Устройство для определения амплитудно-фазового распределения поля антенны Советский патент 1993 года по МПК G01R29/10 

фи&1

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

Известно устройство для определения амплитудно-фазового распределения поля антенны 1, содержащее испытуемую антенну, измерительную антенну-зонд, механический сканер и подвижный СВЧ-тракт.

Однако это устройство обладает недостаточной точностью определения.

Наиболее близко к предлагаемому устройство 2, содержащее СВЧ-генёратор, направленный ответвитёль, апертурную антенну, приемный зонд, волнОводную секцию, переключатель, фазометрическую схему, блок вычислений, блбк управления, подвижный тракт, вращающееся сочленение, механизм перемещения. : .

Однако такое устройство обладает недостаточной точностью определения, связанной с наличием ошибок, возникающих п р й пёрёмёщёнй ц подвйжного трйктаГа так- же при изменении в процессе сканирования разности длин сигнального и опорного трактов и связанной с этим ошибкой из-за частотной нестабильности генератора. Кроме того, оно не позволяют за один цикл измерений определить амплитудно-фазовое рас-ч: пределение по двум взаимно ортогональным поляризациям. ., Г; ;

Цель изобретения :. - побышениё точнб- сти и ЬператиЁностй. ;:М ;7;-;Й. ..,;;; ;::

Сущность изобретений заклкзчается в том, что в известном устройстве для определения амплитудно-фазового распределения поля антенны, содержащем СВЧ-генератор, выход которого является выходом для под-; клю.чения входа исследуемой антенны при-. .емный зонд, блок управления и механизм перемещения, вход которого подключен к; первому выходу блока управления, приемный зонд размещен на блоке перемещения дополнительно приемный зонд выполнен из двух идентичных антенн, последовательно соединенных первого делителя мощности, вход которого Подключён к выходу первой антенны второго делителя мощности, первого сумматора и первого амплитудного детектора, выход которого является первым выходом зонда, последовательно соединенных фазовращателя на 90°, вход которого подключен к второму выходу второго делителя мощности, второго сумматора и второго амплитудного детектора, выход которого является вторым выходом приемного зонда, последоватеяьно соединенных третьего делителя мощности, вход которого подключен к второму выходу первого дели- теля мощности, фазовра-щателя на 180°, третьего сумматора и третьего амплитудного детектора, выход которого являемся третьим выходом приемного зонда, последовательно соединенных фазовращателя на 270°, вход которого подключен к второму

выходу третьего делителя мощности, четвертого сумматора и четвертого амплитудного детектора, выход которого является четвертым выходом приемного зонда, четвертого делителя мощности, вхо которого

подсоединен к выходу второй антенны, а первый и второй выходы подсоединены к входу пятого и шестого делителей мощности соответственно, первый и второй выходы пятого делителя мощности подключены к

второму входу первого и второго сумматоров соответственно, первый и второй выходы шестого делителя мощности подсоединены к второму входу третьего и

четвёртого сумматоров соответственно,

переая и вторая антенны выполнены с управляемой поляризацией, входы управАе- нйя которых являются первым и втором входами приёмного зонда, введены доватёльно соединейные первый блок вычитайия, первый вход которого подключен к первому выходу приёмного зонда, а второй вход к его третьему выходу, первый блок возведения в квадрат, первый блок ния, блок изблёчёнйя корня квадратного,

блок умножения на четыре и блок памяти,

послёдовательнр соединённые второй вычитания, первый вход которого подкл|ю- чен к четвертому выходу приемного зонда, а .второй вход - к его второму выходу и

второй блох возведения в квадрат, выход которого подсоединен к второму входу пёр- вого блока сложения, последовательно сбёдиненные блок деления, первый и второй входы которого подключены к выходам первого и второго блоков вычитания соответственно, блок вычисления арктангенса и второй блок Сложения, выход которого подключен к второму входу блока памяти, третий вход котбр ого подсоединен к второму

входу блока управления, компаратор, пёр: вый и второй входы которого подключень к

первому и третьему выходам приемного

зонда, а выход - к второму входу второго

блока сложения, первый и второй вхоЬы

приемного зонда подсоединены к третьему и четвертому выходам блока управления.

На фиг.1 и 2 приведена схема предла(-а- емогО устройства для определения амп4и- туднб-фазового распределения

антенны. .. i

Устройство Содержит СВЧ-генератор. 1, апертурную антенну 2, приемный зонд 3, состоящий из двух антенн 4, 5 с управлйе- мым положением плоскости поляризаций и встроенными фазовращателем (0; 180) град.

и коммутатором, шести делителей мощности 6-11, трех фазовращателей на 90, 180, 270 град, соответственно 12-14, четырех сумматоров 15-18, четырех амплитудных детекторов 19-22, два блока вычитания 23 и 24, два блока возведения в квадрат 25 и 26, блок деления 27, блок вычисления функции арктангенс 28, два сумматора 29 и 30, блок извлечения квадратного корня 31, усилитель 32, запоминающее устройство 33, компаратор 34, блок управления 35, механизм перемещения 36.

СВЧ-генератор 1 выходом подключен к входу апертурной антенны 2, приемный зонд выходом подключен к двум параллельным каналам обработки, состоящим из по- следовательно соединенных блока вычитания 23 и блока возведения в квадрат 24, параллельно подсоединенной к ним цепи из блока деления 27, блока вычисления функции арктангенс 28, первого сумматора, причем выходы каналов соединены с входами второго сумматора, к выходу которого подключен блок извлечения квадратного корня, последовательно соединенный с усилителем, выход которого подключен к пер- вому входу запоминающего устройства, блок деления входами подключен к выходам блоков вычитания, а выходом к входу блока вычисления функции арктангенс, выход которого подключен к первому входу второго сумматора, второй вход которого соединен с выходом компаратора, выход сумматора соединен с вторым входом запоминающего устройства, приемный зонд выполнен состоящим из двух антенн с управляемым по- ложением плоскости поляризации и встроенными фазовращателем и коммутатором, шести делителей мощности, трех фа- зосдвигателей на 9.0, 180, 270 град, соответственно, четырех сумматоров и че- тырех амплитудных детекторов, причем первая и вторая антенны выходом подсоединены, ко входу первого и второго делителей мощности соответственно, имеющих по два выхода, каждый из которых соединен соответственно с входами третьего, четвертого, пятого, шестого делителей мощности, причем выходы третьего и четвертого делителей мощности подключены к первым входам первого, второго, третьего, четвертого сумматоров соответственно, первый выход пятого делителя мощности подключен к второму входу первого сумматора, второй выход пятого делителя мощности через фазовращатель на 90 град, подключен ко второму входу второго сумматора, первый выход шестого делителя мощности через фазосдвигатель на 180 град, подключен к второму входу третьего сумматора, второй

выход шестого делителя через фазосдвигатель на 270 град, подключен к второму входу четвертого сумматора, выходы сумматоров подключены к входам амплитудных детекторов соответственно, выходы которых являются выходами приемного зонда, причем первый и третий выходы приемного зонда подключены к первому и второму входам компаратора, СВЧ-генератор выходом подключен к входу апертурной антенны, механизм перемещения включен между блоком управления и приемным зондом, а блок управления выходами подсоединен также к управляющим входам двух антенн приемного зонда и запоминающего устройства.

Устройство работает следующим образом.

Сформированные СВЧ-генератором 1 СВЧ-колебания подаются на исследуемую апертурную антенну 2 и излучаются в пространство. Часть излученной мощности улавливается приемным зондом 3, в состав которого входят две антенны с управляемым положением плоскости поляризации и встроенными фазовращателем (0, 180) град. и коммутатором 4 и 5, шесть делителей мощности 6-11, три фазовращателя на 90, 180, 270 град, соответственно 12-14, четыре сумматора 15-18, четыре амплитудных детектора 19-22, выходы которых являются выходами приемного зонда. Перед началом измерений приемный зонд при помощи механизма перемещения 36 устанавливается в исходную точку, а при помощи блока управления 35 обе антенны приемного зонда устанавливаютсяв положение, соответствующее одноименным поляризациям (в случае использования антенн с управляемым, положением плоскости поляризации 3 (см. фиг.2) это соответствует включению в обеих антеннах одноименных P-1-N диодов). Сигналы с первого и третьего, четвертого и второго выходов измерительного зонда (см. фиг.1), подают на входы первого и второго блоков вычитания 23 и 24 соответственно, т.о. на выходе блоков вычитания получают сигналы равные и d4-d2 соответственно (di - сигнал с 1-го выхода приемного зонда). Сигналы с выходов блоков вычитания 23 и 24 подаются на входы соответствующих блоков возведения в квадрат 25 и 26, а с выходов блоков возведения в квадрат сигналы подаются на входы сумматора 29. С выхода сумматора сигнал поступает через блок извлечения квадратного корня 31 на вход усилителя 32 с коэффициентом усиления, равным 4. С выхода усилителя 32 сигнал, равный произведению амплитуд комплексного вектора поля

в точках расположения двух антенн приемного зонда 3 поступает в запоминающее устройство 33, где запоминается. Сигналы с первого и третьего выходов приемного зонда 3 посту па ют также на два входа компаратора,34, откуда в случае di ds на первый вход сумматора 30 подается сигнал, равный нулю, а в случае da di сигнал, равный л рад. Сигналы с выходов двух блоков вычитания 23 и 24 подаются также на два входа блока деления 27. G выхода блока деления 27 сигнал, равный ()/(di-d3), подается на вход блока вычисления функции арктангенс 28, с выхода которого сигнал, подается на второй вход сумматора 30. С выхода сумматора 30 сигнал, равный разности фаз комплексного вектора поля в точках расположения двух антенн приемного зонда 3, поступает в запоминающее устройство 33. Затем при помощи механизма перемещения 36, управляемого блоком управления 35, приемный зонд 3 перемещается относительно исследуемой апертурной антенны 2 вдоль линии, соединяющей точки расположения двух антенн 4 на величину шага измерения таким образом, что одна из антенн оказывается в следующей измерительной точке, а вторая антенна оказывается в точке расположения первой антенны на предыдущем шаге. В этом положении повторяют описанный выше процесс измерений и т.д. Т.к. в первой точке (исходной) амплитуду и фазу поля можно выбрать произвольно, то, выполняя описанную процедуру для всей поверхности измерений, удается определить амплитудно-фазовое распределение Шля исследуемой апертуриой антенны на всей поверхности измерений. Если же в каждой точке измерений при помощи блока управления 35 изменить рабочую поляризацию антенн приемного зонда 3 на ортого нальную, это .удаемся определить за один цикл измерений АФР по двум взаимно ортогональным поляризациям, что сокращает время измерений. Описанную процедуру можно применять для любых конфигураций поверхностей измерений. При изменении конфигурации поверхности измерений изменяться будут лишь механизм перемеще- нШ:й траектория движения зонда.

.Входящие в состав устройства функциональные блоки СВЧ могут быть выполнены с использованием любой известной техники (пол бскбв ая , волноводная, коаксиальная и т.д.), а низкочастотные блоки, например, на Микросхемах серии К155, . .

Алгоритм определения амплитуды и фазы гюля по полученным в каждом пространственном положении-зонда четырем

сигналам di (i 1, 2, 3, 4) можно пояснить следующим образом. Запишем сигналы, полученные при четырех различных индексах I, в виде:

cos (Фт - фг)

dl (xi + x2)2 Xi2 + X22±2 /(М-4)

, (Ф1 -Ф2)

гдех1 Х1-еф1 ,х2 Х2-е -комплексные векторы поля в местах расположения двух антенн 4 измерительного зонда 3 соответственно (знак - берется при i 2, 3, а нижняя строчка выражения в фигурных

скобках -при 1 2,4).

Принимая один из сигналов, например Х2 1, за опорный, из (1) получим для xi:

)

Ф -arcig

dtLJh +v,- rf3 d-, - dy XT , гф d d3

что и требовалось определить.

Искомое АФР определяется путем вычисления по приведенному выше алгоритму

после перемещения зонда по всей поверх- ности измерений как совокупность вычисленных значений амплитуд и фаз в каждой измерительной точке.

Повышение точности достигается за

счет двух факторов. Во-первых, при измерениях исключается ошибка, связанная с де- формацией при сканировании высокочастотного кабеля, т.к. амплитудные детекторы включают в состав приемного

зонда и перемещают вместе с ним. Следовательно деформируется уже низкочастотный кабель, что не приводи} к возникновению фазовой ошибки, а опорного тракта как такового здесь нет. Во-вторых,

исключается ошибка, обусловленная и зме- нением в процессе сканирования разницы длин сигнального и опорного трактов, связанная с этим ошибка из-за частотной нестабильности генератора СВЧ. Кроме Того,

за один цикл измерений удается определить АФР по двум взаимно ортогональным поля- рйзациям. Сокращение времени измерений достигается за счет замены механичерких манипуляций, необходимых для измерения

АФР по двум взаимно ортогональным г оля рмзацийм, электрическим переключением

P-l-N-диодов в айтеннах приемного зЬнда.

Ф о р м у л а и з о б р ет е н и я

Устройство для определения амплитудно-фаз ового распределения поля антенны, включающее СВЧ-генератор, выход которо- го является выходом для подключения входа исследуемой антенны, приемный зонд, выполненный из двух идентичных антенн, блок

управления и механизм перемещения, вход управления которого подключен к первому выходу блока управления, приемный зонд размещен на блоке перемещения, о т л и ч а ю щ е е с я тем, что, с целью повышения точности и оперативности, приемный зонд выполнен из дополнительно введенных последовательно соединенных первого делителя мощности, вход которого подключен к выходу первой антенны, второго делителя мощности, первого сумматора и первого амплитудного детектора, выход которого является первым выходом приемного зонда; последовательно соединенных фазовраща- теля на 90°, вход которого подключен к вы- ходу второго делителя мощности, второго сумматора и второго амплитудного детектора, выход которого является вторым выходом приемного зонда, последовательно соединенных третьего Делителя мощности, вход которого подключен к второму выходу первого делителя мощности, фазовращате- ля на 180°, третьего сумматора и третьего амплитудного детектора, выход которого является третьим выходом приемного зон- да, последовательно соединённых фазовра- щателя на 270°, вход которого подключен к второму выходу третьего делителя мощности; четвертого сумматора и четвертого амплитудного детектора, выход которого является четвертым выходом приемного зонда, четвертого делителя мощности, вход которого подсоединен к выходу второй антенны, а первый и второй выходы подсоединены к входам пятого и шестого делителей мощности соответственно, первый и второй выходы пятого делителя мощности подключены к вторым входам первого и второго

сумматоров соответственно, первый и второй выходы шестого делителя мощности подсоединены к вторым входам третьего и четвертого сумматоров соответственно, первая и вторая антенны выполнены с управляемой поляризацией, входы управления которых являются первым и вторым входами приемного зонда, введены последовательно соединенные первый блок вычитания, первый вход которого подключен к первому выходу приемного зонда а второй вход - к третьему выходу приемного зонда, первый блок возведения в квадрат, первый блок сложения, блок извлечения корня квадратного, блок умножения на четыре и блок памяти, последовательно соединенные второй блок вычитания, первый вход которого подключен к четвертому выходу приемного зонда, а второй вход - к второму выходу приемного зонда, и второй блок возведения в квадрат, выход которого подсоединён к второму входу первого блока сложения, последовательно соединенные блок деления, первый и второй входы которого подключены к выходам первого и второго блоков вычитания соответственно, блок вычисления арктангенса и второй блок сложения, выход которого подключен к второму входу блока памяти, третий вход которого подсоединен к второму выходу блока управления, компаратор, первый и второй входы которого подключены к первому и третьему выходам приемного зонда, а выход - к второму входу второго блока сложения, первый и второй выходы приемного зонда подсоединены к третьему и четвертому выходам блока управления, :

Шиг.1

Использование: антенная техника, антенные.измерения. Сущность изобретения: устройство содержит СВЧ-генератор 1, выход которого является выходом для подключения исследуемой антенны 2, приемный зонд 3, состоящий из двух идентичных антенн 4 и 5 с управляемым положением плоскости поляризации и встроенными фазовращателем (0,180) град, и коммутатором, шесть делителей мощности 6-11, три фазосдвигателя на 90, 180, 270 град, соответственно 12-14, четыре сумматора 15-18,. четыре амплитудных детектора 19-22, блоки вычитания 23 и 24, два блока возведения в квадрат 25 и 26, блок деления 27, блок вычисления функции арктангенс 28, два блока сложения 29 и 30, блок извлечения квадратного корня 31, усилитель 32, запоминающее устройство 33, компаратор 34, блок управления 35, механизм перемещения 36. 2 ил.

Редактор

Составитель С.Борисов Техред М. Моргёнтал

Корректор Л.Филь