КОМПАКТНЫЙ ПОЛИГОН ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЯ ХАРАКТЕРИСТИК РАЗЛИЧНЫХ АНТЕННЫХ СИСТЕМ
COMPACT TESTING GROUND FOR MEASURING CHARACTERISTICS OF VARIOUS ANTENNA SYSTEMS

Предлагаемое изобретение относится к радиотехнике, к антенным измерениям и может быть использовано для исследования диаграмм направленности антенных систем, в частности АФАР, в условиях компактного полигона при работе как на прием, так и на передачу.
Известен компактный полигон [SU 1555686 А1, опубл. 07.04.1990 г.], содержащий коллиматорную зеркальную антенну с облучателем и плоский радиопоглощающий экран, расположенный перед испытуемой антенной. Коллиматорная зеркальная антенна выполнена осесимметричной. Облучатель и испытуемая антенна расположены соосно с коллиматорной зеркальной антенной. Плоский радиопоглощающий экран выполнен в виде диска, диаметр которого определяется по формуле.
Недостатком этого компактного полигона является невозможность измерения диаграмм направленности на передачу, что делает его непригодным для исследования антенных систем типа АФАР с высоким уровнем излучаемой импульсной мощности.
Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому изобретению является устройство для измерения параметров антенных систем [RU 2027194 С1, опубл. 20.01.1995 г.]. Оно содержит антенную решетку, генератор, выход которого является входом для подключения исследуемой антенны и соединен с первыми входами амплифазометров, выходы которых подключены к соответствующим входам вычислительного блока, и коммутаторы, соединенные управляющими входами с выходом блока управления, к входу блока управления подключен выход вычислительного блока. Кроме того, он содержит металлический экран, выполненный в виде усеченных пирамид, совмещенных большими основаниями с плоской частью экрана. Ось каждой пирамиды проходит через соответствующий узел координатной сетки антенной решетки по нормали к плоской части металлического экрана. На малом основании каждой пирамиды размещен излучатель антенной решетки, выполненный осесимметричным. Поверхность металлического экрана со стороны расположения излучателей покрыта поглощающим материалом, при этом каждый излучатель через коммутатор, который выполнен многоканальным, присоединен к второму входу амплифазометра. Блок управления имеет дополнительный выход для подключения исследуемой антенны. Каждый излучатель выполнен в виде двух идентичных проводящих элементов уголкового профиля, первые продольные кромки которых установлены параллельно на малом основании усеченной пирамиды, а вторые продольные кромки образуют зазор, в котором расположен подстроечный проводник, подсоединенный к одной из этих кромок. К другой продольной кромке одного из проводящих элементов подключен центральный проводник коаксиального фидера излучателя, а наружный его проводник подключен к металлическому экрану. Расстояния между узлами координатной сетки антенной решетки равны (1.3-1.7) λ, высота каждой усеченной пирамиды равна (1.9-2.2) λ, сторона ее большего основания равна (1.3-1.7) λ, а сторона ее малого основания равна (0.33-0.37) λ, где λ - рабочая длина волны. Первые продольные кромки проводящих элементов каждого излучателя антенной решетки соединены между собой проводящей пластиной, в которой выполнено отверстие для коаксиального фидера. Металлический экран установлен с возможностью перемещения вдоль нормали к его плоской части.
К недостаткам данного измерительного комплекса следует отнести сложность построения вспомогательной системы-подрешетки, зависимость ее профиля от конкретной испытуемой АФАР, необходимость сложной калибровки, что делает ее узконаправленной и малопригодной для испытания антенных систем различного класса и конструкции.
Техническим результатом предлагаемого изобретения является достижение возможности измерения диаграмм направленности антенных систем широкого класса и конструкций (в том числе АФАР) как в режиме приема, так и в режиме излучения высокой импульсной мощности.
Сущность предлагаемого компактного полигона для измерения характеристик различных антенных систем состоит в том, что он содержит тестируемую антенну, блок коммутации, блок управления и обработки и блок облучателей.
Новым в предлагаемом изобретении является то, что введены анализатор сигналов, индикатор, опорно-поворотное устройство, коллиматорное зеркало, первый и второй направленные ответвители, устройство поворота облучателей. Первый выход анализатора сигналов подключен к первому входу блока коммутации, первый вход анализатора сигналов соединен с первым выходом блока коммутации. Второй вход анализатора сигналов соединен со вторым выходом блока коммутации, первый вход-выход анализатора сигналов шиной соединен с первым входом-выходом устройства управления и обработки. Второй вход-выход устройства управления и обработки шиной подключен к первому входу-выходу блока коммутации, второй вход-выход блока коммутации соединен с первым входом-выходом первого направленного ответвителя, второй вход-выход которого подключен к третьему входу-выходу блока коммутации, а третий вход-выход первого направленного ответвителя соединен с входом-выходом тестируемой антенны. Четвертый вход-выход блока коммутации соединен со вторым входом-выходом второго направленного ответвителя, пятый вход-выход блока коммутации подключен к первому входу-выходу второго направленного ответвителя, третий вход-выход которого соединен с блоком облучателей. Пятый вход-выход устройства управления и обработки шиной соединен с опорно-поворотным устройством, на котором установлена тестируемая антенна. Третий вход-выход устройства управления и обработки шиной соединен с устройством поворота облучателей, а четвертый выход устройства управления и обработки подключен к индикатору.
Блок облучателей компактного полигона для измерения характеристик различных антенных систем выполнен в виде N облучателей с установленным на них экраном-поглотителем.
Одним из основных электродинамических параметров антенн является диаграмма направленности. Большинство коллиматорных комплексов измерения характеристик антенн и антенных систем предполагает измерение их характеристик только в режиме приема. При этом микроволновое оборудование генерирует монохроматический СВЧ сигнал слабого уровня соответствующей частоты, который облучает коллиматор и с его помощью преобразуется в плоскую электромагнитную волну, а также измеряет амплитуду и фазу принятого тестируемой антенной сигнала. Основным прибором в данной системе является анализатор сигналов. С появлением в настоящее время новых антенных систем (например, АФАР), в состав которых входят тысячи приемопередающих модулей, а следовательно, приемник и передатчик не могут быть выделены из самой антенны, возникает ряд технических трудностей в измерении их электродинамических характеристик. Антенна, передатчик и приемник в подобных антенных системах должны испытываться как единая система. Так как взаимность для АФАР не существует, должны быть измерены диаграммы направленности и на прием, и на передачу. Согласно этому требованию испытательный стенд должен обладать принципом взаимности, то есть должен быть пригоден для испытаний, как в режиме приема, так и режиме передачи. Источник сигнала и микроволновый приемник при этом должны иметь возможность подключения как к облучателю, так и к тестируемой антенной системе. При измерении антенных характеристик на передачу диаграмма направленности должна тестироваться в режиме излучения высокой импульсной мощности. Излучение высокой мощности в условиях ограниченного пространства БЭК требует применения специальных устройств-поглотителей мощности. Кроме того, важно, чтобы перекоммутация измерительной системы из одного режима в другой происходила с наименьшим вмешательством оператора. В этой связи предлагается компактный полигон для измерения характеристик различных антенных систем, а том числе и активных фазированных антенных решеток, позволяющий оперативно и быстро переходить от одного режима измерений к другому.
На фиг.1 - изображена функциональная схема предлагаемого компактного полигона для измерения характеристик различных антенных систем.
На фиг.2 - пример выполнения анализатора сигналов.
На фиг.3 - пример выполнения блока коммутации.
Компактный полигон для измерения характеристик различных антенных систем состоит из анализатора сигналов 1, устройства поворота облучателей 2, блока коммутации 3, тестируемой антенны 4, устройства управления и обработки 5, опорно-поворотного устройства 6, блока облучателей 7, индикатора 8, коллиматорного зеркала 9, второго направленного ответвителя 10, первого направленного ответвителя 11. Первый выход анализатора сигналов 1 подключен к первому входу блока коммутации 3, первый вход анализатора сигналов 1 соединен с первым выходом блока коммутации 3. Второй вход анализатора сигналов 1 соединен со вторым выходом блока коммутации 3, первый вход-выход анализатора сигналов 1 шиной соединен с первым входом-выходом устройства управления и обработки 5. Второй вход-выход устройства управления и обработки 5 шиной подключен к первому входу-выходу блока коммутации 3, второй вход-выход блока коммутации 3 соединен с первым входом-выходом первого направленного ответвителя 11, второй вход-выход которого подключен к третьему входу-выходу блока коммутации 3. Третий вход-выход первого направленного ответвителя 11 соединен с входом-выходом тестируемой антенны 4. Четвертый вход-выход блока коммутации 3 соединен со вторым входом-выходом второго направленного ответвителя 10, пятый вход-выход блока коммутации 3 подключен к первому входу-выходу второго направленного ответвителя, третий вход-выход которого соединен с блоком облучателей 7, пятый вход-выход устройства управления и обработки шиной соединен с опорно-поворотным устройством 6, на котором установлена тестируемая антенна 4, третий вход-выход устройства управления и обработки 5 шиной соединен с устройством поворота облучателей 2, на котором установлен блок облучателей 7, а четвертый выход устройства управления и обработки 5 подключен к индикатору 8.
Анализатор сигналов 1, пример выполнения которого представлен на фиг.2, состоит из генератора сигналов 12, приемника опорного канала 13, приемника измерительного канала 14.
Блок коммутации 3, пример выполнения которого представлен на фиг.3, состоит из первого 15, второго 16, третьего 17 и четвертого 18 коммутаторов и ключа 19.
Наиболее оптимальным для безопасности операторов является размещение анализатора сигналов 1, устройства управления и обработки 5 и индикатора 6 в операционном зале, а блока коммутации 3, первого 11 и второго 10 направленных ответвителей, опорно-поворотного устройства 6, тестируемой антенны 4, устройства поворота облучателей 2, блока облучателей 7 и коллиматорного зеркала 9 - в безэховой камере.
Компактный полигон для измерения характеристик различных антенных систем работает следующим образом: в режиме на прием сигнал, поступающий с устройства управления и обработки 5 на вход-выход 1 блока коммутации 3 переводит коммутаторы 15, 16, 17, 18 в положение, когда между собой оказываются замкнутыми их входы-выходы 1-2. При этом сигнал с выхода 1 анализатора сигналов 1 поступает на вход 1 блока коммутации 3, и затем через замкнутые контакты 1-2 коммутаторов 15, 16, через вход-выход 5 на вход второго направленного ответвителя 10. Ответвленный сигнал при этом с входа-выхода 2 второго направленного ответвителя 10, вход-выход 4 блока коммутации 3, а также замкнутые контакты 1-2 коммутатора 18 и его выход 1 поступает на вход 1 приемника опорного канала 13 анализатора сигналов 3. Основной сигнал с выхода 3 второго направленного ответвителя 10 подается на соответствующий частотному диапазону облучатель блока облучателей 7. Коллиматорное зеркало 9 создает плоское поле сигнала в зоне расположения тестируемой антенны. Принятые ей сигналы подаются на вход-выход 3 первого направленного ответвителя 11. Далее через его вход-выход 1 и вход-выход 2 блока коммутации 3 на его, соответствующим образом переключенный вручную в положение «прием», ключ 19, а через него на замкнутые контакты 1-2 коммутатора 17 блока коммутации 3. Затем через выход 2 блока коммутации 3 и вход 2 приемника измерительного канала 14 анализатора сигналов 1.
В режиме измерения тестируемой антенны на передачу диаграммообразующим является вход суммарного канала тестируемой антенны 4, при этом схема измерения - обратная. На вход-выход 1 блока коммутации 3 по шине с устройства управления и обработки 5 подается сигнал, который синхронно переводит коммутаторы 15, 16, 17, 18 в состояние, при котором замкнутыми оказываются их контакты 1-3. При этом сигнал с выхода 1 генератора сигналов 12 анализатора сигналов 1 через вход 1 блока коммутации 3, замкнутые контакты 1-3 коммутатора 15 и переключенный вручную в положение «передача» ключ 19 и вход-выход 2 блока коммутации 3 попадает на вход-выход первого направленного ответвителя 11. Основная часть сигнала через прямой канал первого направленного ответвителя поступает на его вход-выход 3 и далее на суммарный вход исследуемой антенны 4. Ответвленная часть сигнала через вход-выход 2 первого направленного ответвителя 11, вход-выход 3 блока коммутации 3, замкнутые контакты 1-3 коммутатора 18 через выход 1 блока коммутации 3 - на вход 1 приемника опорного канала 13 анализатора сигналов 1. Излучаемый тестируемой антенной 4 сигнал, сфокусированный коллиматорным зеркалом 9, принимается частично облучателем и через вход-выход 1 второго направленного ответвителя 10 поступает на вход-выход 5 блока коммутации 3. Затем через замкнутые контакты 1-3 коммутатора 16 и 17 - на выход 2 блока коммутации 3 и через вход 2 - на приемник измерительного канала 14 анализатора сигналов 1, где проводится его анализ. Основная же часть СВЧ-энергии рассеивается на металлическом экране-поглотителе, установленном в блоке излучателей 7. Информация об измерениях поступает с устройства управления и обработки 5 на индикатор 1. Управление работой устройства поворота облучателей осуществляется с устройства управления и обработки 5.
Таким образом, компактный полигон для измерения характеристик различных антенных систем позволяет реализовать возможность измерения диаграмм направленности антенных систем широкого класса и конструкций (в том числе АФАР) в безэховой камере, отвечает принципу взаимности компактного полигона, как в режиме приема, так и в режиме излучения высокой импульсной мощности в условиях, максимально приближенных к реальным, а также в значительном сокращении времени перехода от измерений «на прием» к измерениям «на передачу», за счет автоматической перекоммутации микроволнового измерительного оборудования и, как следствие, повышения точности проводимых измерений. Поскольку при работе обслуживающий персонал и значительная часть измерительной аппаратуры находится в операторном зале, а тестируемая антенная система в безэховой камере, с значительной экранировкой между ними, все виды антенных измерений на данном комплексе безопасны для человека.