Метод и система измерений электромагнитного поля и параметров антенн в условиях воздействия температуры на объект измерений Российский патент 2022 года по МПК G01R29/10 

Изобретение относиться к компактным устройствам для измерения электромагнитного поля и направленных свойств (амплитудно-фазовых характеристик) антенн, антенных решеток, либо их модулей.

Актуальной задачей является измерение параметров антенных устройств при воздействии различных климатических факторов и уменьшение габаритов измерительного оборудования за счет проведения измерений в ближней зоне и применения программно-математического комплекса для вычисления направленных свойств (амплитудно-фазовых характеристик) антенн, антенных решеток, либо их модулей.

Известно компактное устройство для измерения ближнего поля антенны с возможностью его преобразования в дальнюю зону [патент US7876276B1 «Antenna near-field probe station scanner» Zaman et al., 25.01.2011]. Устройство, в первую очередь, предназначено для измерения характеристик миниатюрных антенн при их массовом производстве.

К недостаткам устройства можно отнести его открытое исполнение. Необходимо проводить работы по ЭМС для его внедрения и использования. Отсутствует защита от переотражений в окружающем пространстве. Данный тип устройства не позволяет производить измерения при различных климатических воздействиях.

Среди систем измерения характеристик антенных решеток, работающих в ближней зоне, известно устройство по патенту [US9331751B2 «Method and system for characterizing an array antenna using near-field measurements» Raytheon company, 03.05.2016]. Предложенный метод и измерительная система позволяют провести точную настройку и контроль работоспособности элементов антенной решетки в различных режимах.

Данный тип устройства не позволяет производить измерения при различных климатических воздействиях.

Среди компактных систем измерения характеристик антенных решеток, работающих в ближней зоне, известно устройство по патенту [US8502546B2 «Multichannel absorberless near field measurement system» Adiseshu Nyshadham, Ruska Patton, Jason Jin, 06.08.2013]. В устройстве по патенту, как и в заявленном устройстве, осуществляется измерение направленных свойств (амплитудно-фазовых характеристик) антенн и антенных решеток, либо их модулей. Антенная часть измерительной системы выполнена в виде антенной решетки из вибраторов (зондов), которые измеряют поле в ближней зоне, формируемое измеряемой антенной (далее по тексту – ИА). Поскольку для измерения поля в ближней зоне с высокой точностью необходимо большое число точек измерения, то в патенте предложено располагать зонды с шагом равным 5 длин зонда.

К недостаткам можно отнести: высокие погрешности измерений из-за редкого шага зондов; большое количество зондов вблизи ИА (менее четверти длины волны), что приводит к их взаимовлиянию и искажению измеряемых характеристик; использование вибраторов в качестве зондов приводит к сильному ограничению рабочих частот ИА; в случае измерения антенн на других частотах необходимо заменять систему измерительных зондов целиком. Данный тип устройства не позволяет производить измерения при различных климатических воздействиях.

Известен случай применения климатической камеры с радиопрозрачным «окном» при измерении активной антенной решетки [Spring (PIERS), St Petersburg, Russia, 22–25 May 2017 «Practical Aspects of Active Phased Arrays Characterization during Thermal Testing»]. При этом климатическая камера была внутри полноразмерной безэховой камеры.

К недостаткам можно отнести: большой размер общей системы измерений, включающий полноразмерную безэховую камеру.

В патенте [US9244105B2 «Portable spherical near-field antenna measurement system»], как и в заявленном устройстве, осуществляется измерение направленных свойств (амплитудно-фазовых характеристик) антенн. Антенная часть измерительной системы выполнена в виде безэховой камеры с размещёнными в ней двумя вращающимся и одним стационарным диском (столом). Вращающийся горизонтальный стол соединён с азимутальным позиционером. Вращающийся вертикальный стол соединён с угломестным позиционером. Кронштейн с зонд-антенной, который располагается в камере, крепится к вращающемуся столу и отстоит от него. В камере расположен частотный конвертер. Измерение производится в сферической системе координат. Используется для измерения характеристик антенн с ненаправленной диаграммой направленности (малые коэффициенты усиления).

К недостаткам патента [US9244105B2 «Portable spherical near-field antenna measurement system»] относятся:

- невозможность измерения характеристик антенн и антенных решеток с большим коэффициентом усиления, более 10 дБи;

- относительно большие габариты устройства (камеры), превышающие более чем в 10 раз наибольший размер ИА.

данный тип устройства не позволяет производить измерения при различных климатических воздействиях.

Патент [US4800387 «Boresight chamber assembly apparatus»] принят за прототип.

В прототипе, как и в заявленном устройстве, осуществляется измерение направленных свойств (амплитудно-фазовых характеристик) антенн. Антенная часть измерительной системы выполнена в виде безэховой камеры с размещённым в ней однокоординатным позиционером (позиция 7 в патенте). Кронштейн с зонд-антенной, который располагается в камере, крепится к позиционеру. Измерение производится в декартовой системе координат. Используется для измерения характеристик антенн в ближней зоне.

К недостаткам прототипа относятся:

- невозможность исследования объёмных характеристик антенн, измерения производятся только в одном сечении (вдоль одной оси);

- данный тип устройства не позволяет производить измерения при различных климатических воздействиях.

Изобретение не обладает данными недостатками.

Подробное описание изобретения

Целью изобретения являлось получение метода измерений и компактной измерительной системы (далее по тексту – КИС) для измерения электромагнитного поля и направленных свойств (амплитудно-фазовых характеристик) ИА в условиях воздействия температур на ИА. КИС по результату своей работы схож с измерением характеристик антенн в безэховой камере классическими методами. Принцип работы КИС – преобразование измеренных полей в ближней зоне в характеристики поля в дальней зоне. Основным отличием КИС является его компактность (размер КИС на 20 % больше наибольшего габаритного размера ИА). Основным отличием метода измерений является возможность измерения характеристик ИА в требуемом диапазоне температур. В КИС применяется зонд-антенна или набор (комплект) зонд-антенн, что позволяет проводить измерения ИА в широком диапазоне частот. КИС и метод применимы для использования в научно-исследовательских лабораториях, на производстве и при контроле работоспособности в период эксплуатации. Установка данного КИС не потребует расширения занимаемых площадей и обеспечит необходимый уровень точности измерений при контроле антенн в ходе их разработки и производства.

Изобретательский уровень достигается за счет получения КИС направленных свойств (амплитудно-фазовых характеристик) ИА с точностями, достигаемыми в безэховых камерах классическими методами, но при значительно более компактном исполнении, а использование метода измерений с изоляцией измерительного оборудования от ИА и применение теплоизолирующей радиопрозрачной перегородки и климатического оборудования позволяет проводить измерения при воздействии различных температур на ИА, не оказывая влияния на точность измерений.

Измерения характеристик ИА возможны, как с использованием плоского позиционера (на нём закреплена зонд-антенна), так и с применением цилиндрического и сферического позиционера.

КИС может быть метрологически аттестовано как средство измерений. Методики измерений с использованием плоского позиционера соответствуют ГОСТ 8.309-78, не стандартные методики измерений ИА могут быть метрологически аттестованы в соответствии с ГОСТ Р 8-563-2009.

На Фиг.1 показана блок-схема КИС, которая позволяет проводить измерения пассивных ИА1.

На Фиг.2 показан принцип построения камеры 2 КИС с использованием плоского позиционера.

На Фиг.3 показана КИС, в аппаратно-вычислительном комплексе 7 которого использованы генератор 14 и анализатор спектра (или цифровой осциллограф) 15. Такая схема необходима при измерениях активных ИА 1.

На Фиг.4 показана КИС, подключенное к климатическому оборудованию 16 патрубком 17.

На Фиг. 1 – 3 приведена радиопрозрачная перегородка 18.

Достоинства вышеописанной конструкции

КИС позволяет получить точность измерений сопоставимую с измерениями в дальней, ближней или в промежуточной зоне в полноразмерной безэховой камере. Размер КИС позволяет устанавливать его в любом рабочем помещении, в том числе:

- в лаборатории разработчиков для отладки разрабатываемых антенн;

- на производстве для оперативного контроля (например, предъявительские или приемо-сдаточные испытания) производимых антенн или входного контроля.

Компактность КИС позволяет существенно расширить область применения.

Метод измерений обеспечивает возможность встраивания климатической камеры таким образом, чтобы не оказывать влияния на измерительное оборудование КИС, что позволяет проводить антенные измерения при воздействии различных климатических факторов.

Раскрытие и осуществление изобретения

Первым существенным признаком, достаточным для достижения, указанного выше, технического результата, является применение метода измерения антенн в ближней зоне.

Вторым существенным признаком является применение высокоточного позиционера передвигающего зонд-антенну в любой системе координат, что позволяет получить высокую точность исходных данных для последующей обработки.

Третьим существенным признаком является применение радиопоглощающих материалов внутри экранированного пространства, что позволяет уменьшить уровень переотражений и обеспечить необходимую точность измеряемых параметров при малых размерах измерительного оборудования.

Четвертым существенным признаком является применение метода измерений с изоляцией измерительного оборудования при помощи теплоизолированной радиопрозрачной внутренней камеры (не менее одной радиопрозрачной стенки), к которой подключается климатическое оборудование, что позволяет производить антенные измерения при различных климатических воздействиях на ИА, не оказывая климатических воздействий на измерительное оборудование.

Работа КИС

ИА 1 устанавливается в камеру 2. В камере 2 установлен позиционер 3 с зонд-антенной 4. Стенки камеры 2 покрыты поглощающим материалом 5. Для повышения ЭМС камеры 2 с условиями окружающей среды на ее внешней стороне может быть расположен экран 6, обеспечивающий экранирование внутреннего пространства камеры от внешнего.

После установки в камеру 2 ИА 1 подключается к программно-аппаратному комплексу 7. Закрывается дверь 8 камеры 2. На программно-аппаратном комплексе 7 задается режим измерения характеристик ИА. Время проведения измерений можно сократить путем оптимизации числа точек измерения в зависимости от задачи. После проведения измерений результаты доступны в нескольких стандартных форматах данных, в том числе формируется отчет о проведенном измерении на основании исходных данных и полученных результатов.

Для удобства установки и обслуживания позиционера 3 в камере 2 предусмотрена съемная крышка 9.

Программно-аппаратный комплекс 7 состоит из контроллера управления 10 позиционера 3, векторного анализатора цепей 11, контроллера положения 12 ИА 1 и из ПЭВМ управления 13, которое содержит программно-математический комплекс обработки результатов измерений.

Векторный анализатор цепей 11 может быть заменён на генератор 14 и анализатор спектра (или цифровой осциллограф) 15. В случае если ИА 1 является приёмной антенной, то генератор 14 подключается к зонд-антенне 4, а анализатор спектра (или цифровой осциллограф) 15 к ИА 1. В случае если ИА 1 является передающей антенной, то генератор 14 подключается к ИА 1, а анализатор спектра (или цифровой осциллограф) 15 к зонд-антенне 4.

Для проведения измерений характеристик ИА в различных климатических условиях камера устройства может быть подключена к системе терморегуляции, состоящей из климатического оборудования 16, патрубка 17 и радиопрозрачной перегородки 18. Климатическое оборудование 16 устанавливается рядом с камерой 2 или может быть непосредственно частью камеры 2. Подключение производится патрубком 17, который обеспечивает теплообмен с климатическим оборудованием 16.

Измерения могут проводиться в камере 2 без климатического оборудования 16 и патрубка 17 в условиях нормальной температуры испытаний.

Изобретение относиться к компактным устройствам для измерения электромагнитного поля и направленных свойств (амплитудно-фазовых характеристик) антенн, антенных решеток, либо их модулей. Использования метода измерения амплитудно-фазовых характеристик в ближней зоне и метода измерений с изоляцией измерительного оборудования, программно-математического комплекса обработки результатов, минимизации свободного пространства в камере и специальной конструкции самой камеры, которая позволяет производить измерение характеристик в диапазоне температур. Измерения характеристик ИА возможны, как с использованием плоского позиционера (на нём закреплена зонд-антенна), так и с применением цилиндрического и сферического позиционера. Устройство может быть метрологически аттестовано как средство измерений. Методики измерений с использованием плоского позиционера соответствуют ГОСТ 8.309-78, не стандартные методики измерений ИА могут быть метрологически аттестованы в соответствии с ГОСТ Р 8.563-2009. Техническим результатом при реализации заявленного решения является измерение параметров антенных устройств при воздействии различных климатических факторов и уменьшение габаритов измерительного оборудования за счет проведения измерений в ближней зоне и применения программно-математического комплекса для вычисления направленных свойств (амплитудно-фазовых характеристик) антенн, антенных решеток, либо их модулей. 2 н. и 8 з.п. ф-лы, 4 ил.

1. Система измерения электромагнитного поля антенн, способная формировать данные измерения диаграммы направленности антенн, содержащая безэховую камеру, стенки которой покрыты радиопоглощающим материалом, позиционер с зонд-антенной, программно-математический комплекс, анализатор цепей, генератор сигналов, анализатор спектра, отличающаяся тем, что безэховая камера оснащена теплоизолирующей радиопрозрачной перегородкой, отделяющей исследуемую антенну, а на внешней стороне безэховой камеры расположен экран и оснащена съемной крышкой, к которой посредством патрубка подсоединяется климатическое оборудование, обеспечивающее измерение электромагнитного поля в ближней зоне исследуемой антенны в диапазоне температур, которые воздействуют только на измеряемую антенну.

2. Система измерения электромагнитного поля антенн по п.1, отличающаяся тем, что измерительный зонд на позиционере перемещается как в плоскости, так и в цилиндрической и сферической системах координат.

3. Система измерения электромагнитного поля антенн по п.1, отличающаяся тем, что измеряемая антенна является антенной решеткой или элементом антенной решетки.

4. Система измерения электромагнитного поля по п.1, отличающаяся тем, что измерительный зонд изготовлен из металла или диэлектрика.

5. Система измерения электромагнитного поля антенн с входящим в её состав измерительным оборудованием по п.1, отличающаяся тем, что измерительное оборудование включает в свой состав генератор сигналов или анализатор спектра.

6. Измерительное оборудование по п.5, отличающееся тем, что включает в свой состав анализатора спектра, если измеряемая антенна является активной.

7. Система измерения электромагнитного поля антенн по п.1, отличающаяся тем, что работоспособна как в экранированном, так и в не экранированном корпусе.

8. Система измерения электромагнитного поля антенн по п.1, отличающаяся тем, что ее размер не более чем в 3 раза превышает размер максимальной измеряемой антенны.

9. Система измерения электромагнитного поля антенн с входящим в её состав климатическим оборудованием по п.1, отличающаяся тем, что позиционер расположен вне зоны воздействия климатического оборудования за счёт использования радиопрозрачной перегородки.

10. Система измерения электромагнитного поля антенн с входящим в её состав климатическим оборудованием по п.1, отличающаяся тем, что радиопрозрачная перегородка выполнена как из оптически прозрачных, так и оптически непрозрачных материалов с малыми потерями в материале во всём диапазоне рабочих частот и температур.