Способ измерения пространственных характеристик передающей антенны Советский патент 1992 года по МПК G01R29/10 

Изобретение относится к радиотехнике, в частности к облетным методам измерений передающих антенн и ФАР,

Известны облетные способы измерений пространственных характеристик стационарных антенн, основанные на перемещении измерительной аппаратуры в пространстве относительно измеряемой антенны с помощью пилотируемых и непилотируемых летательных аппаратов (самолетов, вертолетов, привязных аэростатов и т.д.). Примером могут служить способы, описанные в научно-технической литературе: Фрадин А.З., Рыжков Е.В. Измерения параметров антенно-фидерных устройств. 2-е доп. изд. М.: Связь, 1972, с. 256-259; Методы измерения характеристик .антенн СВЧ. Под ред. Н.М.Цейтлина. М.: Радио и свзяь, 1985, с. 128-135; О комплексной автоматизации измерений радиотехнических параметров антенн, Ю.Н.Мартыненко, В.Л. Сергеев. А.Ф.Страхов, Н.С.Тарасов. Докл. Всесоюзн. научно- технич, конф. по радиотехническим измерениям. Т.2. СНИИМ, Новосибирск, 1970, с. 152-155.

Общим недостатком известных способов является недостаточная точность измеvjvj 00 XI

СО

рений пространственных характеристик передающих антенн в диапазоне метровых, декаметровых длин волн вследствие трудностей организации стабильных пространственных характеристик опорной антенны. Наиболее близким по технической сущности к заявленному способу является способ измерения пространственных характеристик передающей антенны, включающий поочередное излучение импульсного сигнала исследуемой и опорной антеннами, прием излученного сигнала на борту летательного аппарата, перемещающегося в дальней зоне исследуемой антенны, измерение отношение мощностей сигналов, излученных исследуемой и опорной антеннами, измерение угловых координат летательного аппарата, при этом ось опорной антенны ориентируют в направлении на летательный аппарат в процессе измерений (см. Страхов А.Ф. Автоматизированные антенные измерения. М.: Радио и связь, 1985, с. 72-75 рис. 4,2). Этот способ принимается за прототип.

Способ-прототип основан на использовании бортового измерителя отношения мощностей сигналов, перемещаемого в пространстве относительно исследуемой антенны с помощью летательного аппарата, опорной антенны на частоте исследуемой антенны, средств измерения координат летательного аппарата и включает поочередное излучение импульсного сигнала исследуемой и опорной антеннами, прием излученного сигнала на борту летательного аппарата, измерение отношения мощностей сигналов, излученных исследуемой и опорной антеннами, измерение угловых координат летательного аппарата, ориентирование оси опорной антенны на летательный аппарат в процессе измерений. При этом согласуют во времени измеренные отношения мощностей сигналов от исследуемой и опорной антенн с измеренными координатами летательного аппарата и по известным алгоритмам определяют пространственные характеристики исследуемой передающей антенны.

Один из вариантов реализации способа-прототипа приведена на фиг, 1.

Устройство содержит генератор 1 сигналов, исследуемую передающую антенну 2, бортовую измерительную антенну 3, соединенную с входом бортового измерителя 4 отношений мощностей сигналов, выходом подключенного к входу бортовой телеметрической аппаратуры 5, взаимодействующей с наземной телеметрической аппаратурой 6, наземную опорную антенну 7, излучающую сигналы в направлении антенны 3, летательный аппарат 8 для размещения бортовой аппаратуры, координаты которой измеряются пеленгатором 9 координат, наземную ЭВМ 10, информационные

входы которой подключены к информационным выходам наземной телеметрической аппаратуры 6, пеленгатора координат 9 и опорно-поворотного устройства следящей антенны 7, управляющие выходы ЭВМ 10

подключены к входам управления генератора сигналов 1, исследуемой антенны 2, наземной телеметрической аппаратуры б,

опорно-поворотному устройству наземной следящей антенны 7, а информационный

выход ЭВМ 10 является выходом устройства.

Работа устройства (фиг. 1), реализующего способ-прототип, заключается в следующем. Бортовой измеритель 4 с приемной

бортовой измерительной антенной, 3 вводится с помрщью летательного аппарата 8 в зону измерений, которая, как правило, находится в пределах главного и боковых лепестков диаграммы направленности (ДН)

исследуемой антенны 2 на расстоянии, удовлетворяющем условиям дальней зоны (или ближе - в зависимости от задач и методики конкретных измерений). Генератор 1 сигналов запитывает исследуемую передающую антенну 2 и наземную следящую опорную антенну 7, которые попеременно излучают импульсные радиосигналы одной и той же частоты fo в направлении бортовой антенны 3. Прецизионный пеленгатор координат 9, постоянно направленный на летательный аппарат 8, выдает его координаты (пк , Фж , RRK) на вход ЭВМ 10, куда также вводится текущие координаты положения опорной антенны 7 (рдок , 0док) . ЭВМ 10

сравнивает рт и рдок: Згж и 0док вырабатывает поправки Дрдок , Д0АОК , которые подаются на опорно-поворотное устройство антенны 7, обеспечивая ее постоянную ориентацию на летательный аппарат 8. Бортовой измеритель 4, работая в двухтактном режиме, по сигналам с выхода бортовой антенны 3 измеряет отношение мощностей сигналов, излученных исследуемой 2 и опорной 7 антеннами. Величины

измеренных отношений с выхода блока 4 через бортовую телеметрическую аппаратуру 5 поступают на наземную телеметрическую аппаратуру 6, с выхода которой подаются на информационный вход ЭВМ

ю, на второй информационный вход которой поступают с выхода пеленгатора 9 текущие координаты летательного аппарата 8, а на третий - текущие координаты опорной антенны 7. На основе этой входной информации ЭВМ 10 производит отсчет значений параметров сигналов с выхода телеметрической аппаратуры 6, привязывает измеренные значения отношения мощностей сигналов с выхода блока 4 к текущим координатам летательного аппарата 8, формирует,массив первичной измерительной информации о параметрах исследуемой передающей антенны 2, вырабатывает сигналы управления режимом работы исследуемой антенны 2, генератора 1 и наземной телеметрической аппаратуры 6. Поскольку опорная антенна 7 постоянно наводится на летательный аппарат 8, параметры антенны 7 предварительно известны и не зависят от ориентации в пространстве, то в результате учета известных параметров опорной антенны 7, взаимного расположения антенн 2 и 7, а также пеленгатора координат 9, в ЭВМ 10 производят обработку полученного массива первичной измерительной информации на основе изустных соотношений и получают значения пространственных характеристик исследуемой антенны 2. Характерной особенностью устройства, реализующего способ-прототип, является то, что исследуемая антенна 2 и опорная антенна 7 работают на одной и той же частоте fo, излучая сигналы попеременно в сторону бортовой антенны 3.

Точность.измерений пространственных характеристик исследуемой стационарной передающей антенны 2 с помощью устройства фиг. 1 в значительной степени зависит от точности априорной информации о действительных параметрах следящей опорной антенны 7. В диапазоне сантиметровых и . более коротких длин волн это условие обычно обеспечивается в пределах приемлемых погрешностей. Диаггямма направленности и другие важные характеристики опорной антенны 7 остаются практически неизменными в широких пределах углов сканирования (за исключением малых углов места, когда происходит искажение ДН,и других характеристик опорной антенны за счет влияния.подстилающей поверхности).

При переходе к измерениям пространственных характеристик исследуемых антенн, работающих в диапазоне метровых и декаметровых волн, реализовать требуемое постоянство характеристик следящей опор- ной антенны 7 в диапазоне углов сканирования практически невозможно. За счет переменного характера влияния подстилающей поверхности и сложного рельефа местности пространственные характеристики такой опорной антенны при ее сканировании по азимуту и углу места будут изменяться в значительных пределах и

непредсказуемым образом. В результате не только снижается точность определения пространственных характеристик мой антенны 2 на основе способа-прототи- 5 па, но и теряет смысл организация относительных измерений с помощью опорной антенны.

Таким образом, недостатком способа- прототипа является невозможность обеспе0 чения требуемой точности измерения пространственных характеристик передающих антенн, работающих в диапазонах метровых и декаметровых волн.

Целью способа является устранение не5 достатков прототипа, а именно повышение точности при измерении в диапазонах метровых и декаметровых волн.

Цель достигается тем, что в способе измерения пространственных характеристик

0 передающей антенны, включающем поочередное излучение импульсного сигнала исследуемой и опорной антеннами, прием излученного сигнала на борту летательного аппарата, перемещающегося в дальней зо5 не исследуемой антенны, измерение отношения мощностей сигналов, излученных исследуемой и опорной антеннами, измерение угловых координат летательного аппарата, при этом ось опорной антенны

0 ориентируют в направлении на летательный аппарат в процессе измерений, дополнительно перед излучением сигнала опорной антенной на борту летательного аппарата после приема сигнала, излученного иссле5 дуемой антенной, формируют импульсный сигнал частоты fi в диапазоне СВЧ стабильной амплитуды, излучают его бортовой вспомогательной антенной, принимают излученный сигнал опорной антенной, форми0 руют из принятого сигнала частоты fi и излучаемого исследуемой антенной сигнала частоты fo сигнал ча.стоты f2 fi+fo, который используют в качестве сигнала, излучаемого опорной антенной и который принимают на

5 борту летательного аппарата вспомогательной антенной, из принятого сигнала и сигнала частоты fi формируют опорный сигнал частоты fo.

0 Другими словами, цель достигается тем, , что работа опорной антенны при измерениях передающих антенн метрового и более длинноволнового диапазона организуется в диапазоне СВЧ (сантиметровом или более

5 коротковолновом диапазоне), где обеспечивается постоянство характеристик опорной антенны в секторе измерений.

Заявленный положительный эффект достигается за счет исключения влияния:

1)нестабильности уровня мощности генератора, запитывающего исследуемую и опорную антенны, и

2)нестабильности характеристик направленности опорной антенны в диапазоне метровых и декаметровых волн.

Вариант реализации заявленного способа с помощью устройства для измерения пространственных характеристик передающей антенны, работающей в метровом и более длинноволновом диапазоне, приведен на фиг. 2. Устройство содержит наземный генератор сигналов 1 частоты fo, исследуемую передающую антенну 2, сигналы которой принимаются бортовой измерительной антенной 3, бортовой измеритель отношений мощностей сигналов 4, входом подключенный к антенне 3, а выходами - к входу бортового СВЧ генератора 11 и к входу бортовой телеметрической аппаратуры 5, взаимодействующей с наземной телеметрической аппаратурой 6, назем- ную следящую приемопередающую опорную антенну 7, взаимодействующую с бортовой вспомогательной приемопередающей антенной 12, летательный аппарат 8 для размещения бортовой аппаратуры, координаты которого измеряются пеленгатором 9, наземную ЭВМ 10, информационные входы которой подключены к информационным выходам наземной телеметрической аппаратуры 6, пеленгатора координат 9 и опорно-поворотного устройства опорной антенны 7, управляющие выходы подключены к входам управления генератора 1, исследуемой антенны 2, наземной телеметрической аппаратуры 6, опорно-поворотного устройства опорной антенны 7, а информационный выход ЭВМ является выходом устройства, усилитель-ограничитель 13 сигнала частоты fi с выхода опорной антенны 7, смесителоь 14 сигналов частоты Ю с выхода блока 1 и частоты f 1 с выхода блока 13, соединенного с входом фильтра 15 для выделения сигнала частоты h и подачи его на вход опорной антенны 7, смеситель 16 сигнала частоты fi от бортового СВЧ генератора 11 и принятого антенной 12 сигнала частоты fa, фильтр 17 выделения результирующего опорного сигнала частоты fo с выхода блока 16 и подачи этого опорного сигнала на опорный вход бортового измерителя отношений 4, причем второй выход блока 11 соединен с входом бортовой антенны 12. Обозначения блоков в составе устройства фиг. 2. выполняющих идентичные Функции по отношению к блокам устройства прототипа фиг, 1, имеют одинаковую нумерацию

Устройство фиг. 2, реализующее заявленный способ, работает следующим образом. Перед началом измерений бортовая аппаратура вводится в пространственный

сектор измерений с помощью летательного аппарата 8. координаты его положения измеряются пеленгатором 9 и на их основе по командам от ЭВМ 10 опорная антенна 7 наводится на летательный аппарат 8, как и

0 при реализации способа-прототипа с помощью устройства фиг. 1 Измерительные сигналы частоты fo с выхода наземного ге- нератора 1 подаются на исследуемую передающую антенну 2, излучаются ею и

5 принимаются бортовой приемной измерительной антенной 3. С выхода бортовой антенны 3 сигнал частоты fo поступает на вход бортового измерителя отношений мощностей сигналов 4 и величина мощности его

0 запоминается. После приема блоком 4 измерительного сигнала частоты fo от бортовой антенны 3 на его синхронизирующем выходе формируется синхроимпульс для подачи от Сортового генератора 11 сигнала высокой

5 стабильности частоты fi в бортовую вспомогательную антенну 12, Сигнал частоты fi является первичным опорным сигналом. Сигнал частоты fi излучается бортовой антенной 12 и принимается наземной опорной

0 антенной 7. Принятый опорный сигнал частоты fi с выхода антенны 7 подается на усилитель-ограничитель 13, введение которого обеспечивает независимость амплитуды первичного опорного сигнала частоты fi

5 от вариаций расстояния между антеннами 7 и 12 при перемещении летательного аппарата 8 по траекториям. С выхода блока 13 сигнал частоты fi подается на смеситель 14, на другой вход которого подается сигнал

0 частоты fo с выхода генератора сигналов 1. С помощью фильтра 15 из выходного сигнала блока 14 выделяется вторичный опорный сигнал частоты f2, который передается на вход передатчика опорной антенны 7. Вто5 ричный опорный сигнал частоты fa излучается антенной 7, принимается бортовой вспомогательной антенной 12. С выхода антенны 12 сигнал частоты f2 подается на один вход смесителя 16, на другой вход которого

0 заводится сигнал частоты f1 от генератора 11. На выходе блока 16 с помощью фильтра 17 выделяется результирующий опорный сигнал частоты fo, который подается на опорный вход бортового измерителя отно5 шений 4. В блоке 4 производится измерение отношения мощности ранее принятого сигнала частоты fo, излученного исследуемой антенной 2, по отношению к мощности сигнала частоты foe выхода фильтра 17 Далее как и в устройстве фиг. 1. реапизующрм сп

соб-прототип, величины измеренных отношений с выхода блока 4 через блок 5, блок

6подаются на информационный вход ЭВМ 10, на второй информационный вход которой поступают с выхода пеленгатора координат 9 текущие координаты летательного аппарата 8, а на третий - с выхода опорно- поворотного устройства опорной антенны 7 текущие координаты положения этой антенны. С управляющих выходов ЭВМ 10 вырабатываются сигналы управления режимов работы телеметрической аппаратуры б, исследуемой антенны 2, генератора 1 и опорной антенны 7. Наведение опорной антенны

7на летательный аппарат 8, обработка первичной измерительной информации и определение пространственных характеристик исследуемой передающей антенны производятся также, как в техническом решении, принятом за прототип. Отличительной особенностью устройства, реализующего заявленный способ, является то, что исследуемая антенна и опорная антенна работают в разных диапазонах частот (исследуемая антенна - в метровом и более длинноволновом диапазоне, опорная антенна - в сантиметровом или более.коротковолновом диапазоне).

Как уже отмечалось ранее, первичный опорный сигнал излучается на частоте fi, a вторичный опорный сигнал - на частоте f2, представляющей собой сумму (fo+fi) частот, С точки зрения принципа действия устройства фиг. 2 выбор значения частот f i и fi не имеет значения. Определяющим условием является независимость параметров опорной антенны 7 от влияния подстилающей поверхности при ее сканировании по азимуту и углу места в процессе измерений харак- теристик исследуемой антенны 2. Например, при измерении передающих антенн на частоте ( Гц) опорная антенна может работать на частотах ( Гц) и (,001 -1010 Гц), на которых пространственные характеристики этой опорной антенны (при углах места более 3 угловых градусов от уровня подстилающей поверхности) можно считать практически неизменными.

Общественно-полезный эффект от заявленного технического решения заключается в повышение точности измерений характеристик стационарных передающих антенн.

работающих в метровом и бол ре д шннпппм новых диапазонах. Например, .чые погрешности измерения ДН лмтпнн дпкл- метрового диапазона в пределах ширину 5 главного луча составляют около 3.5 лЕ. При реализации предложенного способа эти погрешности можно снизить до 1,0 дБ клк .по достигается при измерениях антенн СБМ- диапазона.

0 Экономический эффект может быть получен путем сокращения затрат на создание антенных систем с заданными значениями пространственных характеристик. Опенку ожидаемого эффекта можно произвес и

5 только после внедрения заявляемого способа применительно к конкретному объекту измерений.

Формула изобретения Способ измерения пространственных

0 характеристик передающей антенны, включающий поочередное излучение импульсного сигнала исследуемой и опорной антеннами, прием излученного сигнала на борту летательного аппарата, перемещаю5 щегося в дальней зоне исследуемой антенны, измерение отношения мощностей сигналов, излученных исследуемой и опорной антеннами, измерение угловых координат летательного аппарата, при этом ось

0 опорной антенны ориентируют в направлении на летательный аппарат в процессе измерений и определения пространственных характеристик исследуемой антенны по результатам измерений, отличающийся

5 тем, что, с целью повышения точности при измерении в диапазонах метровых и дека метровых волн, перед излучением сигнала опорной антенной на борту летательного аппарата после приема сигнала, излучен0 ного исследуемой антенной, формируют импульсный сигнал стабильной амплитуды частоты fi в диапазоне СВЧ, излучают его бортовой вспомогательной антенной, принимают излученный сигнал опорной антен5 ной, формируют из принятого сигнала частоты fi и излучаемого исследуемой антенной сигнала частоты fo сигнал частоты , который используют в качестве сигнала, излучаемого опорной антенной, и ко0 торый принимают на борту летательного аппарата вспомогательной антенной, из принятого сигнала частоты fi формируют опорный сигнал частоты fo.

Т

I

/О

Y

Y

8

fo

Область использования: изобретение относится к технике антенных измерений, в частности к облетным методам измерений передающих антенн. Цель изобретения - повышение точности измерений передающих антенн метрового и декаметрового диапазонов. Цель достигается использованием бортовой измерительной аппаратуры с известными координатами, перемещаемой в пространстве относительно измеряемой антенны с помощью летательного аппарата, и включает операции излучения измерительных сигналов частоты измеряемой антенной, приема измерительных сигналов и сигналов опорного канала бортовой антенной, измерения отношения мощности принятых измерительных и опорных сигналов. При этом в процессе измерений излучают бортовой вспомогательной антенной в направлении наземной аппаратуры сигнал частоты fi в диапазоне СВЧ, принимают сигнал частоты fi наземной антенной опорного канала, формируют из сигнала, излучаемого исследуемой антенной частоты fo, и принятого сигнала частоты fi сигнал частоты f2 fi+fo, излучают его опорной антенной в сторону бортовой измерительной аппаратуры, принимают его бортовой вспомогательной антенной, формируют путем совместного преобразования из принятого сигнала частоты и сигнала частоты f 1 сигнал опорного канала частоты fo. 2 ил. (л с

Фаг. J

Результат. измерений.

N

Л/М/2

г -т-. У

Ризм РОПОРН.

/%

Фиг, 2

N

/2 f2sfl+fo л В

результат измерений