УСТРОЙСТВО ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЯ ПАРАМЕТРОВ ДИАГРАММЫ НАПРАВЛЕННОСТИ АНТЕНН
DEVICE FOR MEASUREMENT OF ANTENNA DIRECTIVITY DIAGRAM PARAMETERS

Изобретение относится к технике антенных измерений и может быть использовано для измерения диаграмм направленности (ДН) антенн наземного расположения, в том числе и в дальней зоне.
Одним из основных технических параметров антенн, характеризующих электродинамический режим их функционирования, является диаграмма направленности (ДН). Для радиолокационных станций (РЛС), работающих, например, в импульсном режиме, важно знать параметры антенн как на передачу, так и на прием. При этом у современных РЛС эти параметры могут существенно различаться. Одним из важнейших параметров ДН антенны в этом случае является взаимное расположение ДН антенны в пространстве на передачу и на прием. Раздельное выполнение во времени измерений ДН антенны на передачу и на прием может привести к возникновению недопустимо больших ошибок. Экспериментальная оценка параметров ДН антенн является сложной измерительной задачей, которая решается на основе методик выполнения измерений и устройств для их реализации. При этом качественное решение данной задачи является актуальным, так как процедура (точность) измерения параметров ДН антенны представляет достаточно трудоемкий и технически сложный процесс. При этом точность измерения параметров и характеристик ДН антенн в различных режимах их функционирования является важным фактором при обосновании требований к радиолокационным системам различного назначения, например по электромагнитной совместимости.
Известно устройство для измерения ДН антенны /1. Устройство для измерения ДН антенны. - Патент на изобретение RU №2370781, G01R 29/10, 20.10.2009 г./, содержащее генератор сигнала, соединенный со вторым выходом ЭВМ, выход которого подключен к входу вспомогательной антенны, последовательно соединенные соединительный смеситель, вход которого подключен к выходу исследуемой антенны, установленной на поворотном стенде, вход которого подключен к выходу блока управления, вход которого связан с первым выходом ЭВМ, усилитель промежуточной частоты, пиковый детектор, вход которого подключен к усилителю промежуточной частоты, блок выборки-хранения, генератор качающей частоты, первый выход которого подключен ко второму входу соединительного смесителя, а второй выход - к входу «Сброс» пикового детектора и входу «Выборка» блока выборки-хранения, выход которого соединен с входом аналогово-цифрового преобразователя, связанного выходом с входом ЭВМ.
Недостатком данного устройства для измерения ДН антенны является низкая точность измерения параметров ДН антенны, обусловленная тем, что измерение параметров ДН осуществляется при наличии существенных временных ошибок измерения.
Наиболее близким по технической сущности к заявленному изобретению является принятое за прототип устройство автоматического контроля вторичных параметров антенн, представленное на фиг. 1 /2. Устройство автоматического контроля вторичных параметров антенн. - Патент на изобретение RU №2364878, G01R 29/10, 20.08.2009 г./. Устройство содержит: последовательно соединенные приемную антенну - 2, фазовращатель - 5, волновой тройник - 6, измерительный приемник - 1, блок оцифровки - 7 и устройство обработки и управления – 8, четвертый, пятый и шестой входы которого соединены соответственно с тремя выходами блока сопряжения - 9, вход которого является выходом устройства наведения и сопровождения - 12, последовательно соединенные первый датчик вал-код - 10.1, первый следящий привод - 4.1 и поворотный стол азимутального вращения приемной антенны - 3.1, который механически соединен с горизонтальной осью вращения приемной антенны и первым датчиком вал-код, последовательно соединенные второй датчик вал-код - 10.2, второй следящий привод - 4.2 и поворотный стол угломестного наклона приемной антенны - 3.2, который механически соединен с угломестной осью вращения приемной антенны и вторым датчиком вал-код, а также содержащее синхронизатор - 11, три выхода которого соединены соответственно со вторыми входами измерительного приемника, блока оцифровки и устройства обработки и управления, первый выход которого подключен ко второму входу фазовращателя, второй выход - ко второму входу первого следящего привода, третий выход - ко второму входу второго следящего привода, а третий и седьмой входы соответственно ко вторым выходам первого и второго следящих приводов. Данное устройство позволяет контролировать вторичные параметры антенн и расширить функциональные возможности устройств в части измерения ДН антенн.
Недостатками данного устройства для измерения ДН антенн являются: отсутствие возможности измерения ДН антенны на передачу; отсутствие возможности измерения ДН антенны на передачу и на прием одновременно, т.е. при одном взаимном положении источника измерительного сигнала (при измерении ДН антенны на прием) и измерителя мощности излучаемого измеряемой антенной сигнала (при измерении ДН антенны на передачу).
Задачей изобретения является аппаратно-программное управление процессом измерения параметров ДН антенн импульсных РЛС на прием и передачу в едином временном цикле, при котором взаимное положение источника измерительного сигнала (при измерении ДН антенны на прием) и измерителя сигнала излучаемого исследуемой антенной (при измерении ДН антенны на передачу) остается практически неизменным.
Техническим результатом, обеспечивающим решение указанной задачи, является повышение точности и информативности измерения параметров ДН антенны за счет синхронизации функционирования измерительных устройств и источников измерительных сигналов устройства на прием/передачу во временной области.
Указанная задача и достижение заявленного технического результата достигаются за счет того, что в известное устройство, содержащее последовательно соединенные исследуемую антенну, фазовращатель, волновой тройник, измерительный приемник, блок оцифровки и устройство обработки и управления, четвертый, пятый и шестой входы которого соединены соответственно с тремя выходами блока сопряжения, вход которого является выходом устройства наведения и сопровождения, последовательно соединенные первый датчик вал-код, первый следящий привод и поворотный стол азимутального вращения приемной антенны, который механически соединен с горизонтальной осью вращения приемной антенны и первым датчиком вал-код, последовательно соединенные второй датчик вал-код, второй следящий привод и поворотный стол угломестного наклона приемной антенны, который механически соединен с угломестной осью вращения приемной антенны и вторым датчиком вал-код, а также содержащее синхронизатор, три выхода которого соединены соответственно со вторыми входами измерительного приемника, блока оцифровки и устройства обработки и управления, первый выход которого подключен ко второму входу фазовращателя, второй выход - ко второму входу первого следящего привода, третий выход - ко второму входу второго следящего привода, а третий и седьмой входы соответственно ко вторым выходам первого и второго следящих приводов, согласно изобретению дополнительно введены последовательно соединенные устройство приема сигнала синхронизации и формирователь стробов измерения, первый выход которого соединен с первым входом электронного переключателя, второй выход - с первым входом измерителя, а третий выход - с входом генератора сигналов, выход которого является вторым входом электронного переключателя, первый выход которого соединен со вторым входом измерителя, а второй выход - с входом вспомогательной антенны, выход которой является третьим входом электронного переключателя, а также связанное по радиоканалу с устройством приема сигнала синхронизации устройство передачи сигнала синхронизации, вход которого является четвертым выходом синхронизатора, и передающее устройство, выход которого является входом исследуемой антенны, а вход соединен с четвертым выходом синхронизатора.
Предложено устройство, содержащее существенные признаки прототипа:
последовательно соединенные исследуемую антенну, фазовращатель, волновой тройник, измерительный приемник, блок оцифровки и устройство обработки и управления, четвертый, пятый и шестой входы которого соединены соответственно с тремя выходами блока сопряжения, вход которого является выходом устройства наведения и сопровождения, последовательно соединенные первый датчик вал-код, первый следящий привод и поворотный стол азимутального вращения приемной антенны, который механически соединен с горизонтальной осью вращения приемной антенны и первым датчиком вал-код, последовательно соединенные второй датчик вал-код, второй следящий привод и поворотный стол угломестного наклона приемной антенны, который механически соединен с угломестной осью вращения приемной антенны и вторым датчиком вал-код, а также содержащее синхронизатор, три выхода которого соединены соответственно со вторыми входами измерительного приемника, блока оцифровки и устройства обработки и управления, первый выход которого подключен ко второму входу фазовращателя, второй выход - ко второму входу первого следящего привода, третий выход - ко второму входу второго следящего привода, а третий и седьмой входы соответственно ко вторым выходам первого и второго следящих приводов.
Сопоставительный анализ с прототипом показывает, что предложенное устройство обладает другими существенными, отличительными от прототипа признаками:
наличием новых элементов - введены последовательно соединенные устройство приема сигнала синхронизации и формирователь стробов измерения, первый выход которого соединен с первым входом электронного переключателя, второй выход - с первым входом измерителя, а третий выход - с входом генератора сигналов, выход которого является вторым входом электронного переключателя, первый выход которого соединен со вторым входом измерителя, а второй выход - с входом вспомогательной антенны, выход которой является третьим входом электронного переключателя, а также связанное по радиоканалу с устройством приема сигнала синхронизации устройство передачи сигнала синхронизации, вход которого является четвертым выходом синхронизатора, и передающее устройство, выход которого является входом исследуемой антенны, а вход соединен с четвертым выходом синхронизатора.
Ниже изобретение и сущность предлагаемого устройства описаны более детально.
На фиг. 2 представлена схема предлагаемого устройства для измерения параметров ДН антенн. Данное устройство содержит: измерительный приемник - 1, исследуемую антенну - 2, поворотные столы азимутального вращения приемной антенны - 3.1 и угломестного наклона приемной антенны - 3.2, первый и второй следящие приводы - 4.1, 4.2, фазовращатель - 5, волноводный тройник - 6, блок оцифровки - 7, устройство обработки и управления - 8, блок сопряжения - 9, первый и второй датчики вал-код - 10.1, 10.2, синхронизатор - 11, устройство наведения и сопровождения - 12, генератор сигналов - 13, измеритель - 14, электронный переключатель - 15, вспомогательную антенну - 16, устройство передачи сигнала синхронизации - 17, устройство приема сигнала синхронизации - 18, формирователь стробов измерения - 19, передающее устройство - 20.
При этом последовательно соединены исследуемая антенна - 2, фазовращатель - 5, волновой тройник - 6, измерительный приемник - 1, блок оцифровки - 7 и устройство обработки и управления – 8, четвертый, пятый и шестой входы которого соединены соответственно с тремя выходами блока сопряжения - 9, вход которого является выходом устройства наведения и сопровождения - 12, последовательно соединенные первый датчик вал-код -10.1, первый следящий привод - 4.1 и поворотный стол азимутального вращения приемной антенны - 3.1, который механически соединен с горизонтальной осью вращения исследуемой антенны - 2 и первым датчиком вал-код - 10.1, последовательно соединенные второй датчик вал-код - 10.2, второй следящий привод - 4.2 и поворотный стол угломестного наклона приемной антенны - 3.2, который механически соединен с угломестной осью вращения исследуемой антенны - 2 и вторым датчиком вал-код - 10.2, а также содержащее синхронизатор - 11, три выхода которого соединены соответственно со вторыми входами измерительного приемника - 1, блока оцифровки - 7 и устройства обработки и управления - 8, первый выход которого подключен ко второму входу фазовращателя - 5, второй выход - ко второму входу первого следящего привода - 4.1, третий выход - ко второму входу второго следящего привода - 4.2, а третий и седьмой входы соответственно ко вторым выходам первого - 4.1 и второго - 4.2 следящих приводов.
При этом устройства 1 - 12 конструктивно и функционально аналогичны, приведенным, например, в /2. Устройство автоматического контроля вторичных параметров антенн. - Патент на изобретение RU №2364878, G01R 29/10, 20.08.2009 г./.
Кроме того, последовательно соединены устройство приема сигнала синхронизации - 18 и формирователь стробов измерения - 19, первый выход которого соединен с первым входом электронного переключателя - 15, второй выход - с первым входом измерителя - 14, а третий выход - с входом генератора сигналов - 13, выход которого является вторым входом электронного переключателя - 15, первый выход которого соединен со вторым входом измерителя - 14, а второй выход - с входом вспомогательной антенны - 16, выход которой является третьим входом электронного переключателя - 15, а также синхронизатор – 11, четвертым выходом соединенный со входом устройства передачи сигнала синхронизации - 17, связанного по радиоканалу с устройством приема сигнала синхронизации - 18, и входом передающего устройства - 20, выход которого является входом исследуемой антенны - 2.
Для реализации предлагаемого технического решения может быть использовано стандартное оборудование. Так, например, в качестве передающего устройства - 20 может быть использован векторный генератор сигналов типа Agilent Е4438С /3. Контрольно-измерительные решения Agilent. США: каталог фирмы Agilent, 2014 г./ или передающее устройство, являющееся элементом стандартной РЛС, аналогичное приведенному, например, в /4. Радиолокационные устройства / Под. ред. В.В. Григорина-Рябова. М.: Сов. Радио, 1970, 680 стр./.
В качестве устройства передачи сигнала синхронизации - 17 может быть использовано устройство приема-передачи сигналов (тип Wi-Fi точка доступа) типа NanoStation loco М2 /5. Руководство по эксплуатации на модуль. США: фирма Ubiquiti Networks, 2014/.
В качестве устройства приема сигнала синхронизации - 18 может быть использовано устройство приема-передачи сигналов (тип Wi-Fi точка доступа) типа NanoStation loco М2 /5. Руководство по эксплуатации на модуль. США: фирма Ubiquiti Networks, 2014/.
В качестве формирователя стробов измерения - 19 может быть использовано устройство типа импульсного генератора на логических схемах /6. Горшков Б.И., Горшков А.Б. Электронная техника. М.: Изд. Центр «Академия», 2008 г., стр. 230/.
В качестве измерителя - 14 может быть использован анализатор спектра Agilent N9917A /3. Контрольно-измерительные решения Agilent. США: каталог фирмы Agilent, 2014 г./.
В качестве электронного переключателя - 15 может быть использовано устройство типа коаксиального переключателя Agilent U1810B /3. Контрольно-измерительные решения Agilent. США: каталог фирмы Agilent, 2014 г. /.
При этом устройства - 13 и 16 конструктивно и функционально аналогичны, приведенным, например, в /1. Устройство для измерения ДН антенны. - Патент на изобретение RU №2370781, G01R29/10, 20.10.2009 г./.
Предлагаемое устройство работает следующим образом.
Исследуемая антенна - 2 механически присоединена к осям вращения поворотных столов - 3.1 и - 3.2. К данным осям также механически присоединены датчики вал-код - 10.1 и 10.2 соответственно.
Устройство наведения и сопровождения - 12 выдает три координаты (например, азимут, дальность и угол места) вспомогательной антенны - 16 (антенна может работать на прием/передачу) по отношению к исследуемой антенне - 2 (антенна может работать на прием/передачу), которые через три выхода блока сопряжения - 9 поступают по четвертому, пятому и шестому входам в устройство обработки и управления - 8. Устройство обработки и управления - 8 выдает управляющие команды по наведению исследуемой антенны - 2 в требуемом направлении на вспомогательную антенну - 16. Для этого команды управления со второго и третьего выходов устройства обработки и управления - 8 поступают на вторые входы следящих приводов - 4.1 и - 4.2 соответственно. Данные следящие приводы на основании принятых команд, а также на основании текущих углов поворотов исследуемой антенны - 2, получаемых с выходов датчиков вал-код - 10.1 и -10.2, формируют управляющие команды, выдаваемые со своих первых выходов на входы поворотных столов - 3.1 и - 3.2, тем самым, наводя исследуемую антенну - 2 в требуемом направлении на вспомогательную антенну - 16. Со вторых выходов следящих приводов - 4.1 и - 4.2 информация о текущем положении исследуемой антенны - 2 поступает соответственно на третий и седьмой входы в устройство обработки и управления - 8.
Синхронизацию работы устройства для измерения параметров ДН исследуемой антенны - 2 на передачу осуществляет синхронизатор - 11 путем формирования сигнала, соответствующего началу работы со своего четвертого выхода на вход передающего устройства – 20, последовательно связанного с исследуемой антенной – 2, на передачу, а через устройство передачи сигнала синхронизации - 17 по радиоканалу передает его через устройство приема сигнала синхронизации - 18 на последовательно связанный с ним формирователь стробов измерения - 19.
Формирователь стробов измерения - 19 с первого выхода выдает строб коммутации на первый вход электронного переключателя - 15, а со второго выхода - строб измерения на первый вход измерителя - 14. Временное положение строба коммутации (измерения) должно соответствовать временному участку, на котором отсутствует мешающее действие сигналов, отраженных от местных предметов и метеорологических образований. По стробу коммутации электронный переключатель - 15 через свои первый выход и третий вход подключает второй вход измерителя - 14 к выходу вспомогательной антенны - 16. Измеритель - 14 в стробе измерения, совпадающем по времени со временем излучения исследуемой антенны - 2, производит измерение мощности сигнала исследуемой антенны, работающей на излучение, и запоминает результат измерения в электронной памяти.
Для измерения параметров ДН исследуемой антенны - 2 на прием формирователь стробов измерения - 19 с первого выхода снимает строб коммутации, поступавший до этого на первый вход электронного переключателя - 15, при этом электронный переключатель - 15 через свой второй вход и второй выход подключает выход генератора сигналов - 13 к входу вспомогательной антенны - 16, одновременно формирователь стробов измерения - 19 со своего третьего выхода выдает строб генерации на вход генератора сигналов - 13. Генератор сигналов - 13 в стробе, совпадающем по времени со временем отсутствия в приемном тракте сигналов, отраженных от местных предметов и метеорологических образований, формирует измерительный сигнал, который через электронный переключатель - 15 подается во вспомогательную антенну - 16 и излучается в направлении на исследуемую антенну - 2.
С выхода данной антенны - 2 принятый сигнал поступает в измерительный приемник - 1 через фазовращатель - 5 и волноводный тройник - 6. С выхода измерительного приемника - 1 измеренный сигнал поступает на блок оцифровки - 7, откуда цифровой код данного сигнала поступает на первый вход устройства обработки и управления - 8, в электронной памяти которого запоминается результат измерения параметров диаграммы направленности исследуемой антенны - 2 на прием. При необходимости устройство обработки и управления - 8 формирует через первый выход команду управления, выдаваемую на второй вход фазовращателя - 5, что приводит к изменению фазы принимаемого сигнала после отработки фазовращателем - 5 поступившей команды.
Синхронизацию работы устройства для измерения параметров ДН антенн на прием осуществляет синхронизатор - 11 путем формирования стробов с первого, второго и третьего выходов на вторые входы измерительного приемника - 1, блока оцифровки - 7 и устройства обработки и управления - 8, совпадающих по времени с временем отсутствия в приемном тракте устройства сигналов, отраженных от местных предметов и метеорологических образований, по которым в приемном тракте исследуемой антенны - 2 производится измерение и запоминание мощности принятого сигнала.
Таким образом, применение предлагаемого устройства позволит выполнить измерение параметров ДН антенны на прием и передачу в едином временном цикле, при котором взаимное положение источника измерительного сигнала (при измерении ДН антенны на прием) и измерителя излучаемого исследуемой антенной сигнала (при измерении ДН антенны на передачу) остается практически неизменным. Это позволит повысить точность измерения параметров ДН антенны за счет синхронизации по времени функционирования измерительного приемника, блока оцифровки и устройства обработки и управления с запуском (генерацией и измерением) излучения исследуемой антенны, измерителя и генератора сигналов.
Таким образом, отличительные признаки заявляемого устройства для измерения параметров ДН антенн обеспечивают появление новых свойств, не достигаемых в прототипе и аналогах. Проведенный сопоставительный анализ известных технических решений (аналогов) в исследуемой и смежных предметных областях позволил установить: аналоги с совокупностью признаков, тождественных всем признакам заявленного технического решения, отсутствуют, что указывает на соответствие заявленного устройства условию "новизны".
Результаты поиска известных решений в области радиолокации, радиотехники и антенных измерений с целью выявления признаков, совпадающих с отличительными от прототипа признаками заявляемого устройства, показали, что они не следуют явным образом из уровня техники. Также не выявлена известность влияния предусматриваемых существенными признаками заявленного изобретения действий на достижение указанного технического результата. Следовательно, заявленное изобретение соответствует условию патентоспособности "изобретательский уровень".
Изобретение является "промышленно приемлемым", поскольку предлагаемое устройство не требует существенной конструкционной доработки известного устройства и может быть внедрено в существующих устройствах для измерения ДН антенн, а также использоваться в различных областях радиолокации, радиотехники и антенных измерений.