СПОСОБ ИЗМЕРЕНИЯ КОЭФФИЦИЕНТА УСИЛЕНИЯ АНТЕНН И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЕГО ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ Российский патент 2016 года по МПК G01R29/10 

Изобретение относится к технике антенных измерений и может быть использовано для проведения экспериментальной оценки коэффициента усиления антенн, различных радиоэлектронных систем в диапазоне частот.

Известен способ измерения коэффициента усиления антенн [Л.Н. Захарьев, А.А. Леманский, В.И. Турчин, Н.М. Цейтлин, К.С. Щеглов. Методы измерения характеристик антенн СВЧ. «Радио и связь», М. - 1984, стр. 71-79], который основан на генерировании и излучении высокочастотного сигнала с помощью эталонной (измерительной) антенны в направлении исследуемой антенны, расположенной в дальней зоне на расстоянии R, причем высоты антенн выбираются с учетом уменьшения влияния отражений от поверхности земли, приеме исследуемой антенной сигнала, измерении его мощности P_и и вычислении коэффициента усиления антенны по формуле $$G_{и}=P_{и}\frac{4\pi R^2}{P_{э}{S}_{эфф}}$$ , где P_э - мощность сформированного сигнала, S_эфф - эффективная площадь эталонной антенны.

Известно устройство (аналог), которое содержит последовательно соединенные устройство генерирования сигналов, измеритель мощности и эталонную антенну, а также устройство позиционирования, на котором размещены исследуемая антенна и приемное устройство.

Этот способ и устройство для его осуществления применимы только для антенн СВЧ-диапазона. Традиционно используемые в указанном частотном диапазоне антенны обладают небольшим коэффициентом усиления и, как следствие, значительным угловым удалением направлений нулевого и максимального приема (излучения) Δθ, достигающим 90 и более градусов. По этой причине, если Δθ<90 град, для реализации указанного способа необходимо размещать антенны на очень большой высоте от поверхности земли, а в случае, когда Δθ≥90 град, этот метод вообще нереализуем.

Недостатком известного способа и устройства для его осуществления является низкая точность измерений коэффициента усиления антенн, функционирующих в метровом диапазоне длин волн.

Наиболее близким по технической сущности и достигаемому техническому результату (прототип) является способ измерения коэффициента усиления антенн [Россия, патент №2345374, G01R 29/10, 2009], включающий формирование высокочастотного сигнала и измерение его мощности P_э, излучение сигнала с помощью эталонной антенны с эффективной площадью S_эфф в направлении исследуемой антенны, прием исследуемой антенной сигнала, измерение его мощности P_и и определение коэффициента усиления исследуемой антенны по формуле $$G_{и}=P_{и}\frac{4\pi R^2}{P_{э}{S}_{эфф}}$$ , причем фазовые центры эталонной и исследуемой антенн находятся на одинаковой высоте h от подстилающей поверхности и на расстоянии между фазовыми центрами антенн $$R=12\frac{h^{2}f}{c}$$ .

Наиболее близким по технической сущности и достигаемому техническому результату (прототип) является устройство, которое содержит последовательно соединенные генератор сигналов, измеритель мощности и эталонную антенну, а также устройство позиционирования, на котором размещены исследуемая антенна и приемное устройство, причем фазовые центры эталонной и исследуемой антенн находятся на одинаковой высоте h от подстилающей поверхности и на расстоянии между фазовыми центрами антенн $$R=12\frac{h^{2}f}{c}$$ .

Сущность способа измерения коэффициента усиления антенн и устройства для его осуществления, взятых за прототип, состоит в выборе такой схемы взаимного размещения фазовых центров антенн, при которой интерференционный множитель ослабления обращается в единицу, то есть обеспечиваются условия «свободного пространства». В связи с тем, что перед проведением измерения расстояние между фазовыми центрами антенн $$R=12\frac{h^{2}f}{c}$$ должно отдельно выбираться для каждого значения частоты f, то процесс измерений коэффициента усиления антенн в диапазоне частот будет занимать очень продолжительное время. Выполнение «вручную» большого количества повторяющихся аналогических операций для каждой частоты из исследуемого диапазона (задание значения частоты, вычисление соответствующего ей требуемого расстояния между эталонной и исследуемой антеннами, измерение реального расстояния между эталонной и исследуемой антеннами перемещение устройства позиционирования, до устранения разницы между требуемым и реальным расстоянием, измерение мощностей сформированного и принятого сигнала, вычисление коэффициента усиления антенны) приводит к погрешности измерений, обусловленной «человеческим фактором».

Недостатками известного способа и устройства для его осуществления являются низкая точность измерений и большие временные затраты, необходимые для проведения измерений коэффициента усиления антенн в диапазоне частот.

Техническим результатом данного изобретения является существенное снижение временных затрат, необходимых для проведения измерений коэффициента усиления антенн при одновременном повышении точности измерений в диапазоне частот.

Технический результат достигается за счет того, что в известном способе измерения коэффициента усиления антенн, включающем генерирование высокочастотного сигнала, измерение его мощности P_э и излучение на выбранной частоте f с помощью эталонной антенны с известной эффективной площадью S_эфф в направлении исследуемой антенны, расположенной в дальней зоне, приеме этой антенной сигнала, измерение его мощности P_и и вычисление коэффициента усиления антенны по формуле $$G_{и}=P_{и}\frac{4\pi R^2}{P_{э}{S}_{эфф}}$$ , при этом эталонная и исследуемая антенны размещаются так, чтобы их фазовые центры находились на одинаковой высоте h от подстилающей поверхности и на расстоянии между антеннами $$R=12\frac{h^{2}f}{c}$$ , дополнительно вычисляют соответствующее каждому заданному значению частоты f расстояние между фазовыми центрами эталонной и исследуемой антенн R, измеряют реальное расстояние между фазовыми центрами эталонной и исследуемой антенн R_n, вычисляют разность расстояний R-R_n и перемещают исследуемую антенну вдоль линии, соединяющей фазовые центры эталонной и исследуемой антенн, до тех пор, пока R-R_n=0.

В устройство измерения коэффициента усиления антенн, содержащее последовательно соединенные генератор сигналов, измеритель мощности и эталонную антенну, а также устройство позиционирования, на котором размещены исследуемая антенна и приемное устройство, введены последовательно соединенные устройство измерения дальности, устройство обработки и управления, также формирователь команд управления, выход которого соединен со входом устройства позиционирования, второй выход, второй и третий входы устройства управления соединены со входом генератора сигналов, со вторым выходом измерителя мощности, с выходом приемного устройства через устройство коммутации соответственно, причем устройство измерения дальности размещено на устройстве позиционирования.

Сущность предлагаемого изобретения заключается в том, что за счет повышения технологичности процесса измерений существенно снижаются временные затраты, необходимые для проведения измерений коэффициента усиления антенн при одновременном повышении точности измерений в диапазоне частот.

На фиг. 1 представлена структурная схема устройства для осуществления способа измерения коэффициента усиления антенн.

На фиг. 2 представлена структурная схема устройства управления.

Устройство состоит (фиг. 1) из генератора сигналов 1, измерителя мощности 2, эталонной антенны 3, исследуемой антенны 4, приемного устройства 5, устройства позиционирования 6, устройства измерения дальности 7, устройства обработки и управления 8, формирователя команд управления 9, устройства коммутации 10.

Генератор сигналов 1 через измеритель мощности 2 присоединен к эталонной антенне 3, которая связана с исследуемой антенной 4 посредством излучаемых электромагнитных волн. Последовательно соединенные исследуемая антенна 4 и приемное устройство 5 размещены на устройстве позиционирования 6. Причем исследуемая антенна 4 размещается так, чтобы высота ее фазового центра h от подстилающей поверхности была равна высоте фазового центра эталонной антенны 3, а расстояние между фазовыми центрами антенн составляло $$R=12\frac{h^{2}f}{c}$$ . Кроме того, на устройство позиционирования 6 установлено устройство измерения дальности 7, к выходу которого присоединено устройство обработки и управления 8, которое первым выходом через формирователь команд управления 9 соединено с устройством позиционирования 6. Второй выход, второй и третий входы устройства обработки и управления 8 соединены со входом генератора сигналов 1, со вторым выходом измерителя мощности 2, с выходом приемного устройства 5 через устройство коммутации 10 соответственно.

Устройство обработки и управления 8 предназначено для:

- задания частоты генератора сигналов 1 и управления перемещением устройства позиционирования 6 в горизонтальной плоскости в соответствии с программой измерений;

- сбора измерительной информации (P_э, R_n и P_и) от измерителя мощности 2, устройства измерения дальности 7, приемного устройства 5;

- вычисления значения расстояния между фазовыми центрами эталонной и исследуемой антенн $$R=12\frac{h^{2}f}{c}$$ , которое соответствует каждому заданному значению частоты f сигнала;

- вычисления соотношения разности расстояний R-R_n;

- вычисления коэффициента усиления антенны по формуле $$G_{и}=P_{и}\frac{4\pi R^2}{P_{э}{S}_{эфф}}$$ .

Устройство обработки и управления 8 может быть выполнено в виде устройства (фиг. 2), имеющего в своем составе блок съема данных 11, блок обработки данных 12, две сетевые карты 13.1 и 13.2, канал общего пользования (КОП) 14 и шесть адаптеров 15.1-15.6.

При этом адаптеры 15.1-15.6 обеспечивают связь следующим образом:

15.1 - связь КОП 14 с блоком съема данных 11;

15.2 - связь КОП 14 с генератором сигналов 1;

15.3 - связь КОП 14 с измерителем мощности 2;

14.4 - связь КОП 14 с приемным устройством 5 через устройство коммутации 10;

15.5 - связь КОП 14 с формирователем команд управления 9;

15.6 - связь КОП 14 с устройством измерения дальности 7.

Сетевые карты 13.1 и 13.2 обеспечивают взаимодействие между собой блока съема данных 11 и блока обработки данных 12.

Для реализации технического решения может быть использовано стандартное промышленное оборудование.

В качестве генератора сигналов 1 и измерителя мощности 2 могут использоваться стандартные измерительные приборы соответствующего частотного диапазона, которые должны быть оснащены интерфейсными платами.

В качестве эталонной антенны 3 может быть использована, например, антенна измерительная П6-33A [http://www.printsip.ru/cgi/shop/item/P6-33].

В качестве приемного устройства 5 может использоваться анализатор спектров, например, C4-85 [http://www.printsip.ru/cgi/shop/item/S4-85].

В качестве устройства измерения дальности 7 может быть использован лазерный дальномер, который должны быть оснащен интерфейсной платой [http://tut.ru/Rangefinders/1670/].

Формирователь команд управления 9 может быть выполнен в виде последовательно соединенных интерфейсной платы, цифроаналогового преобразователя и двигателя постоянного тока. Цифроаналоговый преобразователь преобразует цифровой код, поступающий из устройства обработки и управления 8 на интерфейсную плату, в напряжение, необходимое для управления электродвигателем постоянного тока, который выполняет перемещение устройства позиционирования 6 в горизонтальной плоскости на величину, заданную программой измерений.

Устройство коммутации 10 предназначено для передачи от приемного устройства 5 в устройство обработки и управления 8 измеренных значений уровня мощности принятого сигнала P_и в соответствии с программой измерений. Устройство коммутации 10 может быть реализовано на основе кнопочного переключателя [http://ru.aliexpress.com/item/8mm-momentary-push-button-switch-red/758712020.html].

В качестве блока съема данных 11 может быть использован компьютер типа IBM PC, выполняющий функции диспетчерского устройства. Данное устройство осуществляет взаимодействие с блоком обработки данных 12 через сетевые карты 13.1 и 13.2, взаимодействие с каналом общего пользования 14 через адаптер 15.1. Обмен информацией устройства обработки и управления 8 с внешними устройствами осуществляется через платы адаптеров 15.2-15.6 посредством реализации международного стандарта GPIB (IEEE-488-1978) или канала общего пользования (КОП) согласно ГОСТ 26.003-80. Ввод исходных данных в устройство обработки и управления 8 осуществляется в диалоговом режиме.

Программа управления блока съема данных 11 может быть создана с использованием объектно-ориентированного подхода и должна обеспечивать решение следующих задач:

- осуществлять прием измерительной информации от адаптеров 15.3, 14.5, 15.6 в блок съема данных 11;

- осуществлять передачу измерительной информации с блока съема данных 11 в блок обработки данных 12;

- производить передачу в блок обработки данных 12 информации о реальном расстоянии между фазовыми центрами эталонной и исследуемой антенн R_n, получаемой с выхода устройства измерения дальности 7;

- производить ретрансляцию команд управления, получаемых из блока обработки данных 12, на задание значения частоты генератору сигналов 1 и на перемещение устройства позиционирования 6 в горизонтальной плоскости.

В качестве блока обработки данных 12 может быть использован компьютер типа IBM PC, выполняющий функцию счетно-решающего устройства, к которому подключена сетевая карта 13.2, необходимая для осуществления обмена информацией с блоком съема данных 11.

Программа обработки блока обработки данных 12 может быть создана с использованием объектно-ориентированного подхода и должна обеспечивать решение следующих задач:

- сбор, обработку, регистрацию и отображение измерительной информации, получаемой от блока съема данных 11;

- задание значения частоты и передачу этой информации в блок съема данных 11;

- прием и хранение информации о реальном расстоянии между фазовыми центрами эталонной и исследуемой антенн R_n;

- вычисление расстояния между фазовыми центрами эталонной и исследуемой антенн R, разности расстояний R-R_n и коэффициента усиления исследуемой антенны для каждого значения заданной частоты;

- просмотр файлов, содержащих измерительную информацию.

Устройство, реализующее способ измерения коэффициента усиления антенн, работает следующим образом.

Перед началом измерений исследуемую антенну 4 с помощью устройства позиционирования 6 размещают так, чтобы высота ее фазового центра h от подстилающей поверхности была равна высоте фазового центра эталонной антенны 3. В соответствии с программой измерений с устройства обработки и управления 8 путем задания кода частоты сигнала осуществляется управление генератором сигналов 1. Кроме того, с помощью устройства обработки и управления 8 вычисляют соответствующее каждой заданной частоте сигнала расстояние между фазовыми центрами эталонной и исследуемой антенн R. С помощью устройства измерения дальности 7 измеряют реальное (текущее) расстояние между фазовыми центрами эталонной и исследуемой антенн R_n и передают это значение на первый вход устройства обработки и управления 8, в котором вычисляют разность расстояний R-R_n, сигналом, пропорциональным этой разности, с первого выхода через формирователь команд управления 9 управляют перемещением устройства позиционирования 6 в горизонтальной плоскости до тех пор, пока R-R_n=0. Сформированный генератором сигнал через измеритель мощности 2 поступает в эталонную антенну 3. Кроме того, измеренное значение уровня мощности сигнала P_э со второго выхода измерителя мощности 2 передают на второй вход устройства обработки и управления 8. С помощью эталонной антенны 3 (с известной эффективной площадью S_эфф) сигнал излучают в направлении исследуемой антенны 4. На выходе исследуемой антенны 4 с помощью приемного устройства 5 измеряют значение уровня мощности принятого сигнала P_и, которое через устройство коммутации 10 передают в устройство обработки и управления 8, в котором вычисляют коэффициент усиления антенны на заданной частоте сигнала по формуле $$G_{и}=P_{и}\frac{4\pi R^2}{P_{э}{S}_{эфф}}$$ . В соответствии с программой измерений оператор управляет открытием устройства коммутации 10. Для каждого значения частоты из исследуемого диапазона цикл измерений выполняется автоматически в соответствии с программой измерений.

Основным узлом устройства измерения коэффициента усиления антенн является устройство обработки и управления 8, которое работает следующим образом.

В соответствии с программой измерений код частоты сигнала с блока обработки данных 12 через сетевые карты 13.1 и 13.2 поступает в блок съема данных 11, с которого через адаптер 15.1 поступает в КОП 14. Далее через адаптер 15.2 код частоты сигнала поступает на второй выхода устройства обработки и управления 8. Измерительная информация (R_n, P_э и P_и), пришедшая на первый, второй и третий входы устройства обработки и управления 8, через адаптеры 15.3, 15.4, 15.5 поступает в КОП 14. Данная информация представляет собой цифровые коды (R_n, P_э и P_и). Вся принятая в КОП 14 информация через адаптер 15.1 поступает в блок съема данных 11. Данный блок организует выдачу принятой информации в блок обработки данных 12 через сетевые карты 13.1 и 13.2. Блок обработки данных 12 обрабатывает принятую информацию (вычисляется соответствующее частоте сигнала расстояние между фазовыми центрами эталонной и исследуемой антенн в соответствии с выражением $$R=12\frac{h^{2}f}{c}$$ ; вычисляется разность расстояний R-R_n и вырабатывается разностный сигнал управления устройства позиционирования 6; вычисляется коэффициент усиления антенны на заданной частоте сигнала в соответствии с выражением $$G_{и}=P_{и}\frac{4\pi R^2}{P_{э}{S}_{эфф}}$$ ). С блока обработки данных 12 код разностного сигнала через сетевые карты 13.2 и 13.1 поступает в блок съема данных 11, с которого через адаптер 15.1 поступает в КОП 14. Далее через адаптер 15.6 разностный сигнал поступает на первый выход устройства обработки и управления 8.

Таким образом, предложенное изобретение позволяет существенно снизить временные затраты, необходимые для проведения измерений коэффициента усиления антенн при одновременном повышении точности измерений в диапазоне частот.

Изобретение относится к технике антенных измерений и может быть использовано для проведения экспериментальной оценки коэффициента усиления антенн, различных радиоэлектронных систем в диапазоне частот.

Способ основан на генерировании высокочастотного сигнала на заданной частоте f, измерении его мощности P_э и излучении с помощью эталонной антенны в направлении исследуемой антенны, расположенной в дальней зоне, приеме исследуемой антенной сигнала, измерении его мощности P_и и вычислении коэффициента усиления антенны по формуле $$G_{и}=P_{и}\frac{4\pi R^2}{P_{э}{S}_{эфф}}$$ , где $$R=12\frac{h^{2}f}{c}$$ , h - высота размещения фазовых центров эталонной и исследуемой антенн от подстилающей поверхности, S_эфф - эффективная площадь эталонной антенны. При этом вычисляют соответствующее каждому значению заданной частоты f расстояние между фазовыми центрами эталонной и исследуемой антенн R, измеряют реальное расстояние между фазовыми центрами эталонной и исследуемой антенн R_n, вычисляют разность расстояний R-R_n и перемещают исследуемую антенну вдоль линии, соединяющей фазовые центры эталонной и исследуемой антенн, до тех пор, пока R-R_n=0. Устройство содержит последовательно соединенные генератор сигналов, измеритель мощности и эталонную антенну, а также устройство позиционирования, на котором размещены исследуемая антенна и приемное устройство. При этом в него введены последовательно соединенные устройство измерения дальности, устройство обработки и управления, также формирователь команд управления, выход которого соединен со входом устройства позиционирования, второй выход, второй и третий входы устройства управления соединены со входом генератора сигналов, со вторым выходом измерителя мощности, с выходом приемного устройства через устройство коммутации соответственно, причем устройство измерения дальности размещено на устройстве позиционирования. Технический результат заключается в снижении временных затрат для проведения измерений и повышении точности измерений. 2 н.п. ф-лы, 2 ил.

1. Способ измерения коэффициента усиления антенн, основанный на генерировании высокочастотного сигнала на заданной частоте f, измерении его мощности P_э и излучении с помощью эталонной антенны в направлении исследуемой антенны, расположенной в дальней зоне, приеме исследуемой антенной сигнала, измерении его мощности P_и и вычислении коэффициента усиления антенны по формуле $$G_{и}=P_{и}\frac{4\pi R^2}{P_{э}{S}_{эфф}}$$ , где $$R=12\frac{h^{2}f}{c}$$ , h - высота размещения фазовых центров эталонной и исследуемой антенн от подстилающей поверхности, S_эфф - эффективная площадь эталонной антенны, отличающийся тем, что вычисляют соответствующее каждому значению заданной частоты f расстояние между фазовыми центрами эталонной и исследуемой антенн R, измеряют реальное расстояние между фазовыми центрами эталонной и исследуемой антенн R_n, вычисляют разность расстояний R-R_n и перемещают исследуемую антенну вдоль линии, соединяющей фазовые центры эталонной и исследуемой антенн, до тех пор, пока R-R_n=0.

2. Устройство для измерений коэффициента усиления антенн, содержащее последовательно соединенные генератор сигналов, измеритель мощности и эталонную антенну, а также устройство позиционирования, на котором размещены исследуемая антенна и приемное устройство, отличающееся тем, что в него введены последовательно соединенные устройство измерения дальности, устройство обработки и управления, также формирователь команд управления, выход которого соединен со входом устройства позиционирования, второй выход, второй и третий входы устройства управления соединены со входом генератора сигналов, со вторым выходом измерителя мощности, с выходом приемного устройства через устройство коммутации соответственно, причем устройство измерения дальности размещено на устройстве позиционирования.