Устройство для измерения фазы и амплитуды электромагнитного поля в ближней зоне исследуемой антенны Советский патент 1991 года по МПК G01R29/10 

С

VJ

о а го ю

Изобретение относится к технике антенных измерений и может быть использовано для измерения амплитудно-фазового распределения электромагнитного поля в ближней зоне антенны при ее испытаниях и настройке. Цель изобретения - повышение точности. Устройство содержит генератор 1 СВЧ, подключенный к входу исследуемой антенны 6 через делитель 2 мощности, циркуляторы 3 и 4 и разделитель 5 поляризации. Излученное антенной 6 электромагнитное поле переизлучается отражательными зондами, выполненными из диполей 7 и 10, размещенных ортогонально друг другу параллельно раскрыву антенны 6 на расстоянии друг от друга, равном четверти рабочей длины волны. Модулирующие диоды 8 и 11 отражательных зондов подключены к выходам низкочастотного (НЧ) генератора 9, а один из них через НЧ-фазовращатель 12 на 90°. Отраженный от зондов сигнал принимается антенной 6 и через циркуляторы 3 и 4, аттенюатор 13 и фазовращатель 14, сумматор 15, смеситель 16 и усилитель 17 промежуточной частоты, на к-ром выделяется колебание с частотой модуляции, поступает на первый вход амплифазометра 18, на второй вход к-рого поступает НЧ-сигнал с выхода НЧ-генератора 9. Изобретение позволяет повысить точность за счет подавления одной боковой полосы и удвоения амплитуды другой боковой полосы. 1 ил.

т

один из них через НЧ-фазовращатель 12 на 90е. Отраженный от зондов сигнал принимается антенной б и через циркуляторы 3 и 4, аттенюатор 13 и фазовращатель 14, сумматор 15, смеситель 16 и усилитель 17 промежуточной частоты, на к-ром выделяется колебание с частотой модуляции, поступает

Изобретение относится к технике антенных измерений и может быть использовано для измерения амплитудно-фазового распределения электромагнитного поля антенны в ближней зоне антенны при ее испы- таниях и настройке.

Цель изобретения - повышение точности.

На чертеже приведена структурная электрическая схема устройства для изме- рения фазы и амплитуды электромагнитного поля в ближней зоне антенны.

Устройство для измерения фазы и амплитуды электромагнитного поля в ближней зоне антенны включает СВЧ-генератор 1, выход которого подключен к входу делителя 2 мощности, первый и второй выходы которого подключены к первому плечу первого 3 и второго 4 циркуляторов, разделитель 5 поляризации, первый и второй входы кото- рого соединены с вторым плечом первого 3 и второго 4 циркуляторов, а выход является выходом для подключения входа исследуемой антенны 6, первый электрический диполь 7, первый модулирующий диод 8, вход которого соединен с вторым выходом НЧ- генератора 9, а выход - с первым электрическим диполем 7 отражательного зонда, второй электрический диполь 10, второй модулирующий диод 11, вход которого соеди- нен с третьим выходом НЧ-генератора 9 через низкочастотный (НЧ) фазовращатель 12 на 90°, а выход соединен с входом второго электрического диполя 10 отражательного зонда, расположенного ортогонально первому диполю 7 в плоскости, параллельной плоскости раскрыва исследуемой антенны 6, на удалении от первого диполя 7, равном четверти рабочей длины волны, аттенюатор 13, вход которого соединен с третьим плечом первого циркулятора 3, высокочастотный фазовращатель 14, вход которого соединен с третьим плечом второго циркулятора 4,а выход - с вторым входом сумматора 15, смеситель 16, вход которого

на первый вход амплифазометра 18. на второй вход к-poro поступает НЧ-сигнал с выхода НЧ-генератора 9, Изобретение позволяет повысить точность за счет подавления одной боковой полосы и удвоения амплитуды другой боковой полосы. 1 ил.

соединен с выходом сумматора 15, а выход - с последовательно соединенными усилителем промежуточной частоты (УПЧ) 17 и амплифазометром 18, выход которого является выходом устройства, второй вход амплифазометра 18 соединен с первым выходом НЧ-генератора 9.

Устройство для измерения фазы и амплитуды электромагнитного поля в ближней зоне антенны работает следующим образом.

Сигнал на рабочей частоте от СВЧ-гене- ратора 1 подается на делитель 2 мощности, делится пополам и через циркуляторы 3 и 4 и разделитель 5 поляризации подается на исследуемую антенну 6 и излучается, причем излучаемое антенной 6 электромагнитное поле с помощью разделителя 5 поляризаций представлено в виде вертикальной и горизонтальной составляющих и несет информацию об амплитудном и фазовом распределениях электромагнитного поля на раскрыве исследуемой антенны. Часть излучаемой мощности принимается первым 7 и вторым 10 диполями отражательного зонда, при этом диполь 7 принимает вертикальную составляющую, а диполь 10-горизонтальную. К диполю 7 подключен модулирующий диод 8, на который от НЧ-генератора 9 подается модулирующее напряжение частотой Q . К диполю 10 подключен модулирующий диод 11, на который от того же генератора 9 через НЧ-фазовращатель 12 на 90 подается модулирующее напряжение той же частоты Q, не сдвинутое по фазе на величину р& Принятый от исследуемой антенны сигнал после модуляции переизлучается и часть его принимается исследуемой антенной.

Положим, СВЧ-генератор 1 генерирует гармонический сигнал

АО ( t ) Aom tOS ( (Do t + po ) ,(1)

где Aom, ftfe . PO - амплитуда, частота и начальная фаза колебания.

Пройдя через делитель 2 мощности - начальная фаза модулирующего

циркуляторы 3 и А, на выходе разделителя 5сигнала.

поляризации сигнал будет иметь вертикаль-на модулирующем диоде 11 и диполе 10

ную и горизонтальную составляющие поля:для горизонтальной составляющей с учетом

A 16(t) - А16гт, соб ( t ер0) ; (.разноса на - и дополнительного фазового

А (t) А ггл cos (W0 fo ) С2) 5сдвига на у модулированное колебание

можно представить в виде

где AiBm и Airm амплитуды сигналов вер-. ,., . г/ j тикальной и горизонтальной составляющих.A3r(t) (nb( flU

С выхода разделителя поляризаций сиг-/ 1 Ь л1г °

нал поступает в исследуемую антенну 6 и (Ыо ° ° 4 )

излучается в направлении отражательныхПолагая , соотношение (8) примет

зондов. На входах диполей 7 и 10 сигналвид r(-tj--A,TMsin(co0t- k0x -&с; «-4%)- можно записать:Аэглл

для вертикальной составляющей поля нач C06()t-k0v-&ip4q ot( (g)

диполе 715Аг,-,

A2B(tbA ewCos(uebkoX-A f+ foiM - )fo-4p,

где Азгт - амплитуда несущего колебания.

для горизонтальной составляющей поля наИз выражений (7) и (9) видно, что вертидиполе 10 с учетом его пространственногоК3льная и горизонтальная составляющие

сдвига20«роме несущего колебания содержат в своAor(t)-A2rAAein(co0-t K0x-uq + ),(5)ем спектре боковые частоты

LWo -f-Q и ofe - Q, Переизлученные зондагде А2Вт, А2Гт - амплитуды сигнала верти-ми сигналы принимаются антенной 6, прикальной и горизонтальной составляющих ;обретая на пути распространения

ko постоянный коэффициент 25дополнительные фазовые сдвиги на несу щей и боковых частотах.

распространения ( Л - длина волны СВЧ-Выражение для сигналов можно запигенератора 1);сать в следующем виде:

х - расстояние от плоскости раскрывадля вертикальной составляющей

исследуемой антенны 6 до диполя 7:30,

значение дополнительного набе-ЛЧ6 - Амбч1со«( с)+.

га фазы электромагнитного поля в ближней Ацвт cos n)t-k.x - k,- 1йц .

зоне исследуемой антенны 6 в точке изме- Ч оf Ч о f т с°5 ° «)fрения.l L- л1

На модулирующем диоде 8 наведенные 35- о - 2 zitf 4 j ,

полем излучения исследуемой антенны токигде д4Вт д 4Вт - амплитуды переизлученных

диполя 7 от вертикальной составляющейсигналов несущей и боковых частот ; Модулируются сигналом НЧ-генератора 9 сК1. К2 - постоянные распространения

частотой Q и переизлучаются. В составеверхней и нижней боковых частот, спектра излучаемого сигнала появляется 40 для горизонтальной составляющей кроме несущей частоты аь верхняя боко-п

вая частота ЙА + Q и нижняя & - Q .A4r(t) -A4rrTi5m(a)0t-2k0 X - 2&(f t

Мгновенное значение модулированного ко- u 0 -AurrY1cos(G)0 + - k0X-k2x- , лебания можно записать в виде (с учетом,гf J

только первой гармоники модуляции) 2uCf 4- ср J -I- А ЦгГп cos(GJ5)tA,,(H-A,,,(«(.co,(;o0l.k0,-u,,:6) -ЙЛЦ Ч в-Ч о J )

ИЛИ

Д 1+.Д .1-t - k-K t 0. U

где . А 4Гт - амплитуды переизлученных

A,g(tl fl,()mCos(u(1t-l 0lC-bLf lp0 )

. С0б(и0,,) 50 сигналов несущей и боковых частот.

чр0.4-™ coB(to.-n)i-kex-44 Принятый антенной б сигнал проходит

1через разделитель 5 поляризации, причем

вертикальная составляющая поступает на второе плечо первого циркулятора 3, а горигде Азвт - амплитуда сигнала;55 зонтальная - на второе плечо второго цирМ - коэффициент модуляции,кулятора 4. Далее через аттенюатор 13 и

фазовращатель 14 вертикальная и горизонтальная составляющие соответственно поступают на входы сумматора, где складываются с учетом знаков их амплитуд. В случае равенства амплитуд вертикальной и горизонтальной составляющих результат сложе- ния выражений (10) и (11) на выходе сумматора с учетом сигнала от СВЧ-генера- тора 1 можно записать

A5(t)-A4eW-A4r(tUArlt)-A5rtlcos(oet-2kex-ft64-4e- -A6m 5i« coet-2kex-2Aq 44 eV

(18)

+. (ovn)t -X M-2«f-HV o Armcos(.)

где Asm, A 5m - амплитуды сигналов несущей и нижней боковой частот;

Arm - амплитуда сигнала от СВЧ-генера- тора 1, поступающего на сумматор 15 через делитель 2 мощности, циркуляторы 3 и 4, аттенюатор 13 и фазовращатель 14 за счет просачивания через циркулятор.

Учитывая, что амплитуды сигналов, принятые от отражательного зонда, много меньше амплитуды сигнала СВЧ-генерато- ра 1, на выходе смесителя 16 преобладают составляющие преобразования сигналов с частотами олз и 2 Шо - и . Выражение для этого случая можно записать в виде

A6W-Aen,C05(2&30-aH-l oX-l 2X-2лс -Јч 0-сра А 6тсо5(

+ К,Х + 2ДЧ ),(13)

где Абт, А бт - амплитуды сигналов с частотой 2 С/АЭ - Ј2 и Q соответственно.

Первое слагаемое, содержащее удвоенную несущую 2 ОАэ - Q , и другие продукты преобразования после УПЧ 17 подавляются им. На выходе УПЧ 17 выделяется напряжение с частотой, которое можно записать в виде A7llbA7wcos(abkexa,x 2b4+qpa

где амплитуда сигнала на выходе фильтра 18.

Для выделения фазы и амплитуды поля на раскрыве исследуемой антенны 6 ригнал поступает на первый вход амплифазометра 18, на второй вход которого от НЧ-гёнерато- ра 9 подается опорное напряжение:

Ae(t ) Asm cos/Qt + рл /(15)

На первом выходе амплифазометра 18 выделяется напряжение, пропорциональное фазе поля в точке измерения сигнала. Оно может быть записано в виде Ag(t)A9m cos (k0x +k2X +2 )(16) где Agm - амплитуда сигнала.

Амплитуда выходного напряжения определяется набегом фазы k0x для несущего колебания Шо , kzx для нижней боковой частоты Шо - Q и2Ау удвоенным значением набега фазы на раскрыве исследуемой антенны в точке измерения.

Если учесть, что k2 k0 - Ak , где

Г -

Ak т (Я - длина волны модулирующего НЧ-генератора). то выражение (16) примет ВИД: A.o(.bA,Qmco5(2k0-ai)x + 2i4,()

Учитывая, что Я может быть выбрано достаточно большой, число Ak « k0. Поэтому величиной постоянного распространения Ak можно пренебречь по сравнению с 2k0. Тогда окончательно фаза сигнала на первом выходе амплифазометра 18 определяется выражением

AHU.(,mco52(k0xt&Cr),ei8) где Aiim - амплитуда сигнала.

При неизменном для данного измерения расстоянии х между исследуемой антенной 6 и отражательным зондом напряжение на первом выходе амплифазометра пропорционально удвоенному значению фазы (2 А р ) электромагнитного поля на раскрыве антенны в точке измерения. Влияние постоянной составляющей (2k0x) устраняется при калибровке амплифазометра.

На втором выходе амплифазометра измеряется напряжение, пропорциональное амплитуде сигнала поля на раскрыве исследуемой антенны в точке измерения.

Таким образом, использование поляризованного метода формирования сигнала в модулирующем отражательном зонде предлагаемого устройства позволяет повысить точность за счет увеличения амплитуды одной боковой частоты при подавлении другой боковой частоты.

При неравенстве амплитуд горизонтальной и вертикальной составляющих сигнала, не превышающем 0,5%, и точности их фазовых сдвигов не хуже 1° подавление одной из боковых частот достигает 40 дБ.

При подавлении одной из боковых частот с использованием поляризационного метода на 40 дБ пиковая ошибка измерения фазы составляет 0,6°, а реально не превышает 3°.

Формула изобретения

Устройство для измерения фазы и амплитуды электромагнитного поля в ближней зоне исследуемой антенны, содержащее СВЧ-генератор, трехплечий циркулятор, исследуемую антенну, смеситель, усилитель, полосовой фильтр, амплифазометр, низкочастотный генератор, модулирующий отражательный зонд, последовательно соединенные смеситель, усилитель промежуточной частоты и амплифазометр. выход которого является выходом устройства, а второй вход амплифазометра подключен к первому выходу низкочастотного генератора, второй выход которого подсоединен к входу модулирующего отражательного зонда, отличающееся тем, что, с целью повышения точности, в него введены последовательно соединенные низкочастотный фазовращатель на 90°, вход которого подключен к третьему выходу низкочастотного генератора, и второй модулирующий зонд, последовательно соединенные аттенюатор, вход которого подключен к третьему плечу циркулятора, и сумматор, выход которого подсоединен к входу смесителя, последовательно соединенные делитель мощности.

вход которого подключен к выходу СВЧ-ге- нератора, второй циркулятор и высокочастотный фазовращатель, выход которого подключен к второму входу сумматора, а второй выход делителя мощности подключен к первому плечу первого циркулятора, разделитель поляризаций, первый и второй входы которого подсоединены к второму плечу первого и второго циркуляторов соответственно, а выход является выходом для подключения входа исследуемой антенны, причем первый и второй отражательные зонды выполнены в виде электрических диполей с модулирующими диодами, причем электрические диполя установлены перпендикулярно друг другу, параллельно плоскости исследуемой антенны на расстоянии друг от друга, равном четверти рабочей длины волны.