Способ и устройство определения коэффициента эллиптичности элементов фидера, формирующих поляризационные характеристики антенны
METHOD AND DEVICE FOR DETERMINING ELLIPTICITY COEFFICIENT OF FEEDER ELEMENTS, WHICH FORM POLARIZATION CHARACTERISTICS OF ANTENNA

Заявляемые объекты относятся к антенным измерениям и могут быть использованы при разработке, производстве антенно-фидерных устройств (АФУ) и их эксплуатации, в том числе для контроля поляризационных характеристик облучателей зеркальных антенн.
Известны различные способы измерения поляризационных параметров (ПП) антенно-фидерных устройств, позволяющие определять часть или весь спектр этих параметров, в том числе, коэффициент эллиптичности. Широко распространен способ, описанные в книге Канарейкин Д.Б., Павлов Н.Ф., Потехин В.А. Поляризация радиолокационных сигналов. - М.: Сов. Радио, 1966. - 440 с. [С. 109-112]. Он заключается в измерении параметров поляризационной характеристики тестируемой антенны посредством использования линейно-поляризационного индикаторного антенного пробника. В этом способе определяются коэффициент эллиптичности (КЭ) поляризационного эллипса и его ориентация в пространстве. Для определения направления вращения вектора поля дополнительно применяют антенны-пробники с вращающейся поляризацией. Недостатком аналога является практическая невозможность измерений КЭ, близких к единице (>0,94), которые требуются от АФУ на современных линиях спутниковой связи с поляризационным уплотнением (см. Бобков В., Ефимов М., Киселев А., Нагорнов В. Поляризационная развязка: взгляд эксперта. Оценка требований по кросс-поляризационным характеристикам антенн земных станций спутниковой связи // «CONNECT! Мир связи». 2004. №2, стр. 85-89. URL: http://www.rc-tech.ru/content/62/Connect_Cross%20Pol.pdf (дата обращения: 10.06.2019).
Известен «компенсационный» способ определения ПП, описанный на стр. 112-118 в книге Канарейкин Д.Б., Павлов Н.Ф., Потехин В.А. Поляризация радиолокационных сигналов. -М.: Сов. Радио, 1966. - 440 с. Его суть заключается в приеме ортогонально-поляризационных компонентов поля с вращающейся поляризацией измерительными антеннами и дальнейшей обработкой сигналов в обособленных каналах. Путем компенсаций различий фаз и амплитуд сигналов в этих каналах соответствующими измерительными фазовращателями и аттенюаторами, получают числовые значения, характеризующие отношение комплексных амплитуд сигналов, что позволяет рассчитать ПП антенны. Способ-аналог также характеризуется сложностью реализации и недостаточными точностными характеристиками измерения КЭ АФУ в диапазонах частот спутниковых линий связи.
Известен способ определения поляризационных характеристик антенн (см. Пат. РФ №2509316, МПК G01R 29/10, опубл. 10.03.2014, бюл. №7), заключающийся в измерении параметров Стокса электромагнитной волны, создаваемой антенной. При реализации аналога также применяется комплект приемных измерительных антенн с ортогональными поляризационными характеристиками. Определяют спектры сигналов с их выходов и взаимнокорреляционную функцию, вычисляют параметры Стокса и на основе известных соотношений определяют ПП исследуемой антенны в требуемом диапазоне частот.
Известны и другие способы-аналоги (см., например, А. с. СССР №1631460, МКИ G01R 29/10. Способ измерения поляризационных характеристик антенны, опубл. 28.02.1991; Пат. РФ №2084909, МПК G01R 29/00. Способ определения поляризационных характеристик электромагнитного поля), которые являются той или иной модификацией описанных выше способов с практически теми же проблемами применения и сложностью реализации.
Во всех названных аналогах результаты получают косвенным способом по измерениям нескольких величин, пропорциональных интенсивностям ортогонально поляризованных составляющих поля. При эллиптичности, близкой к круговой, способами, базирующимися на таких измерениях, практически невозможно определить КЭ с необходимой точностью ввиду малой разницы между значениями измеряемых величин.
Ввиду того, что результирующая погрешность зависит от погрешности каждого измерения каждой из величин, увеличение количества подлежащих измерению величин, реализованных в аналогах, приводит понижению точности конечного результата.
Известен ГОСТ 8.463-82 Государственная система обеспечения единства измерений (ГСИ). Антенны и комплексы аппаратуры измерительные. Методы и средства поверки. Введен в действие 01.07.1983. Пункт 3.7. Он предполагает наличие передающей части из генератора контрольных сигналов и вспомогательной антенны и приемной части из поверяемой антенны азимутального поворотного устройства и измерительного приемника. В нем реализован рассмотренный выше способ с линейно поляризованной антенной-пробником. Его недостатки рассмотрены выше.
min
T
R
R
Наиболее близким по физической сущности к заявляемому является способ измерения коэффициента усиления на основе двух идентичных антенн антенно-фидерных устройств (см. Фрадин А.З., Рыжков Е.В. Измерение параметров антенно-фидерных устройств. - М.: Сов. Радио, 1962, стр. 280-282). Способ-прототип предполагает использование двух идентичных АФУ, расположенных на расстоянии r>r друг от друга по общей продольной оси симметрии и встречно ориентированных, возбуждение одного из АФУ сигналом S(t) заданной мощности Р в полосе частот ΔF, прием вторым АФУ контрольного сигнала S(t) и измерение его мощности P, вращение второго АФУ относительно общей оси симметрии до получения максимального значения max P, вычисление коэффициента усиления G в соответствии с выражением
где λ - длина волны контрольного сигнала.
В способе-прототипе определяют максимальное значение коэффициента передачи, на основе которого и рассчитывают коэффициент усиления G АФУ, что и является общим прототипа и заявляемого способа. Однако способ-прототип не позволяет измерять коэффициент эллиптичности е АФУ.
Существующие способы производства зеркальных антенн и контроля их геометрических размеров обеспечивают высокую (достаточную) степень симметрии параболоидов. В свою очередь рупорные антенны, изготовленные на современных обрабатывающих центрах с числовым программным управлением, используемые в качестве облучателей рефлекторных антенн, не вносят заметных изменений в поляризационные характеристики излучателей. Это гарантирует слабое влияние названных элементов на результирующие поляризационные свойства АФУ, о чем свидетельствуют и результаты практических измерений, представленные в табл. 2. Поляризационные параметры зеркальных антенн определяются свойствами специальных дополнительных элементов фидера: поляризатора и поляризационного селектора (см. ГОСТ 24375-80. Радиосвязь. Термины и определения). Поэтому измерение КЭ АФУ может быть осуществлено на основе элементов фидера, определяющих поляризационные характеристики антенны.
Целью заявляемого способа является повышение точности измерения коэффициента эллиптичности АФУ с поляризацией близкой к круговой, снижение трудозатрат и упрощение измерительных процедур.
T
R
R
п
Поставленная цель достигается тем, что в известном способе определения коэффициента эллиптичности, заключающемся в использовании идентичных поляризаторов двух антенно-фидерных устройств, расположенных на взаимном расстоянии r по общей продольной оси симметрии и ориентированных в направлении друг друга, возбуждении одного поляризатора контрольным сигналом S(t) заданной мощности Р в полосе частот ΔF, приеме вторым поляризатором контрольного сигнала S(t) и измерении его мощности P, вращении второго поляризатора АФУ относительно общей оси симметрии до получения максимального значения max P, выход возбужденного поляризатора первого АФУ через вращающееся сочленение соединяют со входом приемного поляризатора второго АФУ, r=0, на входы обеих поляризаторов подключают идентичные поляризационные селекторы, а вращение второй сборки из второго поляризатора и поляризационного селектора осуществляют до получения максимального значения коэффициента передачи k между ортогональными выходами поляризационных селекторов первой и второй сборки, по величине которого рассчитывают коэффициент эллиптичности е
п.
п
Сущность предлагаемого способа состоит в использовании функциональной зависимости между КЭ е и измеренным коэффициентом согласования по поляризации kВ отличии от известных способов, в которых для определения КЭ требуется измерение не менее двух величин, предлагаемый способ осуществляет оценку лишь одного параметра k.
Известно устройство определения поляризационных характеристик антенн (см. Пат. РФ 2509316, МПК G01R 29/10. Способ определения поляризационных характеристик антенн, опубл. 10.03.2014, бюл. 7), реализующее способ определения поляризационных характеристик антенны. Оно содержит исследуемую антенну, две ортогонально поляризованные измерительные антенны, генератор импульсов, широкополосный стробоскопический осциллограф и ЭВМ. Устройство позволяет определить поляризационные характеристики антенны (коэффициент эллиптичности, угол наклона большой оси эллипса, направление вращения вектора напряженности электрического поля).
Однако устройству присущи недостатки, ограничивающие его применение. В аналоге результаты измерений получают косвенно по измерениям нескольких величин (коэффициентов Стокса), пропорциональных интенсивностям ортогонально поляризованных составляющих поля. При эллиптичности, близкой к круговой, точность измерения КЭ низка и не удовлетворяет потребителей, работающих в системах с поляризационным разделением каналов.
Наиболее близким по технической сущности к заявляемому является устройство определения поляризационных характеристик антенн (см. ГОСТ 8.463-82 Государственная система обеспечения единства измерений (ГСИ). Антенны и комплексы аппаратуры измерительные. Методы и средства поверки. Пункт 3.7). Устройство содержит последовательно соединенные генератор контрольных сигналов и первый поляризатор, последовательно соединенные вращающиеся сочленение, второй поляризатор и измерительный приемник. Прототип представляет собой измеритель с линейно поляризованной антенной-пробником. Устройство обеспечивает измерение КЭ в соответствии с выражением 2. Однако ему также присущи недостатки, связанные с недостаточной точностью измерения КЭ с поляризацией сигнала близкой к круговой, большими временными затратами.
Целью заявляемого устройства является повышение точности измерения коэффициента эллиптичности АФУ с поляризацией близкой к круговой, снижение трудозатрат и упрощение измерительных процедур.
Поставленная цель достигается тем, что в устройстве определения коэффициента эллиптичности элементов фидера, содержащем последовательно соединенные генератор контрольных сигналов и первый калиброванный коаксиально-волноводный переход, и первый поляризатор, последовательно соединенные вращающиеся сочленение и второй поляризатор, последовательно соединенные второй калиброванный коаксиально-волновой переход и измерительный приемник, дополнительно введены первый поляризационный селектор, первый вход которого соединен с выходом первой калиброванной согласованной нагрузки, второй вход подключен к выходу первого калиброванного коаксиально-волнового перехода, а выход соединен со входом первого поляризатора, второй поляризационный селектор, первый вход которого соединен с выходом второго поляризатора, выход соединен со входом второго калиброванного коаксиально-волнового перехода, а второй вход соединен с выходом второй калиброванной согласованной нагрузки, причем первый и второй поляризаторы, первый и второй поляризационные селекторы попарно идентичны, последовательно соединенные блок поиска максимума и вычислитель, предназначенный для расчета значения коэффициента эллиптичности, вход блока поиска максимума соединен с выходом измерительного приемника, а выход первого поляризатора соединен со вторым входом вращающегося сочленения.
Введение новых элементов и связей позволяет достичь цели изобретения: разработать устройство определения коэффициента эллиптичности элементов фидера, формирующих поляризационные характеристики антенны, позволяющие повысить точность измерения КЭ АФУ с поляризацией близкой к круговой, снизить трудозатраты, упростить измерительные процедуры.
Заявляемые объекты поясняются чертежами, на которых приведены:
на фиг. 1 - обобщенный алгоритм способа определения КЭ элементов фидера, формирующих поляризационные характеристики антенны;
на фиг. 2 - структурная схема устройства измерения КЭ;
на фиг. 3 - сборка тестируемых элементов фидера С-диапазона волн;
на фиг. 4 - результаты измерения модуля коэффициента передачи для сборки С-диапазона волн;
на фиг. 5 - зависимость производной коэффициента согласования по поляризации для различных значений КЭ;
на фиг. 6 - структурная схема устройства измерения КЭ с векторным анализатором цепей.
T
Задают характеристики контрольных сигналов S(t): полосу рабочих частот ΔF и его мощность Р.
Сущность предлагаемого способа состоит в следующем (см. фиг. 1 и 2). На подготовительном этапе собирают две идентичные сборки элементов фидера в составе поляризатора и поляризационный селектор каждая, формирующих поляризационные характеристики АФУ. Названные сборки располагают на общей продольной оси симметрии и ориентируют их в направлении друг друга. Соединяют сборки с помощью вращающегося сочленения.
п
В процессе измерений вращают одну (вторую) сборку элементов фидера вокруг продольной оси их симметрии. Фиксируют положение второй сборки элементов фидера, в котором величина коэффициента передачи k по поляризации максимальна. На завершающем этапе осуществляют расчет КЭ в соответствии с выражением
n
Выражение (1) получено на основе известного соотношения для коэффициента согласования по поляризации ξ (см. Защита от радиопомех / Под ред. Максимова М.В. - М.: Сов. радио, 1976. - С. 288)
i
t
где r - коэффициент эллиптичности поля радиоволны, приходящей к антенне; r - коэффициент эллиптичности антенны; ψ - угол между большими осями эллипсов поляризации радиоволны антенны. Знак «плюс» перед вторым слагаемым соответствует совпадающим значениям направлений вращения векторов поля радиоволны и антенны в режиме передачи. В противном случае перед этим слагаемым используют знак «минус».
п
Коэффициент согласования по поляризации ξ (2) характеризует потери электромагнитной энергии из-за несовпадения ПП падающей на элементы фидера радиоволны и самих элементов фидера. Он численно равен отношению мощности, принимаемой второй сборкой фидера при текущих ПП, к мощности, которая могла быть принята этой сборной при полном согласовании по поляризации (см. Антенны эллиптической поляризации: Теория и практика: Сборник стаей / Перевод В.А. Либина; Под ред. /А.И. Шпунтова. - М.: Изд-во иностран. лит., 1961, стр. 52). По своей физической сути - это коэффициент передачи мощности сигнала.
п
i
t
Максимальное значение k, равное единице, оказывается в случае, когда равны коэффициенты эллиптичности радиоволны и сборки элементов фидера (r=r), параллельны большой оси эллипсов поляризации (ψ=0), направления вращения векторов поля волны и сборки элементов фидера противоположны.
Полное рассогласование по поляризации соответствует минимальной, равной нулю, величине этого коэффициента. Эта ситуация возникает при равных КЭ приходящей радиоволны и сборки элементов фидера, взаимно перпендикулярных большим осям их эллипсов поляризации (ψ=90°) и соответствующих направлениях вращения векторов поля и сборки элементов фидера.
i
t
После подстановки в (2) е=r=r, ψ=0, тождественных преобразований и учету противоположного направлениях вращения векторов поля, последняя принимает вид
п
п
п
Из (3) получено выражение (1), позволяющее по измеренному коэффициенту передачи k, с учетом того, что k≡<ξ, рассчитать величину коэффициентов эллиптичности.
п
В Таблице 1 приведены результаты расчетов в соответствии с (3) величины коэффициента передачи k (третья и четвертая строки) при значениях КЭ, указанных в первых двух строках. Эти данные свидетельствуют о возможности определения коэффициента эллиптичности АФУ с поляризацией близкой к круговой.
Большие погрешности большинства используемых ныне способов (средств) измерений ПП, базирующихся на оценке интенсивностей ортогонально поляризованных составляющих поля при КЭ→1, делают применение последних практически невозможным. В то же время, разница между значениями в соседних графах четвертой строки Табл. 1 значительна, а, следовательно, определение КЭ предлагаемым способом возможно.
п
п
п
На фиг. 4 приведены результаты измерения коэффициента передачи k для сборки элементов фидера антенны С-диапазона волн. Здесь по оси абсцисс показан диапазон рабочих частот в ГГц, а по оси ординат - значения k в дБ. В полосе частот от 3,6 до 4 ГГц значение k сборки элементов фидера лежит в пределах 39…32 дБ. Результаты получены при тестировании реальной спутниковой радиолинии, которые совместно с данными моделирования с использованием (1) сведены в Табл. 2.
п
р
В строках 1-3 приведены результаты измерений коэффициента согласования ξ и КЭ для заданных частот. В следующих двух строках представлены (для сравнения) данные пересчета измеренного на радиолинии коэффициента развязки K в коэффициент эллиптичности АФУ, при условии, что коэффициент эллиптичности волны, «приходящей» от спутника на антенну, равен 0,999.
В последних двух строках Табл. 2 - сведения о моделировании характеристик сборки элементов фидера расчетным симулятором, использующим формулу (1).
Современные виды кодирования и модуляции сигналов, используемых в ССС, предъявляют высокие требования к отношению сигнал / шум, которые могут быть достигнуты при кросс-поляризационной развязке между стволами не менее 30 дБ. Такая развязка может быть обеспечена при КЭ антенны земной станции более 0,94.
Результаты сравнения данных в третьей и пятой строках свидетельствуют о возможности применения предлагаемого способа для тестирования пригодности АФУ к работе на радиолиниях с поляризационным уплотнением по параметру «поляризационная развязка» в производственных условиях (е>0,94). Неполное совпадение значений в 3 и 5 строках таблицы объясняется влиянием облучателя, контррефлектора и параболического отражателя (основного рефлектора антенны) на конечную величину КЭ антенны в целом. Разница же значений в 3 и 7 строках - следствие отклонений реального образца от модели, неизбежных при практической реализации устройства.
п
Приведенные в табл. 2 результаты могут быть объяснены следующим образом. Из выражения 2 видно, что значение коэффициента согласования ξ по поляризации, определяющее интенсивность принятого сигнала в аналогах, зависит от второй степени каждого из двух коэффициентов эллиптичности. В предлагаемом способе (выражение 1), эта зависимость усиливается до четвертой степени. Поэтому способ более чувствителен к вариациям КЭ (см. фиг. 5). Здесь показаны значения производных КЭ в представляющем интерес интервале его изменений вблизи е=1. Абсолютная величина производной функции (3) и ее наклон (обозначена 1) превышает соответствующие значения функций (2 и 3), описываемых выражением 2.
п
Повышение точности определения КЭ предлагаемым способом обусловлено уменьшением количества необходимых измерений (только одной величины - k). В аналогах требуется как минимум оценка двух величин (в способе с линейной антенной), а в других - четыре и более. Каждое следующее измерение вносит свой вклад в суммарную погрешность, что в конечном счете влияет (снижает) точность оценки КЭ. Снижение трудозатрат и упрощение измерительных процедур при контроле качества готовых изделий на производстве также является следствием уменьшения количества требуемых измерений.
Устройство определения коэффициента эллиптичности элементов фидера (см. фиг. 1-3) содержит последовательно соединенные генератор контрольных сигналов 10, первый калиброванный коаксиально-волноводный переход 7, первый поляризационный селектор 1, первый поляризатор 2, вращающееся сочленение 3, второй поляризатор 4, второй поляризационный селектор 5, второй калиброванный коаксиально-волновой переход 9, измерительный приемник 11, блок поиска максимума 12 и вычислитель 13, первый вход первого поляризационного селектора 1 соединен с выходом первой калиброванной согласованной нагрузки 6, а второй вход второго поляризационного селектора 5 соединен с выходом второй калиброванной согласованной нагрузки 8.
Работа устройства осуществляется следующим образом. На подготовительном этапе собирают две идентичных сборки элементов фидера (стенд) в составе поляризатора 2 (4), поляризационного фильтра 1 (5) с дополнительными элементами 6 (8) и 7 (9) каждая, формирующих поляризационные характеристики АФУ. Названные сборки располагают на общей продольной оси симметрии и ориентируют их в направлении друг друга. Соединяют сборки с помощью вращающегося сочленения 3 (см. фиг. 2). К первой сборке элементов фидера (1, 2, 6 и 7) через калиброванный коаксиально-волноводный переход 7 (на второй вход блока 1) подключают генератор контрольных сигналов 10. Первый вход первого поляризационного селектора 1 соединяют с выходом калиброванной согласованной нагрузки 6. В результате сформирована передающая часть устройства.
р
Приемная часть устройства состоит из последовательно соединенных второй сборки (элементы 4, 5, 8 и 9), измерительного приемника 11, подключенного ко второму поляризационному селектору 5 через второй калиброванный коаксиально-волновой переход 9. Измеренное значение коэффициента передачи K по поляризации с выхода блока 11 поступает на вход блока поиска максимума 12 и далее на вход вычислителя 13. При этом блоки 10 и 11 соединены с ортогональными выходами поляризационных селекторов 1 и 5 через блоки 7 и 9 соответственно.
В процессе измерений вращают вторую сборку элементов фидера 4, 5, 8 и 9 относительно оси симметрии до получения максимального значения  на выходе измерительного приемника 11, которое фиксирует блок 12. Эта величина поступает на вход блока 13, где в соответствии с выражением 1 вычисляют значение КЭ е.
В качестве генератора 10 и измерительного приемника 11 может быть использован векторный анализатор цепей ZVA67 фирмы Rohde & Schwarz (см. фиг. 6). Динамический диапазон прибора составляет 140 дБ, а погрешность измерения коэффициента передачи около 0,15 дБ. В связи с тем, что импедансы входных и выходных цепей тестируемых устройств близки, численные значения коэффициентов передачи по мощности и напряжению, представленные в децибелах, совпадают.
Представленные способ и устройство позволяют выполнить тестирование серийно выпускаемых на предприятии облучателей с высокой эллиптичностью, предназначенных для работы в системах связи с поляризационным уплотнением каналов.