Способ определения диаграммы направленности и амплитудно-фазового распределения поля антенны и устройство для его осуществления Советский патент 1987 года по МПК G01R29/10 

Изобретение относится к технике антенных измерений.

Цель изобретения - повышение точности и чувствительности измерений в широкой полосе частот.

На чертеже приведена структурная электрическая схема устройства, реализующего способ определения диаграммы направленности (ДН) и ампли ю тудно-фазового распределения (АФР) антенны.

Устройство для определения ДН и АФР антенН содержит испытуемую антенну 1, блок 2 поворота испытуемой 15 антенны, датчик 3 угла поворота,зонд 4, блок 5 поворота зонда 4., датчик 6 угла поворота зонда 4, блок 7 перемещения зонда 4 в плоскости измерения, датчик 8 перемещения, генера- 20 тор 9, синтезатор 10 частот, блок 11 корреляторов и вычислитель 12.

Способ определения ДН и АФР реализуют следующим образом.

Определение ДН и АФР испытуемой антенны 1 рассматривают по одной угловой или линейной координате и горизонтальной плоскости. Сулчай двух координат описывают аналогично. Для определения ДН испытуемую антенну 1 и зонд 4 устанавливают в начальное угловое положение и перемещают зонд 4 по плоскости измерений. Из непрерывного распределения комплексных амплитуд сигнала на выходе антенны 1 при перемещении зонда формируют угловой Фурье-спектр Ф (of), где d - угловая координата ДН антенны 1. Этот угловой спектр пропорционален произведению комплексных ДН антенны F (d)

я

const определяют ДН антенны 1:

Ф W, ) с. Р„(о), где с. F, () const.

(2)

При да 4:

0 const определяют ДН зонФ U, cij Cj-FjCo 3)

где с,

F.()

const.

Далее находят максимум модуля совмещенного углового спектра и соответствующие ему значения углов d- к dy . Эти значения определяют максимальную величину козффициентов с

2

соответствующих максимумам ДН

25

антенны 1 и зонда 4 на данной частоте. ДН, определенные по сечениям (2) и (3), проходящим через максимум, имеют наибольшее отношение сигнал/шум.

Для определения АФР вблизи раскры ва антенны 1 зонд 4. устанавливают в начальное положение Хр .0 в плоскости измерений и перемещают по углу. Из непрерывного распределения ком30 плексных амплитуд сигнала на выходе антенны 1 при угловом перемещении зонда 4 формируют пространственный Фурье-спектр В(х), где х - линейная координата раскрыва зонда 4.Этот

3g пространственный спектр приближенно пропорционален произведению комплексных АФР зонда Aj(x) и АФР антенны Ад(х) у раскрыва зонда. Затем зонд последовательно смещают в положение X (J и дпя каждого х аналогично фор мируют пространственный спектр. Результирующая совокупность пространственных спектров может быть представлена в виде совмещенного про40

И ДН зовда FjCo) .

Затем зонд 4 последовательно смещают по углу в положения dg и для каждого dg аналогично формируют уг-- ловой спектр. Результирующая совокуп- 45 странственного спектра Б (х, х). ность угловых спектров может быть Совмещенный пространственный спектр представлена в виде совмещенного углового спектра Ф (о, Совмещенный угловой спектр пропорционален произявляется произведением двух сомножителей АФР антенны Ад(х - х) и АФР зонда АЗ(Х) со скользящими друг относительно друга аргументами В(х, Хр) AsCx) -АаСх - Хр). (4) Фиксируя в спектре (4) отдельные переменные, получают множество сечений, определяющих искомые АФР. При 55 X const определяют АФР антенны 1:

вдению двух сомножителей - ДН зонда Fj(/ - ) и ДН антенны F(d) со скользящими друг относительно друга аргументами:

Ф (, о)

d,}.Y(d . (1)

Фиксируя в спектре (1) отдельные переменные, получают множество :се- чений, определяющих искомые ДН. При

const определяют ДН антенны 1:

Ф W, ) с. Р„(о), где с. F, () const.

(2)

При да 4:

0 const определяют ДН зонФ U, cij Cj-FjCo 3)

где с,

F.()

const.

Далее находят максимум модуля совмещенного углового спектра и соответствующие ему значения углов d- к dy . Эти значения определяют максимальную величину козффициентов с.

2

соответствующих максимумам ДН

антенны 1 и зонда 4 на данной частоте. ДН, определенные по сечениям (2) и (3), проходящим через максимум, имеют наибольшее отношение сигнал/шум.

Для определения АФР вблизи раскры- ва антенны 1 зонд 4. устанавливают в начальное положение Хр .0 в плоскости измерений и перемещают по углу. Из непрерывного распределения комплексных амплитуд сигнала на выходе антенны 1 при угловом перемещении зонда 4 формируют пространственный Фурье-спектр В(х), где х - линейная координата раскрыва зонда 4.Этот

пространственный спектр приближенно пропорционален произведению комплексных АФР зонда Aj(x) и АФР антенны Ад(х) у раскрыва зонда. Затем зонд 4 последовательно смещают в положение X (J и дпя каждого х аналогично формируют пространственный спектр. Результирующая совокупность пространственных спектров может быть представлена в виде совмещенного про

странственного спектра Б (х, х). Совмещенный пространственный спектр

странственного спектра Б (х, х). Совмещенный пространственный спектр

является произведением двух сомножителей АФР антенны Ад(х - х) и АФР зонда АЗ(Х) со скользящими друг относительно друга аргументами: В(х, Хр) AsCx) -АаСх - Хр). (4) Фиксируя в спектре (4) отдельные переменные, получают множество сечений, определяющих искомые АФР. При X const определяют АФР антенны 1:

В(х, Хд) Cj. А«(х - Хд), (5) где сJ А5(х) const.

const определяют АФР

0

АЗ(Х) ,

(6)

где с

Аа - х)

const.

Далее находят максимум модуля совмещенного пространственного спектра и соответствующие ему значения коор- 10 динат X и Хд. Эти.значения определяют максимальную величину коэффициентов Cj и с, соответствующих максимумам АФР зонда 4 и антенны 1 на данЛдр - ОЖИ9 СВЧ-сигнал поступает также на вход синтезатора 10, который формирует сигнал гетеродина с частотой to- и группу опорных сигналов корреляторов с частотами Wpp 1 Ядп промежуточная частота, а даемая допплеровская частота. Количество опорных сигналов N равно количеству корреляторов в блоке 11 корреляторов и определяется необходимым объемом и щагом отсчетов (ДН) или (АФР) антенны, определяемых за один проход зонда 4 (например, 64

ной частоте. АФР, определенные по се- 15 отсчета), чениям (5) и (6), проходящим через Блок 2 перемещает испытуемую ан- максимум, имеют наибольшее отношение тенну 1 по углам азимута и места,

блок 5 перемещает зонд 5 по углам азимута и места, блок 7 перемещает

сигнал/шум.

Данный способ позволяет определить ДН антенны 1 в переднем полупростран- 20 зонд 4 по плоскости, сигналы с датчи- стве и АФР антенны 1 на плоскости пе- ка 3, датчика 6 и датчика 8 поступаремещения зонда 4. При необходимости определить ДН и АФР антенны 1 в заднем полупространстве антенну 1 разворачивают на 180 по углу оС, и повторяют описанные действия. Возможен разворот антенны 1 на меньший угол.

Для уменьшения объема измеряемых данных при определении ДН антенны 1, зонд 4 смещают с мапым дискретом по- сл едовагельно по углу в ограниченном интервале углов, перемещают непрерывно по плоскости и формируют усеченны по углу совмещенный угловой спектр в области предполагаемого максимума ДН зонда 4. Затем, пользуясь соотношением типа (3), по сечению определяют ДН зонда 4 в ограниченном интервале углов. Далее последовательно смещают зонд 4 по углу с большим ин- .тервалом, равным ширине найденной усеченной ДН зонда 4, например по уровню 3 дБ, и для каждого углового интервала аналогично формируют усеченный угловой спектр. ДН антенны 1 определяют на соприкасающихся угловых интервалах путем деления соответствующих угловых спектров на найденную усеченную ДН зонда 4 (соотношение (1) .

Устройство для определения ДН и АФР антенн работает следующим образом.

СВЧ-сигнал с фиксированной частотой ю из требуемого диапазона час-- тот с выхода генератора 9 поступает в зонд 4, излучается и принимается испытуемой антенной 1. С генератора

0

, где ШПР Лдр - ОЖИ9 СВЧ-сигнал поступает также на вход синтезатора 10, который формирует сигнал гетеродина с частотой to- и группу опорных сигналов корреляторов с частотами Wpp 1 Ядп промежуточная частота, а даемая допплеровская частота. Количество опорных сигналов N равно количеству корреляторов в блоке 11 корреляторов и определяется необходи. мым объемом и щагом отсчетов (ДН) или (АФР) антенны, определяемых за один проход зонда 4 (например, 64

ют в вычислитель 12, где запоминаются вместе с соответствующими сигналами; блока 11 корреляторов . В процессе движения зонда 4 по линейной или угловой координате Фурье-спектр результирующего распределения сигнала на выходе испытуемой антенны 1 за счет эффекта Допплера преобразуется в частотный спектр сигнала, сосредоточен ный вблизи несущей частоты.

i

При перемещении зонда 4 по линейной координате сигнал с выхода испытуемой антенны 1

A(t) Ajt) .cos ш t + i( (t) , (7)

где A(t) - амплитуда сигнал.а;

v(t) - ф аза сигнала; ы - частота; t - время,

поступает в блок 11, на другие входы которого поступают сигнал гетеродина и опорные сигналы из синтезатора 10. В блоке 11 происходит смешение выходного сигнала A(t) и сигнала гетеродина, выделение сигнала промежуточной частоты, усиление и обработ

ка последнего в корреляторах. Корре- ляторы производят перемножение сигнала с опорными сигналами ожидаемых допплеровских частот и интегрирование (накопление сигнала разностной

частоты). Каждый коррелятор состоит ИЗ пары квадратурных каналов,отличающихся сдвигом фазы опорных сигналов на 90. Соответственно в одном канале интёгрируетс я функция

Ajt).coe Я t + v(t),

a в другом

A(t):8in fi.t + (/(t).

По истечении времени накопления корреляторов калсдая пара каналов с квадратурными опорными сигналами образует на выходе потенциальные сигналы, амплитуды которых пропорциональны квадратурным компонентам одного из отсчетов углового 1 урье-спектра непрерывного распределения входного сигнала:

L )-e.(/(x)

т V . . т

)(t)pt.jv|Ajilx

X9 n i;i nt-fl/(t)c/t

(8)

де

L V X Vt T-L/v и„ k -sin

Ап UfW

п30

35

Длина сектора линейного перемещения зонда 4; линейная скорость перемещениязовда 4; текущая линейная координата;время накопления коррелятора;пространственная частота; 2jr/ - волновое

число ;( Д

.длина волны)j 45 k- sin oifl- ожидаемая

допплеровекая частота, вводимая в опорный сигнал; угловая ко- ордината отсчета ДН антенны;

п - номер отсчета Фурье- спектра (п 1. 2, 3N,гдe

40

50

55

1332244

N - число корреляторов) .

g При перемещении зонда 4 по угловой координате из непрерывного распределения выходного сигнала испытуемой антенны 1 в блоке 11 корреляторов формируется .группа квадратур-i 10 ных отсчетов пространственного Фурье- спектра:

А(х„): /l(W)(W)(WlxJdW.

т ..c/(t)t.)«

о о

(t)i ,

(9)

где

ci - длина сектора угm

5

0

5

5

V

т /v

tn

.АП

лового перемещения зонда 4;

V , - угловая скорость перемещения зонда 4;

t - текущая угловая координата; время накопления коррелятора; ожидаемая доппле- ровская частота, вводимая в опорный сигнал;

Xj - линейная координата отсчёта АФР зонда.

Амлитуда выходного сигнала испы- 0 туемой антенны 1 А пропорциональна коэффициенту усиления зонда 4. При перемещении зонда 4 по линии или плоскости амплитуда отсчетов углового Фурье-спектра на выходе блока 11 корреляторов становится пропорциональной и коэффициенту усиления зонда 4 и его диаграмме направленности tfCoi, /j), где зС и /5 - используемый интервап углов ДН зонда 4,Поэтому зонд 4 выполнен в виде щироко- полосной направленной антенны.

Отсчеты спектра распределения выходного сигнала испытуемой антенны 1 при перемещении зонда 4 и данные о координатах смещения зонда 4 поступают из блока 11 корреляторов в вычислитель 12, который производит формирование совмещенного спектра путем запоминания отсчетов спектра

0

5

и соответствующих координат смещения зонда 4. Затем вычислитель 12 находит максимум модуля отсч,етов совмещенного

спектра и определяет ДН и АФР испыту- спектр или усеченный совмещенный уг„ О 15

20

емой антенны 1 как сечения совмещенного спектра. Для определения двухмерных ДН испытуемой антенны 1 в полупространстве или АФР испытуемой антенны 1 на плоскости зонд 4 аналогич- Ю но перемещают и смещают по плоскости и углам по растровому закону. После перемещения зонда 4 по каждой строке растра отсчеты одномерного спектра распределения выходного сигнала антенны 1 и данные о координатах смещения зонда 4 поступают в вычислитель 12. Для всей совокупности строк вычислитель 12 производит запоминание отсчетов одномерных спектров и данных о координатах смещения зонда 4. Затем вычислитель 12 производит формирование двухмерного совмещенного спектра из запомненных данных путем одномерного дискретного преобразования Фурье по столбцам спектра. Нахождение максимума модуля, двухмео- ного совмещенного спектра и определение ДН или АФР по сечениям совмещен ного спектра производят аналогично одномерному случаю.

При необходимости в вычислителе 12 могут быть учтены медленно меняющиеся множители, характеризующие векторные свойства излучения испытуемой антенны 1,

Время накопления корреляторов составляет 1-10 с и выбирается из условия прохождения зондом 4 полной строки растра.

ловой спектр, а также формируют совмещенный пространств-енный спектр или усеченный совмещенный пространствен- ньш спектр при перемещении зонда по углу и последовательном смещении по плоскости, диаграмму направленности антенны или зонда определяют по сечению совмещенного углового спектра, а амплитудно-фазовое распределение поля антенны или зонда определяют по сечейию совмещенного пространственного спектра, при этом зонд выполнен в виде направленной антенны.

2. Устройство для определения диаграммы направленности и амплитудно-фазового распределения поля антенны, содержащее последовательно соединенные генератор и зонд, размещенный в ближнем поле испытуемой ан25 тенны, блок перемещения зонда в плоскости измерения, снабженный датчиком перемещения, выход которого соединен с первым входом вычислителя, блок поворота испытуемой антенны,

30 снабженный датчиком угла поворота, выход которого соединен с вторым входом вычислителя, отличающее с я тем, что, с целью повьщ1е- нйя точности и чувствительности в3g широкой полосе частот, введены блок поворота зонда, снабженный датчиком угла поворота зонда, выход которого соединен с третьим входом вычислителя, и последовательно соединенные

40

синтезатор чаСт.от и блок коррелято- ров, выхода которого соединены с со- ответствукнцими входами вычислителя, вход синтезатора частот подключен к выходу генератора, выход гетеродин- 45 ного сигнала которого соединен с гетеродинным входом блока корреляторов сигнальный вход которого является входом дпя подсоединения выхода ис- пь1туемой антенны, при этом скорость движения по линейной и угловой координатам выбрана из условия полного перемещения за время накопления корреляторов.

Формула изобретения

1 , Способ определения диаграммы направленности и амплитудно-фазового распределения поля антенны, включающий перемещение излучающего зонда по плоскости вблизи антенны и перемещение испытуемой антенны по углу относительно нормали к плоскости перемещения зонда, отличающийся тем, что, с целью повьше- ния точности и чувствительности изВ НИШИ Заказ 3828/41 Тираж 730

Подписное

Произв.-полигр. пр-тие, г. Ужгород, ул. Проектная, 4

мерений в широкой полосе частот, дополнительно перемещают зонд по углу и формируют совмещенный угловой

ловой спектр, а также формируют совмещенный пространств-енный спектр или усеченный совмещенный пространствен- ньш спектр при перемещении зонда по углу и последовательном смещении по плоскости, диаграмму направленности антенны или зонда определяют по сечению совмещенного углового спектра, а амплитудно-фазовое распределение поля антенны или зонда определяют по сечейию совмещенного пространственного спектра, при этом зонд выполнен в виде направленной антенны.

2. Устройство для определения диаграммы направленности и амплитудно-фазового распределения поля антенны, содержащее последовательно соединенные генератор и зонд, размещенный в ближнем поле испытуемой антенны, блок перемещения зонда в плоскости измерения, снабженный датчиком перемещения, выход которого соединен с первым входом вычислителя, блок поворота испытуемой антенны,

снабженный датчиком угла поворота, выход которого соединен с вторым входом вычислителя, отличающее с я тем, что, с целью повьщ1е- нйя точности и чувствительности вширокой полосе частот, введены блок поворота зонда, снабженный датчиком угла поворота зонда, выход которого соединен с третьим входом вычислителя, и последовательно соединенные

40

синтезатор чаСт.от и блок коррелято- ров, выхода которого соединены с со- ответствукнцими входами вычислителя, вход синтезатора частот подключен к выходу генератора, выход гетеродин- 45 ного сигнала которого соединен с гетеродинным входом блока корреляторов сигнальный вход которого является входом дпя подсоединения выхода ис- пь1туемой антенны, при этом скорость движения по линейной и угловой координатам выбрана из условия полного перемещения за время накопления корреляторов.

50

Подписное

Изобретение относится к технике антенных измерений и повышает их точность и чувствительность в широкой полосе частот. Устр-во, реализующее способ, содержит испытуемую антенну 1, блок 2 поворота антенны, датчик 3 угла поворота, зонд 4, блок 5 поворота зонда, датчик 6 угла поворота зонда, блок 7 перемещения зонда в плоскости измерения, датчик 8 перемещения, г-р 9, синтезатор 10 частот, блок 11 корреляторов, вычислитель 12. В П.1 ф-лы дан способ. В п.2 ф-лы дано устр-во,реализующее способ. 2 с.п. ф-лы, 1 ил. i (Л С