Методы контроля качественных показателей активных фазированных антенных решеток. Часть 2. Измерения в ближней зоне

п Ч

пп

Методы контроля качественных

азателеи активных жированных антенных решеток

Часть 2. Измерения в ближней зоне

А.М. ШИРЯЕВ,

независимый эксперт, доцент, к.т.н.

Г.В. СБИТНЕВ,

независимый эксперт, доцент, к.т.н.

Quality indicators monitoring of microwave active phased array antennas Part 2. Measurements in the near zone

In this paper an overview of the microwave antenna testing methods as well as their test benches description is finalized. The article contains a number of testing methods in the near field, which are actively developing in the last decade and are admitted as a real alternative to traditional kinds of the test. A special attention is given to active phased array antennas measurement features.

Настоящей статьей завершается обзор основных методов тестирования антенных систем СВЧ-диапазона, опубликованный в предыдущем номере журнала («Век качества», 2015, № 1, С. 68-72). Процедуры, представленные ниже, только на первый взгляд имеют мало общего между собой. Несмотря на очевидные различия, их объединяет главное: все они относятся к группе методов измерений в ближней зоне. Данное направление особенно активно развивается в последнее десятилетие и рассматривается как реальная альтернатива дорогостоящим антенным полигонам. При анализе методов особое внимание уделяется специфике, присущей измерениям активных фазированных антенных решеток (АФАР).

Идея полного или частичного отказа от традиционных антенных полигонов, занимающих порой обширные и остродефицитные территории, в пользу компактных измерительных комплексов, бесспорно, выглядит весьма привлекательной. Но какова цена новых решений и в чем заключаются их принципиальные недостатки?

Если «подкрутить резкость»

В обычном, штатном, режиме работы луч антенны сфокусирован на бесконечность. Он считается вполне сформированным, когда расстояние от волнового фронта до антенны Я удовлетворяет условию дальней зоны:

ппн ппн

пп

Ключевые слова:

активная фазированная антенная решетка, качественные показатели, антенные измерения, ближняя зона.

О

К > 2--

,

где D - максимальный размер апертуры антенны, Л - минимальная длина волны рабочего диапазона частот.

Если в тестовом режиме определенным образом изменить положение облучателя зеркальной антенны или скорректировать фазовую программу АФАР, то можно сфокусировать луч в точке, которая будет гораздо ближе к апертуре. Этот прием получил название перефокусировка. В режиме перефокусировки можно экспериментально определить характеристики антенны и затем с некоторыми ограничениями распространить их на штатный режим.

Keywords:

active phased array antenna, quality indicator, antenna measurements, near zone.

34

вею КАЧЕСТВА № 2 • 2015

КАЧЕСТВО ИНФРАСТРУКТУРЫ

СП  СП

АСПЕКТЫ КАЧЕСТВА

Последовательность действий при тестировании перефокусированной антенны и набор используемых технических средств мало отличаются от тех, которые применяются при обычных измерениях в дальней зоне и которые были подробно рассмотрены в первой части статьи (опорно-поворотное устройство, вспомогательная антенна, скалярный измеритель мощности).

В большинстве случаев диаграмма направленности антенны (ДНА) измеряется в процессе механического поворота аттестуемой антенны в заданном секторе углов. Ориентация луча относительно осей антенны остается неизменной в течение всего времени тестирования, поэтому такая диаграмма называется статической.

При испытаниях антенных решеток процедуру можно упростить, если оперировать так называемыми динамическими диаграммами направленности. В этом случае взаимное расположение и ориентация вспомогательной и испытуемой антенн остаются неизменными, а луч АФАР перемещается в пространстве электронным способом. В каждом его положении осуществляется необходимая перефокусировка, после чего измеряется уровень выходного сигнала. Таким образом, в статической ДНА фазовое распределение элементов решетки остается постоянным в пределах каждого цикла испытаний, а в динамической - переменным.

Для сравнения на рис. 1 приведены две диаграммы АФАР с апертурой 2,6 м и рабочей длиной волны 8 см. Первая, статическая, рассчитана для луча, ориентированного по нормали к плоскости антенны, и представляет собой ДНА в дальней зоне. Другая, динамическая, получена при тех же условиях, но с той лишь разницей, что точка перефокусировки отстоит от антенны на расстояние 4 м. Из рисунка следует, что статическая и динамическая диаграммы хорошо совпадают между собой в области главного луча и первого бокового лепестка. Нарастающие расхождения в области дальних боковых лепестков свидетельствуют об ограничениях данного метода.

Похожие результаты получаются и в случае произвольного отклонения луча антенны от нормали. На рис. 2 (а-в) представлены статические и динамические ДНА АФАР, когда начальное отклонение составляет 10, 30 и 50 град.

Из рисунков следует, что статические и динамические диаграммы хорошо совпадают между собой в области главного луча и первого бокового лепестка в секторе электронного сканирования ±50 град. В общем случае область соответствия зависит от технических характеристик АФАР и выбранного расстояния до точки перефокусировки, то есть от дальности перефокусировки (см. рис. 3).

1 п 0

"Г

Ч.

-10

-15

-20

-25

-30

и \ А

1[ Г! ' \\1

1 |(| № \ % /1 \\н ь А .

0-2-4-6-8-10 -12 -14 -16 -13 -20

Отклонение от нормали,град

Рис. 1. Статическая (сплошная линия) и динамическая (пунктирная линия) диаграммы направленности АФАР

ш \\ д

<

-10 -15

а)

-20

/ \

/ \

А А

/п А А А1-.

10 12 14 16

Отклонение от нормали, град

-10

-15

б)

-20

\

/ \

Л / А

А Л Л А.

24 26 28 30 52 Л4 36

Отклонение от нормали, град

-10 -15

-20

/

/

/ Л / \ -/

V / Л/ и _

44 46 48 50 52 54 56

Отклонение от нормали,град

в)

Рис. 2. Статические и динамические ДНА АФАР при отклонениях луча от нормали: а) 10 град., б) 30 град., в) 50 град. ДНА в дальней зоне (черная сплошная линия), перефокусированная ДНА

Если это расстояние удовлетворяет условию: о

1 ^ о—.

2 Ьду

где I - дальность перефокусировки, О - максимальный размер апертуры АФАР, у - максимальный угол между направлением наибольшего коэффициента направленного действия (КНД) излучателя и направлением на точку перефокусировки, при котором КНД снижается не более чем на 1...1,5 дБ, то искажений ДНА практически не возникает. Применительно к приведенному выше примеру это означает, что измерения подобных антенн можно производить в относительно небольшом помещении. Для уменьшения

п ч пп ппа  2

ПП ..*

п

Точка перефокусировки &-

Рис. 3. Геометрические соотношения при методе перефокусировки

уровня мешающих отражений его внутренняя поверхность покрывается радиопоглощающим материалом.

При соблюдении перечисленных условий метод перефокусировки дает вполне удовлетворительные результаты при относительно небольших материальных затратах. К недостаткам данного метода можно отнести ограниченность сектора углов измерений и отсутствие возможности полной проверки характеристик антенны в штатном режиме (а в случае АФАР - еще и проверки штатной фазовой программы).

Формируем плоский фронт

Коллиматорный метод (метод компактного полигона) - это еще один популярный метод измерений в

следней относительно коллиматора. Для этого в состав измерительного стенда включают прецизионное опорно-поворотное устройство (ОПУ). Последовательность действий при определении основных характеристик и параметров антенн коллиматорным методом совпадает с соответствующими методиками измерений в дальней зоне.

Поле коллиматора с требуемыми характеристиками формируется в ограниченной области пространства, которую называют рабочей областью коллиматора. В идеале поле должно быть синфазным и равномерным, однако в силу ряда причин неизбежно возникают различные возмущения амплитуды и фазы. Наиболее значимыми факторами являются: дифракционные эффекты, которые обусловлены конечными размерами зеркала коллиматора, и неравномерность поля, связанная с направленными свойствами диаграммы облучателя. Кроме того, поле в раскрыве коллиматора искажается из-за дефектов поверхности параболического отражателя, прямого излучения облучателя в направлении испытуемой антенны, неточности установки облучателя в фокусе и т.д. [1].

При эксплуатации компактного полигона особое внимание уделяется проблеме обеспечения стабильного температурного режима. Как правило, перепад между верхней и нижней кромками зеркала коллиматора не должен превышать 3°С.

Схема компактного полигона, а также перечень основных достоинств и недостатков, присущих данному методу, представлены на рис. 4 [2].

Ниже приведены характеристики одного из компактных полигонов, который предназначен для измерения параметров антенн различных типов, включая пас-

КАЧЕСТВО ИНФРАСТРУКТУРЫ

СП  СП

АСПЕКТЫ КАЧЕСТВА

сивные и активные антенные решетки [3]:

^ рабочая зона - горизонтально ориентированный цилиндр диаметром 1,8 м и длиной 1,8 м; ^ диапазоны рабочих частот: D, I и X;

^ поляризация линейная (вертикальная, горизонтальная и наклонная); ^ уровень безэховости в рабочей зоне:

- в диапазонах частот D и I -не хуже 30...35 дБ;

- в диапазоне частот Х - не хуже 55 дБ.

Измерения угловых характеристик антенн выполняются с помощью опорно-поворотного устройства. ОПУ имеет следующие характеристики:

^ вращение вокруг осей: азимута, угла места и поляризации;

^ диапазон углов поворота по азимуту ±120 град; ^ диапазон углов поворота по углу места от -10 до +40 град;

^ диапазон углов поворота по поляризации (свалу) ±120 град.

Как уже было отмечено, формирование плоской волны обеспечивает коллиматор. В данном примере был использован коллиматор с рефлектором параболического типа. Его фокусное расстояние составляет 3,5 м, а размеры - 6x4,4 м.

В целях обеспечения требуемых климатических условий предусмотрено кондиционирование воздуха посредством приточно-вытяжной вентиляции. Для контроля состояния окружающей среды в зоне расположения коллиматора установлены датчики температуры. При температурном градиенте, превышающем три градуса, автоматически включается воздухораспределительная система, расположенная за зеркалом коллиматора.

В процессе проектирования и настройки антенного полигона особое внимание уделяется повышению точности измерения характеристик тестируемых антенн, в том числе:

^ коэффициента усиления; ^ амплитудной диаграммы направленности; ^ фазовой диаграммы направленности; ^ ширины диаграммы направленности антенны; ^ поляризационных характеристик; ^ координат фазового центра;

ошибки установки нуля разностной диаграммы направленности при электронном сканировании лучом; крутизны пеленгационной характеристики; глубины провала разностной диаграммы направленности.

Компактный полигон размещается в закрытом помещении с ограниченными размерами. Для снижения уровня мешающих отражений до приемлемого уровня необходимо использовать специальное радиопоглоща-ющее покрытие. Внешний вид компактного полигона иллюстрирует рис. 5 [2].

При тщательной настройке оборудования и хорошем качестве радиопоглощающего покрытия можно добиться следующих результатов: погрешность измерения коэффициента усиления - не хуже ±0,2...0,5 дБ; полный динамический диапазон измерения ДНА - не хуже 60 дБ.

В настоящее время некоторые производители предлагают усовершенствованные компактные полигоны, которые работают во временной области. Это позволяет дополнительно снизить требования к допустимому уровню мешающих отражений.

Особенностью данного решения является использование в качестве тестового сигнала короткого сверхширокополосного импульса. За счет этого решаются разу две проблемы: измерение параметров антенн одновременно во всей рабочей полосе частот и селекция мешающих отражений.

Возможность селекции обусловлена тем, что измерения антенных параметров осуществляется в ограниченном временном интервале - временном окне. Это позволяет размещать коллиматорный комплекс не в специальной безэховой камере с дорогостоящими радио-поглощающими покрытиями, а в обычном помещении.

При выборе размера коллиматора необходимо помнить, что в силу влияния различных мешающих

п \ нн ппэ  2

ПП ..*

н

Таблица 1. Основные характеристики линейки коллиматорных комплексов серии 5700 компании MI Technologies

Характеристики Модель 5701 Модель 5702 Моден. 5703 Модель 5704 Модель 5706 Модель 5708 Модель 57(2

Диапазон частот, ГГц 60- ¡10 26,5-100 5,8 - 94 2-94 2-94 1 -94 1-94

Размер рабочей юны, « 0,31

Размеры помещении (высо  а х ширила \ длима), м переносной автономный блок 2,44 х 2,44 х 4,57 3,35 х 3,66 х 8,53 4,57 х 6,1 х 10,97 5,49 х 6,1 х 10,97 9,14 х12,19 х2),95 9,14 XI2.19 х2),95

Размеры колли матпра(ны с о -та \ ширина), м 0,67 ч 0,67 1,32 х 1,32 2,74 х 2,74 3,38 х 4,72 3,76 х 4,85 6,68 х 9,35 н/д

Фокусное расстояние, м 0,91 2,13 3,66 3,66 3,66 7,32 7,32

Погрешность измерения коэффициента теплен ин антенны, дБ ±0,5 ±0,5 ±0,25 ±0,5 ±0,5 ±0,5 ±0,5

факторов поперечное сечение и протяженность его рабочей зоны существенно (в 3-4 раза) меньше физического размера коллиматора. Ограниченность рабочей зоны и, как следствие, максимальной апертуры тестируемых антенн является главным недостатком рассматриваемого метода.

С увеличением размера коллиматора стоимость компактного полигона резко возрастает. В связи с этим ведущие производители оборудования такого рода представлены на рынке не одним изделием, а целой линейкой, которая дает возможность выбора наиболее подходящего решения. Примером может служить модельный ряд, представленный в табл. 1 [4].

Преимущества

Точные измерения (до ~50 ГГц) Измерения на малых расстояниях:

• Низкие потери в пространстве

• Низкие переотражения Измерения в помещении:

• Независимость от погоды

• Круглосуточная работа

• Измерения в "чистой зоне" Компенсация гравитации

Ограничения/Недостатки

• Необходимость преобразования данных

• Измерения не в реальном времени

• Связь между зондом и антенной

• Ограничение частоты до ~50 ГГц

Рис. 6. Преимущества и недостатки измерений параметров антенн с помощью стенда ближнего поля

Сканирующий зонд и очень много математики

Голографический метод, который реализуется на практике при помощи специального измерительного комплекса стенд ближнего поля, считается одним из наиболее перспективных направлений для исследований характеристик антенн. Он особенно подходит для измерений параметров крупногабаритных (по сравнению с возможностями компактного полигона) АФАР СВЧ-диапазона.

Суть рассматриваемого метода состоит в исследовании амплитудно-фазового распределения (АФР) электромагнитного поля вблизи раскрыва тестируемой антенны посредством прецизионного сканирующего зонда. Данные АФР привязываются к текущим пространственным координатам положения зонда. Шаг между соседними отсчетами зависит от рабочей длины волны. По окончании сканирования накопленный массив экспериментальных данных подвергается математической обработке. В результате рассчитываются характеристики поля в дальней зоне [1]. Траектория перемещений сканирующего зонда, а также достоинства и недостатки метода измерений с помощью стенда ближнего поля приведены на рис. 6 [2].

КАЧЕСТВО ИНФРАСТРУКТУРЫ

п

GH HGH HGH

АСПЕКТЫ КАЧЕСТВА

У

# W

' ^ фф

'" \ # #

Шч. * *

I —; » *

Рис. 7. Расчет характеристик стенда ближнего поля

а

Таким образом, время сканирования возрастает по мере увеличения размеров антенны и рабочей частоты и может быть весьма значительным. При этом в течение всего цикла измерения необходимо поддерживать постоянный температурный режим и обеспечивать минимально возможный уровень мешающих отражений. Для этого стенд ближнего поля размещают в без-эховой экранированной камере, оборудованной системой климат-контроля.

В некоторых случаях для сокращения общего времени исследования характеристик АФАР осуществляют параллельное формирование нескольких массивов АФР, когда при одном и том же текущем положении зонда фазовращатели тестируемой антенны циклически устанавливаются в несколько состояний, которые соответствуют различным пространственным положениям луча в пределах заданного сектора электронного сканирования.

Для измерения характеристик АФАР голографиче-ским методом необходим стенд в составе: ^ безэховая экранированная камера;

кЧ I 1

¿ш § fc н

iMi'

»ai . i

'¿Ь' i

1 —i X л

Таблица 2. Характеристики планарного сканера NSI-300V-12x9 компании NSI 1

Характеристики Велнчипа

Тип конструкции Т-образная перевернутая

Тип привода Шаговый двигатель, реечная зубчатая передача

Размеры юны сканирования, ч 3,7 х 2,7

Точность поддержании плоскостности (с учетом коррекции), среднеквадратйческое значение, мм 0,05

Минимальныit пни сканировании но координатам Хн V 0,025

Скорость сканировании но координате X, м/с 0,25

Скорость сканировании но координате V , м/с 0,38

Тнп зонда ^ш Открытый волновод, фланец \VR90. Съемный. Возможны другие варианты

Рис. 8. Подготовка к измерению характеристик крупногабаритной АФАР на стенде ближнего поля

^ планарный сканер с комплектом двухполяризаци-онных зондов;

^ измерительная система на базе анализатора цепей, которая должна обеспечивать динамический диапазон не менее 60 дБ, разрешение по амплитуде 0,3...0,4 дБ и по фазе 1...20; ^ высокопроизводительный вычислительный комплекс; ^ пакет прикладного программного обеспечения. С помощью стенда ближнего поля можно определить следующие характеристики АФАР:

амплитудные и фазовые ДНА на согласованной поляризации и кроссполяри-зации; <=> коэффициент усиления антенны; <=> эффективную изотропную излучаемую мощность (в случае передающей АФАР); <=> коэффициент эллиптичности и угол наклона поляризационного эллипса в случае круговой поляризации;

АСПЕКТЫ КАЧЕСТВА

п ч

нн

ппя

3

пп ..*

H

КАЧЕСТВО ИНФРАСТРУКТУРЫ

величину развязки между ортогональными поляризациями; ^ координаты фазового центра; ^ ширину ДНА, уровень боковых лепестков, направление максимума луча; ^ тип неисправности каждого канала (при наличии) и т.д.

Типовые требования к взаимному расположению сканирующего зонда и АФАР с апертурой D (расстояние до антенны Л и максимальный угол визирования 0тах), протяженности зоны сканирования I (или 1Х и 1у в случае, если антенна имеет прямоугольную форму) и значению шага перемещения зонда ЛХ и ЛУ в зависимости от рабочей длины волны Л поясняются на рис. 7.

Из приведенных соотношений, в частности, следует, что для антенны с линейными размерами D=10х10 м, которая предназначена для работы в С-диапазоне, зонд сканера должен перемещаться по обеим координатам на расстояние I ~ 11 м. Для типовой скорости перемещения зонда 0,25 м/с время съема амплитудно-фазового распределения составит 3.5 ч.

Процесс измерения характеристик АФАР на стенде ближнего поля иллюстрирует рис. 8.

Необходимо отметить, что голографический метод не имеет столь жестких ограничений на максимальный размер апертуры тестируемых антенн, как рассмотренный выше коллиматорный метод. Например, в [5] приведено описание стенда ближнего поля с размером зоны сканирования 9 х 11 м и диапазоном рабочих частот 0,1-60 ГГц.

Сравнение характеристик антенн, полученных экспериментальным путем на антенном полигоне в

дальней зоне, и аналогичных характеристик, рассчитанных по данным, полученным на стенде ближнего поля, демонстрирует хорошее совпадение результатов в широком диапазоне рабочих частот и углов сканирования. Это важный аргумент в пользу гологра-фического метода. Главным же его недостатком являются большие единовременные затраты, которые потребуются на этапах приобретения стенда ближнего поля, оборудования помещения и ввода в эксплуатацию.

В настоящее время рынок измерительного оборудования не испытывает недостатка в предложениях. Потребителям предлагается достаточно широкий выбор стендов, предназначенных для измерения характеристик антенн в широком диапазоне размеров апертур и рабочих частот. Для примера в табл. 2 представлены основные характеристики планарного сканера NSI-300V-12x9, входящего в состав стенда ближнего поля от одного из лидеров рынка - компании NSI (США).

Литература

1. Бахрах Л.Д. и др. Методы измерений параметров излучающих систем в ближней зоне. Л.: Наука, 1985. 272 с.

2. www.trimcom.ru.

3. Синани А. И. и др. Антенный полигон для измерения параметров антенн с электронным управлением лучом // Антенны. 2008. Вып. 9 (136).

4. www.mitechnologies.com

5. Денисенко В.В. и др. Радиоизмерения в специализированных безэховых камерах // Радиотехника. 2008. №10. С. 8-15.

Место логистической деятельности в системе функционирования предприятий

Г.Г. МАНУКЯН,

аспирант НОУ ВПО «Институт управления и права» (г. Москва) (Gar92ik@mail.ruj

И

ИИ

BQB

ПИП

ВЕЗ

Ключевые слова:

логистика, финансы, логистическая система, логистическая деятельность, грузоперевозки.

В современной экономике понятие «логистика» (от древнегреческого logos - разум; log - мышление; logo - думать; logismos - расчет, раздумье; Aoyoq - отношение, слово, речь, произнесенная речь) часто воспринимается как наука об управлении материальными, информационными, финансовыми и сервисными потоками [2, с. 14]. Объектом исследования логистики, по мнению многих авторов, является наиболее рациональное управление ограниченными ресурсами в определенной эконо-

пп

ПИН ПИП BQ H

Keywords:

logistics, finance, logistics system, logistics, transportation.