Способ измерения диаграммы направленности приемной антенны Советский патент 1992 года по МПК G01R29/10 

Изобретение относится к радиотехнике, в частности к облетным способам антенных измерений приемных антенн и ФАР.

Известны облетные способы измерений, основанные на перемещении измерительной аппаратуры в пространстве относительно исследуемой антенны с помощью пилотируемых и непилотируемых летательных аппаратов. Примером могут служить способы, описанные в книгах: Фра- дин А.З., Рыжков Е.В. Измерение параметров антенно-фидерных устройств. М.: Связь, 1972, с. 256-259; Методы измерения характеристик антенн СВЧ. Под ред. Н.М.Цейтлина. М,: Радио и связь, 1985, с. 128-135.

Общим недостатком известных способов является недостаточная точность измерения диаграммы направленности антенны в диапазоне метровых и декаметровых волн из-за нестабильности пространственных характеристик опорной антенны в этом частотном диапазоне вследствие влияния подстилающей поверхности.

Наиболее близким по сущности к заявленному способу является способ измерения диаграммы направленности приемной антенны, включающий излучение измерительного сигнала частоты fo с борта летательного аппарата, перемещающегося в дальней зоне исследуемой антенны, прием излученного измерительного сигнала исследуемой антенной и опорного сигнала опорXIXI со xj

4

ной антенной, измерение отношения амплитуд принятого измерительного и опорного сигналов с одновременным измерением координат летательного аппарата относительно исследуемой антенны, при этом ось опорной антенны постоянно ориентируют в направлении на летательный аппарат (см. Страхов А.Ф. Автоматизированные антенные измерения. М.: Радио и связь, 1985, стр. 73-75. Вариант реализации способа приведен на рис. 4.1 данного источника). Этот способ принимается за прототип.

Способ-прототип основан на использовании бортового источника излучений, перемещаемого в пространстве относительно исследуемой антенны с помощью летательного аппарата, наземной опорной антенны, работающей на частоте исследуемой антенны, средств измерения координат летательного аппарата и включает в себя излучение измерительных сигналов бортовым источником, прием излученных сигналов исследуемой антенной и опорной антенной, измерение отношения амплитуд принятых измерительного и опорного сигналов, измерение текущих угловых координат летатель- ного аппарата, ориентирование оси опорной антенны на летательный аппарат в процессе измерений. При этом согласуют во времени измеренные отношения амплитуд сигналов от исследуемой и опорной антенн с измеренными координатами летательного аппарата и по известным алгоритмам определяют диаграмму направленности исследуемой приемной антенны.

Вариант реализации способа-прототипа приведен на фиг. 1.

Устройство содержит последовательно соединенные бортовой генератор 1 и бортовую измерительную антенну 2, исследуемую стационарную приемную антенну 3, следящую опорную антенну 4, измеритель отношения амплитуд сигналов 5, подключенный первым и вторым входами к выходам исследуемой антенны 3 и следящей опорной антенны 4 соответственно, пеленгатор координатб, наземную ЭВМ 7, информационные входы которой подключены к выходам измерителя 5, пеленгатора координат 6 и опорно-поворотного устройства опорной антенны 4, управляющие выходы ЭВМ 7 подключены к входам управления исследуемой антенны 3, опорно-поворотного устройства опорной антенны 4 и измерителя 5, а информационный выход ЭВМ 7 является выходом устройства, причем бортовой генератор 1 и бортовая антенна 2 перемещаются относительно измеряемой антенны 3 с помощью летательного аппарата 8.

Работа устройства, фиг. 1, реализующего способ-прототип, состоит в следующем. Бортовой генератор 1 с бортовой антенной 2 с помощью летательного аппарата 8 вводятся в зону измерений, которая обычно находится в пределах главного и боковых лепестков ДН исследуемой антенны 3 на расстоянии, удовлетворяющем условиям дальней зоны. Генератор 1 через бортовую

антенну 2 излучает измерительные сигналы частоты fo, которые принимаются исследуемой антенной 3 и опорной антенной 4 и поступают на первый и второй информационные входы измерителя 5, в котором производится измерение отношения амплитуд принятых измерительного и опорного сигналов. Прецизионный пеленгатор координат б постоянно направлен на летательный аппарат 8 и выдает его координаты ( . пк . R пк ) на вход ЭВМ 7, куда также вводятся текущие угловые координаты положения опорной антенны 4 (рАОК 0док) ЭВМ 7 сравнивает

Рт и АОК.ЯПК и 0АОк. вырабатывая поправки и которые подаются на опорно-поворотное устройство опорной антенны 4, обеспечивая ее постоянную ориентацию на летательный аппарат

8. Одновременное с приемом текущих координат с пеленгатора 6 ЭВМ также производит отсчет значений отношения амплитуд сигналов с выхода измерителя 5, привязывая их к текущим координатам летательного

аппарата 8, и формирует массив первичной измерительной информации о параметрах ДН исследуемой антенны 3, а также вырабатывает сигналы управления режимом работы исследуемой антенны 3 и измерителя 5.

Поскольку следящая опорная антенна 4 постоянно наводится на летательный аппарат 8, параметры ее предварительно известны и не зависят от ориентации в пространстве, то в результате учета известных параметров

опорной антенны 4, взаимного расположения антенн 3 и 4, а также пеленгатора координат 6, в ЭВМ 7 производят обработку полученного массива первичной измерительной информации на основе известных

соотношений и получают значения ДН исследуемой антенны 3. Отличительной особенностью устройства, реализующего способ-прототип, является то, что исследуемая антенна 3 и опорная антенна 4 работают на одной и той же частоте fo, принимая сигналы, излучаемые генератором 1 через бортовую антенну 2.

Точность измерения ДН исследуемой стационарной приемной антенны 3 с помощью устройства, фиг. 1, реализующего

способ-прототип, в значительной степени зависит от точности априорной информации о действительных параметрах опорной антенны 4, т.е. от постоянства характеристик этой антенны. В диапазоне сантиметровых и более коротких длин волн это условие обычно обеспечивается в пределах приемлемых погрешностей. Диаграмма направленности и другие важные характеристики следящей опорной антенны 4 остаются практически неизменными в широких пределах углов сканирования (за иск- лючением малых углов места, когда происходит искажение ДН опорной антенны за счет влияния подстилающей поверхности).

При переходе к измерениям ДН исследуемых антенн, работающих в метровом и декаметровом диапазонах, реализовать требуемое постоянство характеристик следящей опорной антенны 4 в диапазоне углов сканирования практически невозможно. За счет переменного характера влияния подстилающей поверхности и сложного рельефа местности ДН такой следящей опорной антенны при ее сканировании по азимуту и углу места будет меняться в значительных пределах и непредсказуемым образом. В результате не только снижается точность измерения ДН исследуемой приемной антенны на основе способа-прототипа, но и теряет смысл организация антенных измерений с помощью опорной антенны.

Таким образом, недостатком способа- прототипа является невозможность обеспечения требуемой точности измерения ДН исследуемой приемной антенны, работаю- в метровом и декаметровом диапазонах длин волн.

Целью способа является устранение недостатков прототипа, а именно повышение точности при измерениях ДН приемных стационарных антенн, работающих в диапазоне метровых и декаметровых волн.

Цель достигается тем, что в способе измерения диаграммы направленности приемной антенны, включающем излучение измерительного сигнала частоты fo с борта летательного аппарата, перемещающегося в дальней зоне исследуемой антенны, прием излученного измерительного сигнала исследуемой антенной и опорного сигнала опорной антенной, измерение отношения амплитуд принятого измерительного и опорного сигналов с одновременным измерением координат летательного аппарата относительно исследуемой антенны, при этом ось опорной антенны постоянно ориентируют Р направлении на летательный аппарат, дополнительно излучают опорной антенной в направлении на летательный аппарат высокостабильный первый СВЧ- сигнал частоты fi, принимают его на работу 5 летательного аппарата вспомогательной антенной, формируют из принятого первого СВЧ-сигнала и излучаемого измерительного сигнала второй СВЧ-сигнал частоты 1+fo, который излучают вспомогательной антен0 ной и который является опорным сигналом, принимают его опорной антенной и формируют из него и первого СВЧ- сигнала сигнал частоты f0 f2-fi. Другими словами, цель достигается тем, что при измерениях ДН исс5 ледуемых антенн метрового и более длинноволнового диапазона работа опорной антенны организуется в диапазоне СВЧ, где обеспечивается постоянство характеристик этой опорной антенны в секто0 ре измерений. Заявленный положительный эффект предложенного технического решения достигается за счет исключения влияния нестабильности характеристик направленности опорной антенны в диапа5 зоне метровых и декаметровых оолн

Вариант реализации заявленного способа с помощью устройства для измерения ДН стационарной приемной антенны, работающей в метровом и декаметровом диапа0 зоне, приведен на фиг. 2. Устройство содержит последовательно соединенные бортовой генератор 1 частоты fo и бортовую измерительную антенну 2, исследуемую стационарную приемную антенну 3. воспри5 нимающую измерительные сигналы частоты fo, излученные бортовой антенной 2, следящую двухчастотную приемопередающую опорную антенну 4, взаимодействующую с бортовой вспомогательной приемопереда0 ющей антенной 9, измеритель отношений амплитуд сигналов 5, подключенный первым и вторым входами к выходу исследуемой антенны 3 и выходу преобразователя частоты 13 соответственно, пеленгатор ко5 ординат 6, наземную ЭВМ 7, информацией ные входы которой подключены к выходам опорно-поворотного устройства опорной антенны 4, измерителя отношений 5, пеленгатора координат 6, управляющие выходы

0 подключены к входам управления исследуемой антенны 3, опорно-поворотного устройства опорной антенны 4, измерителя отношений 5 и высокостабильного СВЧ- генератора 12 частоты fi, а информационный

5 выход ЭВМ является выходом устройства, летательный аппарат 8 для размещения бортовой аппаратуры, смесителя 10, входами соединенный с выходами бортового генератора 1 частоты fo и усилитепя-ограничителя 14 СВЧ-сигнала частоты fi, а выходом через фильтр 11 СВЧ- сигнала частоты fa - входом бортовой вспомогательной антенны 9, выход которой подключен к входу усилителя-ограничителя 14, высокостабильный СВЧ-генератор 12 частоты fi, выходами подключенный к входу опорной антенны 4 и первому входу преобразователя частоты 13, второй вход которого соединен с выходом опорной антенны 4. Обозначения блоков в составе устройства фиг. 2, выполняющих идентичные функции по отношению к блокам устройства фиг. 1, имеют одинаковую нумерацию.

Устройство фиг. 2, реализующее заявленный способ, работает следующим образом.

Перед началом измерений бортовая аппаратура вводится в пространство измерений с помощью летательного аппарата 8, координаты положения

КОТОРОГО ( рпК 0ЛК R П к)измеРяются

пеленгатором б, передаются на вход ЭВМ 7 и на их основе по командам ог ЭВМ 7 опорная антенна 4 наводится на летательный аппарат 8 (как и при реализации способа- прототипа с помсщью устройства фиг. 1}. Измерительные сигналы с выхода бортового генератора 1 через бортовую измерительную антенну 2 излучаются на частоте fo и принимаются исследуемой приемной антенной 3. Первый СВЧ-сигнал с выхода высокостабильного генератора 12 на частоте ti поступает на вход опорной антенны 4. Ответвленный первый СВЧ-сигнал частоты fi с дополнительного выхода генератора 12 поступает на первый вход преобразователя частоты 13. Этот сигнал играет роль гетеродинного сигнала для работы преобразователя частоты 13. Первый СВЧ-сигнал частоты fi, излученный опорной антенной 4, поступает на вход бортовой вспомогательной ан- тенны 9. С выхода вспомогательной антенны 9 сигнал частоты fi через усилитель-ограничитель 14 поступает на первый вход смесителя 10, на второй вход которого поступает измерительный сигнал частоты fo с дополнительного выхода бортового генератора 1. В ведение усилителя-ограничителя 14 обеспечивает независимость амплитуды первого СВЧ-сигнала, подаваемого на вход смесителя 10, от вариаций расстояние между антеннами 4 и 9 при перемещении летательного аппарата 8 по траекториям. На выходе смесителя 10 выделяется второй СВЧ-сигнал частоты f2, представляющей собой сумму (fo+fi) частот первичных сигналов. Второй СВЧ-сигнал частоты fa с выхода смесителя 10 через полосовой фильтр 11 подается на вход бортовой вспомогательной

антенны 9, излучается ею и принимается опорной антенной 4. Сигнал .частоты fa с выхода антенны 4 поступает на второй вход преобразователя частоты 13, на выходе KQторого выделяется опорный сигнал частоты fo с параметрами, пропорциональными параметрам измерительных сигналов частоты fo бортового генератора 1. Опорный сигнал частоты foe выхода преобразователя 13 по0 ступает на опорный вход измерителя отношений 5 и аналогичен по своей сущности опорному сигналу в устройстве фиг. 1. На второй информационный вход измерителя 5 поступает измерительный сигнал частоты fo

5 с выхода антенны 3. Измеритель 5 производит измерение отношения амплитуд измерительного и опорного сигналов. Далее, как и в устройстве фиг. 1, реализующем способ- прототип, величины измеренных отноше0 ний амплитуд сигналов с выхода блока 5 подаются на информационный вход ЭВМ 7, на другие информационные входы которой поступают текущие координаты летательного аппарата 8 с выхода пеленгатора 6, теку5 щие координаты положения опорной антенны 4 с выхода ее опорно-поворотного устройства. С управляющих выходов ЭВМ 7 поступают сигналы управления режимов работы исследуемой антенны 3, измерителя

0 отношений 5 и высокостабильного СВЧ-ге- нератора 12 частоты fi. Наведение опорной антенны 4 на летательный аппарат 8, обработка первичной измерительной информации и определение ДН исследуемой

5 антенны производятся так же, как в техническом решении, принятом за прототип. Отличительной особенностью устройства, реализующего предложенный способ, является то, что исследуемая и опорная антенны

0 работают в разных частотных диапазонах, а не на одной частоте, как в устройстве фиг. 1 (исследуемая антенна - в метровом и дека- метровом диапазоне, опорная антенна - в сантиметровом или более коротковолновом

5 диапазоне).

Как показано ранее, первый СВЧ-сигнал излучается на частоте fi, второй СВЧ- сигнал - на частоте fa, представляющей сумму (fo+fi) частот. С этими двумя СВЧ-сигна0 лами работает опорная антенна 4. Определяющим условием при выборе значений частот f 1 и fa является независимость характеристик направленности опорной антенны от влияния подстилающей поверхно5 сти при ее сканировании по азимуту и углу места в процессе измерения ДН исследуемой антенны. Например, при измерении приемных энтенн на частоте ( Гц) опорная антенна может работать на частоИО

тах ( Гц) и (,001 1010 Гц), на которых характеристики направленности этой опорной антенны (при углах места более 3 угловых градусов от уровня подстилающей поверхности) можно считать практически стабильными.

Общественно-полезный эффект от заявленного технического решения заключается в повышении точности измерений характеристик стационарных приемных антенн, работающих в метровом диапазоне и более длинноволновых диапазонах. Например, реализуемые погрешности ДН антенн метрового диапазона в пределах ширины главного луча составляет около 2,5 ДБ. При реализации предложенного способа эти по- грешности можно снизить до 0,5 ДБ - как это достигается при измерениях антенн СВЧ-диапазона.

Экономический эффект может быть обусловлен сокращением затрат на созда- ние антенных систем с заданными значениями пространственных характеристик. Оценку ожидаемого эффекта можно произвести только после внедрения заявленного способа применительно к конкретному объ- екту измерений.

Формула изобретения

Способ измерения диаграммы направленности приемной антенны, включающий

излучение измерительного сигнала fo с борта летательного аппарата, перемещающегося в дальней зоне исследуемой антенны, прием излученного измерительного сигнала исследуемой антенной и опорного сигнала опорной антенной, измерение отношения амплитуд принятого измерительного и опорного сигналов с одновременным измерением координат летательного аппарата относительно исследуемой антенны, при этом ось опорной антенны постоянно ориентируют в направлении на летательный аппарат, отличающийся тем, что, с целью повышения точности при измерениях в диапазоне метровых и декаметровых волн, дополнительно излучают опорной антенной в направлении на летательный аппарат высокостабильный первый СВЧ-сигнал частоты fi. принимают его на борту летательного аппарата вспомогательной антенной, формируют из принятого первого СВЧ-сигнала и излучаемого измерительного сигнала второй СВЧ-сигнал частоты f2 fi+fo. который излучают вспомогательной антенной и который является опорным сигналом, принимают его опорной антенной и формируют из него и первого СВЧ-сигнала сигнал частоты .

Изобретение относится к технике антенных измерений, в частности к облетным способам антенных измерений приемных антенн. Цель изобретения - повышение точности при измерении в диапазоне метровых и декаметровых волн. Цель достигается тем, что излучают измерительные сигналы бортовым источником на частоте fo и опорные сигналы вспомогательной бортовой антенной, принимают их исследуемой и опорной антеннами соответственно, измеряют координаты летательною аппарата, излучают опорной антенной в направлении на летательный аппарат первый СВЧ-сиг- нал высокой стабильности частоты f 1 принимают его опорный сигнал частоты fi вспомогательной бортовой антенной на борту летательного аппарата, формируют из измерительного сигнала fo и первого СВЧ- сигнала fi второй СВЧ-сигнал частоты f2 fi+fo, излучают его в сторону опорной антенны, принимают его опорной антенной, формируют из первого СВЧ-сигнала fi и принятого второго СВЧ-опорного сигнала частоты fa сигнал опорного канала частоты fo f2-fi. 2 ил. (/ С

Фиг.

Результат

измерении

Т