СПОСОБ И СИСТЕМА ОПРЕДЕЛЕНИЯ АНТЕННЫХ ХАРАКТЕРИСТИК НА ИЗМЕРИТЕЛЬНОЙ ПЛОЩАДКЕ Российский патент 2023 года по МПК G01R29/10 

Изобретение относится к области радиоизмерений, которое используется для выполнения антенных измерений (построение диаграммы направленности и определение поляризации радиоизлучающих систем), исследований электромагнитной обстановки и измерений предельно допустимых уровней электромагнитного излучения радиочастотного диапазона для работающего персонала в условиях организаций, где проходят испытания или осуществляется эксплуатация радиоэлектронных средств (РЭС), в том числе установленных на подвижном носителе.

Метод вышки является наиболее распространенным для антенных измерений, однако для его использования в организациях, где проводятся испытания и эксплуатация РЭС, не всегда возможна постройка специальной вышки. В свою очередь, перемещение носителя РЭС на оборудованную измерительную площадку не всегда осуществимо или целесообразно.

Применение облетных методов измерений является технически сложным и дорогостоящим, использование пилотируемых летательных аппаратов (ЛА) ограничено требованиями безопасности полетов, а использование беспилотных летательных аппаратов (БПЛА) в общем случае возможно при доступности сигналов спутниковых навигационных систем и наличии командной радиолинии управления. Кроме того, для выполнения облета РЭС требуется получение разрешения на использование воздушного пространства, а также должны обеспечиваться соответствующие метеорологические условия.

Принципиально облетные методы с применением БПЛА могут быть использованы в экранированном помещении больших размеров (ангаре, цехе), однако их реализации препятствует отсутствие сигнала спутниковых навигационных систем.

Аналогом изобретения является индукционная система наведения колесного транспортного робота (Козырев Ю.Г. «Промышленные роботы: справочник», 2-е изд. перераб. и доп. М. Машиностроение. 1988. 392 с; Тимофеев А.В. «Адаптивные робототехнические системы», Л. Машиностроение. 1988. 332 с.), в которой траектория движения внутри помещения задается электромагнитным полем, создаваемым переменным низкочастотным электрическим током, протекающим через кабель, проложенный под полом помещения, а на борту робота установлены приемные катушки, сигналы от которых пропорциональны отклонению робота от траектории и после усиления передаются в систему управления, формирующую команды, выдаваемые в ходовую часть. Модуляция частоты переменного тока, подаваемого по кабелю, позволяет передавать роботу информацию о параметрах его движения. Недостатком аналога является то, что используется токоведущий кабель, для функционирования которого необходим генератор переменного тока, сложность обеспечения электромагнитной совместимости оборудования, потеря работоспособности в случае обрыва токоведущего кабеля, а также узкая область применения этой системы в промышленной робототехнике.

Аналогом изобретения является система вождения и навигации сухопутного транспорта (RU пат. 2596244 «Арктическая подводная навигационная система для вождения и навигационного обеспечения надводных и подводных объектов навигации в стесненных условиях плавания»), содержащая проложенный по дну ведущий кабель, береговой генератор тока и судовую аппаратуру, отличающаяся тем, что дополнительно вдоль трассы кабеля установлены, по меньшей мере, два гидроакустических маяка с различающимися частотами излучения импульсных сигналов, синхронизированных по тому же кабелю, при этом судовая аппаратура выполнена с возможностью определения положения объекта вдоль кабеля по гиперболическим изолиниям, соответствующим измеренным разностям времен прохождения сигналов от пары гидроакустических маяков, координаты которых заведомо известны.

Недостатком этого аналога является использование токоведущего кабеля, обрыв которого приводит к потере работоспособности и узкая область применения этой системы, ограниченная морской навигацией и судовождением.

Аналогом изобретения является система вождения и навигации сухопутного транспорта (RU пат. 2652167 «Арктическая система вождения и навигационного обеспечения наземного транспорта») в которой на магистральных дорогах имеется подземный токоведущий кабель, подключенный к генератору переменного тока, выполняющий функцию навигационного обозначения трассы, а также бортовая регистрирующая аппаратура, включающая два ортогонально расположенных в горизонтальной плоскости транспортного средства индукционных магнитоприемника, и бортовое устройство регистрации параметров магнитной составляющей электромагнитного поля, генерируемого подземным токоведущим кабелем. Данная система также может включать расположенные вдоль региональной дороги металломинерализированные грунтовые дорожки, железобетонные плиты с ориентированной вдоль региональной дороги металлической арматурой, обесточенные металлосодержащие кабели и другие металлосодержащие подземные коммуникации, а также бортовую аппаратуру, содержащую детектор металлов, и бортовое устройство регистрации параметров детекции, подключенное к указанному детектору. При реализации системы для группы островов архипелага, а также организации трассы между островами и материком может быть использован токоведущий кабель, подключенный к генератору переменного тока, обеспечивающий вождение водоизмещающих транспортных средств типа амфибий, а также неводоизмещающих транспортных средств, при этом навигационное сопровождение дополнительно обеспечено телеметрической информацией обозначения, например, наименованием островов или объектов инфраструктуры.

Недостатки аналога состоят в жестких требованиях к ортогональности пространственного размещения индукционных магнитоприемников, отсутствии возможности определить величину отклонения от траектории, необходимости использования генератора переменного тока, сложность обеспечения электромагнитной совместимости и потеря работоспособности в случае обрыва токоведущего кабеля.

Известен, также, способ определения антенных характеристик на измерительной площадке, путём установки исследуемой антенны над поверхностью измерительной площадки, и определения антенных характеристик с использованием размещённых на измерительной площадке, с возможностью перемещения и позиционирования относительно исследуемой антенны, антенно-фидерной системы, соединённой с радиоизмерительным оборудованием и блоком регистрации и хранения данных, и устройство для его осуществления включающее исследуемую антенну, транспортное средство, оснащенное радиоизмерительным оборудованием и блоком регистрации и хранения данных, а также подъёмником, на котором установлена антенно-фидерная система.

(Патент RU №2638079, МПК G01R 29/10, 2016 г.)

Данное изобретение по технической сущности и достигаемому результату наиболее близко к предложенному техническому решению, и, поэтому, принято в качестве его прототипа.

Известный способ и устройство для его осуществления предназначены для измерительных площадок, где исследуемая антенна подвижного объекта, находящаяся на некоторой высоте от поверхности измерительного участка, подключена к выходу передатчика, включающего программируемый генератор радиосигналов (ПГР) и широкополосный усилитель мощности (ШУМ), через который один выход ПГР связан с исследуемой антенной, а второй выход вместе с выходами навигационных датчиков объекта и его приемника GPS/ГЛОНАСС подключены к системе измерения объекта (СИО). Радиосигналы, излученные антенной объекта при вращении по азимуту, принимают две измерительные антенны ортогональной поляризации передвижного наземного измерительного пункта (НИП), установленные на телескопической мачте с изменяемой высотой установки. Измерительные антенны подключены к анализатору спектра, выходы которого и выходы приемника GPS/ГЛОНАСС НИП подключены к ЭВМ управления и регистрации. Синхронизация результатов измерений обеспечивается в процедуре слияния данных ЭВМ по единому времени UTC приемников GPS/ГЛОНАСС из состава СИО и НИП. В центре круговых траекторий на одинаковой высоте с исследуемой антенной дополнительно установлена вспомогательная антенна, предназначенная для излучения тестового радиосигнала при измерении коэффициента отражения поверхности измерительного участка и зависимости уровня радиосигнала от дальности.

Недостатком указанного прототипа является обязательная доступность навигационного сигнала спутниковых систем GPS/ГЛОНАСС, измерение диаграммы направленности только в азимутальной плоскости, а также техническая сложность реализации.

Задачей разработки является создание способа и системы определения антенных характеристик (построения диаграммы направленности и определения поляризации радиоизлучающих систем), позволяющих отказаться от использования спутниковых навигационных систем для позиционирования измерительных антенн, с одновременным упрощением технологии измерений и конструкции применяемого оборудования.

Решением поставленной задачи является способ определения антенных характеристик на измерительной площадке, путём установки исследуемой антенны над поверхностью измерительной площадки, и определения антенных характеристик с использованием размещённых на измерительной площадке, с возможностью перемещения и позиционирования относительно исследуемой антенны, антенно-фидерной системы, соединённой с радиоизмерительным оборудованием и блоком регистрации и хранения данных, при этом, на измерительной площадке устанавливают расположенные ортогонально друг другу однопроводные линии радиопередачи, вблизи фазового центра исследуемой антенны устанавливают выносной радиолокационный уголковый отражатель, позиционирование антенно-фидерной системы относительно исследуемой антенны осуществляют посредством регистрации радиоприемным блоком вторичного излучения однопроводных линий радиопередачи, возбуждаемых радиопередающим блоком, влияние отражения радиосигнала от поверхности измерительного участка учитывают путем анализа радиосигнала, сформированного программируемым радиопередающим блоком и отраженного от выносного радиолокационного уголкового отражателя, а также система определения антенных характеристик на измерительной площадке по предложенному способу, включающая исследуемую антенну, транспортное средство, оснащенное радиоизмерительным оборудованием и блоком регистрации и хранения данных, а также подъёмником, на котором установлена антенно-фидерная система, при этом на поверхности измерительной площадки ортогонально друг другу размещены однопроводные линии радиопередачи, а вблизи фазового центра исследуемой антенны установлен радиолокационный уголковый отражатель, транспортное средство оснащено поворотной платформой с датчиком угла поворота по азимуту, на подъёмнике установлен подвижный по углу места и, снабженный датчиком угла поворота экран из отражающего или радиопоглощающего материала, антенно-фидерная система выполнена на поворотной раме, подвижной по углу места, и включает в себя комплект широкополосных антенн.

Особенность представленной системы антенных измерений заключается в том, что в состав транспортного средства, входят смонтированные на одном шасси поворотная платформа с датчиком угла поворота по азимуту, подъемник, на котором установлены подвижный по углу места и снабженный датчиком угла поворота экран из отражающего или радиопоглощающего материала, находящийся под ним программируемый радиопередающий блок, поворотная рама с антенно-фидерной системой, включающей в себя комплект линейных широкополосных антенн, а также комплект широкополосных антенн с нелинейными элементами и электроизмерительными приборами, размещенные над подвижным экраном, датчик угла поворота по углу места поворотной рамы, датчик высоты подъема, экранированный корпус, в котором находятся радиоизмерительное оборудование, источник питания, блок регистрации и хранения данных, радиопередающий блок и радиоприемный блок.

В предпочтительном варианте реализации системы внутри выносного радиолокационного уголкового отражателя содержится пассивная рамочная антенна с нелинейным элементом, либо вместо выносного радиолокационного уголкового отражателя используется пассивная широкополосная антенна с нелинейным элементом.

В предпочтительном варианте реализации системы в однопроводных линиях радиопередачи жилы кабеля переплетены по спирали вокруг центра кабеля.

В предпочтительном варианте реализации системы для определения местоположения оборудования на транспортном средстве на однопроводных линиях радиопередачи дополнительно установлены пассивные радиочастотные метки.

Кроме того, позиционирование транспортного средства с расположенным на нём оборудовании относительно исследуемой антенны осуществляется посредством возбуждаемых радиопередающим блоком расположенных ортогонально на поверхности измерительного участка однопроводных линий радиопередачи, переизлучающих среднечастотный или высокочастотный радиосигнал, поступающий на радиоприемный блок, в момент измерений производится отключение радиопередающего блока, транспортное средство удерживается в неподвижном состоянии относительно поверхности измерительной площадки и исследуемой антенны, а угол между плоскостью отражающего экрана и нормалью к фронту падающей электромагнитной волны регулируется в зависимости от высоты подъема исследуемой антенны и расстояния до ее расчетного фазового центра, вблизи которого установлен выносной радиолокационный уголковый отражатель.

В предпочтительном варианте реализации способа однопроводные линии радиопередачи возбуждаются радиосигналом радиопередающего блока на частотах собственного резонанса излучающей системы, а радиоприемный блок детектирует переизлученный радиосигнал на основной, второй и (или) третьей гармониках.

В предпочтительном варианте реализации способа прием отраженного от выносного радиолокационного уголкового отражателя радиосигнала может осуществляться на его второй и (или) третьей гармониках.

На фиг. 1 представлена структурная схема системы антенных измерений, где: 1 - транспортное средство; 2 - платформа; 3 - датчик угла поворота по азимуту; 4 - подъемник; 5 - подвижный по углу места экран из отражающего или радиопоглощающего материала; 6 - датчик угла поворота; 7 - программируемый радиопередающий блок; 8 - поворотная рама; 9 - датчик угла поворота по углу места; 10 - антенно-фидерная система; 11 - датчик высоты подъема; 12 - экранированный корпус; 13 - радиоизмерительное оборудование; 14 - источник питания; 15 - блок регистрации и хранения данных; 16 - исследуемая антенна; 17 - радиолокационный уголковый отражатель; 18 - радиопередающий блок; 19 - измерительная площадка; 20 - однопроводная линия радиопередачи; 21 - радиоприемный блок.

Определение антенных характеристик осуществляется следующим образом. На поверхности измерительной площадки 19, в зоне, где определяются характеристики исследуемой антенны 16, размещают ортогонально друг другу однопроводные линии радиопередачи 20. Они служат для позиционирования оборудования на транспортном средстве 1, местоположение которого должно быть определено перед началом измерений. Это осуществляется в процессе перемещения транспортного средства 1 по измерительной площадке 19 своим ходом, с помощью радиопередающего 18 и радиоприемного 21 блоков. После занятия исходной позиции и определения своего местоположения транспортное средство 1 удерживается в неподвижном состоянии относительно поверхности измерительной площадки 19 и исследуемой антенны 16, а радиопередающий блок 18 и радиоприемный блок 21 отключаются. Подъемник 4 с антенно-фидерной системой 10 поднимается на высоту, необходимую для выполнения измерений, значение которой определяется датчиком высоты подъема 11. Платформа 2 поворачивается по азимуту на угол, измеряемый датчиком угла поворота по азимуту 3, а поворотная рама 8 - по углу места, измеряемому датчиком угла поворота по углу места 9. Программируемый радиопередающий блок 7 включается на излучение. По его радиосигналу, отраженному от выносного радиолокационного уголкового отражателя 17, установленному вблизи фазового центра исследуемой антенны 16, определяется нормаль к фронту падающей электромагнитной волны. При необходимости регулируется положение экрана из отражающего или радиопоглощающего материала 5 по углу места, измеряемого датчиком угла поворота 6. После установки антенно-фидерной системы 10 и экрана из отражающего или радиопоглощающего материала 5 в необходимое для измерений положение программируемый радиопередающий блок 7 отключается. Исследуемая антенна 16 включается на излучение, принимаемое антенно-фидерной системой 10, соединенной с радиоизмерительным оборудованием 13 в экранированном корпусе 12. Там же находится блок регистрации и хранения данных 15, выполняющий запись результатов измерений, углов поворота платформы 2 и поворотной рамы 8, местоположения транспортного средства 1, а также источник питания 14, обеспечивающий работу системы. После выполнения измерений с исследуемой антенны 16 снимается излучение и транспортное средство 1 может изменить свою позицию на измерительной площадке 19, после чего выполняется новый цикл измерений. При необходимости измерения могут выполняться в процессе перемещения оборудования на транспортном средстве 1.

Однопроводная линия радиопередачи, возбуждаемая радиосигналом на частотах первого, второго и третьего собственного резонанса излучающей антенны радиопередающего блока, является источником вторичного излучения на основной, второй и третьей гармониках, которые имеют наибольшую амплитуду (Радиоэлектронные системы: основы построения и теория. Справочник / Под ред. Я.Д. Ширмана. Изд. 2-е, перераб. и доп. М. Радиотехника. 2007. 512 с.). Использование второй и третьей гармоники, позволит повысить точность позиционирования транспортного средства и уменьшить массогабаритные показатели радиоприемного блока.

Конструкция транспортного средства может быть выполнена на базе колесного или гусеничного шасси. Если используется телескопический подъемник, то высота подъема может определяться датчиком длины стрелы (барабаном кабельным). При использовании коленчатого подъемника применяется датчик другого типа. Углы поворота по азимуту поворотной платформы и по углу места для отражающего экрана и поворотной рамы могут измеряться энкодерами.

Масса и габариты подъемника с размещенными на нем антенно-фидерной системой, программируемым радиопередающим блоком и подвижным экраном вместе с максимальной высотой подъема определяют итоговую массу конструкции, от которой в свою очередь зависит тип используемых приводов подъемника и двигателя транспортного средства. Кроме того, на выбор двигателя транспортного средства влияет также тип измерительной площадки (на открытом пространстве или в закрытом помещении).

В составе радиоизмерительного оборудования должен быть векторный анализатор цепей или рефлектометр. Дополнительно может быть использован анализатор спектра, а также электроизмерительные приборы, предназначенные для оценки наведенных токов и напряжений сторонним электромагнитным полем на широкополосных антеннах с нелинейными элементами.

При выполнении антенных измерений не требуется использование вспомогательной антенны, так как влияние отражения радиосигнала от поверхности измерительного участка учитывается следующим образом:

- путем анализа радиосигнала, сформированного программируемым радиопередающим блоком и отраженного от выносного радиолокационного уголкового отражателя;

- при использовании сверхширокополосного (СШП)-радиосигнала путем временной селекции;

- для других типов радиосигнала за счет отражающего экрана под антенно-фидерной системой.

Вместо выносного радиолокационного уголкового отражателя может быть использована пассивная широкополосная антенна с нелинейным элементом.

Нелинейный элемент в совокупности с радиолокационным уголковым отражателем или пассивной рамочной антенной является источником вторичного излучения на гармониках, отсутствующих в спектре падающей электромагнитной волны. При этом, для регистрации отраженного радиосигнала целесообразно использовать вторую и третью гармоники, которые имеют наибольшую амплитуду (Щербаков Г.Н., Анцелевич М.А. Новые методы обнаружения скрытых объектов: борьба с терроризмом, гуманитарное разминирование, защита информации, контроль подземных коммуникаций, археология, экология. М. Эльф ИПР. 2011. 503 с.).

Однопроводные линии радиопередачи представляют собой кабели с жилами из проводника, обладающие механической прочностью, позволяющей выдержать вес транспортного средства, плотно зафиксированные на поверхности измерительного участка с использованием сантехнического скотча или диэлектрических скоб. Также в качестве однопроводных линий радиопередачи могут использоваться металлизированные ленты или покрытые металлизированной краской фрагменты измерительного участка. Для защиты однопроводных линий радиопередачи от повреждения движителями транспортного средства могут быть использованы кабель-каналы.

Однопроводные линии радиопередачи могут работать как в режиме бегущей волны, так и в режиме стоящей волны. Прием сигнала от однопроводной линии радиопередачи могут быть осуществлен с помощью магнитных антенн, а также катушек индуктивности, возбуждаемых высокочастотным полем магнитных антенн из состава радиоприемного блока.

Навигация вдоль однопроводной линии радиопередачи может осуществляться путем обнаружения и подсчета:

- мест пересечения двух ортогонально направленных однопроводных линии радиопередачи, в которых наведенные при возбуждении токи компенсируют друг друга и амплитуда принимаемого сигнала будет равна нулю;

- минимумов и максимумов сигнала вдоль отрезков однопроводной линии радиопередачи, образованных ее разрывами через заданный интервал;

- установленных через заданный интервал пассивных радиочастотных меток (например, использующих технологию RFID).

При технической реализации системы измерений может быть использовано сочетание всех перечисленных вариантов.

Для более эффективной работы в диапазоне частот от 10 кГц до 10 МГц жилы внутри кабеля могут быть переплетены по спирали вокруг центра кабеля. Таким образом, из-за скин-эффекта и эффекта близости проводников удается обеспечить низкое сопротивление переменному току, что позволяет повысить эффективность использования однопроводной линии радиопередачи.

Представленный в описании вариант реализации изобретения иллюстрирует принципиальные технические решения, при этом возможны различные модификации, добавления и замены, не выходящие из объема и смысла, раскрытых в формуле изобретения.

Для обоснования возможности практической реализации навигационной аппаратуры на базе предложенного способа выполнен оценочный расчет.

Измерения выполняются в зоне индукции, называемой в иностранной литературе сферой Чу, радиус которой определяется выражением

где ƒ - частота высокочастотного радиосигнала; ε - относительная диэлектрическая проницаемость среды; μ - относительная магнитная проницаемость среды.

Для ƒ = 10 МГц радиус будет равен R = 4,78 м в воздушной среде. Максимум стоячей волны в приемной антенне соответствует условию

При использовании цифрового дискриминатора с числом каналов, равным n = 256, линейное разрешение по отклонению от заданной траектории будет равно

Для навигации вдоль однопроводной линии радиопередачи она может быть разделена на отрезки, протяженность которых равна половине длины волны на нижней рабочей частоте

В таком отрезке будет преобладать стоячая волна тока I_S с максимумом в центре и минимумом по краям, а также бегущая волна тока I_T, возникающая из-за перетекания в индукционно связанные соседние отрезки линии и из-за поглощения в окружающем пространстве. При достаточной величине зазора около 0,10÷0,05⋅λ и отсутствии утечек, будет выполняться условие I_S >> I_T, позволяющее регистрировать изменение сигнала вдоль линии, характер которого позволяет определить расстояние с погрешностью не хуже четверти длины отрезка линии, т.е. ΔL = 3,75 м для ƒ=10 МГц.

Достигаемый технический результат согласно предложенному решению -независимость от наличия сигналов спутниковых навигационных систем, выполнение измерений диаграммы направленности в азимутальной и угломестной плоскостях, исключение вспомогательной антенны, выполнение радиоизмерений и антенных измерений внутри экранированных сооружений.

Изобретение относится к области радиоизмерений и используется для определения антенных характеристик. Технический результат - позиционирование измерительных антенн и определение антенных характеристик в условиях отсутствия сигналов спутниковых навигационных систем. Результат достигается тем, что предложен способ и система определения антенных характеристик на измерительной площадке, путем установки исследуемой антенны над поверхностью измерительной площадки, и определения антенных характеристик с помощью находящегося на измерительной площадке транспортного средства, на котором размещена антенно-фидерная система, соединенная с радиоизмерительным оборудованием и блоком регистрации и хранения данных, при этом для позиционирования транспортного средства устанавливают расположенные ортогонально друг другу однопроводные линии радиопередачи, а вблизи фазового центра исследуемой антенны устанавливают выносной радиолокационный уголковый отражатель. 2 н.п. ф-лы, 1 ил.

1. Способ определения антенных характеристик на измерительной площадке, путем установки исследуемой антенны над поверхностью измерительной площадки, и определения антенных характеристик с использованием размещенной на измерительной площадке, с возможностью перемещения и позиционирования относительно исследуемой антенны, антенно-фидерной системы, соединенной с радиоизмерительным оборудованием и блоком регистрации и хранения данных, отличающийся тем, что на измерительной площадке устанавливают расположенные ортогонально друг другу однопроводные линии радиопередачи, вблизи фазового центра исследуемой антенны устанавливают выносной радиолокационный уголковый отражатель, позиционирование системы измерений относительно исследуемой антенны осуществляют посредством регистрации радиоприемным блоком вторичного излучения однопроводных линий радиопередачи, возбуждаемых радиопередающим блоком, влияние отражения радиосигнала от поверхности измерительного участка учитывают путем анализа радиосигнала, сформированного программируемым радиопередающим блоком и отраженного от выносного радиолокационного уголкового отражателя.

2. Система определения антенных характеристик на измерительной площадке по способу определения антенных характеристик на измерительной площадке по п. 1, включающая исследуемую антенну, транспортное средство, оснащенное радиоизмерительным оборудованием и блоком регистрации и хранения данных, а также подъемником, на котором установлена антенно-фидерная система, отличающаяся тем, что на поверхности измерительной площадки ортогонально друг другу размещены однопроводные линии радиопередачи, а на исследуемой антенне установлен радиолокационный уголковый отражатель, транспортное средство оснащено поворотной платформой с датчиком угла поворота по азимуту, на подъемнике установлен подвижный по углу места и снабженный датчиком угла поворота экран из отражающего или радиопоглощающего материала, антенно-фидерная система выполнена на поворотной раме, подвижной по углу места, и включает в себя комплект широкополосных антенн.