УСТРОЙСТВО КАЛИБРОВКИ СВЕРХВЫСОКОЧАСТОТНОГО АНТЕННОГО ИЗМЕРИТЕЛЬНОГО КОМПЛЕКСА БЛИЖНЕЙ ЗОНЫ

Полезная модель относится к устройствам для испытаний и калибровки сверхвысокочастотных (СВЧ) антенных измерительных комплексов ближней зоны. Заявляемая схема может быть использована при оценке метрологических характеристик измерительного комплекса ближней зоны, в частности, для определения погрешностей измерений амплитудного и фазового распределений поля ближней зоны. Знание указанных характеристик позволяет повысить точность измерений амплитудных и фазовых диаграмм направленности, коэффициента усиления и координат фазового центра измеряемых апертурных антенн. Особенно значимый эффект может быть достигнут в тех случаях, когда испытаниям подвергаются крупногабаритные антенны, размеры которых измеряются метрами, веса от сотен килограмм до тонн, а измерения проводятся в СВЧ диапазоне частот.
При антенных измерениях, как правило, используются две антенны. Первая антенна-зонд является принадлежностью самого измерительного комплекса, а вторая может быть измеряемой или калибровочной. Измеряемая антенна имеет неизвестные характеристики, которые подлежат определению в процессе исследований. Однако при измерениях возникают неточности, связанные с недостатками измерительного комплекса и методики испытаний. Повышения точности измерений можно добиться, проведя предварительную калибровку измерительного комплекса, используя калибровочную антенну вместо измерительной. Калибровочная антенна имеет известные характеристики, которые позволяют оценить свойства самого измерительного комплекса. При этом состав оборудования (две антенны, сканер и т.п.) и методика исследований (излучение зондирующих сигналов, прием и обработка) при измерениях и калибровке оказываются одинаковыми. Различны лишь цели исследований и соответствующие алгоритмы обработки полученных результатов: в первом случае - определение амплитудно-фазового распределения поля измеряемой антенны, а во втором - определение погрешностей измерительного комплекса для последующего использования при работе с измеряемой антенной.
При антенных измерениях одна из антенн излучает зондирующие сигналы, а другая их принимает, при этом, исходя из принципа взаимности в электродинамике, для пассивных антенн не имеет значения, какая из антенн является излучающей, а какая приемной. Для определенности будем считать, что излучающей является калибровочная антенна, а приемной-зонд, установленный на сканере.
Для измерения характеристик больших антенн, в том числе в ближней зоне, создаются полигоны - дорогостоящие измерительные комплексы внушительных размеров. Для корректной калибровки таких измерительных комплексов необходимы антенны с эталонными характеристиками и сопоставимыми размерами, что в практике измерений труднореализуемо.
Измерения радиотехнических характеристик антенн выполняются в дальней или в ближней зонах. При измерениях в дальней зоне плотность потока энергии излучения обратно пропорциональна квадрату расстояния от антенны, а фазовый фронт волны является квазиплоским. Условие дальней зоны определяется из соотношения:
где:
R - расстояние от антенны;
d - размер апертуры антенны;
λ - длина волны.
Измерение параметров антенн в дальней зоне соответствуют реальным условиям применения антенны, однако такие измерения сопряжены со значительными материальными затратами на создание больших полигонов, на борьбу с мешающими отражениями от посторонних объектов и т.п.
При измерениях в ближней зоне расстояние между антеннами R обычно выбирают из соотношения:
Измерения в ближней зоне существенно дешевле, поскольку из-за малого расстояния R между измеряемой антенной и зондом могут проводиться на закрытых полигонах или в безэховых камерах ограниченных размеров.
Важными преимуществами измерений в ближней зоне являются более высокие производительность и информативность. Техническими предпосылками широкого внедрения таких измерений является доступность векторных анализаторов цепей и наличие прецизионных механических автоматизированных сканеров.
Антенный измерительный комплекс содержит множество источников погрешностей связанных: с точностью позиционирования сканера антенны-зонда, с взаимными отражениями между антеннами, с отражениями между конструктивными элементами сканера, перемещаемыми в процессе измерений, инструментальными погрешностями трактов излучения и приема и т.п. Известные подходы к калибровке предполагают раздельную оценку частных составляющих погрешности, обусловленных данными факторами, и последующее определение суммарной погрешности измерения амплитудно-фазового распределения как суперпозиции частных составляющих, что сопряжено с большими временными затратами. Одной из самых трудоемких операций при оценке точности измерения амплитудно-фазового распределения поля является определение погрешности позиционирования зонда, которая выполняется с помощью оптических приборов. Наиболее критичным является отклонение от плоскости сканирования по оси Y, обусловленная им погрешность фазы определяется как Δφ=k·ΔY, и поэтому с ростом частоты, при работе в СВЧ диапазонах, требования к точности позиционирования возрастают. Для контроля позиционирования зонда могут быть использованы лазерные трекеры, которые обеспечивают приемлемую точность для сантиметрового диапазона длин волн, но очень дороги.
Метод ближней зоны предполагает проведение измерений амплитудно-фазового распределения поля излучения испытываемой антенны, по которому расчетным путем восстанавливается ее комплексная пространственная диаграмма направленности. Коэффициент усиления испытываемой антенны при этом может определяться методом сравнения амплитудных диаграмм направленности при использовании вспомогательной эталонной антенны с одинаковыми размерами и аналогичными электродинамическими свойствами, либо абсолютным методом, который предполагает проведение дополнительной калибровки для определения комплексного коэффициента передачи измерительного тракта, включая зонд.
Погрешность измерения параметров апертурных антенн измерительными комплексами ближней зоны определяется инструментальной погрешностью измерения амплитудно-фазового распределения поля на поверхности сканирования  и методическими погрешностями, обусловленным некорректным выбором параметров сканирования.
Погрешность измерения амплитудно-фазового распределения в плоскости сканирования, в свою очередь, определяется погрешностями позиционирования зонда, погрешностью используемого векторного анализатора цепей (приемопередающего устройства), переотражениями между зондом и испытываемой антенной, а также изменением комплексного коэффициента передачи тракта при перемещении зонда.
Известен антенный измерительный комплекс ближней зоны [1], предназначенный для измерений радиотехнических характеристик антенн. Комплекс содержит две антенны: зонд и измеряемую, систему углового позиционирования с соответствующими приводами, управляемую компьютером, который сопряжен с приемно-передающим устройством, к выходу и входу которого через радиочастотные кабели подключаются антенны.
Недостатком данного устройства является функциональная ограниченность - исследуется только угловая относительная диаграмма направленности.
Наиболее близким к заявляемой полезной модели является измерительный комплекс ближней зоны [2], который может использоваться для испытаний измерительных антенн, а также предусматривает калибровку комплекса. В последнем случае устройство калибровки сверхвысокочастотного антенного измерительного комплекса ближней зоны [2] содержит первую антенну-зонд, установленную на плоском сканере и вторую антенну, установленную в ближней зоне зонда в фиксированном положении, так, что ее электрическая ось направлена по нормали к плоскости сканера, сканер снабжен приводами перемещения антенны-зонда по сканеру, управляемыми компьютером, который через приборный интерфейс сопряжен с векторным анализатором цепей, вход и выход которого через радиочастотные кабели соединены с антеннами.
Автору заявляемой полезной модели не известны источники информации, в которых предлагаются способы и устройства, в частности антенны, пригодные для калибровки подобных измерительных комплексов. Таким образом, недостатком устройства [2] является сложность реализации, связанная с отсутствием способов и антенн, пригодных для решения задачи калибровки такого комплекса.
Тем не менее, могут быть предложены два очевидных способа выбора калибровочной антенны:
1. В качестве калибровочной может использоваться большая антенна аналогичная измеряемой, которую предварительно аттестовали на другом, более точном оборудовании. Однако, для рассматриваемых задач такого оборудования не существует. Каждый измерительный комплекс типа [2], особенно для больших антенн, уникален и дорог. Кроме того, манипуляции с большой калибровочной антенной затруднительны. Таким образом, данный способ оказывается дорогим и трудно реализуемым.
2. В качестве калибровочной может использоваться сертифицированная узконаправленная антенна, например, АИК 1-40А [3]. Однако, такой способ предполагает проведение калибровки в дальней зоне, что требует существенного увеличения размера полигона ближней зоны и использования дорогостоящих безэховых камер.
Известные производители оборудования антенных измерительных комплексов ближней зоны, например, Agilent Technologies [4], стр.6, не предлагают никаких вариантов калибровки своих комплексов. В результате чего при совершенстве функциональных возможностей такое оборудование обладает плохими метрологическими характеристиками.
В заявляемой полезной модели предлагается использовать для калибровки простые малогабаритные антенны, характеристики которых относительно легко измерить или рассчитать.
Задачей, решаемой заявляемой полезной моделью, является обеспечение антенных измерительных СВЧ комплексов ближней зоны простыми и дешевыми антеннами для калибровки, что в свою очередь позволяет повысить точность измерений.
Для решения поставленной задачи по п.1 формулы полезной модели в устройстве калибровки сверхвысокочастотного антенного измерительного комплекса ближней зоны, содержащем первую антенну-зонд, установленную на плоском сканере и вторую антенну, установленную в ближней зоне антенны-зонда в фиксированном положении, так, что ее электрическая ось направлена по нормали к плоскости сканера, сканер снабжен приводами перемещения антенны-зонда по сканеру, управляемыми компьютером, который через приборный интерфейс сопряжен с векторным анализатором цепей, вход и выход которого через радиочастотные кабели соединены с антеннами, второй антенной является калибровочная антенна с широкой диаграммой направленности, охватывающей всю плоскость сканера.
Для решения поставленной задачи в устройстве калибровки по п.2 формулы полезной модели, в качестве калибровочной антенны используется открытый конец волновода.
Существенными отличиями заявляемого устройства по сравнению с прототипом являются:
По п.1 формулы полезной модели в качестве второй антенны используют калибровочную антенну с известными характеристиками, что позволяет оценить свойства измерительного комплекса и повысить точность последующих измерений. Кроме того, калибровочную антенну устанавливают там же, где впоследствии будет установлена измеряемая, при этом не меняются основные условия проведения измерений: взаимное положение всех элементов измерительного комплекса, электрические и электромагнитные характеристики, что также повышает точность калибровки и измерений.
В прототипе в качестве второй антенны используют измеряемую антенну с неизвестными характеристиками. Повышение точности измерений в этом случае возможно лишь за счет улучшения характеристик отдельных компонент комплекса: повышения точности установки сканера, размещения дополнительных поглощающих покрытий и т.п. Такой путь оказывается более дорогим и принципиально не позволяет обнаружить и устранить все источники погрешностей.
По п.1 формулы полезной модели использование калибровочной антенны с широкой диаграммой направленности, охватывающей всю плоскость сканера, позволяет выполнить калибровку в ближней зоне единым волновым фронтом главного лепестка диаграммы направленности. В этом случае рабочая зона сканера облучается от одного источника с известными характеристиками и погрешность измерения амплитудно-фазового распределения определяется за один цикл измерений, без перемещения калибровочной антенны.
В прототипе измеряемая антенна также неподвижна, но вся исследуемая часть диаграммы направленности должна попадать на рабочую область сканера, т.е. должна быть меньше сканера.
По п.2 формулы полезной модели в устройстве калибровки по п.1 в качестве калибровочной антенны используется открытый конец волновода. Характеристики излучения открытого конца волновода определяются с высокой точностью расчетным путем, что позволяет использовать его в качестве калибровочной антенны. Такое решение является простым, дешевым, но не очевидным.
Заявляемую полезную модель иллюстрируют следующие графические материалы:
Фиг.1 Схема измерительного комплекса, где:
1. Антенна-зонд.
2. Калибровочная антенна.
3. Сканер.
4. Горизонтальная направляющая.
5. Вертикальная направляющая.
6. Привод оси X.
7. Привод оси Z.
8. Компьютер.
9. Приемно-передающее устройство.
10. Линии раскрыва калибровочной антенны 2.
Фиг.2 - Пирамидальный рупор
Антенна-зонд 1 расположена на сканере 3, в рассматриваемом варианте применения является приемной и предназначена для измерения параметров поля в точке текущего положения. В качестве такой антенны может использоваться малогабаритная рупорная антенна с широкой диаграммой направленности.
Калибровочная антенна 2 является измеряемой, излучающей сигнал с диаграммой направленности, охватывающей рабочую часть сканера и известными характеристиками, например диаграммой направленности и положением фазового центра. При калибровке она располагается неподвижно и направлена на сканер по нормали к его плоскости. Контроль взаимного положения зонда и калибровочной антенны при начальной установке осуществляется с использованием геодезического оборудования, например, теодолита. При измерениях текущее положение зонда определяется системой позиционирования.
По п.1 формулы полезной модели в качестве калибровочной может использоваться антенна с широкой диаграммой направленности, которая позволяет охватить всю плоскость сканирования. В качестве такой антенны может использоваться, например, оптимальный пирамидальный рупор, как показано на Фиг.2.
Диаграмма направленности пирамидального рупора для заданной длины волны определяется его длиной и размерами апертуры. Для пирамидального рупора диаграмма направленности F(θ, φ) может быть измерена на эталонном измерительном комплексе или рассчитана.
Фазовая диаграмма такой антенны в пределах главного лепестка амплитудной диаграммы направленности остается постоянной и изменяется на я при переходе между соседними лепестками.
В этом случае поле в плоскости сканирования относительное распределение комплексной амплитуды поля в зоне сканирования определяется выражением
где ;
F(θ, φ) - диаграмма направленности антенны.
Ширина амплитудной диаграммы направленности по уровню 0,5 мощности для оптимального пирамидального рупора, который используется на практике в качестве эталонной антенны, будет определяться соотношениями:
в Н-плоскости
в Е-плоскости
Для оптимального пирамидального рупора с типовыми размерами (10×10)λ ширина главного лепестка будет составлять 8° в Н-плоскости и 5,3° в Е-плоскости.
х
z
Пусть измерительный комплекс имеет сканер с размерами (L×L). Для того, чтобы поле главного лепестка используемого рупора охватило всю плоскость сканирования, ее необходимо установить на расстоянии, определяемом соотношением R
Для плоскости сканирования 50λ, необходимое расстояние для создания эталонного поля потребуется 178А, в Н-плоскости и 270λ в Е-плоскости, что 3,5 и 5,5 раза, соответственно, больше размера области сканирования и, по сути, ни чем не отличается от метода дальней зоны. Поэтому использование обычных рупорных антенн представляется нерациональным, а для этого должны использоваться антенны с изотропной диаграммой направленности.
По п.2 формулы полезной модели калибровочная антенна может быть выполнена в виде открытого конца волновода, который является физическим приближением изотропного источника.
E
H
Для открытого конца прямоугольного волновода с сечением a×b объемная диаграммы направленности в Е- и Н-плоскостях F(θ) и ·F(φ) определяются следующими выражениями
где θ, φ - углы, отсчитываемые от нормали к раскрыву в плоскостях Е и Н, соответственно;
0
θ=arctg(x/R);
0
φ=arctg(z/R).
Ширина главного лепестка диаграммы направленности по уровню 0,5 от максимума для открытого конца волновода в соответствии с выражениями (7), (8) будет составлять не менее 25°, что позволяет уменьшить расстояние между излучателем и плоскостью сканирования, которое в рассматриваемом случае будет равно 50λ.
Сканер 3, фиг.1 предназначен для перемещения антенны-зонда 1 по плоскости XOZ. Размер сканера 3 определяются размерами и характеристиками поля антенн, подлежащими измерению, так, чтобы с выражения (6) сканер охватывал интересующую часть поля измеряемой антенны. Сканер выполнен в виде двух ортогональных направляющих - горизонтальной 4 и вертикальной 5. При больших размерах могут использоваться более сложные конструкции. Горизонтальная направляющая 4 жестко закреплена на фундаменте полигона. Вертикальная направляющая 5 может перемещаться в плоскости X0Y параллельно оси 0Х под управлением привода 6. На балке 5 установлена каретка (на фиг.1 не показана), на которой закреплена, антенна-зонд 1. Привод 7 обеспечивает перемещение антенны-зонда 1 параллельно оси 0Z. Управление приводами 6 и 7 осуществляет компьютер 8 через соответствующие контроллеры.
Приемно-передающее устройство 9 предназначено для формирования зондирующих радио сигналов по команде от компьютера 8, усиления и передачи их в калибровочную антенну 2, а также для приема сигналов от антенны-зонда 1, преобразования их в цифровую форму и передачи в компьютер 8 для обработки.
Компьютер 8 обеспечивает синхронизацию работы комплекса и производит обработку результатов измерений.
Рассмотрим работу заявляемого устройства калибровки сверхвысокочастотного антенного измерительного комплекса ближней зоны.
Заявляемое устройство калибровки сверхвысокочастотного антенного измерительного комплекса ближней зоны работает следующим образом.
Перед началом измерений устанавливают сканер 3, используя геодезическое оборудование. Выбирают и устанавливают калибровочную антенну. Параметры калибровочной антенны выбирают из приведенных выше соотношений (7), (8). Излучатель устанавливается на расстояние, определяемое выражением (6).
i
j
Калибровка измерительного комплекса может производиться во временной или частотной областях. В первом варианте в качестве зондирующих сигналов используются широкополосные импульсы, а во втором СВЧ гармонические сигналы с частотой f. При широкополосном зондировании измеряется множество мгновенных значений поля с последующим расчетом характеристик поля на нужной частоте, используя преобразование Фурье. В любом варианте по команде от компьютера 8 приемно-передающее устройство 9 формирует, а калибровочная антенна 2 излучает зондирующие радиосигналы. Антенна-зонд 1 принимает их и передает на приемно-передающее устройство 9, которое усиливает, оцифровывает и передает в компьютер 8, где обрабатываются и сохраняются. Результатом измерений является значение поля  в точке на плоскости сканирования с координатами (x, z) текущего положения антенны-зонда 1. По командам от компьютера 8 приводы 6 и 7 перемещают антенну-зонд 1 по плоскости сканера 3 с заданным шагом. В результате измерений будет получен массив амплитудно-фазового распределения поля в плоскости сканирования. При известных характеристиках эталонного поля , рассчитываемого по формулам (3), (7) и (8), с учетом параметров калибровочной антенны 2, определяется погрешность относительного фазового распределения в соответствии с выражением
i,j
i,j
i,j
Полученная в процессе калибровки погрешность Δφ является характеристикой точности позиционирования планарного сканера измерительного комплекса. Что позволяет сравнить полученные результаты с ожидаемыми, оценить погрешности измерительного комплекса и использовать результаты калибровки при последующих измерениях путем введения в измеренное амплитудно-фазовое распределение для измеряемой антенны фазовых поправок Δψ=-Δφ, которые компенсируют фазовые погрешности, обусловленных погрешностью позиционирования зонда.
Таким образом, заявляемое устройство позволяет провести калибровку сверхвысокочастотного антенного измерительного комплекса ближней зоны с использованием простых, дешевых и малогабаритных антенн, характеристики которых определяются расчетным путем или экспериментально.
Источники информации:
1. Патент US 2010073246 SYSTEM AND METHOD FOR MEASURING ANTENNA RADIATION PATTERN IN FRESNEL REGION BASED ON PHI-VARIATION METHOD.
2. Патент RU 105466 АВТОМАТИЗИРОВАННЫЙ КОМПЛЕКС ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЙ РАДИОТЕХНИЧЕСКИХ ХАРАКТЕРИСТИК АПЕРТУРНЫХ АНТЕНН
3. http://www.priborelektro.ru/price/AIK%201-40A.php4?deviceid=3301
4. http://www.dipaul.ru/pub/Agilent_antenn_1200296296.pdf.