Способ определения амплитудно-фазового распределения Советский патент 1992 года по МПК G01R29/10 

Изобретение относится к антенной технике и может быть использовано при антенных измерениях.

Известен способ определения амплитудно-фазового распределения поля антенны, заключающийся в дискретном перемещении по заданной поверхности зонда и измерении амплитуды и фазы сигнала в каждой точке путем сравнения сигнала с зонда с опорным сигналом.

Однако этот способ обладает недостаточной точностью определения и не позволяет за один цикл измерений определить амплитудно-фазовое распределение по

двум взаимно ортогональным поляризациям.

Наиболее близким по сущности к предлагаемому способу является способ определения амплитудно-фазового распределения поля антенны, включающий прием исследуемого поля в точках измерительной траектории, измерение параметров принятого сигнала последовательно для каждой пары соседних точек, причем первая точка 1-й пары точек является второй точкой (М)-й пары, а вторая точка 1-й пары является первой точкой (1+1)-й пары, причем перед измерением параметров принятого сигнала для 1-й пары соседних точек трижды суммируют

а

CJ

СА)

О

принятые сигналы, внося в сигнал, принимаемый во второй точке, дополнительный фазовый сдвиг последовательно 0, Ф,-Фгр , а измерение параметров принятого сигнала выполняют для мощности суммарного сигнала для каждого значения 11 фазы 21iy, 3IV, у соответственно, и определяют значение амплитуды поля во второй точке и разность фаз поля между второй и первой точками исследуемого поля по формулам

X2I

1

У31 У21 У

+

4ХЦ VSIP (Ф);

2i /

+ 2уцу21уз1

I SAХЛ-.ЛЧ 1 I/

1(1 - cos (Ф))

p- -arctg

(У21 - узр tg (Ф/2) +у/

2 У11 - У21 - У31 /

где V

О, если c 02y-yi - у2 л, если с 0 (1 - соз(Ф))

Vjl X2i2 + X2i2 + 2xiiX2i

cos(pn + ФД j 1,2,3 xi(2)i - значение амплитуды поля в первой (второй) точке исследуемого поля для 1-й пары точек, причем

xii X2(i+i); р - pi ( + 1) и X1I, (р - выбираются произвольно для 1 1;

90° Ф 180°.

Устройство для реализации указанного способа, включает измерительный зонд, со- держащий N каналов, каждый из которых содержит последовательно соединенные антенну, коммутатор и фазовращатель, причем выход 1-го фазовращателя (1 i N) подсоединен к i-му входу сумматора, выход которого подсоединен к входу амплитудного детектора, выход которого является выходом зонда. Устройство также содержит последовательно соединенные низкочастотный приемный блок, вход которого под- ключей к выходу амплитудного детектора, блок вычислений и блок коммутаций, первые N выходов которого подключены к входам управления соответствующих коммутаторов, а вторые N выходов - к входам управления соответствующих фазовращателей.

Однако этот способ обладает недостаточной точностью определения, связанной с наличием ошибок, возникающих при попадании одной из антенн измерительного зонда в нуль поля (точку, где амплитуда исследуемого поля сравнима с уровнем шума). При этом погрешность определения ам

плитудно-фазового распределения поля антенны многократно возрастает.

Цель изобретения - повышение точности определения амплитудно-фазового распределения поля антенны и расширение функциональных возможностей.

Сущность изобретения заключается в том, что в известном способе определения амплитудно-фазового распределения поля

антенны, включающем излучение электромагнитного поля исследуемой антенной, прием исследуемого поля в точках измерительной траектории, расположенной на прямой, измерении параметров принятого

сигнала последовательно для каждой пары соседних точек, причем первая точка 1-й пары точек является второй точкой (Ы)-й пары, а вторая точка i-й пары является первой точкой (1+1)-й пары, определение амплитудно-фазового распределения по результатам измерений, дополнительно прием электромагнитного поля выполняют трижды в первой точке по поляризации п или по ортогональной к ней m и во второй точке по

основной поляризации п или ортогональной к ней т, суммируют всякий раз принятые два сигнала с комплексными коэффициентами передачи jk Q 1-6), измеряют значения мощностей суммарных сигналов Pi (P2 и Рз)

соответственно и определяют комплексную амплитуду поля во второй точке по формуле

я

- Re (ErnlEnk) - j Im (Eml Enk ) tnk - tml7,- i

lEmll2

где Re(Emi Enk); m(Emi Enk); I Eml2 I- находятся как решения матричного уравнения

с

Pi P2

Рз

где Emi(nk) Tmi(nk) exp 0 ))- значение комплексного вектора в точке l(k) по поляризации n(m), m, n, I, k 1, 2;

матрица матрица калибровки;

Pi- I tei-i Emi + k2iEnkl2, (I 1, 2. 3)- значения измеренных сигналов;

kj 0 1. 2, 3, 4, 5, 6) - комплексные коэффициенты передачи, характеризующие передачу сигналов с первой и второй точек для трех измерений,

причем для определения амплитуды и фазы поля в следующей точке используют параметры поля в точке, участвующей в предыдущем измерении

Поставленная цель достигается также тем, что в известном устройстве, включающем измерительный зонд, содержащий две идентичные антенны, установленные на механическом сканере на расстоянии, равном шагу измерений друг от друга, блок измерения параметров сигнала, выход которого подключен к входу блока управления и обработки, первый выход которого подсоединен к входу управления механического сканера, дополнительно антенны выполнены с управляемой поляризацией, введены распределительная схема, первый и второй входы которой подключены к выходу первой и второй антенн соответственно, а первый, второй и третий выходы распределительной схемы подключены к первому, второму и третьему входам блока измерения параметров сигнала, блок коммутаций, первый выход которого подсоединен к входу управ- ления первой и второй антенн, а второй выход - к входу управления блока измерения параметров сигнала.

Поставленная цель достигается также тем, что блок измерения параметров сигна- ла включает последовательно соединенные мультиплексор и низкочастотный измерительный блок, выход которого является выходом блока измерения параметров сигнала, первый, второй и третий входы муль- типлексора подключены к первому, второму и третьему входам блока измерения параметров сигнала через первый, второй и третий амплитудные детекторы соответственно, вход управления мультиплексора яв- ляется входом управления блока измерения параметров сигнала, а амплитудные детекторы в непосредственной близости от измерительного зонда.

Поставленная цель достигается также тем. что измерительный зонд содержит три идентичные антенны, причем выход третьей антенны подключен к третьему входу измерительной схемы, а третья антенна размещается на линии, перпендикулярной линии, проходящей через первую и вторую антенны, и проходящей через первую антенну, на расстоянии шага от нее.

Поставленная цель достигается также тем, что распределительная схема выполне- на с четырьмя выходами, а блок измерения параметров сигнала выполнен состоящим из четырех амплитудных детекторов, мультиплексора и низкочастотного измерительного блока, причем входы амплитудных детекторов подключены к соответствующим выходам распределительной схемы и расположены в измерительном зонде, выходы детекторов подключены к соответствующим™ входам мультиплексора, выход мультиплексора подключен к входу низкочастотного измерительного блока, а выход низкочастотного измерительного блока подключен к входу блока управления и обработки.

На фиг,1 приведена схема устройства, реализующего предлагаемый способ; на фиг.2 - расположение антенн, входящих в состав измерительного зонда на плоскости измерений.

Устройство содержит измерительный зонд 1, состоящий из антенн 2-4 с управляемым положением плоскости поляризации и распределительной схемы (PC) 5, блок б измерения параметров сигнала 6, состоящий из амплитудных детекторов 7-10, мультиплексора 11 и низкочастотного измерительного блока 12, блок 13 управления и обработки и механический сканер 14.

Устройство работает следующим образом.

При помощи механического сканера 14 устанавливают измерительный зонд 1 в исходное положение. Затем при помощи блока 13 управления и обработки устанавливают антенну 2(4) в положение Выключено, а антенны 3, 4(2. 3) в положение, при котором во включенном состоянии находятся лишь по одному p-i-n диоду в каждой антенне. Таким образом на два входа PC 5 подаются сигналы от антенн 3,4 (2, 3) соответственно. Комплексные сигналы, несущие информацию об амплитуде и фазе поля в точках расположения антенн 3, 4 (2, 3) по поляризации, соответствующей включенному p-1-n диоду, поступают с выходов PC 5 на соответствующие входы блока 6 измерения параметров сигнала. С выхода блока 6 измерения параметров сигнала три действительных сигнала последовательно поступают в блок 13 управления и обработки, где они5 обрабатываются согласно алгоритму, приведенному ниже. Коммутация сигналов осуществляется в блоке 6 измерения параметров сигнала, по командам с блока 13 управления и обработки. В результате определяют искомые амплитуду и фазу поля в одной из двух точек по поляризации, соответствующей включенному в антенне 3(2) p-i-n диоду через произвольно выбранные амплитуду и фазу поля в другой точке по поляризации, соответствующей включенному в антенне 4(3) p-i-n диоду.

Затем при помощи блока 13 управления и обработки устанавливают антенну 3(2) или 4(3) в состояние, соответствующее ортогональной, по отношению к первоначальной, поляризации и производят аналогичные операции, беря в качестве опорной величину, вычисленную на предыдущем этапе. После этого при помощи блока 13 управления

и обработки возвращают антенну 3(2) или 4(3) в исходное состояние, а в антенне 4(3) или 3(2) меняют поляризацию на ортогональную vi повторяют описанную процедуру, причем в качестве опорной берутся величины, вычисленные на предыдущем этапе.

Затем при помощи механического сканера 14 перемещают измерительный зонд 1 вдоль линии, соединяющей точки расположения антенн 4(3) и 3(2) на величину шага измерений, который равен расстоянию между антеннами 4(3) и 3(2). В этом положении повторяют описанную процедуру, причем для определения амплитудьГи фазы поля в новой точке исг льзуют параметры поля, вычисленные на предыдущем шаге и т.д. Итоговое амплитудно-фазовое распределение определяют как совокупность вычисленных амплитуд и фаз поля после перемещения измерительного зонда 1 по всей поверхности измерений.

Амплитудные детекторы 7-9 включают в состав измерительного зонда 1 с целью уменьшения погрешностей определения, возникающих при передаче сигналов от измерительного зонда 1 к остальной части амплитудного приемника б

Четвертый выход PC 5 и четвертый амплитудный детектор 10 используют для нормировки сигналов, снятых с амплитудных детекторов 7-9, Это позволяет расширить динамический диапазон измерений и повысить точность определения амплитудно-фазового распределения.

Антенна 2 (4), входящая в состав измерительного зонда, используется для усреднения вычисляемого на каждом шагу значения и для привязки соседних линеек при строчно-столбцевом способе сканирования. Для этого последовательно производят вычисления сначала с использованием антенны 4 (3) в качестве опорной, а затем то же самое производят и с использованием в качестве опорной антенны 2 (4). Затем производят усреднение, беря в качестве итогового значение, равное полусумме полученных таким образом значений. Такая процедура позволяет повысить точность измерений за счет уменьшения случайной ошибки. Привязка соседних линеек при строчно-столбцевом способе сканирования осуществляется благодаря указанному расположению антенн 2-4 на плоскости измерений (фиг.2),

Алгоритм определения амплитуды и фазы поля по полученным сигналам PI (I 1, 2, 3. 4) можно пояснить следующим образом.

Запишем сигналы, полученные с амплитудных детекторов 7-9 в виде:

Р I kiEmi + k2Enklz,

Рв lk3Eml + K4Enkl .

Р9 IksEmi + keEnkl2,(1)

где Emi(nk) Imi(nk)exp(j0 mi3() - значение комплексного вектора поля в точке l(k) по поляризации n(m), m, n, I, k 1, 2;

kj (j 1-6)- комплексные коэффициенты передачи, характеризующие передачу сигналов с первой и второй точек для трех измерений,

Комплексные коэффициентет ki однозначно связаны с конструкцией PC и определяют потенциальную точность вычислений с использованием данной конст- рукции PC.

Равенства (1) можно записать в матричном виде:

0

Р7 PS

Рэ

-|- 1

Eml Eml

Eml Enk Enk Eml

(2)

В (2) - комплексная матрица размерностью 3x3, элементы которо «ависят только от элементов матрицы рассеяния PC. Если теперь перейти к вещественным квадратичным переменным, то матрица

также становится вещественной. Если матрица обратима, то из (2) получаем выражения для расчета входных сигналов по показаниям, снимаемым с амплитудных детекторов 7-9:

Em,lz Re EmiEnk)

Im (EmfEnk)

-M

P P8

Рэ

(3)

Используя (З) можно найти искомое отношение комплексных сигналов в местах 4с расположения антенн 4 и 3 (3 и 2) по поляризации пит соответственно:

Eml Re (Eml Enk) - j 1m (Eml Enk) (4) EnkI Em. I2

Матрица С, входящая в (3) находится в результате калибровки. Известно несколько способов калибровки СВЧ-схем, аналогичных PC. Они обычно сводятся к вычислению Рэ-Рп для нескольких известных величин Еа, Ез, с последующим расчетом матрицы С по формулам, подобным (2), (3).

Повышение точности достигается за счет того, что использование трех антенн и

работа сразу по двум поляризациям сводит практически к нулю вероятность попадания антенн измерительного зонда в нуль поля, а наличие третей антенны кроме того% обеспечивает избыточность исходной информации, используя которую можно производить усреднение вычисляемого на каждом шаге значения поля

Формула изобретения 1. Способ определения амплитудно-фазового распределения поля антенны, включающий излучение электромагнитного поля исследуемой антенной, прием исследуемого поля в точках, расположенных на прямой линии, параллельной плоскости раскрыва исследуемой антенны, с одинаковым расстоянием между ними, измерение параметров принятого сигнала последовательно для каждой пары соседних точек, причем первая точка i-й пары точек является второй точкой (1-1)-й пары, а вторая точка i-й пары - первой точкой (1+1)-й пары определение амплитудно-фазового распределения по результатам измерений, отличающийся тем, что, с целью повышения точности, прием электромагнитного поля в каждой паре точек выпол- няют по основной и ортогональной поляризациям, формируют суммарные сигналы в соответствии с соотношениями

LH kiEii + К2Ё12;

U2 КЗЕ21 + К4Ё22,

г

U3 K5El1{2) + k6E21(2),

и

M

Pi

Р2

Рз

где Emi(nk) - значение комплексной напряженности исследуемого поля в точке m(n) 1Q поляризации l(k);

т, л, I, k 1,2;

матрица С - матрица калибровки;

kj 0 1. . 6) - комплексные коэффициенты передачи принятых сигналов, 15 причем амплитуду исследуемого поля в первой точке первой пары точек по одной из поляризаций выбирают произвольно, а фазу - равной нулю.

2. Способ по п.1,отличающийся 20 тем что- с целью повышения точности, дополнительно принимают исследуемое поле в третьей точке, расположенной на линии, перпендикулярной линии, проходящей че-4 рез первую и вторую точки приема, и прохо- 25 дящей через первую точку приема каждой пары точек, формируют суммарные сигналы в соответствии с соотношениями

U2 k3E3i + ЦЕз2;

Уз К5Ё11(2)+ К6Ё31(2),

Зо измеряют мощности суммарных сигналов Рг и Рз соответственно и определяют комплексную амплитуду исследуемого поля в третьей точке по основной и ортогональной поляризациями для каждой пары точек по формуле

35

Изобретение относится к технике антенных измерений и может быть использовано при измерении амплитудно-фазового распределения поля антенны. Цель изобретения - повышение точности. Цель достигается тем, что выполняют прием сигналов с первой и второй точек из ряда точек, находящихся на поверхности измерений, расположенных на расстоянии шага измерений, и последующий прием сигналов со следующих точек, при этом прием осуществляют по двум каналам (поляризациям), трижды суммируют сигналы с обоих каналов с комплексными весовыми коэффициентами, трижды измеряют и фиксируют амплитуды принятых сигналов, причем значение комплексного вектора поля в первой точке по одной поляризации выбирают произвольно, а значение комплексного вектора поля во второй точке по этой поляризации и в обеих точках по ортогональной поляризации определяют как решения соответствующего матричного уравнения, для определения амплитуды и фазы поля в следующей точке используют параметры поля в точке, участвующей в предыдущем измерении. Дополнительно выполняют прием в третьей точке, расположенной на прямой, перпендикулярной линии, проходящей через первую и вторую точки, проходящей через первую точку. 1 з.п. ф-лы, 2 ил. СО с

измеряют мощности суммарных сигналов Pi, Р2 и Рз соответственно и определяют комплексную амплитуду поля в первой точке по ортогональной поляризации и во второй точке по основной и ортогональной поляризациям по формуле

Enk iml Re(ErniEnk)-jIfn(EmlEnk)

2 - Л Л

где значения |Emil , Re(EmiEnk ), Im(EmiEnk ) определяют из матричного уравнения

i3k i3l Re()-jtn.(E3iE3k) 1Ёз|12

где значения |Ез|12, Re(E3i(E3k). Jm(E3lE3k) определяют из матричного уравнения

|Ез.12

Re ()

Tm (E3lE3k)

-M

Pi

Pi pj

ш г

Фиг. Z

Фе/zf