СПОСОБ ИЗМЕРЕНИЯ ПАРАМЕТРОВ АНТЕННЫХ СИСТЕМ С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ МЕТОДА ПРОСТРАНСТВЕННО-ВРЕМЕННОЙ СЕЛЕКЦИИ И СИСТЕМЫ АВТОМАТИЗИРОВАННОЙ НАСТРОЙКИ ДЛЯ ЕГО ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ
METHOD OF MEASURING PARAMETERS OF ANTENNA SYSTEMS USING SPACE-TIME SELECTION METHOD AND AUTOMATED SETUP SYSTEM THEREFOR

Изобретение относится к области антенных измерений и может быть использовано в измерительных комплексах (ИК) для повышения точности измерения диаграмм направленности (ДН), ширины ДН и уровня боковых лепестков (УБЛ) различных антенных систем (АС), а также для измерения эффективной площади рассеяния объектов и электромагнитной совместимости.
В настоящее время известен способ антенных измерений [1], заключающийся в том, что испытуемая АС устанавливается в компактном полигоне на координатно-поворотное устройстве (КПУ) и, работая в режиме приема на фиксированной частоте, облучается равномерным электромагнитным полем, которое формируется с помощью облучателя и коллиматорного зеркала [фиг. 1]. Вращая АС по угловым координатам, измеряют ее ДН, ширину ДН и УБЛ, при этом точность измерения данных параметров определяется величиной погрешностей, обусловленных паразитными отражениями от элементов комплекса, погрешностями генератора и приемника сигналов, а также отклонениями геометрии зеркала коллиматора от расчетной. Обеспечение требуемой точности измерений достигается путем покрытия стен и основных компонентов компактного полигона радиопоглощающим материалом (РПМ), что позволяет снизить паразитные отражения на полигоне (безэховой-экранированной камере - БЭК). Основными преимуществами данного способа являются скорость проводимых измерений и обеспечение информационной безопасности. Однако данный способ обладает следующими недостатками:
1. Невысокая точность измерений.
2. Точность проводимых измерений определяется качеством РПМ.
3. Невозможность учета помеховых составляющих, обусловленных:
- всеми отражениями от элементов измерительного комплекса;
- неоднородностью линий передачи СВЧ сигнала;
- рассогласованием в соединителях и подключаемых устройствах.
4. Определение параметров АС на фиксированной частоте:
См. фиг. 1
Известен способ антенных измерений, который отличается от [1] тем, что в качестве зондирующих сигналов используются нанопикосекундные импульсы с применением соответствующего временного окна [2, 3]. Достоинством данного метода является высокая скорость измерений. Однако для реализации данного способа необходимо наличие специальной аппаратуры (генераторы сверхкоротких импульсных сигналов, сверхширокополосные стробоскопические цифровые осциллографы), а также необходим дополнительный расчет параметров временного окна.
Наиболее близким к предлагаемому способу (прототипом) является многочастотный способ [4], заключающийся в проведении измерений в широком диапазоне частот с помощью генератора СВЧ сигнала в требуемом диапазоне и амплифазометра и последующем преобразованием во временную область с использованием дискретного преобразования Фурье (ДПФ), в которой возможна селекция полезного сигнала и фильтрация помеховых составляющих. Далее производится преобразование в частотную область с помощью обратного ДПФ (ОДПФ). Использование стандартного оборудования, широкий диапазон измерений, а также возможности по фильтрации помех являются достоинствами данного способа. Однако данный способ характеризуется весьма низкой скоростью измерений (около часа на одно сечение ДН) и необходимостью перенастройки параметров фильтрации для каждой испытуемой АС и конфигурации измерительного комплекса.
Таким образом, некоторые из существующих способов антенных измерений позволяют проводить фильтрацию помеховых составляющих в измерительном комплексе за счет использования РПМ, однако недостаточно эффективно решают эту задачу [1]. Другие способы [2, 3, 4] обеспечивают высокие требования к точности измерений, однако при этом либо возникает необходимость использования специализированного дорогостоящего оборудования, либо значительно уменьшается скорость проводимых измерений. Также на данный момент отсутствуют универсальные автоматизированные способы определения параметров фильтрации помеховых составляющих в измерительном комплексе.
Задачей заявленного изобретения, на решение которой направлено предлагаемое техническое решение, является обеспечение высоких требований к точности антенных измерений и скорости их проведения без применения специализированной аппаратуры.
Техническое решение достигается тем, что в способе измерения параметров антенных систем использован метод пространственно-временной селекции и система автоматизированной настройки для его осуществления.
Сущность способа измерения параметров антенных систем заключается в том, что измерения, в отличие от [1], проводятся в широком диапазоне частот с использованием метода пространственно-временной селекции фиг. 2, при помощи системы автоматизированной настройки параметров временной фильтрации помеховых составляющих СВЧ сигнала, а также использования в качестве генератора и приемника векторного анализатора цепей. Это позволяет с помощью ДПФ переходить из частотной области во временную, где производится селекция полезного сигнала и фильтрация помеховых составляющих. Далее, с помощью ОДПФ производится переход в частотную область, и фиксируются параметры сигнала для необходимых частот из измеренного диапазона. При этом использование векторного анализатора цепей позволяет проводить измерения с требуемой скоростью (менее минуты для одного сечения ДН).
Параметры временной области определяются с помощью системы автоматизированной настройки параметров временной фильтрации следующим образом:
<mrow><mi>Δ</mi><mi>f</mi><mo>≤</mo><mfrac><mi>c</mi><mrow><msub><mi>L</mi><mrow><mi>max</mi></mrow></msub></mrow></mfrac></mrow>
max
1. Задание шага по частоте, который определяет границы анализируемой временной области:
, где L - удвоенные линейные размеры камеры;
<mrow><mi>N</mi><mo>=</mo><mfrac><mrow><msub><mi>L</mi><mrow><mi>max</mi></mrow></msub></mrow><mrow><mi>Δ</mi><mi>L</mi></mrow></mfrac><mo>+</mo><mn>1</mn></mrow>
2. Задание количества дискретных частот:
, где ΔL - требуемое разрешение по длине;
<mrow><msub><mi>f</mi><mn>0</mn></msub><mo>−</mo><mi>Δ</mi><mi>f</mi><mfrac><mrow><mi>N</mi><mo>−</mo><mn>1</mn></mrow><mn>2</mn></mfrac><mo>…</mo><msub><mi>f</mi><mn>0</mn></msub><mo>…</mo><msub><mi>f</mi><mn>0</mn></msub><mo>+</mo><mi>Δ</mi><mi>f</mi><mfrac><mrow><mi>N</mi><mo>−</mo><mn>1</mn></mrow><mn>2</mn></mfrac></mrow>
0
3. Задание диапазона частот:
, где f - центральная частота;
4. Для текущей конфигурации комплекса на основе его геометрических размеров, длин коаксиальных кабелей и свойств распространения сигнала рассчитывается длина пути СВЧ сигнала от генератора к приемнику;
5. Задаются границы области полезных сигналов, определяемые типами испытуемых АС (геометрические размеры, параметры зеркала АС, особенности установки АС на КПУ);
1
0
2
6. Автоматический поиск максимума в области полезных сигналов и задание границ временного окна относительно найденного максимума t…t…t.
Процесс измерения ДН АС заключается в следующем:
1. Автоматизированная настройка измерительного комплекса и режима работы анализатора цепей:
Δf
N
- Расчет ,  для конфигурации ИК;
<mrow><msub><mi>f</mi><mn>1</mn></msub><mo>=</mo><msub><mi>f</mi><mn>0</mn></msub><mo>−</mo><mi>Δ</mi><mi>f</mi><mfrac><mrow><mi>N</mi><mo>−</mo><mn>1</mn></mrow><mn>2</mn></mfrac></mrow>
- Задание частотного диапазона:
0
где f - центральная частота;
1
0
2
- Расчет и задание границ временного окна: t…t…t;
2. Установка углового положения АС α;
α
1
2
3. Измерение амплитуды сигнала E(f) в частотном диапазоне f…f;
1
2
4. Применение весового окна в частотной области f…f;
5. Переход к временной области с помощью ДПФ;
1
2
6. Селекция области с границами t…t с помощью весового окна;
7. Переход к частотной области с помощью ОДПФ;
α
0
8. Запись E(f);
9. Повторение п. 2-8 для всех угловых координат;
E(α)
0
10. Построение ДН  для частоты f.
Способ измерения параметров антенных систем с использованием метода пространственно-временной селекции и системы автоматизированной настройки для его осуществления в заявленном изобретении был реализован на практике (фиг. 2). Результаты испытаний при измерении параметров эталонных АС в БЭК коллиматорным методом показали (фиг. 3):
1. Приближение измеренных ДН к эталонным значениям;
2. Повышение точности измерений УБЛ ДН на 12-50%;
3. Увеличение динамического диапазона измерений измерительного комплекса;
4. Скорость измерений аналогична стандартному способу [1];
5. Параметры временной фильтрации корректно устанавливаются вне зависимости от конфигурации комплекса и типа испытуемой АС.
Источники информации
1. Захарьев Л.Н., Леманский А.А., Турчин В.И., Цейтлин Н.М. Методы измерения характеристик антенн СВЧ. М.: Радио и связь, 1985.
2. Глебович Г.В., Андриянов А.В., Введенский Ю.В. и др. Исследование объектов с помощью пикосекундных импульсов. / Под ред. Глебовича. - М.: Радио и связь, 1984.
3. Пономарев Д.М., Горячев А.В. и др. Экспериментальное исследование антенных систем во временной области. - Изв. вузов. Сер. Радиофизика, 1987, т. 30, №8.
4. Калинин А.В. Многочастотные методики измерения характеристик антенн и аттестации измерительных установок. Антенны, 2004. Вып. 12 (91).