УСТРОЙСТВО ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЯ КОЭФФИЦИЕНТА ОТРАЖЕНИЯ РАДИОВОЛН ОТ РАДИОПОГЛОЩАЮЩИХ ПОКРЫТИЙ Российский патент 2008 года по МПК G01R27/06 

Изобретение относится к радиотехнике, в частности к радиолокации, и может быть использовано для измерения радиофизических характеристик (РФХ) радиопоглощающих покрытий (РПП). Радиофизические характеристики РПП исследуются в интересах создания техники со сниженной радиолокационной заметностью, обеспечения электромагнитной совместимости радиоэлектронных средств, биологической защиты персонала, обслуживающего радиоэлектронные средства.

Перечисленные применения РПП требуют знания одной из важнейших РФХ - коэффициента отражения (КО) радиоволн в сверхширокой полосе частот (2...40 ГГц) и различных углах облучения. В отечественной науке к сверхширокополосным относят сигналы, у которых ширина спектра Δf соизмерима с центральной частотой f₀: показатель широкополосности μ=Δf/f₀≈1, в то время как у узкополосных сигналов Δf/f₀<<1 (см. Варганов М.Е., Зиновьев Ю.С., Астанин Л.Ю. и др. Радиолокационные характеристики летательных аппаратов. - М.: Радио и связь, 1985, с.236).

Известно устройство для измерения коэффициента отражения радиоволн от РПП в свободном пространстве (см. Алимин Б.Ф. Техника измерений коэффициентов отражения поглотителей электромагнитных волн. Зарубежная радиоэлектроника, №2, 1977 г., с.91).

Устройство содержит генератор СВЧ, фильтр нижних частот, аттенюатор, приемную и передающую антенны, приемник, компенсирующую цепочку, состоящую из фазовращателя и переменного аттенюатора, а также исследуемый образец РПП и эталонную металлическую пластину. При этом генератор, фильтр нижних частот, аттенюатор и передающая антенна соединены последовательно. Приемная антенна соединена с приемником. Между приемной и передающей антенной присоединена компенсирующая цепочка.

Исследуемый образец РПП помещается на опорное устройство в поле передающей антенны. Отраженный сигнал принимается приемной антенной и поступает в приемник, где усиливается и обрабатывается.

Затем на месте исследуемого образца устанавливается эталонная металлическая пластина, отражения от которой фиксируются приемником.

По отношению мощностей сигналов, отраженных от образца РПП и эталонной металлической пластины, вычисляют КО РПП на фиксированной частоте.

Недостатком устройства является низкая точность измерений, обусловленная отражениями от стен помещения и элементов опорного устройства. Другим недостатком является узкополосность устройства. Для исследования в широкой полосе частот требуется создание множества однотипных установок на различные диапазоны частот, что приводит к значительному увеличению времени измерений и снижению точности измерений при стыковке зарегистрированных данных, получаемых на разных установках.

Наиболее близким по технической сущности и достигаемому эффекту является устройство, реализующее способ измерения коэффициента отражения радиоволн от РПП, защищенное патентом РФ №2234101, МПК G01S 13/00; G01R 29/00, 2004 г.

Устройство, реализующее способ измерения коэффициента отражения радиоволн от РПП, содержит генератор СШП сигналов, передающую антенну, приемную антенну, СШП приемник, устройство управления и обмена, устройство ввода и обработки, устройство развертки, размещенные на каркасе, а также содержит исследуемый образец РПП и эталонную металлическую пластину.

Выход генератора СШП сигналов соединен со входом передающей антенны, которая связана с исследуемым образом РПП посредством излучаемого сигнала. Отраженный сигнал связывает исследуемый образец РПП с приемной антенной посредством отраженного сигнала. Выход приемной антенны связан со входом СШП приемника, выход которого соединен с первым входом устройства управления и обмена, выход которого соединен со входом устройства развертки, первый выход которого соединен со входом генератора СШП сигналов, второй выход устройства развертки соединен со вторым входом СШП приемника, а третий выход устройства развертки соединен со вторым входом устройства управления и обмена, которое связано с устройством ввода и обработки каналом обмена.

Устройство, реализующее способ измерения коэффициента отражения радиоволн от РПП, работает следующим образом. Оператор устанавливает в устройстве ввода и обработки параметры измерений отраженного сигнала, которые через канал обмена передаются в устройство управления и обмена. По команде с устройства управления и обмена в устройстве развертки формируются управляющие импульсы, которые подаются на генератор СШП сигналов, СШП приемник и устройство управления и обмена. Генератор СШП формирует СШП сигналы, которые ударно возбуждают передающую антенну, которая излучает сигнал, облучающий образец РПП. Отраженный от образца РПП сигнал V_c(t_k), где t_k - временные отсчеты сигнала (фиг.2), поступает в приемную антенну и затем в СШП приемник. Далее сигнал поступает в устройство управления и обмена, где преобразуется в цифровую форму, в соответствии с параметрами измерений.

Затем сигнал передается в устройство ввода и обработки, в котором с помощью дискретного преобразования Фурье производится вычисление его спектральной плотности G_c(f_n) (фиг.3), разбиения диапазона рабочих частот на совокупности частотных интервалов, аппроксимации линейными функциями фазовой характеристики спектральной плотности G_c(f_n) в каждом р-ом интервале, нахождения соответствующих запаздываний частотных составляющих сигналов, проведения когерентного суммирования с учетом фазовых сдвигов отсчетов G_c(f_n) и определения средних на интервалах значений спектральной плотности G_c(f_p) зарегистрированного сигнала.

Аналогичные действия осуществляются после замены образца РПП на эталонную металлическую пластину. Вычисляются средние на интервалах значения спектральной плотности сигнала G_m(f_p), отраженного от эталонной металлической пластины.

Вычисление функций G_c(f_n) и G_m(f_n) производится по формулам

где N - количество отсчетов в зарегистрированных импульсных характеристиках; Δt - временной шаг между ближайшими отсчетами; j - мнимая единица; - частотные отсчеты, в которых вычисляются спектральные плотности сигналов, выбираемые в диапазоне рабочих частот измерительной установки Δf, далее диапазон Δf разбивают на совокупность N_f частотных интервалов δf_p, причем в каждом интервале δf_p фазовые характеристики спектральных плотностей G_с(f_n) и G_m(f_n) (фиг.4, кривая 1) аппроксимируют линейными функциями (фиг.4, кривая 2), по наклонам которых определяют соответствующие запаздывания частотных составляющих сигналов t_cp, t_mp и проводят когерентное суммирование с учетом фазовых сдвигов спектральных плотностей зарегистрированных сигналов

где f_p - средняя частота интервала δf_p; N - количество частотных отсчетов в интервале δf_p, и затем определяют значения КО РПП K(f_p) в дискретных частотных отсчетах в сверхширокой полосе частот Δf по формуле

Недостатком известного устройства для измерения коэффициента отражения радиоволн от РПП является низкая точность измерения, обусловленная тремя основными факторами:

электродинамическим взаимодействием приемной и передающей антенн устройства и, как следствие, затекание электромагнитной энергии из приемной в передающую антенну;

неточностью позиционирования исследуемого образца РПП и эталонной металлической пластины по отношению к приемной и передающей антеннам;

наличием в сигнале, отраженном от исследуемого образца РПП и эталонной металлической пластины, дифракционной составляющей и излучения от краев.

Задачей настоящего изобретения является повышение точности измерения коэффициента отражения радиоволн от РПП.

Решение поставленной задачи достигается тем, что в устройство для измерения коэффициента отражения радиоволн от РПП, содержащее последовательно соединенные устройство ввода и обработки, устройство управления и обмена, устройство развертки, СШП приемник с приемной антенной, размещенные на общем основании (каркасе), при этом ко второму выходу устройства развертки присоединен генератор СШП сигналов с передающей антенной, а третий выход устройства развертки соединен со вторым входом устройства управления и обмена, второй выход которого соединен со входом устройства ввода и обработки, содержащее также исследуемый образец РПП и эталонную металлическую пластину, согласно изобретению дополнительно введены между приемной и передающей антеннами разделительная пластина из радиопоглощающего материала (РПМ), установленная на общем основании (каркасе), и на расстоянии R от передающей антенны опорное устройство, при этом на исследуемый образец РПП и эталонную металлическую пластину по периметру нанесена окантовка из РПМ сечением А×А, причем

где Д - максимальный линейный размер исследуемого образца РПП;

λ_min, λ_max - минимальная и максимальная длина волны исследуемого диапазона соответственно.

Установка разделительной пластины из РПМ повышает степень развязки между приемной и передающей антеннами, что приводит к повышению чувствительности приемника на 6...12 дБ (установлено экспериментально). А повышение чувствительности приемника на 6...12 дБ приводит к уменьшению погрешности измерения коэффициента отражения на 1,3...1,8 дБ (см. Блэксмит и др. Введение в методы измерения радиолокационного поперечного сечения цели ТИИЭР, 1968, т.8, с.1043). При этом для сохранения форм диаграмм направленности приемной и передающей антенн разделительная пластина из РПМ не должна выступать за плоскость раскрыва антенн на расстояние более 0,3 λ_min.

Введение опорного устройства позволяет повысить точность позиционирования исследуемого образца РПП и эталонной металлической пластины. Установка исследуемого образца РПП и эталонной металлической пластины в одинаковом положении снижает погрешность калибровки на 0,3...0,5 дБ.

Нанесение окантовки из РПМ на исследуемый образец РПП и эталонную металлическую пластину позволяет снизить дифракционную составляющую отраженного сигнала и излучение от краев, что дает возможность снизить погрешность измерения коэффициента отражения на 0,4...0,7 дБ.

На фиг.1 представлена структурная схема заявляемого устройства для измерения коэффициента отражения радиоволн от РПП.

На фиг.2 приведены фрагменты регистрируемых временных сигналов, отраженных от образца РПП V_c(t) и эталонной металлической пластины V_m(t). На фиг.3 представлены амплитудные характеристики спектральной плотности зарегистрированного сигнала G_m(c)(f_n) и усредненной в интервалах δf_p спектральной плотности этого же сигнала G_m(c)(f_p). На фиг.4 приведена фазовая характеристика спектральной плотности зарегистрированного сигнала G_m(c)(f_n) на интервале δf_p и ее линейная аппроксимация для определения соответствующего времени запаздывания t_m(c)p.

Заявляемое устройство для измерения коэффициента отражения радиоволн от РПП содержит устройство ввода и обработки - 1, устройство управления и обмена - 2, устройство развертки - 3, сверхширокополосный приемник - 4, приемную антенну - 5, передающую антенну - 6, генератор сверхширокополосных сигналов - 7, исследуемый образец РПП - 8, опорное устройство - 9, эталонную металлическую пластину - 10, разделительную пластину из РПМ - 11, каркас - 12, окантовку из РПМ - 13.1 для эталонной металлической пластины, окантовку из РПМ - 13.2 для исследуемого образца РПП. На каркасе - 12 установлены устройство ввода и обработки - 1, устройство управления и обмена - 2, устройство развертки - 3, СШП приемник - 4, приемная антенна - 5 и соединены последовательно. Ко второму выходу устройства развертки - 3 присоединен генератор СШП сигналов с передающей антенной - 6, третий выход устройства развертки - 3 соединен со вторым входом устройства управления и обмена - 2, выход СШП приемника - 4 присоединен к третьему входу устройства управления и обмена - 2, второй выход которого соединен со входом устройства ввода и обработки - 1. Исследуемый образец РПП - 8 с окантовкой из РПМ - 13.2 расположен на опорном устройстве - 9, а между приемной и передающей антеннами установлена с креплением к каркасу - 12 разделительная пластина из РПМ - 11.

Для реализации технического решения может быть использовано стандартное промышленное оборудование. Так, например, четыре устройства: устройство ввода и обработки - 1, устройство управления и обмена - 2, устройство развертки - 3, сверхширокополосный приемник - 4 представляют собой серийно выпускающийся промышленностью СШП программируемый стробоскопический цифровой осциллограф типа TMR 8140 [ООО Научно-производственное предприятие «Трим», г.Санкт-Петербург].

В качестве приемной антенны - 5 и передающей антенны - 6 могут быть использованы антенны измерительные рупорные П6 -23А [Научно-производственная компания «Ритм», г.Краснодар].

Генератор сверхширокополосных сигналов - 7 может быть реализован при помощи генератора сверхкоротких импульсов типа TMG 60100V [ООО Научно-производственное предприятие «Трим», г.Санкт-Петербург].

Металлическая подложка, на которую наносится исследуемый образец РПП - 8, и эталонная металлическая пластина - 10 выполнены из алюминия размерами 500×500×3 мм. Выбор таких поперечных размеров обусловлен следующим. Так как КО определяют по результатам измерений отраженных сигналов от исследуемого образца РПП - 8 и эталонной металлической пластины - 10, находящихся в свободном пространстве, необходимо, чтобы зеркальная составляющая была преобладающей. Для этого поперечные размеры пластин должны быть много больше максимальной длины волны рабочего диапазона λ_min. Кроме того, для уменьшения погрешностей, обусловленных краевыми эффектами, необходимо, чтобы напряженность поля облучения на краях пластин была существенно ниже, чем в их центре. Поэтому с учетом значения λ_min=150 мм и размеров рабочего объема 300 мм по уровню поля на его границах - 3 дБ поперечные размеры должны составлять не менее 400×400 мм. С другой стороны в результате эксперимента было установлено, что значения измеренных импульсных характеристик эталонных металлических пластин с поперечными размерами больше 500×500 мм не изменялись.

В качестве опорного устройства - 9 может быть использована тренога от измерительной рупорной антенны типа П6 - 23А.

Разделительная пластина из РПМ - 11, окантовка из РПМ - 13.1 и 13.2 могут быть реализованы при помощи многослойного поглотителя СВЧ-энергии общей толщиной (0,7-0,75) λ_max [Авторское свидетельство СССР №1788541, МКИ H01Q 17/00, 1993].

Каркас - 12 может быть выполнен из алюминия размерами L×100×5 мм.

Устройство для измерения коэффициента отражения радиоволн от РПП работает следующим образом. Оператор в устройстве ввода и обработки - 1 устанавливает параметры измерений отраженного сигнала, которые передаются в устройство управления и обмена - 2. По команде с устройства управления и обмена - 2 в устройстве развертки - 3 формируются управляющие импульсы, которые подаются на генератор СШП сигналов - 7, СШП приемник - 4 и устройство управления и обмена - 2. Генератор СШП сигналов - 7 формирует СШП сигналы, которые ударно возбуждают передающую антенну - 6, которая излучает сигнал, облучающий исследуемый образец РПП - 8 с окантовкой из РПМ - 13.2, установленный на опорном устройстве - 9. При этом исследуемый образец РПП - 8 с окантовкой из РПМ - 13.2 устанавливается точно по нормали к направлению облучения. Отраженный от образца РПП - 8 с окантовкой из РПМ - 13.2 сигнал поступает в приемную антенну - 5 и затем в СШП приемник - 4. Принятый во временной форме сигнал поступает в устройство управления и обмена - 2, преобразуется в цифровую форму в соответствии с параметрами измерений и передается в устройство ввода и обработки - 1 для вычисления с помощью дискретного преобразования Фурье его спектральной плотности G_c(f_n) (фиг.3), разбиения диапазона рабочих частот на совокупности частотных интервалов, аппроксимации линейными функциями фазовой характеристики спектральной плотности G_c(f_n) на этих интервалах, нахождения соответствующих запаздываний частотных составляющих сигналов, проведения когерентного суммирования с учетом фазовых сдвигов отсчетов G_c(f_n) и определения средних на интервалах значений спектральной плотности G_c(f_p) зарегистрированного сигнала. Далее исследуемый образец РПП - 8 с окантовкой из РПМ - 13.2 снимается с опорного устройства - 9 и на его место устанавливается эталонная металлическая пластина - 10 с окантовкой из РПМ - 13.1.

Аналогичные действия осуществляются после замены образца РПП - 8 с окантовкой из РПМ - 13.2 на эталонную металлическую пластину - 10 с окантовкой из РПМ - 13.1. Вычисляются средние на интервалах значения спектральной плотности сигнала G_m(f_p), отраженного от эталонной металлической пластины - 10 с окантовкой из РПМ - 13.1.

Затем с помощью выражения (3) определяется КО РПП в сверхширокой полосе частот.

Таким образом, введение в состав устройства для измерения коэффициента отражения радиоволн от РПП разделительной пластины из РПМ - 11, опорного устройства - 9 и нанесение окантовки из РПМ - 13.2 на исследуемый образец РПП - 8 и окантовки из РПМ - 13.2 на эталонную металлическую пластину - 10 позволяет снизить погрешность измерения КО РПП на 2...3 дБ в сверхширокой полосе частот.

Использование: в радиотехнике. Технический результат заключается в повышении точности измерения. Устройство содержит размещенные на каркасе последовательно соединенные устройство ввода и обработки, устройство управления и обмена, устройство развертки и сверхширокополосный (СШП) приемник с приемной антенной, при этом ко второму выходу устройства развертки присоединен генератор СШП сигналов с передающей антенной, выход СШП приемника присоединен к устройству управления и обмена; исследуемый образец РПП и эталонную металлическую пластину, между приемной и передающей антеннами введена разделительная пластина из радиопоглощающего материала, а на расстоянии R от передающей антенны - опорное устройство, на исследуемый образец РПП и на эталонную металлическую пластину по периметру нанесена окантовка из РПМ сечением А×А, причем

; ,

где Д - максимальный линейный размер исследуемого образца РПП; λ_min, λ_max - минимальная и максимальная длина волны исследуемого диапазона. 4 ил.

Устройство для измерения коэффициента отражения радиоволн от радиопоглощающих покрытий (РПП), содержащее размещенные на каркасе последовательно соединенные устройство ввода и обработки, устройство управления и обмена, устройство развертки и сверхширокополосный (СШП) приемник с приемной антенной, при этом ко второму выходу устройства развертки присоединен генератор СШП сигналов с передающей антенной, а третий выход устройства развертки соединен со вторым входом устройства управления и обмена, а выход СШП приемника присоединен к третьему входу устройства управления и обмена, второй выход которого соединен со входом устройства ввода и обработки, устройство содержит также исследуемый образец РПП и эталонную металлическую пластину, отличающееся тем, что в него введены между приемной и передающей антеннами разделительная пластина из радиопоглощающего материала, установленная на каркасе, и на расстоянии R от передающей антенны - опорное устройство, причем на исследуемый образец РПП и на эталонную металлическую пластину по периметру нанесена окантовка из РПМ сечением А×А, причем

; ,

где Д - максимальный линейный размер исследуемого образца РПП;

λ_min, λ_max - минимальная и максимальная длины волн исследуемого диапазона.