Устройство для измерения амлитудно-фазового распределения поля антенны Советский патент 1990 года по МПК G01R29/10 

Фиг.1

Изобретение относится к технике антенных измерений и может быть использовано при измерении амплитудно- фазового распределения (АФР) поля антенны.

Цель изобретения - повьшение точности при измерении амплитудно-фазового распределения эллиптически поляризованного поля антенны. ; На фиг.1 приведена структурная электрическая схема устройства для |измерения АФР поля антенны} на фиг.2 - структурная электрическая схема блока |формирования управляющих сигналов; на фиг.З - графики зависимостей опор- ных напряжений от времени.

Устройство для измерения АФР поля антенны включает генератор СВЧ 1, выход которого подключен к входу ис- следуемой антенны 2, последова;тельно :соединенные зонд 3, поляризационно- :фазовый модулятор 4, поляризацион- :ный фильтр 5 и смеситель 6, выход ко- ;торого подключен к первым входам пер- :вого 7, второго 8, третьего 9 и чет- :вертого 10 синхронных детекторов, вторые входы которых подсоединены к первому, второму, третьему и четвертому выходам блока 11 формирования управлйювднх сигналов соответственно, пятый выход которого подключен к второму входу поляризационно-фазового модулятора 4. Второй вход смесителя подсоединен к выходу генератора СВЧ Выходы синхронных детекторов 7-10 . подключены к первому, второму, третьему и четвертому входам блока 12 регистрации.

Поляризационно-фазовый модулятор 4 представляет собой фарадеевский вращатель поляризации с управляющей обмоткой, а поляризационный фильтр 5 плавный переход с круглого волновода на прямоугольный с симметрично уста- новленной параллельно широкой стенке тонкой поглощающей пластиной.

Смеситель 6 представляет собой сумматор СВЧ-моЩности с подключенным к его выходу СВЧ-детектором.

Блок 11 формирования управляющих сигналов (БФУС) (фиг.2) включает последовательно соединенные модулирующий генератор 13 и первый преобразователь 14 синусоидального напряжения в прямоугольное, выход которого является третьим выходом БФУС 11, последовательно соединенные первый квадратор 15, вход которого подклю5

0 О

Q 45

JQ

чен к выходу модулирующего генератора 13, и второй преобразователь 16 синусоидального напряжения в прямоугольное, выход которого является первым выходом БФУС 11, последовательно соединенные второй квадратор 17, вход которого подключен к выходу первого квадратора 15, и третий преобразователь 18 синусоидального напряжения в прямоугольное, выход которого является втор гм выходом БФУС 11, перемножитель 19 сигналов, первый и второй входы которого подключены к выходу первого 14 и второго 16 преобразователей синусоидального напряжения в прямоугольное.

Устройство для измерения АФР поля антенны работает следующим образом. СВЧ-сигнал, подводимый с выхода СВЧтгенератора 1 на вход исследуемой антенны 2, измеряется и принимается зондом 3, который представляет собой открытый конец круглого волновода или конический рупор, и преобразуется им в направляемые волны типа Н,,..В общем случае поле в круглом волноводе имеет эллиптическую поляризацию, соответствующую поляризации Падающего поля, и может быть представлено в виде суммы двух волн с ортогональными поляризациями и комплексными амплитудами а и а,. Изменяют угол поворота плоскости поляризации ортогональных компонент направляемых волн типа Н по гармоническому закону: с частотой Я и фазу этих компонент с частотой 2 Я с помощью поляризационно-фазового модулятора 4.

Работа поляризационно-фазового модулятора основана на эффекте Фара- дея - вращение плоскости поляризации в продольно намагниченном феррите. Поляризационно-фазовый модулятор 4 представляет собой отрезок круглого волновода с управляющей обмоткой, ток в которой создает продольное магнитное поле, с установленным вдоль его оси ферритовым стержнем. В Поля- ризационно-фазовом модуляторе 4 амплитуды ортогональных волн преобразуются следующим образом:

а,( (а, cos Y sin v)-е

, . -i (О

ау(-ах slnv+a соБцг)-е 5 ,

гдe§(t) - угол поворота плоскости поляризации прд воз51589222

действием управляющего сигнала, подаваемого на обмотку модулятора 4; f(t) - соответствующий фазовый

сдвиг.

Из формулы (1) видно, что информация об искомых комплексных амплитудах а. и ЗУ содержится в каждой из компонент а и Эу, и поэтому для даль- Q нейшей обработки достаточно использовать одну из них, например а. Выделение вертикальной ортогональной

fy

((t) (j sinflt,

(t) sin nt je(1-cos

где 0 и /a - индексы поляриза

и фазовой модуля Так как фазовые измерения сительны, то подставляя (3) переобозначив t(,.. , записать

V Vкомпоненты с амплитудой а производится с помощью поляризационного фильтра 5, который может быть выполнен, например, в виде плавного перехода с круглого волновода на прямо- угольный с симметрично установленной

U(t) V+2 а V а у cosUsin xcos( /3cos2flt)+aysin(a/sin «cos((; -/5cos2nt)J .

Используя тригонометричес дества, преобразуют (4) к вид

U(t)Ve+2aV; S,(t)+S.(t)+

(t)3.

где

параллельно, широкой стенке тонкой по- 20 s .(t)a,cos4 .,cos(cfsinat).

глощающей пластиной. Беспрепятственное прохождение волны и поглощение волны а у обеспечиваются тем.

,xcos(cos2flt) J

SI (t) aj S in cos (of S inflt)

что поглоща1ощая пластина лежит в плос- )fsin(/3cos2flt) ,.

кости YOZ.25 S3(t)ayCos(f sinWsitiflt)

Складывая сигнал а с опорным, по- ступакндим с выхода СВЧ-генератора, и Детектируя суммарный сигнал в смесителе -6, получают низкочастотное напряжение

)tcos(cos2flt);

S(t)a sinif sin(rfsinflt)« rsin(0cos2flt) .

Таким образом, в сигнале 30 держится информация о всех ч амплифазных компонентах элек нитного поля исследуемой ант причем зависимость от времен гаемых S (t) описывается раз

U(t) Vo+2aV ajjCos«, cos() + +ajSinVcos(lfy+) ,(2)

1где v. - постоянная составляющая сигг

п

нала на выходе детектора ,, функциями, что дает возможность разад 0иау 0Vj - крутизна детектор|1ой характеристики в рабочей точке, которая определяется амплиделить соответствующие сигналы по своим каналам.

Преобразование переменной составляющей сигнала U(t) в постоянные на((t) (j sinflt,

(t) sin nt je(1-cos 2flt),

где 0 и /a - индексы поляризационно

и фазовой модуляций. Так как фазовые измерения отно«г сительны, то подставляя (3) в (2) и переобозначив t(,.. , можно записать

V VU(t) V+2 а V а у cosUsinil t )х xcos( /3cos2flt)+aysin(a/sinflt) «cos((; -/5cos2nt)J .(A)

Используя тригонометрические тож- дества, преобразуют (4) к виду

U(t)Ve+2aV; S,(t)+S.(t)+Sj(t) +

(t)3.

(5)

где

s

(6)

S3(t)ayCos(f sinWsitiflt)

)tcos(cos2flt);

S(t)a sinif sin(rfsinflt)« rsin(0cos2flt) .

Таким образом, в сигнале U(t) со- держится информация о всех четырех амплифазных компонентах электромагнитного поля исследуемой антенны, причем зависимость от времени t слагаемых S (t) описывается различными

п

функциями, что дает возможность разделить соответствующие сигналы по своим каналам.

Преобразование переменной составляющей сигнала U(t) в постоянные на

Изобретение относится к технике антенных измерений. Цель изобретения - повышение точности при измерении амплитудно-фазового распределения (АФР) эллиптически поляризованного поля антенны. Устройство для измерения АФР поля антенны включает СВЧ-1 генератор, выход которого подключен к входу исследуемой антенны 2, последовательно соединенные зонд 3, поляризационно-фазовый модулятор 4, поляризационный фильтр 5 и смеситель 6, выход которого подключен к первым входам первого 7, второго 8, третьего 9 и четвертого 10 синхронных детекторов, вторые входы которых подсоединены к первому, второму, третьему и четвертому выходам блока формирования управляющих сигналов (БФУС) 11 соответственно, пятый выход которого подключен к второму входу поляризационно-фазового модулятора 4, второй вход смесителя 6 подсоединен к выходу СВЧ-1 генератора, выходы синхронных детекторов подключены соответственно к первому, второму, третьему и четвертому входам блока 12 регистрации. БФУС 11 содержит модулирующий генератор, первый, второй и третий преобразователи синусоидального напряжения в прямоугольное, первый и второй квадраторы и перемножитель сигналов. Повышение точности измерений достигается за счет исключения погрешностей разделения волн с ортогональными поляризациями, погрешности суммирования и погрешности амплифазометра. 1 з.п. ф-лы, 3 ил.

тудой а опорного сигнала, дО пряжения осуществляется путем син U (; а у Ну| ; tAf, If - фазы ортогональных составляющих принятого зондом 3 сигнала относительно опорного. Выражение (2) получено путем разложения в степенной ряд функции, описывающей детекторную характеристику, при ау, ау«а. Для слабо намагниченного феррита имеет место линейная зависимость угла поворота плоскости поляризации Ц от величины подмаг- - ничивающего поля и квадратичная зависимость угла сдвига фаз Р. Поэтому подавая синусоидальный управляющий сигнал с частотой SI на обмотку поля- ризационно-фазового модулятора 4 с пятого выхода блокд 11 формирования управляхящх сигналов, получим следующее:

хронного детектирования с опорными напряжениями (фиг. 3), поступакидим с выходов блока 11 на вторые входы синхронных детекторов 7-10, на пер- 45 вые входы которых поступает сигнал U(t) :

,50

55

G, (t)sign(cos 2ilt); Gi(t)sign(cos 4ilt)| G3(t) sign(sinS t) j G4(t)r,,(t)-G3(t),

/v Г 1. sign(X) .

Учитывая свойства четности функц S(t) и Gn(t), нетрудно заметить.

где

хронного детектирования с опорными напряжениями (фиг. 3), поступакидими с выходов блока 11 на вторые входы синхронных детекторов 7-10, на пер- 45 вые входы которых поступает сигнал U(t) :

G, (t)sign(cos 2ilt); Gi(t)sign(cos 4ilt)| G3(t) sign(sinS t) j G4(t)r,,(t)-G3(t),

/v Г 1. sign(X) .

Учитывая свойства четности функцц S(t) и Gn(t), нетрудно заметить.

где

что система (6) четвертого порядка распадается на две независимые системы уравнений второго порядка:

, , , а coscfjj+A ja sincf.

{

Uj Ajjay costj Y+Aj a 81псС , cosif +A a sintf,

I где коэффициенты A j, зависят только I от индексов о( и модуляции и, следовательно, являются функциями амплитудного модулирующего сигнала.

Системы уравнений (7) и (8) удоб- но представить в виде

и, а sinlfj ;

.Uj ах М,, sin(((H-j-p;

Uj а Mj sin(w +yj);

(9)

(10)

3

iu ay М sin(),

где принято М, 1, -у, О вследствие относительности амплитудно-фазовых ;измерений.

. Вычисление амплитудных компонент двух поляризационных составляюошх поля исследуе мой антенны по измерен- ным напряжениям U производится из соотношений

(.

,А1, .

А,

(11) 35

If arctg

Ai и,

UI-U,A/

или

J7 J -AaU4) (A4 f1 А5-АзА ХАГ

изАй-и Аэ

-AfcUay

А,А/;

(12)

где А М sin-jfi; А N5 cos yj; АЭ MS з1пз з; А4 Мз cos-jj; Aj М sin-y ; А4 М 4 cos -j.

Значения а, ,, &, tf запоминаются в блоке 13 регистрации для дальнейшей обработки.

Константы Af|, п 1, 2,...,6, определяются в результате калибровки, которая заключается в следующем.

Образцова.я антенна с линейной поляризацией поля (в состав устройства не входит) ориентируется на зон 3 так, чтобы плоскость поляризации падающего поля была повернута на

45 от вертикальной плоскости. При этом ах а а, ifj, tfy Ч и (9) и (10) принимают вид:

f и. а sinip ;

ли, а.М, s.n(tf+7j) ;

(14)

2 - а, 14, sj.u(t| + J .j

Uj a Mj sinCtf-s-j,,); U a M sindf+ y) .

Б ВОЛНОВОДНЫЙ тракт измеряемого сигнала включают плавный подстроеч- ный фазовращатель. Регулировкой фазо- вращателя добиваются, чтобы U 0, что соответствует 0 На выходах синхронных детекторов 7 - 10 измеряют напряжения соответственно:

0

и.

гъ

изо

0;

а М,

sin

a Мэ sin-jij;

(15)

.и40 a М sin 2. Далее с помощью фазовращателя уменьшая фазовый сдвиг, добиваются, чтобы и , |и, , что -соответствует tf IT/2. Получают

и,

а:

а М« cos

i5

(16)

Uj

а -Мз

I.U41 а М4 COS д. По результатам этих измерений находят искомые константы:

А, - Uz6/Ui, , А2 Ui,/и,, , Aj изо /и,и , А4 Uj,/и,, , AS U40 /и,„ ,. А; U41/U,, . (17)

Блок 12 формирования управляющих сигналов работает следующим образом. ;С вькода модулирующего генератора 13 синусоидальньй сигнал с частотой Я поступает на управляющий, вход поляризационно-фазового модулятора 4 и на выходы первого kвaдpaтopa 14 и первого преобразователя 16 синусоидального напряжения в прямоугольное, с выхода которого сигнал, описываемый функцией G.j(t)5 поступает на управляющий вход третьего синхронного детектора. На выходе первого квадратора присутствует переменная составляющая напряжения, пропорциональная cos 2 sit, которая поступает на входы второго квадратора 15 и второго преобразователя 17 синусоидального на

.9

пряжения в прямоугольное, с выхода

которого сигнал, описываемьй функци G (t), поступает на управляющий вхо первого синхронного детектора. С выхода второго квадратора 15 переменн составляющая напряжения, пропорциональная cos 451, подается на вход третьего преобразователя 18 синусо- идального напряжения в прямоугольно с выхода которого сигнал, описываемый функцией G(t), поступает на-управляющий вход второго синхронного детектора, С выходов первого 16 и второго 17 преобразователей синусоидального напряжения в прямоугольно сигналы, пропорциональные Gj(t) и G,(t), поступают на входы перемножителя 19 сигналов, с выхода которого сигнал, пропорциональный функции G.(t)G3(t) G(t), поступает на управляющий вход четвертого синхронного детектора.

Использование изобретения обеспечивает повышение точности измерений за счет исключения погрешностей разделения волн с ортогональным поляризациями, погрешности суммировния и погрешности амплифазометра.

Формула изобретения

первому,

второму третьему

и четвертому входам блока регистрации соответственно, отличающееся тем что, С целью повышения точности при измерении амплитудно-фазового распределения эллиптически поляризованного поля антенн, введены по- ;следовательно соединенные поляри10

0

5

0

зационно-фазовый модулятор, вход которого подключен к выходу зонда, поляризационный фильтр и смеситель, выход которого подсоединен к первым входам первого, второго, третьего и четвертого синхронных детекторов, вто- ,рые входы которых подсоединены к пер -, вому, второму, третьему и четвертому выходам введенного блока формирования управляющих сигналов соответственно, пятый выход которого подключен к второму входу поляризационно-фазового модулятора, а второй вход смесителя подсоединен к выходу генератора СВЧ.

5

5

0

5

к4

Фиг. г

Фиг.З