Устройство для измерения параметров ФАР Советский патент 1992 года по МПК G01R29/10 

Изобретение относится к технике антенных измерений и может быть использовано в составе комплекса для измерения параметров ФАР со строчно-столбцевым управлением с помощью неподвижного зонда.

Известно устройство для измерения амплитуд и фаз излучения элементов ФАР, содержащее генератор СВЧ-колебаний, направленный ответвитель, генератор прямоугольных импульсов, измеряемую ФА Р с дискретно-управляемыми фазовращателями, три коммутатора, счетчик, двухразрИД- ный фазовращатель, делитель частоты на k, два делителя частоты на 2, делитель частоты на с, неподвижный зонд, вентиль, СВЧ-сум- матор, квадратичный детектор, фазовращатель на 90°, три полосовых фильтра, два дифференциальных усилителя, два фазовых детектора, два фильтра низкой частоты.

Недостатками известного устройства являются существенгнъТе ешибки измерения, связанные с тем, что искомый сигнал определяется как разность между сигналом строки и столбца, модулированных одновременно, и сигналами от строки и столбца, модулированных раздельно, причем эти сигналы значительно превосходят искомый сигнал по амплитуде. Кроме того, время измерения большое, что связано с необходимостью использовать три полосовых фильтра, имеющих полосу пропускания несколько герц.

Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому изобретению является устройство для измерения параметров ФАР со строчно-столбцевым управлением, содержащее генератор СВЧ, направленный ответвитель, генератор прямоугольных импульсов, измеряемую ФАР с дискретно управляемыми фазовращателями из состава

XI

сл

Os 00 GO 00

измеряемой ФАР, делитель частоты на 2, неподвижный зонд, измеритель разности фаз и ослаблений, фазовращатель на 90°, заградительный фильтр, фазовый манипулятор, усилитель промежуточной частоты, измерители уровня и разности фаз.

Недостатком известного устройства является то, что ия вход фазового манипулятора, осуществляющего перемножение измерительного сигнала с.сигналом генератора прямоугольных импульсов (манипуляция синхронно с манипуляцией измеряемого элемента), поступает измерительный сигнал, представляющий собой суперпозицию фазоманипулироваиных сигналов строки, столбца и измеряемого элемента, на пересечении которых он находится. При этом частота манипуляции строки и элемента совпадают, а фаза сдвинута на 90°. Если погрешность перемножения фазового манипулятора составляет 1%, то ввиду того, что в случае синфазного суммирования уровень сигнала от строки для больших ФАР может превышать уровень сигнала от элемента в IOO раз и бопее, погрешность измерения полезного сигнала от элемента ФАР может достигать величин 100% и более. Уменьшение этой погрешности связано с необходимостью предварительной расфазировки ФАР по строке в направление на неподвижный зонд, что ведет к существенному увеличению времени измерений.

Цель изобретения - повышение точности и уменьшение времени цикла измерений ФАР со строчно-столбцевым управлением.

Поставленная цель достигается тем, что в устройство для измерения параметров ФАР со строчно-столбцевым управлением, состоящее из генератора СВЧ, направленного ответвителя, генератора прямоугольных импульсов, измеряемой ФАР с дискретно управляемыми фазовращателями из состава измеряемой ФАР, неподвижного зонда, измерителя разности фаз и ослаблений, причем выход генератора СВЧ через один выход направленного огветвите- ля соединен с входом ФАР, а через второй - с опорным входом измерителя разности фаз и ослаблений, измерительный вход которого соединен с выходом неподвижного зонда, введены три делителя частоты на р, q и г, два балансных смесителя, фазовращатель на 90°, два полосовых фильтра, два синхронных детектора и два фильтра нижних частот, причем выход генератора прямоугольных импульсов соединен с входами делителей частоты на р, q и г, выход делителя частоты на р соединен с входом управления ФАР по строкам, выход делителя частоты на q соединен с входом управления ФАР по столбцам, выход делителя частоты на г соединен с вторым входом первого синхронного детектора и вторым входом второго синхронного детектора, выход измерительный измерителя разности фаз и ослаблений соединен с первыми входами первого и второго балансных смесителей, вторые входы

0 которых соединены с опорным выходом измерителя разности фаз и ослаблений, второго балансного смесителя непосредственно, а первого балансного смесителя через фазовращатель на 90°. выход первого баланс5 ного смесителя соединен с входом первого полосовою фильтра, выход которого соединен с первым входом первого синхронного детектора, выход первого синхронного детектора соединен с входом первого ФНЧ, выход второго балансного смесителя соеди0 нен с входом второго полосового фильтра, выход которого соединен с первым входом второго синхронного детектора, выход второго синхронного детектора соединен с входом второго ФНЧ.

5 На фиг.1 приведена структурная схема предлагаемого устройства; на фиг.2 - графики его работы.

Устройство для измерения параметров ФАР со строчно-столбцевым управлением

0 содержит генератор 1 СВЧ, направленный ответвитель 2, генератор 3 прямоугольных импульсов, измеряемую ФАР 4 с дискретно управляемыми фазовращателями 5 из состава измеряемой ФАР, делитель б частоты

5 на р, делитель 7 частоты на q, делитель 8 частоты на г, причем коэффициенты деления

1 1 1

р, q и г связаны соотношением - ,

неподвижный зонд 9, измеритель 10 разно- 0 сти фаз и ослаблений, первый балансный смеситель 11, фазовращатель 12 на 90°, второй балансный смеситель 13, первый полосовой фильтр 14, настроенный на частоту

QQ

ту--:, где ту- - частота генератора прямоv3 L Ј- у

угольных импульсов 3, второй полосовой фильтр 15, настроенный на частоту -п-р,

первый синхронный детектор 16, второй 0 синхронный детектор 17, первый ФНЧ 18, второй ФНЧ 19.

В части реализации: генератор СВЧ 1 - стандартный (например Г4-80, Г4-81), направленный ответвитель 2 - стандартный, 5 генератор 3 прямоугольных импульсов - кварцевый генератор, делитель 6-8 частоты - построены на базе интервального таймера КР580ВИ53, неподвижный зонд 9 - рупорная антенна, измеритель 10 разности фаз и

ослаблений - стандартный (например, ФК-2-20-26), балансные смесители 11, 13 реализованы на стандартных микросхемах 284 КН1А, фазовращатель 12 - фазосдвига- ющая LC-цепочка, полосовые фильтры 14, 15 - реализованы на LC-звеньях, синхронные детекторы 16, 17-стандартные микросхемы 284 КН1А, ФНЧ 18,19 - фильтры нижних частот реализованы на последовательно соединенных LC-звеньях.

Устройство работает следующим образом.

Генератор 1 СВЧ, работающий на час0)о е

тоте TJ-jj,, возбуждает исследуемую антенную решетку 4. На расстоянии порядка размеров ФАР расположен неподвижный зонд 9, соединенный с измерительным входом стандартного измерителя разности фаз и ослаблений, на опорный вход которого поступает опорный сигнал от генератора СВЧ 1. На вход управления строки, на которой находится измеряемый элемент, поступает сигнал управления, представляющий собой меандр с частотой переключений

-л-- - 2 от делителя 6 частоты на р, где

Qо

частота генератора 3 прямоугольных

импульсов. При этом, если задействуется дискрет л фазовращателя, то осуществляется фазовая модуляция СВЧ-сигнала с индексом модуляции лг/2, если задействуется дискрет тс 12 фазовращателя - индекс модуляции JT /4 и т.д. На вход управления столбца, на котором находится измеряемый элемент, поступает сигнал управления -меQ Q андр с частотой ту-- nnQ от делителя 7

частоты на о. Если отношение частот сигнаQ;/ D

лов управления столбца и строки -QI -g выражается простой неделимой рациональной дробью, то спектр сигнала манипуляции элемента, общего для строки и столбца, содержит компоненты на разностной частоте AQ Q -Q у. приэтом

следует заметить, что спектры фазоманипу- лированных сигналов от строки и столбца не имеют составляющих на разностной частоте, если QViQ выбрать из условия AQ Q nAQ Q . Как будет показано ниже, на основании измерений спектральной составляющей сигнала от элемента ФАР на разностной частоте при различных видах фазовой манипуляции можно полностью определить параметры каналов ФАР и АФР ФАР для различных фазовых состояний каналов, по которому определяются ос0

5

0

5

0

новные параметры ФАР, Фазоманипулиро- ванные сигналы от строки, столбца и элемента ФАР, на пересечении которых он находится, а также нёмодулированный сигнал от остальных элементов ФАР поступают на измерительный вход стандартного измерителя 10 разности фаз и ослаблений, используемого в качестве переносчика опорного и измерительного сигналов на промежуточную частоту измерителя РПр, затем балансные смесители 11 и 13 производят перемножение измерительного сигнала и опорного, причем для балансного смесителя 11 опорный сигнал сдвинут на 90°, В результате на выходах балансных смесителей присутствуют сигналы, пропорциональные квадратурным составляющим измерительного сигнала, перенесенного на низкую частоту. Полосовые фильтры 14 и 15 выделяют составляющие сигнала на разноAQ

стнои частоте -j--, которые детектируются

синхронными детекторами 16 и 17 и через фильтры 18 и 19 низких частот, которые отфильтровывают переменные составляющие сигналов, поступают на выход схемы. На выходе ФНЧ 18 и 19 присутствуют сигналы, постоянное напряжение которых пропорци- онально sin- и cos-компонентам спектральной составляющей фазоманипу- лированного сигнала выбранного элемента (Оо + AQ

ФАР на частоте

2л

Эти сигналы да

лее поступают на цифровые вольтметры и считываются ЭВМ, осуществляющей дальнейшую обработку.

Определим спектр фазоманипулиро- ванного сигнала элемента, находящегося на пересечении строки, фазовращатели которой манипулированы по фазе меандром Ј частотой следования импульсов

Q Q

г 2 и столбца, фазовращатели которого манипулированы по фазе меандром с частотой следования импульсов о о ту- п .,- Для этого необходимо опредеAm «7tЈ- JL U

лить прямое преобразование Фурье фазо- манипулированного сигнала измеряемого элемента, который можно представить в виде

f(t) A(t) cos шьт + 6(t) Ac(t) cos ov - A,(t)sin w,(t) A(t) cos0(t) cosfflb(t)-A(t) sinflfl slnov.(1)

где д- - несущая частота генератора СВЧ 1.

Зависимости амплитуды A(t) и фазы #(t) сигнала f(t) от времени определяются сигнз

лами управления по строке и по столбцу., . лГМ1 b( f

Если при манипуляции оба сигнала управле- 6mW0t -- -jiiL6iCO-COo|-olCO+b Q j ,,

ния задействуют только дискрет п фазов- найдем преобразование Фурье сигнала от ращателей строки и столбца, то измеряемый измеряемого элемента f(t) (6):

элемент, общий для строки и столбца, будет5 r/ix F/ л д Ms/... .. ,, л/„ .. .-i проманипулирован по фазе результирую- Н) HWhACoM,lG-Q0|+6 (& О0} 4щим сигналом управления, представляю-i-j Acofr Ј(&)-tou)-$(cD

щим собой объединение управляющих, | ,. , -.

сигналов строки и столбца операций ИСК-+ CWACoVo o(cO-COQ)-tu(c04C00 J F, (cdH ЛЮЧАЮЩЕЕ ИЛИ(фиг.2): 10

1Ю- , (2)HVAeolipb-Ool-Wo + .lo). где 1 (t) - управляющие сигналы строки столбца, принимающие два значения: 0 -Используя (А, выражение (11) можно передискрет Jt фазовращателей выключен, 1 -писать в виде

включен.15 F()aoc5Y c a.)J +

Комплексную амплитуду сигнала f(t) (1)

a(t) Ac(t) + jAs(t), .(3) J-OVcio) f4fcJ Sf«J-n oU

где J - мнимая единица, . (

при двух значениях сигнала управления 1(t)+ (ai a°J п у

О и 1 обозначим ао и ai соответственно20 где верхний индекс# обозначает операцию

ao Aco + jAso,()комплексного сопряжения.

ai Aci + jAsi.Подставляя выражение для Fif со (9) в (12),

Используя (3) и (4), сигнал f(t) можно перепи- окончательно получим общее выражение сать в виде для спектра сигнала f(t):

f(t)1 cosfttot-AsI -slnGJot) t)+25

+ (Аю cos coo i - ASO sin fflot) (1)3, (5)РИ |11ао(м-йо)аоа(а)кОо) j

Ч.Рага01 р;(сз-со0нр;г(со-со0)+1.

..n«fl.i(o m; 30 (со+со0),р;(сокоо) i

Найдем преобразование Фурье функции-(af (GJ) (о)х%о-сОй)Ъ ,

1(t). Для этого в выражение (2) операцию, . . „ .

ИСКЛЮЧАЮЩЕЕ ИЛИ запишем в видеHQrO hM M HC04aom.

1(t)-1/(t)g)l(t)-l (t)+l(t)-2 -l (t)- l(t)., .

(7) 35 ..И и

Преобразования Фурье сип/а-Есличастсты и выбрать таким обра- лов l (t) - Р1 (о«и 1(1)- РИ(йвзом, чтобы их отношение fl-g выража- известны, q

/п 1лось ПР°СТОЙ неделимой дробью, где р и q

, « 5 n( целые положительные числа р q, а также

F GJJ lTx t 6 ---ufQ-n jjих разность удовлетворяла условию

n.-oo/j ijijAQ Q (меньше самой меньшей из часv тот), то в выражении (13) первые два слагае. Упъ fm ii iмых не имеют спектральных составляющих

& -ТГ-- (co-mn)Ha Разн°стной частоте - и, следовательип. но, подавляются полосовыми фильтрами 14

V L до

х ч. и 15, настроенными на частоту -ту-. Спектгде д (со)- дельта-функция. 2я

Поэтому для преобразования Фурье SO ральную компоненту на разностной частоте сигнала 1(t) получимАО ддет только третье слагаемое кото.

i(t)(u)) Fi(u)) + Fi((w)-iFtH Fi(u)),(g) рое с учетом (8) можно записать

....orоо оо ..j9ff(ntm)

где -операция свертки спектров.ьь р(ш)(fl«-oe)2 2 е а л

Используя известные преобразования|Г - п, Мг.а,

Фурье для функций cos fttit и sin (Dot( , ( ,m/s.s

coeOeU- W(o-G)ol(G)4C00), y51 n-Г 2

9 175683810

,, , . oo ех ,; SfrfmrrQСтрокаСтолбец

KXlSSe 2 x1.0-180° 0-180°

pTi м.-«2.45-225° 0-180°

, fnffl /mfri3.90-270° 0-180°(21)

6mm-6;nfe54.0-45°0-90°

X- L +аэ0 W W)l . 5. 180-225° 0- 90°

1 m JОбозначим измеренные значения велиИз всей суммы необходимо выбрать толькочины Е «.491соответственно

те слагаемые, которые дают вклад на части-(Q (45 .(qo.2Tol . (0.45) . («olfitel

те : ,|(о- ао| () (очво) ib(o-«)o)iFio- }o)

Јvt

n Q 4- m SV A Q.(15)Если строка и столбец манипулируются

пQ Dдискретом я фазовращателей и при этом

Отсюда, используя выражение-д,-,всв остальные дискреты отключены (первая

получим15 манипуляция), то для комплексных амплиn -1-Ј(m-1).(16)туда1 и ао получим

Суммирование в (14) ведется только по це-сц А0е ° КАвое &°

лым n и rri, поэтому очевидно, что уравнению ф

(16) удовлетворяют только те из них, кото- 20ао ое

рые определяются выражениями j#,

m 1 + qK,где Аое - комплексная амплитуда волны на

n -1 - рК, К 0, ± 1, +2;... . (17) -входе неподвижного зонда при выключенСледовательно. для спектральной составля-ных дискретах фазовращателя; ющей сигнала f(t) на частоте 25 - комплексный коэффициент

(WQ + AQ)/2 л: получим-передачи дискрета ж фазовращателя, ха«Р.рактеризующий изменение комплексной

F((D(00-vuS2.)(Ql-Q0 -5(p,4)-o(u3-o0-uSi)-vамплитуды волны на входе неподвижного

-зонда при включении дискрета лгфазовра+(o;-Qo)-5(p,S(ca+(00+ua), 30щателя.

Тогда на основании выражения (20)

. . .А. . можно записать

. J

i( cos(-|pk)-co5(-|ak)o( ,

(. Р(лнвоГ ъ tfto6 )

c-r . . :.

6tP fo0e upKHucvK 35 F(0.iea)

Для коэффициента экспоненциального рядаЕсли строка и столбец манипулируются

Фурье функции f(t) на частотедискретом я: фазовращателей и при этом

CD UJD + A Q получимдискрет л: /4 постоянно включен управляю 1 ,. .v q(, .л-т 40щим сигналом по стр бке (вторая манипуля|- «а.- - г а1 а° blP 4J UUJция), то для комплексных амплитуд 81 и ао

Величина S(p,q) является функцией толькополучим: t

частот управляющих сигналов манипуляции . , .

строки истолбца, задаваемых делителями 6 5ai,ftoe K45e )

и 7 на р и на q соответственно и являетсяее - A

постоянной для постоянных коэффициен-аъ ъ 45

тов деления делителей.„ у ;

На основании измерений гармоникигАе комплексный коэффициент пефазоманипулированного сигнала of Viswe- cnредачи ДискРета Jt /4 фазовращателя, харяемого элемента ФАР на разностной час- 50рактеризующий изменение комплексной

тоте (20) для различных видов манипуляцийамплитуды волны на входе неподвижного

можно определить комплексные коэфф ици-зонда ПРИ включении дискрета я /4, Тогда енты передачи каналов ФАР. Й25) 5(р. д ,. 45/1/ flWwo Л

ее Г() %K45e V 180e 1J

Для определения коэффициента передачи выбранного канала (элемента) ФАР Отсюда с учетом (23) для различных состояний фазовращателя..

необходимо произвести пять измерений .pHs-MSH io-ieoi гармоники Расследующих манипуляций:45Co-(80l/ Cft-ieo)

Используя ту же схему рассуждений для других коэффициентов передач, получим

k Jtf9o p()

Soe Чо-18о) /40-160) j

V №й° Ј. (180-2.251/р( |(0-90) /|()

Л.

Используя вычисленное значение Kisoe °и выражение (23), получим

ЛЈ -fo-ieol

д .F(o-w)

°е s(M)(Kwoei eo-t) i.

На основании определений (22) и (24) получим выражение для комплексных амплитуд волны на входе зонда при различных состояниях фазовращателя:

J% ., J44s .

45е7

3Эо по

Ч90

Оап ПоС Ко„ 6

Л д eWo .

°18о-йое Мзо з

a,ss A0eiCfo.K45eJtf

45 u g

Soe

j

и т.д.

По известному расстоянию от элементов ФАР до неподвижного зонда определяются амплитуды возбуждения каналов ФАР для различных состояний фазовращателей, И исходя из этого рассчитываются основ- ные параметры ФАР.

Построение предлагаемого устройства для измерения параметров ФАР со строчно- столбцевым управлением лишено недостатков, Присущих известному устройству, ввиду того, что здесь решена задача частотного разделения фазоманипулированных сигналов строки, столбца и элемента, на пересечении которых он находится. Интересующий сигнал от измеряемого элемента выделяется из остальных-сигналов при помощи полосовых фильтров 14 и 15, настроAQ, енных на разностную частоту -п (частоту

сигнала от измеряемого элемента). При этом точность измерения определяется величиной подавления частотных составляющих вне полосы пропускания полосовых

10

15

20

25

30

35

4045

50

фильтров 14 и 15. Коэффициент подавления может достигать величин порядка 110-120 дБ, что вполне достаточно для того, чтобы погрешность измерения была не хуже 1- 2%. Дополнительно также отпадает необходимость в предварительной расфазировке ФАР, что приводит к уменьшению времени измерений.

Таким образом, предлагаемое устройство позволяет повысить точность и уменьшить время цикла измерений ФАР со строчно-столбцевым управлением. Формула изобретения Устройство для измерения параметров ФАР, включающее последовательно соединенные генератор СВЧ и направленный от- ветвитель, первый выход которого является выходом для подключения входа исследуемой ФАР, последовательно соединенные неподвижный зонд, вентиль, смеситель, усилитель промежуточной частоты, первый фазовый детектор и первый фильтр нижних частот, выход которого является первым выходом устройства, последовательно соединенные второй фазовый детектор, первый вход которого подключен к выходу усилителя промежуточной частоты, и второй фильтр нижних частот, выход которого является вторым выходом устройства, последовательно соединенны е генератор прямоугольных импульсов и делитель частоты на р, выход которого подключен к первому входу управления исследуемой ФАР, делитель частоты на г, вход которого подсоединен к выходу генератора прямоугольных импульсов, а выход - к второму входу первого фазового детектора и через фазовращатель на 90° - к второму входу второго фазового детектора, делитель частоты на q, вход которого подключен к выходу генератора прямоугольных импульсов, отличэюще е с я тем, что, с целью обеспечения возможности измерения параметров ФАР со строчно-столбцевым управлением и повышения точности, второй выход направленного от- ветвителя подключен к второму входу смесителя, выход делителя частоты на q подсоединен к второму входу управления ФАР, а коэффициенты деления делителей частоты должны удовлетворять условию

; q г, р г.

Фиг1

Изобретение относится ктехнике антенных измерений и может быть использовано в составе комплекса для измерения параметров ФАР со строчно-столбцевым управлением с помощью неподвижного зонда. Цель изобретения - повышение точности. Для этого устройство содержит три делителя частоты на р, q, r, смеситель, фазовращатель на 90°, усилитель промежуточной частоты, два синхроннТЯЗГдетектора и два фильтра нижних частот. Коэффициенты деления делителей частоты связаны приведенным соотношением. 2 ил.

1 (t) - сигнал управления по строке

1 (-t) - сигнал управления по столбцу

l tt) Ф i it) - гигмал упраолемия элемента

т