Метод и мобильный комплекс измерения электромагнитного поля и параметров антенн
METHOD AND MOBILE COMPLEX FOR MEASUREMENT OF ELECTROMAGNETIC FIELD AND ANTENNA PARAMETERS

Изобретение относиться к компактным и мобильным устройствам для измерения электромагнитного поля и направленных свойств (амплитудно-фазовых характеристик) антенн, антенных решеток либо их модулей.
Актуальной задачей является измерение параметров антенных устройств непосредственно по месту эксплуатации и уменьшение габаритов измерительного оборудования за счет проведения измерений в ближней зоне и применения программно-математического комплекса для вычисления направленных свойств (амплитудно-фазовых характеристик) антенн, антенных решеток, либо их модулей.
Известно изобретение – Многофункциональный компактный полигон [патент RU2694636C1 «Многофункциональный компактный полигон» АО «НПП «КПЗ «Тайфун», 18.12.2018]. Устройство, предназначено для измерения характеристик антенн внутри собственного объема (камеры) за счет использования зеркального коллиматора.
К недостаткам устройства можно отнести его размеры. По сравнению с безэховой камерой многофункциональный компактный полигон мал, но значительно превышает несколько апертур антенн. Нет возможности проведения измерений характеристик антенн, установленных на штатный объект эксплуатации.
измеряемой антенной (далее по тексту - ИА)
Среди компактных систем измерения характеристик антенных решеток, работающих в ближней зоне, известно устройство по патенту [US8502546B2 «Multichannel absorberless near field measurement system» Adiseshu Nyshadham, Ruska Patton, Jason Jin, 06.08.2013]. В устройстве по патенту, как и в заявленном устройстве, осуществляется измерение направленных свойств (амплитудно-фазовых характеристик) антенн и антенных решеток, либо их модулей. Антенная часть измерительной системы выполнена в виде антенной решетки из вибраторов (зондов), которые измеряют поле в ближней зоне, формируемое . Поскольку для измерения поля в ближней зоне с высокой точностью необходимо большое число точек измерения, то в патенте предложено располагать зонды с шагом равным 5 длин зонда.
К недостаткам можно отнести: высокие погрешности измерений из-за редкого шага зондов; большое количество зондов вблизи ИА (менее четверти длины волны), что приводит к их взаимовлиянию и искажению измеряемых характеристик; использование вибраторов в качестве зондов приводит к сильному ограничению рабочих частот ИА; в случае измерения антенн на других частотах необходимо заменять систему измерительных зондов целиком. Данный тип устройства не позволяет производить измерения при различных климатических воздействиях.
Патент [US8750354B1 «Nearfield testing architecture», Lockheed Martin Corp., 10.07.2014] принят за прототип.
В прототипе, как и в заявленном устройстве, осуществляется измерение направленных свойств (амплитудно-фазовых характеристик) антенн в ближней зоне. Кронштейн с зонд-антенной крепится к позиционеру с системой контроля положения. Измерение производится в декартовой системе координат. Используется для измерения характеристик антенн в ближней зоне.
К недостаткам прототипа относятся:
- данный тип устройства не позволяет производить измерения при различных климатических воздействиях и вне лабораторных условий;
- данный тип устройства не является мобильным;
- данный тип устройства не позволяет производить измерения антенн, установленных на штатный объект эксплуатации.
Изобретение не обладает данными недостатками.
Подробное описание изобретения:
мобильного измерительного комплекса
далее по тексту - МИК)
Целью изобретения являлось получение  ( для измерения электромагнитного поля и направленных свойств (амплитудно-фазовых характеристик) ИА установленной не на лабораторном стенде или специализированном полигоне, а на штатном месте эксплуатации. МИК по результату своей работы схож с измерением характеристик антенн в безэховой камере классическими методами. Принцип работы МИК - преобразование измеренных полей в ближней зоне в характеристики поля в дальней зоне. Основным отличием МИК является его компактность (размер МИК на 20 % больше наибольшего габаритного размера ИА) и мобильности, что достигается за счет использования манипулятора и специальной системы управления движением зонда. Основным отличием метода измерений является возможность измерения характеристик ИА при его штатном расположении на месте установки/эксплуатации без применения специализированных безэховых камер или измерительных полигонов. В МИК применяется зонд-антенна или набор (комплект) зонд-антенн, что позволяет проводить измерения ИА в широком диапазоне частот и для различных типов ИА. МИК применим для использования в научно-исследовательских лабораториях, на производстве и при контроле работоспособности в период эксплуатации. МИК позволяет выявить некорректно работающие модули АФАР и провести их настройку (юстировку), при наличии такой возможности у АФАР. Установка данного МИК не потребует расширения занимаемых площадей и обеспечит необходимый уровень точности измерений при контроле антенн в ходе их разработки, производства и эксплуатации. Установка МИК возможна на подвижные средства, например, на автомобили.
Изобретательский уровень достигается за счет получения МИК направленных свойств (амплитудно-фазовых характеристик) ИА с точностями, достигаемыми в безэховых камерах классическими методами, но при значительно более компактном исполнении, а использование метода измерений с расположением измерительного оборудования вблизи от ИА (за счет применения манипулятора) позволяет проводить измерения ИА в условиях реального окружения, оказывающего влияние на ИА, при этом не оказывая влияния на точность измерений.
Измерения характеристик ИА возможны как с использованием плоского позиционера (на нем закреплена зонд-антенна), так и с применением цилиндрического и сферического позиционеров в зависимости от типа ИА.
МИК может быть метрологически аттестован как средство измерений. Методики измерений с использованием плоского позиционера соответствуют ГОСТ 8.309-78, нестандартные методики измерений ИА могут быть метрологически аттестованы в соответствии с ГОСТ Р 8.563-2009.
На Фиг.1 показана блок-схема МИК, которая позволяет проводить измерения пассивных ИА 1 на объекте установки антенны 2.
На Фиг.2 показан МИК, в аппаратно-вычислительном комплексе 12 которого использованы генератор 16 или анализатор спектра (или цифровой осциллограф) 17 и контроллер взаимодействия 18 с ИА 1. Такая схема необходима при измерениях активных ИА 1.
Достоинства вышеописанной конструкции:
МИК позволяет получить точность измерений сопоставимую с измерениями в дальней, ближней или в промежуточной зоне в полноразмерной безэховой камере. Размер МИК и наличие манипулятора позволяет устанавливать его в любом помещении для обслуживания объекта установки ИА, в том числе:
- на производстве для оперативного контроля (например, предъявительские или приемо-сдаточные испытания) производимых антенн или входного контроля;
- на отдельных машинах обслуживания, обеспечивающих измерения характеристик непосредственно по месту размещения ИА;
- на местах технического обслуживания машин с установленными на них антеннами или антенными решетками.
Компактность и мобильность МИК позволяет существенно расширить область применения.
Метод измерений обеспечивает возможность применения манипулятора и специализированных позиционеров таким образом, чтобы не оказывать влияния на измерительное оборудование МИК, что позволяет проводить антенные измерения в непосредственной близи от ИА на штатном месте установки.
Раскрытие и осуществление изобретения:
Первым существенным признаком, достаточным для достижения, указанного выше, технического результата, является применение метода измерения антенн в ближней зоне.
Вторым существенным признаком является применение высокоточного позиционера с системой стабилизации, передвигающего зонд-антенну в любой системе координат, что позволяет получить высокую точность исходных данных для последующей обработки.
Третьим существенным признаком является применение радиопоглощающих материалов внутри экранированного пространства, что позволяет уменьшить уровень переотражений и обеспечить необходимую точность измеряемых параметров при малых размерах измерительного оборудования.
Четвертым существенным признаком является применение метода измерений с применением манипулятора и специального позиционера, которые совместно обеспечивают однозначное расположение зонд-антенны относительно ИА.
Пятым существенным признаком является применение климатического оборудования для создания независимого климата для позиционера и измерительного оборудования.
Шестым существенным признаком является применение радиопрозрачной термоизоляционной перегородки для создания независимого климата для позиционера и проникновения радиоволн.
Работа МИК:
ИА 1, установленный в штатном положении на объекте эксплуатации 2, устанавливают вблизи МИК. МИК, за счет применения манипулятора 11 располагает корпус 7 напротив ИА 1. Корпус 7 жестко закреплен к манипулятору 11. Внутри корпуса 7 находятся позиционер 3, система стабилизации позиционера 5, зонд-антенна 4. В корпусе 2 установлен поглощающий материал 8, радиопрозрачные перегородки 6. Внутренний объем 19 корпуса 2 соединен патрубком 9 с климатическим оборудованием 10.
Позиционер 3, система стабилизации позиционера 5, климатическое оборудование 10 и манипулятор 11 соединены с контроллером управления 13, который входит в состав аппаратно-вычислительного комплекса 12. Все соединения обеспечивают взаимный обмен данными и командами, необходимыми для проведения измерений.
Программно-аппаратный комплекс 12 в случае измерения пассивной ИА 1 или пассивной части ИА 1 состоит из контроллера управления 13, векторного анализатора цепей 14, и ПЭВМ управления 15, которое содержит программно-математический комплекс проведения измерений и обработки результатов.
Если ИА 1 является активной, то векторный анализатор цепей 14 может быть заменен на генератор 16 или анализатор спектра (или цифровой осциллограф) 17.
Климатическое оборудование 10 позволяет поддерживать требуемые температуры внутри корпуса 7, обеспечивая требуемые условия для высокоточного позиционирования.
Система стабилизации позиционера 5 позволяет обеспечить требуемое взаимное расположение зонд-антенны 4 относительно ИА 1 в течение всего измерения. Система стабилизации позиционера 5 определяет изменение взаимного расположения зонд-антенны 4 и ИА 1, например, за счет вибраций или смещений манипулятора, и на основании этих данных контроллер управления 13 изменяет положение зонд-антенны 4 на позиционере 5 и/или манипулятора 11, компенсируя внешние воздействия.
После установки МИК вблизи объекта установки 2 ИА 1 манипулятором 11 корпус 2 перемещается в положение для проведения измерений. На программно-аппаратном комплексе 12 задается режим измерения характеристик ИА. Время проведения измерений можно сократить путем оптимизации числа точек измерения в зависимости от задачи. После проведения измерений результаты доступны в нескольких стандартных форматах данных, в том числе формируется отчет о проведенном измерении на основании исходных данных и полученных результатов. В результате обработки измерений могут быть получены данные о поломке или нештатной работе какой-то части ИА 1.
Кроме измерений характеристик электромагнитного поля и параметров МИК позволяет производить калибровку ИА 1, если такая возможность заложена в систему управления ИА 1.