Устройство для измерения амплитудно-фазового распределения в раскрыве СВЧ-антенны Советский патент 1991 года по МПК G01R19/10 

Изобретение относится к сверх- высокочастотным (СВЧ) антеннам, в частности к антенным измерениям, проводимым в раскрыве апертурно-зондо- вым методом, основанным на возбуждении в раскрыве электромагнитных волн, измерении в дискретных точках раскрыва амплитуды электромагнитных волн и последующем расчете диаграм- мы направленности в дальней зоне.

Целью изобретения является повышение точности фазовых измерений путем уменьшения фазовых погрешностей подвижного тракта.

На фиг.1 представлено устройство для измерения амплитудно-фазового распределении в раскрыве СВЧ-антен- ны; на фиг.2 - разветвитель волн, сечение; на фиг.З - то же, общий вид.

Устройство для измерения амплитудно-фазового распределения (АФР) в раскрыве СВЧ-антенны содержит СВЧ- генератор 1, СВЧ-антенну 2, первый разветвитель 3 волн, зонд 4, механизм 5 перемещения, второй разветви- тель 6 волн, СВЧ-квадратичный детектор 7, подвижный тракт 8, первый усилитель 9 низкой частоты, блок 10 уп- равления и регистрации, генератор 11 низкой частоты, делитель 12, первый 13 и второй 14 электроакустические преобразователи, дополнительный подвижный тракт 15, второй усилитель 16 низкой частоты, фильтр 17, цифровой запоминающий осциллограф 18, источник 19 смещения, металлическую пластину 20, радиопрозрачную пленку 21, вход 22 акустических и электромаг- нитных волн, выход 23 акустической волны, выход 24 электромагнитной волны 24 и волноводные фланцы 25.

Устройство работает следующим образом.

Сигнал от СВЧ-генератора 1 поступает на СВЧ-антенну 2 через первый раэветвитель 3 волн, далее принимается зондом 4, установленным на механизме 5, и через второй разветвитель 6 волн, детектор 7, подвижный тракт 8, источник 19, первый усилитель 9 подается на второй вход осциллографа 18, от которого результаты измерения передаются в блок 10. Детектор 7 устанавливается вместе с зондом 4 и втрым разветвителем 6 волн на механизме 5 так, что при проведении измерений по подвижным трактам 8 и 15 пере

дается только низкочастотный информа ционный сигнал. Генератор 11 настроен на частоту, обеспечивающую такую же длину волны у акустических волн, как у электромагнитных волн. Сигнал с генератора I1 через делитель 12 поступает на СВЧ-генератор 1 для модуляции, кроме того, через делитель 12 дополнительный подвижный тракт 15, второй электроакустический преобразователь 14, второй раэветвитель 6 волн низкочастотный сигнал поступает на зонд 4, возбуждающий акустическое поле в раскрыве СВЧ-антенны 2, которое принимается СВЧ-антенной 2, и через первый разветвитель 3 волн, первый электроакустический преобразователь 13, второй усилитель 16, фильтр 17 сигнал поступает на первый (измерительный )вход осциллографа 18, на третий (синхронизирующий) вход которого через делитель 12 поступает опорный сигнал от генератора 11.

Блок 10 связан с механизмом 5, обеспечивающим перемещение зонда 4 в раскрыве исследуемой СВЧ-антенны 2. В дискретных точках раскрыва происходит одновременное измерение амплитуды электромагнитного поля и фазы акустического поля с-помощью осциллографа 18, результаты измерений с которого поступают в блок 10.

В качестве СВЧ-генератора 1, первого усилителя 9, генератора 11, второго усилителя 16, осциллографа 18 используются стандартные измерительные приборы, например осциллограф типа С9-8, генератор Г4-142,, усилитель У4-28, второй усилитель У2-8, генератор ГЗ-118.

Таким образом, в раскрыве СВЧ- антенны одновременно с электромагнит ными волнами дополнительно возбуждают акустические волны, которые совпадают с длиной волны электромагнитных волн. Так как скорость распространения электромагнитных волн, равная скорости света С 3x10 м/с, примерно в миллион раз больше скорости распространения акустических волн равной, например, скорости звука V « 30 м/с в воздухе, то для получения одинаковой длины волны частота колебаний акустических волн F должна быть примерно в миллион раз меньше частоты колебаний электромагнитных волн f.

Например, если измерения СВ антенны проводятся на частоте Гц то длина волны электромагнитных волн составляет fl, C/f - О.ООЗ.м. Для получения такой же длины волны акустических волн г. ТЦ в воздухе частота колебаний акустических волн должна быть F - V/ flz« 340 м/с/ /0,003 м - 113 кГц.

При одновременном возбуждении в раскрыве СВЧ-антенны электромагнитных и акустических волн одной и той же длины волны в дискретных точках раскрыва измерения производят одновременно, причем амплитуду измеряют у электромагнитного поля, а фазу - акустического. Это допустимо, так как в предположениях геометрической оптики одинакова физическая модель диаграммы направленности широко- апертурной антенны, полученной на акустических и электромагнитных вол- нах той же длины волны.

вой сигнал, принимаемый зондом 4, из-за распределения энергии ультра- звуковых волн по всему раскрыву испытуемой СВЧ-антенны 2, отражений от переходов и стыков в трактах, затухания в среде распространения, рассеяния, потерь преобразования ослабляется в несколько тысяч раз по срав-

нению с сигналом опорного канала.Для увеличения динамического диапазона и уменьшения погрешности измерения из- за разности уровней сигналов на входах осциллографа 18 в измерительный

тракт включен второй усилитель 16 Сигнал с второго электроакустического преобразователя 14 составляет единицы милливольт, что соизмеримо с уровнем шумов и помех, которые попадают

в измерительный тракт вибраций механизма 5 и наводок от сети и электродвигателей. Для уменьшения помех в тракт между вторым усилителем низкой частоты и осциллографом 18 включен

Изобретение относится к антенным измерениям, проводимым апертур- но зондовым методом. Цель изобретения - повышение точности фазовых измерений путем уменьшения фазовых погрешностей подвижного тракта, а также увеличение развязки и чувствительности. Сигнал от СВЧ-генератора I через разветвитель 3 волн поступает на СВЧ-антенну 2, принимается зондом A ii через разветви гель 6 волн, квадратичный детектор 7 СВЧ, подвижный тракт 8, источник 19 смещения и усилитель 9 НЧ поступает на цифровой запоминающий осциллограф 18 Детектор 7 установлен вместе с зондом 4 и разветвителем 6 на механизме 5 перемещения, при этом по подвижным трактам 8 и 15 передаются информационные сигналы НЧ. Генератор 11 НЧ настроен на частоту, длина акустической волны которой равна длине волны электромагнитного колебания. При этом в раскрыве СВЧ-антенны 2 одновременно с электромагнитными волнами возбуждаются акустические волны. Поскольку частота акустических колебаний много меньше частоты электромагнитных колебаний, фазовые погрешности подвижного тракта 8, 15 на этой частоте много меньше фазовой погрешности на СВЧ. 1 з.п. ф-лы, 3 ил. У (Л м«ь О ьа & & CD &.

При проведении измерений амплитуд- 25 полосовой фильтр 17, ограничивающий

но-фазового распределения в раскрыве широкоапертурных антенн основную фазовую погрешность, как правило, вносит подвижный тракт, передающий СВЧ-сигнал от дискретных точек, где производятся измерения, к измерительному прибору. В данном случае при проведении измерений в дискретных точках раскрыва разделяют акустические и электромагнитные волны. Так как измеряют у акустических а не у электромагнитных волн, на частоте колебаний акустических волн F, которая примерно в миллион раз меньше частоты f, то фазовые погрешности подвижного тракта на этой частоте F существенно меньше в сравнении с фазовой погрешностью подвижного тракта на сверхвысокой частоте. Последняя погрешность фактически является основной погрешностью и, как правило, ограничивает принципиальную воз- можнрсть проведения фазовых измерений в раскрыве антенн в субмиллимет- ровом диапазоне волн. На низкой частоте F в сравнении со сверхвысокой частотой f не только уменьшаются фазовые погрешности передачи сигнала по подвижному тракту, но и также становится точнее измерительная аппаратура, например фазометр.

В качестве зонда 4 может использоваться рупорный облучатель или открытый конец волновода. Ультразвуко0

5

0

спектр частот, усиленных усилителем 16, что также повышает точность измерения фазы, кроме того, приемный первый электроакустический преобразователь 13 подключен к неподвижной СВЧ- антенне 2 через первый рачветвитель 3 волн. Конструкции первого 3 и второго 6 разветвителей волн являются идентичными.

Разветвитель 6 (фиг.2 и 3) выполнен на основе Т-образного разветвления волновода типа Е. В Т-образном разветвлении волновоца типа Е с фланцами 25 введена металлическая пластина 20, расположенная в середине одного из симметричных плеч Т-образного разветвления волновода параллельно узкой стенке. Длина метал лической пластины 20 должна превы5 шать две длины волны в волноводе, ио более четырех длин волн ее делать нецелесообразно

Электромагнитная волна с входа 22 не проходит на выход 23 акустичес-

0 кой полны, т.е. в друюе симметричное плечо разветвления волновода, из-за того, что наличие металлической пластины 20 делает волновод запредельным. Длина пластины ,

е где 1( -.длина волны в волноводе, обеспечивает достаточно большое затухание волны, чтобы исключить просачивание электромагнитной волны на выход 23 акустической волны.

71

Скосы под углом 45 у металличес- кой пластины 20 выбираются для согла- сования и отражения электромагнитных волн из плеча 24 в плечо 22 и наобо- рот Здесь также возможно введение ступенек и других согласующих элемен- тов, обеспечивающих прохождение электромагнитной волны из входа 22 на выход 24 с хорошим согласованием. Радиопрозрачная пленка 21 полностью перекрывает волновод выхода 24 электромагнитной волны, чем закрывает возможность попадания в него акустических волн с выхода 23

Разветвители 3 и 6 волн могут быть выполнены также на основе 1-об- разного разветвления волновода типа Н.

Эпеь троакустические преобразователи 13 и 14 возбуждают акустические волны в волноводе и представляют собой согласованный для акустической волны плавный переход, например, в виде конического рупора и акустического резонатора, в котором, например, с помощью пьезоэлементов возбуждаются акустические волны

Осциллограф 18 должен быть двуплечим, так как по одному из входов (второму) идет яапись амплитуды СВЧ- поля, поступающей от зонда 4, а по другому (первому) входу идет запись низкочастотного сигната, несущего информацию о фазе акустических волн, которая извлекается в блоке 10 благодаря наличию синхронизации по третьему входу осциллографа 18 от низкочастотно о генератора 11 через делитель 12. Изменение фазы акустической волны сопровождается изменением положения синусоиды, записанной осциллографом 18, относительно начала развертки Период синусоиды составляет 360°, а соответствующие смещения синусоиды в блоке 10 пересчитываются в изменение фазы. Таким образом, низкочастотный фазометр ьыпол- йен на базе осциллографа 18, совместно с блоком 10. Для электромагнитного поля СВЧ-антенна 2 используется как передающая антенна, а для акустического поля - как приемная антенна Это создает конструктивные преимущества при реализации процесса измерений амплитудно-фазового распределения за счет использования волновод- ных соединительных трактов только для соединения двух элементов схемы:

8

0

5

0

5

0

5

0

5

0

5

первого разветвителя 3 волн с СВЧ- генератором 1, СВЧ-антенной 2, первыми акустическими преобразователями 13 и второго разветвителя 6 волн с зондом 4, вторым акустическим преобразователем 14 и детектором 7.

Предлагаемое устройство позволяет уменьшить фазовые погрешности подвижного тракта, что повышает точность измерений (в известном устройстве при проведении измерений в миллиметровом и субмиллиметровом диапазоне волн погреши сть фазовых измере- ни i является определяющей и превышает погрешности других элементов устройства) .

Формула изобретения

I. Устройство для измерения амплитудно-фазового распределения в раскрыве СВЧ антенны, содержащее СВЧ-генератор, зонд, подвижный тракт, механизм перемещения, соединенный с блоком управления и регистрации о т- л и чающееся тем, что, с целью повышения точности фазовых измерений путем уменьшения фазовых погрешностей подвижного тракта, исследуемая СВЧ-антенна подключена к введенному первому оазветвителю волн, выход которого через введенные последовательно соединенные первый электроакустический преобразователь, второй усилитель низкой частоты и фильтр соединен с первым входом введенного цифрового запоминающего осциллографа, а вход первого разветви- теля волн через сверхвысокочастот- ный генератор соединен с первым выходом введенного делителя, при этом зонд подключен к введенному второму разветвителю волн, выход которого через последовательно соединенные введенный источник смещения детектора и введенный первый усилитель низкой частоты соединен с вторым входом цифрового запоминающего осциллографа, а вход второго разветвителя волн через последовательно соединенные введенный второй электроакустический преобразователь, дополни ельный подвижный тракт и второй выход делителя соединен с выходом введенного генератора низкой частоты, третий выход делителя подключен к третьему входу цифрового запоминающего осциллографа, соединен-

ного с блоком управления и регистра- ции, причем на механизме перемещения установлен зонд, второй электро- акустический преобразователь, второй разветвитель волн и сверхвысоко- частотный квадратичный детектор.

23

/

25

23

20

25

N

0W.J

разветвления волновода типа Е, с металлической пластиной в форме параллелограмма, длинные стенки которого размещены по серединам широких стенок волновода одного из симметричных плеч и выполнены длиной 1, причем . 2fl, где fl - длина волны в прямоугольном волноводе, а короткие стенки пластины наклонены под углом 45 в сторону несимметричного плеча, перекрытого введенной радиопрозрач- ной пленкой.

22

/

.25

/

NT

2k

Фиг.2

25

X

25