Многоканальное устройство для измерения амплитудно-фазового распределения поля фазированной антенной решетки Советский патент 1989 года по МПК G01R29/10 

to

первый детектор 57, второй детектор 58, первый фильтр 59 нижних частот второй фильтр 60 нижних частот, пер вый усилитель 61 постоянного тока (УПТ), второй УПТ 62, первый аналого-цифровой преобразователь (АЦП) второй АЦП 64, делитель 65 частоты на К.

Устройство работает следующим о разом.

В начале рассмотрим формирование сигнала опорного канала. Сигнал от СВЧ-генератора 1 проходит через уси литель мощности, второй направленны 5 ответвитель 12, третий направленный ответвитель 34t второй ферритовый циркулятор 44, первый ферритовый циркулятор 23, второй вентиль 19, д одную секцию 42, третий вентиль 29 на выходе которого СВЧ-сигнал опорного канала имеет вид

20

Изобретение относится к антенным измерениям и может использоваться для измерения параметров ФАР в ближней зоне на автоматизированных стендах.

Цель изобретения - повышение точности измерений.

На чертеже представлена структурная электрическая блок-схема многоканального устройства для измерения амплитудно-фазового распределения ,(АФР) поля фазированной антенной решетки (ФАР).

Многоканальное устройство для измерения амплитудно-фазового распределения поля ФАР содержит СВЧ- генератор 1, усилитель 2 мощности, испытуемую ФАР 3, каретку сканера 4, зонд-коллиматор 5, СВЧ-блок 6, подвижный СВЧ-тракт 7 связи, СВЧ-блок 8 распределения, блок 9 управления, блок 10 обработки промежуточной и низкой частоты, первый направленный ответвитель 11, второй направленный ответвитель 12, первый вентиль 13, первый смеситель 14, первый ПЧ-усили- тель 15, второй смеситель 16, первый двухразрядный фазовращатель 17, второй ПЧ-усилитель 18, второй вентиль

19,первый регулируемый ПЧ-усилитель

20,первый детектор 21 АРУ, первый делитель 22 частоты на 2, первый ферритовый циркулятор 23э первый СВЧ- сумматор 24, первый квадратичный детектор 25, одноразрядный фазовращатель 26, СВЧ-первключатель 27, управляемый фазовращатель 28 на 90°, третий вентиль 29, второй квадратичный детектор 30, второй СВЧ-сумматор 31, второй регулируемый ПЧ-усилитель 32, ПЧ-сумматор 33, третий направленный ответвитель 34, первый полосовой фильтр 35, четвертый вентиль 36, второй детектор 37 АРУ, второй двухразрядный фазовращатель 38, второй полосовой фильтр 39, пятый вентиль 40 амплитудный модулятор 41 диодную секцию 42, шестой вентиль 43, второй

ферритовый циркулятор 44, подмодуля- 0 „зовых манипуляций при переключении

) VTKB(t)cosCwet + )H

25 где V, - амплитуда сигнала о/2 17 - частота сигнала генератора СВЧ; K0(t), -f0(t) временные амплитудна и фазовая нестабильности, появившие вследствие деформаций подвижного

30 СВЧ-тракта 7 связи при перемещении каретки сканера 4; t - время.

Далее сигнал (1) подвергается двой ной фазовой манипуляции с помощью пер вого двухразрядного фазовращателя 17 переключающего дискреты фазовых сдви гов 0-180°, 0-90° с частотами сигна

лов, поступающих с делителя тоты на m и второго делителя тоты на 2:

46 час- 47 час

40

J4(t) VlKc(t)cosCu)0t + | +

ii 2 +

4 и

45

X

ii S

- sin n Я,t n

+ 04

n,

X M/n sinn- t+u(t),

П 1,3,5

где 92 , б, /4 - индексы фатор 45, делитель 46 частоты на т, второй делитель 47 частоты на 2, делитель 48 частоты на р, логический коммутатор 49, делитель 50 частоты на q, третий делитель 51 частоты на 2, делитель 52 частоты на 1, ПЧ-ком- мутатор 53, n подстраиваемых ПЧ-уси- лителей 54, подстраиваемые ПЧ-фазо- вращатели 55,фазовращатель 56 на 90°,

дискретов соответственно 180 и 90°-го Јl,/2ff ft,/ частоты переключени

Конкретно частоты переключения фазовых сдвигов при частоте подмоду гг лятора, представляющего собой кварцевый генератор 20 МГц, и коэффициенте деления m 60, могут составлять соответственно 90°-го 333,33 кГц и 180°-го 166,66 кГц.

первый детектор 57, второй детектор 58, первый фильтр 59 нижних частот, второй фильтр 60 нижних частот, первый усилитель 61 постоянного тока (УПТ), второй УПТ 62, первый аналого-цифровой преобразователь (АЦП) 63, второй АЦП 64, делитель 65 частоты на К.

Устройство работает следующим образом.

В начале рассмотрим формирование сигнала опорного канала. Сигнал от СВЧ-генератора 1 проходит через усилитель мощности, второй направленный 5 ответвитель 12, третий направленный ответвитель 34t второй ферритовый циркулятор 44, первый ферритовый циркулятор 23, второй вентиль 19, диодную секцию 42, третий вентиль 29s на выходе которого СВЧ-сигнал опорного канала имеет вид

0

) VTKB(t)cosCwet + )Hl)

где V, - амплитуда сигнала о/2 17 - частота сигнала генератора СВЧ; K0(t), -f0(t) временные амплитудная и фазовая нестабильности, появившиеся вследствие деформаций подвижного

СВЧ-тракта 7 связи при перемещении каретки сканера 4; t - время.

Далее сигнал (1) подвергается двойной фазовой манипуляции с помощью первого двухразрядного фазовращателя 17, переключающего дискреты фазовых сдвигов 0-180°, 0-90° с частотами сигнапоступающих с делителя на m и второго делителя на 2:

46 час- 47 часJ4(t) VlKc(t)cosCu)0t + | +

ii 2 +

4 и

5

X

ii S

- sin n Я,t n

(2)

+ 04

n,

X M/n sinn- t+u(t),

П 1,3,5

где 92 , б, /4 - индексы фа„зовых манипуляций при переключении

дискретов соответственно 180 и 90°-го, Јl,/2ff ft,/ частоты переключения.

Конкретно частоты переключения фазовых сдвигов при частоте подмоду- лятора, представляющего собой кварцевый генератор 20 МГц, и коэффициенте деления m 60, могут составлять соответственно 90°-го 333,33 кГц и 180°-го 166,66 кГц.

Сигнал вида (2), пройдя четвертый вентиль 36, .третий направленный от- ветвитель 1-1 , в обратном направлении поступает на вход ферритового цирку- лятора 23, проходит подвижный СВЧ- тракт 7 связи, ферритовый циркуля- тор 44, на другом выходе которого он приобретает вид

U3(t) V3K20(t),0t + | +

2f.(t)J.

Квадрат амплитудной нестабильности и удвоенная фазовая нестабильност в выражении (3) соответствуют двукратному прохождению сигнала через подвижный СВЧ-тракт связи в прямом и обратном направлениях.

На другой вход СВЧ-сумматора 31 .поступает сигнал с направленного от- ветвителя 34, прошедший вентиль 40, двухразрядный управляемый СВЧ-фазо- вращатель 38, вентиль 43 и так же подвергнутый двойной фазовой манипуляции с теми же индексами, но с другими модулирующими частотами, поступающими с выхода делителя 48 частоты на р и выхода третьего делителя 51 на 2:

U4(t) V4cos Wot +y + - +

1

Ь 1,3,5 К

Ј sinKSl2t +

(4)

I

fcs,3,S

т

Ј sin К -2-tJ ,

а на выходе квадратичного детектора 30 сигнал становится пропорционален U5(t)| .

Регулируемый ПЧ-усилитель 32 своей селективной нагрузкой выделяет сигнал с частотой

. 2 и

10

15

ь

20

25

30

35

40

45

Сигнал на выходе регулируемого ПЧ-усилителя 32, настроенного на

Я, -Л ,„- частоту принимает вид:

Ufc (t) V6 К20 (t) cos2 и ( t) cos(--™3) t- - VeK|(t)(t) sin()t - (6) V( K (t) cos + 2Ц, (t) .

С выхода регулируемого ПЧ-усилителя 32 сигнал поступает на детектор АРУ, который вырабатывает уровень, пропорциональный 1/K2o(t), заставляя таким образом усилитель 32 менять свой коэффициент усиления, поддерживая постоянной амплитуду выходного сигнала

U7(t) v7cos()t-H2i/0(t) (7)

В данном случае частота сигнала (7) равна 27,77 кГц. Далее сигнал (7) переносится на частоту, равную суммарной частоте от взаимодействия сигналов с частотами 27,77 и 138,88 кГц, т.е. равную 166,66 кГц. Второй раз с помощью смесителей 16 и ПЧ-усилителя 18 сигнал переносится на частоту, равную разностной частоте от взаимодействия сигналов, 166,66 и 111,11 кГц, т.е. равную 55,55 кГц. На другой вход смесителя подается сигнал с делителя 52 частоты на 1 (1 180). Таким образом на выходе второго УПЧ 18 сигнал можно записать в виде:

Изобретение относится к антенным измерениям. Цель изобретения - повышение точности измерения амплитудно-фазового распределения поля фазированной антенной решетки (ФАР). Устр-во содержит генератор 1 СВЧ, усилитель 2 мощности, каретку 4 сканера, на которой размещены зонд-коллиматор 5 и блок СВЧ 6, а также подвижный СВЧ-тракт 7 связи, СВЧ-блок распределения 8, блок управления 9 и блок обработки 10 промежуточной и низкой частоты. В устр-ве осуществляется формирование сигнала опорного канала и формирование измерительного сигнала, поступающего на испытуемую ФАР 3. Для устранения амплитудной нестабильности коэф. передачи тракта 7, играющей паразитную роль, используется система автоматической регулировки усиления (АРУ) в блоке СВЧ 6. Для этого смесь измерительного сигнала и сигнала АРУ одновременно проходит тракт регулируемого усилителя блока СВЧ 6, а затем сигнал АРУ отфильтровывается. После уравнивания коэф. передачи и фазовых сдвигов измерительных каналов в каждом из этих каналов выделяются уровни, пропорциональные значениям квадратурных компонент векторов поля СВЧ в раскрыве ФАР 3. 1 ил.

где Я4/2 - частота сигнала, поступающего с выхода делителя частоты на р.о

Конкретно частота г- при р

72 Ъ

может составлять 277,77 кГц, т- 138,88 кГц.

На выходе СВЧ-сумматора 31 выделется сумма сигналов

Us(t) UjCt) + U4(t),

(5)

U.(t) Vecos

Сигнал на выходе делителя 22 частоты можно представить в следующем виде:

9(t) V9cos()t+ (t)j. (8)

Частота сигнала (9) в данном случае равна 27,77 кГц, при этом видно, что в нем присутствует только фазоU

вая нестабильность подвижного опорного СВЧ-тракта связи.

Рассмотрим формирование измерительного сигнала, поступающего с направленного ответвителя 12 на исследуемую ФАР 3, принимающегося зондом-коллиматором 5, на входах управляемых дискретных СВЧ-фазовращателей которого его можно представить в виде:

U;o(t)V,

U c (t)V,0K;K;cos u;ot4.(f;+ i/;(9)

где К..,; - начальные константы затуханий сигналов измерительных каналов К х.. .К - коэффициенты затухания сигналов измерительных каналовj

( начальные константы фазовых

U, (t)

Я,

vXK;cos wet+5+6a4 sinK-2-2t+v kVhKXcoe{4t + 4

и;, (t .

vf1K;K;cos u 0t+| + v,, K;Kjcoet4t + w

Sit

где 5частота переключения дискрета s поступающая с выхода логического коммутатора 49, - , F - частота переключения выходов модулирующих сигналов с логического коммутатора 49.

Сигналы вида (10) с помощью СВЧ- переключателя 27 поочередно подклюсдвигов сигналов измерительных кана- фазовые сдвиги сигналов,

лов, определяемые фазовым распределе ; 1 - номер измерительнием поля ФАР; ного канала,

В управляемых одноразрядных фазовращателях 26 используется только один 180°-й дискрет переключения фазового сдвига. Управляющие сигналы на фазовращатели подаются с выходов логического коммутатора, осуществляющего поочередное подключение сигнала с делителя частоты на 2 на входы

каждого управляемого СВЧ-фазовращателя Управление коммутацией модулирующего сигнала осуществляется сигна- лом с делителя 50 частоты на q (q 400). Таким образом, на выходах

Управляемых дискретных СВЧ-фазовращателей сигналы можно записать в следующем виде:

Я,

4 sinK-2-2t+v 4

(10)

h

,3,S

| sinK-1 -n/i+t/ij

}-,

- Т Јt I Т

Y т,

чаются на вход другого управляемого дискретного СВЧ-фазовращателя, имеющего тоже один фазовый дискрет (0-90°). На входе данного управляемого дискретного СВЧ-фазовращателя с учетом того, что СВЧ-переключатель работает в такт с подачей управляющих (модулирующих) сигналов на одноразрядные фазовращатели 26, сигнал можно представить в виде:

На выходе управляемого фазовращателя 28 на 90 сигнал опишется выражением

u13(tW

V13KXvcosOct + i.fl+flt| i ЈsinKatt+02| Ј IsinK-S +Mp

Ks -Sf 5K i i

(12)

V13KXc°s 4t+5+Z+eit Z |sinKfl,t + e4 Ј ЈsinK4W O чи k.f(S/j ,э.5

Т т

1

H

Таким образом, сигнал вида (12) оказывается подвергнут фактически такой же двойной фазовой манипуляции Отличия сигнала вида (12) от сигнала вида (4) заключаются фактически в том, что сигнал (12) подвергнут дополнительной одновременно амплитудной и фазовой манипуляции с частотой (низкой частотой), поступающей с делител частоты на q и формирующей многоканальную последовательную структуру измерительного сигнала..Формула (12) также показывает, что глубина (или индексы) амплитудно-фазовой манипуляции измерительного сигнала по низкой модулирующей частоте зависит от

V,4 KXyCOs t + %(t),-i/;- JK (t);

uu(t) ч

vnKiK s i™t+ ) - ;- к,со

Для того, чтобы избавиться в выражении (13) от коэффициента K0(t), т.е. от амплитудной нестабильности коэффициента передачи подвижного СВЧ- тракта 7 связи, играющей паразитную роль, предназначена система автоматической регулировки усиления (АРУ), состоящая из амплитудного модулятора 41, второго полосового фильтра 39, ПЧ-сумматора 33, первого полосового фильтра 35 и детектора 21 АРУ. С диодной секции 42 выделяется уровень, пропорциональный 1/K0(t). Этот уровень с помощью амплитудного

K i i

Т т

1

H

Т. i

коэффициентов затухания и фазовых сдвигов, определяемых АФР поля ФАР, а также от констант затуханий и начальных фазовых сдвигов СВЧ-трактов измерительных каналов. Последние источники модуляции измерительного сигнала необходимо устранить, что далее будет произведено по ПЧ измерительных сигналов.

Учитывая только частотную компоП,- ненту, содержащую II, которая

затем будет выделена регулируемым ПЧ-усилителем 20, сигнал на выходе квадратичного детектора 25 опишется выражением

Т21

т . t « -г

1Г

(13)

-Т t 4 Т.

модулятора 41 и полосового фильтра превращается в синусоидальный сигнал частоты 100 кГц и складывается с измерительным сигналом 04) в Q ГГЧ-сумматоре 33. Причем на управляющий вход амплитудного модулятора поступает сигнал с выхода делителя частоты на К (К 200). Смесь измерительного сигнала и сигнала АРУ одновременно проходит тракт регулируемого ПЧ-усилителя 20, затем сигнал АРУ (100 кГц) отфильтровывается первым полосовым фильтром 35, обратно превращается в уровень, пропорциональный 1/Ka(t) с помощью детектора 21 АРУ и заставляет регулируемый ПЧ-усилитель 20 менять свой коэффициент передачи, поддерживая амплитуду выходного сигнала, не з сящую от величины K0(t).

uf(t)

Таким образом, сигнал вида

Vf5KXcos - - + (t)

1

(14)

Т

т 1

г г

vfJKXcoe|--Ј t + u.(t) - ;

Т - 1

t 4Т

поступает на вход ПЧ-коммутатора 53 ществляет временное разделение изме- блока 10 ПЧ и НЧ обработки.рительных каналов по промежуточной

частоте и управляется той же частоПЧ-коммутатор 53 осуществляет об- той, что и СВЧ-переключатель 27. ратное преобразование по отношению Сигналы на выходах ПЧ-коммутатора к СВЧ-переключателю 27,т.е. он осу- запишутся следующим образом:

(t

|vKK;K;cos - t + (,.t -i/;-4 o t«l

U,26(t

и;

vtt K;K;COS + v.(t) - v;- t т

i ir-T

0

Полоса пропускания подстраиваемых п т-усилителей 54 рассчитана лишь на возможное изменение (скорость изменения) измеряемых параметров 1р и не захватывает спектральные составляющие частоты F. Поэтому на вы- 45 ходах подстраиваемых усилителей ПЧ-сигналы будут иметь непрерывный вид

U|7 (t)Vn кХсоД- ™Ч+ /l,(t)-i/x-X

2п t) (16)

u;7 (t)Vn K K;cos --r-V(t)-u x-cfj55

Перемещением каретки сканера 4 каждый измерительный зонд коллималитуду выходного сигнала, не зависящую от величины K0(t).

1

Т

т 1

г г

(15)

5

0

5

i ir-T

тора 5 вьгоодится в одну точку раскрыв а апертуры ФАР, где можно считать одинаковыми К х и измерительных каналов. Регулировкой коэффициента усиления усилителей 54 и подстройкой ПЧ-фазовращателей 55 добиваются одинаковости амплитуд фази- ровки сигналов измерительных каналов. Для достижения высокой точности калибровки можно провести несколько итераций в различных точках раскрыва апертуры ФАР, В качестве индикаторного устройства для калибровки можно использовать осциллограф и вольтметр

Таким образом, после уравнивания коэффициентов передачи и фазовых сдвигов измерительных каналов сигналы на выходах подстраиваемых ПЧ-фазовращателей 55 запишутся следующим образом:

и;, (t)-v,,K;cos - t+(/e(t)- (I

L

Далее сигналы (18) подвергаются фазовому детектированию с помощью фазовых детекторов 57 и 58, на упорные выходы которых поступают сигналы вида (9)5 повернутые относительно друг друга на 90° с помошью фазовращателя 56. После ФНЧ 59 и 60, УПТ 61 и 62 в каждом измерительном канале можно выделить уровни, пропорциональные значениям квадратурных компонент векторов поля СВЧ в раскрыве ФАР

А Ч) В ; Kjsin ifj (18)

Эти уровни преобразуются к цифро вому виду с помощью АЦП 63 и 64 и поступают для дальнейшей обработки в ЭВМ.

Формула изобретения

Многоканальное устройство для измерения амплитудно-фазового распределения поля фазированной антенной решетки, содержащее испытуемую фазированную антенную решетку (ФАР), подвижный СВЧ-тракт связи, последовательно соединенные генератор СВЧ и усилитель мощности, сканер, на каретке которого размещены зонд-коллиматор, состоящий из измерительных зондов и СВЧ-переключателя, отличающееся тем, что, с целью повышения точности измерения амплитудно- фазового распределения поля ФАР, в него введены подключенные к выходу каждого из измерительных зондов одноразрядные фазовращатели, выходы которых присоединены к соответствующим входам СВЧ-переключателя, управляемый фазовращатель на 90°, присоединенный к выходу СВЧ-переключателя, блок СВЧ, содержащий последовательно соединенные первый вентиль, первый СВЧ-сумматор, первый квадратичный детектор, сумматор промежуточной частоты, первый регулируемый усилитель ПЧ, первый полосовой фильтр и первый

)

10

20

25

30

35

40

45

50

55

детектор АРУ, выход которого подключен к управляющему входу первого регулируемого усилителя ПЧ, последовательно соединенные первый ферритовый циркулятор, второй вентиль, диодная секция, третий вентиль, первый двухразрядный фазовращатель, четвертый вентиль и первый направленный ответ- витель, первый выход которого соединен с вторым входом первого СВЧ- сумматора, второй выход с вторым входом первого ферритового циркуля- тора, последовательно соединенные амплитудный модулятор и второй полосовой фильтр, выход которого подключен к второму входу сумматора промежуточной частоты, первый вход амплитудного модулятора подключен к ПЧ и входу диодной секции, блок СВЧ распределения, содержащий последовательно соединенные второй направленный ответвитель, третий направленный от- ветвитель, второй ферритовый циркулятор, второй СВЧ-сумматор, второй квадратичный детектор, второй регулируемый усилитель ПЧ, первый смеситель, первый усилитель ПЧ, второй смеситель, второй усилитель ПЧ и первый делитель частоты на два, последовательно соединенные пятый вентиль, вход которого подключен к второму выходу третьего направленного ответяителя, второй двухразрядный фазовращатель и шестой вентиль, выход которого подключен к второму входу второго СВЧ-сумматора, а также второй детектор АРУР включенный меж- ду выходом второго регулируемого усилителя ПЧ и его управляющим входом, блок управления, содержащий последовательно соединенные подмодулятор, делитель частоты на m и второй делитель частоты на два, последовательно соединенные делитель частоты на р, третий делитель частоты на два и логический коммутатор а также делители частоты на k, q и 1, причем входы делителей частоты на р, k и 1 соединены с выходом подмодулятора, а делитель частоты на 2 включен между выходом делителя частоты на р и управляющим входом логического коммутатора, блок ПЧ и НЧ обработки, содержащий ПЧ коммутатор, п последовательно соединенных подстраиваемых усилителей ПЧ, ПЧ фазовращателей, выход каждого из которых присоединен к входам соответствующих 1- и

2-го п детекторов, выходы которых присоединены к последовательно соединенным соответствующим первому и второму фильтрам низкой частоты (ФНЧ)р первому и второму усилителям постоянного тока и первому и второму аналого-цифровым преобразователям соответственно, а также фазовращатель на 90°, гетеродинный вход вто- рого детектора соединен с выходом фазовращателя на 90°, гетеродинный вход первого детектора соединен с выходом первого делителя частоты на 2 э входы подстраиваемых усилителей ПЧ соединены с выходами ПЧ коммута- Topas при этом выход усилителя мощности подключен к входу второго направленного ответвителя, гетеродинные входы первого и второго смесителей подключены соответственно к выходам третьего делителя частоты на два и делителя частоты на 1, 180- и 90- градусные входы второго двухразрядного фазовращателя подключены соот- ветственно к выходам делителей частоты на р и третьего делителя частоты на 2, выход первого делителя

частоты на два подключен к входу фазовращателя на 90°, второй выход второго направленного ответвителя соединен с входом испытуемой ФАР, второй выход первого ферритового циркулято- ра и второй выход второго ферритового циркулятора соединены через подвижный СВЧ-тракт связи, сигнальный и управляющий входы ПЧ коммутатора соединены соответственно с выходом первого регулируемого усилителя ПЧ и выходом делителя частоты на q, выход делителя частоты на k подключен к второму входу амплитудного модуля тора, 180- и 90-градусные входы первого двухразрядного фазовращателя подключены соответственно к выходам делителя частоты на m и второго делителя частоты на 2, управляющие входы одноразрядных фазовращателей зонда-коллиматора подключены к выходам логического коммутатора, управляющие входы СВЧ-переключателя и управляемого фазовращателя на 90 подключены соответственно к выходам делителя частоты на q и делителя частоты на р.