты излучаемого сигнала, вычисления блоком (5) извлечения квадратного корня, цифровым делителем (11) и цифровым умножителем (19) эффективной площади поверхности антенны, вращения механизмом (16) вращения, снабженного датчиком угла поворота, приемной антенны (25), преобразования вторым цифроаналоговым преобразователем (7.2) уровня сигнала, измеряемого измерителем мощности, и записи на носителе измерительной информации самописца (17) диаграммы направленности антенны. 2 ил.

Устройство для определения энергетических параметров антенны, содержащее последовательно соединенные генератор тактовых импульсов, первый электронный ключ, двоичный счетчик, первый цифроаналоговый преобразователь, управляемый генератор, направленный ответвитель, первый выход которого является выходом для подключения входа первой исследуемой антенны, а второй выход соединен с информационным входом частотомера, управляющий выход которого подключен к входу элемента задержки и управляющему входу блока извлечения корня квадратного, выход которого соединен с первым информационным входом блока деления, второй информационный вход которого подключен к информационному выходу частотомера, а выход соединен с первым информационным входом блока умножения, второй информационный вход которого подключен к выходу формирователя цифрового кода, а выход соединен с первым информационным входом регистратора, второй информационный
вход которого подключен к информационному выходу частотомера, последовательно соединенные генератор одиночного импульса, выход которого также подключен к установочному входу двоичного счетчика, первый RS-триггер, R-вход которого подключен к второму выходу двоичного счетчика, второй электронный ключ, первый элемент ИЛИ, второй вход которого соединен с выходом генератора одиночного импульса, ждущий мультивибратор, выход которого подключен к управляющему входу первого электронного ключа, блок дифференцирования, инвертор, выход которого соединен с управляющим входом частотомера, последовательно соединенные полосовой фильтр, информационный вход которого является входом второй исследуемой антенны, а управляющий вход подключен к выходу первого цифроаналогового преобразователя, и цифровой измеритель мощности, выход которого подключен к информационному входу блока извлечения корня квадратного, при этом первый, второй и третий выходы элемента задержки соединены с управляющими входами блока деления, блока умножения и регистратора соответственно, отличающееся тем, что введены второй цифроаналоговый преобразователь, на вход которого поступают сигналы с выхода цифрового измерителя мощности, последовательно соединенные второй элемент ИЛИ, первый вход которого подключен к выходу генератора одиночного импульса, второй RS-триггер, S-вход которого соединен с третьим выходом элемента задержки, механизм вращения второй исследуемой антенны, снабженный датчиком угла поворота и концевым выключателем, выход которого подключен к второму входу второго элемента ИЛИ, и самописец, информационный вход которого подключен к выходу второго цифроаналогового преобразователя, а управляющий вход соединен с прямым выходом второго RS-триггера.