НАКЛОННЫЙ СКАНЕР АНТЕННОГО ИЗМЕРИТЕЛЬНОГО КОМПЛЕКСА

Заявляемая полезная модель относится к устройствам для изменения ориентации антенн и может быть использована при создании полигонов, предназначенных для измерения радиотехнических характеристик антенн, в частности, для измерений радиотехнических характеристик пассивных и активных фазированных антенных решеток (ФАР).
Множественные преимущества ФАР по сравнению с обычными антеннами обусловили их широкое применение в различных областях: радиосвязи, радиолокации, радионавигации, радиоастрономии и т.д. ФАР могут устанавливаться стационарно на земле, располагаться на подвижных наземных, воздушных, морских и космических средствах. В зависимости от решаемых задач ФАР, содержать от десятков до тысяч антенных элементов. Контроль качества ФАР при изготовлении, проверке готовой продукции, эксплуатации и их калибровке требуют проведения антенных измерений, которые сопряжены с серьезными проблемами.
Антенные измерения могут проводиться в дальней и ближней зонах. Измерения в дальней зоне, когда фронт волны излучаемой антенной (ФАР) становится плоским, позволяет оценить ее общие излучающие свойства, но не каждого излучателя в отдельности. Кроме того, в дальней зоне возникают побочные отражения от посторонних предметов, которые искажают результаты.
Измерения в ближней зоне требуют создания антенных измерительных полигонов, как правило, безэховых камер в которых, перемещая антенну-зонд вблизи (≥3λ, где λ - длина волны) от апертуры ФАР, оценивают амплитудно-фазовое распределение поля. Кроме того, в ближней зоне появляется возможность оценить амплитуды и фазы сигналов отдельных элементов ФАР.
В антенных измерениях участвуют объект измерений (ФАР) и антенна-зонд.
Объект измерений устанавливают на позиционер, обеспечивающий установку апертуры ФАР в плоскость сканера. В частности, известны измерительные полигоны [1], содержащие позиционер, позволяющий повернуть испытуемую ФАР в пространстве.
Основным элементом антенного измерительного комплекса, позволяющим проводить измерения характеристик антенн, является сканер-устройство, содержащее направляющие и каретки, обеспечивающие перемещение антенны-зонда относительно ФАР с целью получения информации о ее радиотехнических характеристиках. При этом для получения полной картины распределения электромагнитного поля объекта измерений размеры сканера должны быть заведомо больше объекта. Сканирование, в зависимости от задачи, может осуществляться плоским, цилиндрическим, сферическим, дугообразным и другими сканерами [2]. Плоские сканеры ориентируют так, чтобы плоскость ФАР и плоскость перемещения сканера были параллельны. Требования к точности установки ФАР в плоскости сканера очень высоки и составляют доли угловых минут. Относительная установка ФАР и сканера производится с использованием сложной измерительной аппаратуры.
Известны измерительные антенные измерительные комплексы [3], [4], [5], [6] и многие другие, в которых ФАР и плоскость сканера вертикальны и параллельны друг другу.
Во многих случаях ФАР принципиально наклонна в стационарном положении или не может быть установлена вертикально из конструктивных ее особенностей. В частности, известно семейство зенитных ракетных систем, [7], в состав которых входят радиолокационные станции (ФАР) «Имбирь», «Обзор-3», 9C32, установленные на транспортных средствах. Известно также семейство зенитных ракетных систем морского базирования [8], содержащих стационарно установленные наклонные ФАР.
Таким образом, во многих применениях возникает необходимость проведения антенных измерений сканером, расположенным под углом к горизонту с возможностью его точного позиционирования параллельно плоскости ФАР. Такие измерения могут проводиться в лабораторных (безэховая камера) или в полевых условиях.
Наиболее близким к заявляемой полезной модели является [9] сканер антенного измерительного комплекса, содержащий две ортогональные направляющие, на которых установлены подвижные каретки, первая направляющая расположена в горизонтальной плоскости, а вторая - в вертикальной, вторая направляющая соединена с подвижной кареткой первой направляющей, на каретке второй направляющей установлена антенна-зонд.
Вертикальные (горизонтальные) сканеры в принципе, могут проводить измерения с наклонными ФАР, установленными под углом α к горизонтальной плоскости, т.е., когда ФАР и сканер не параллельны. Однако в этом случае расстояние между ФАР и перемещающейся антенной-зондом оказывается переменным, а условия ближней зоны нарушенными. В результате возникают существенные погрешности, приводящие к низкой точности измерений. Кроме того, сканер должен охватывать все поле ФАР в результате чего для ФАР высотой L, приходится увеличивать размеры сканера до величины L/cos(α). Например, если ФАР установлена под углом α=45° к горизонту, то вертикальный (горизонтальный) сканер должен иметь размер не меньше, чем 1,4*L. Для крупногабаритных ФАР, у которых высота L составляет десятки метров, размер и стоимость сканера и безэховой камеры могут оказаться неразумно большими.
Недостатком сканера [9] является низкая точность при его использования для наклонных ФАР.
Техническим результатом использования заявляемой полезной модели является повышение точности измерений, благодаря параллельному расположению наклонной ФАР и сканера.
Для решения поставленной задачи у сканера антенного измерительного комплекса, содержащий две ортогональные направляющие, на которых установлены подвижные каретки, первая направляющая расположена в горизонтальной плоскости, а вторая - в вертикальной, вторая направляющая соединена с подвижной кареткой первой направляющей, на каретке второй направляющей установлена антенна-зонд, соединение каретки первой направляющей со второй направляющей выполнено через механизм углового поворота последней в вертикальной плоскости, который расположен в ее средней части.
Существенными отличиями заявляемой полезной модели по сравнению с прототипом являются.
Соединение каретки первой направляющей со второй направляющей через механизм углового поворота последней в вертикальной плоскости позволяет изменить угловое положение сканера по отношению к измеряемому объекту, сделав их параллельными друг другу и за счет этого повысить точность измерений. При этом появляется возможность уменьшить размеры сканера и безэховой камеры до размеров ФАР.
Расположение механизма углового поворота в средней части вертикальной направляющей позволяет снизить механические нагрузки на все механизмы сканера и уменьшить их деформации. В результате чего вертикальная направляющая оказывается сбалансированной, независимо от угла ее наклона, что также обеспечивает повышение точности позиционирования антенны-зонда, а значит - измерений.
В прототипе поворот сканера невозможен.
Заявляемую полезную модель иллюстрируют следующие графические материалы:
Фиг. 1 - Наклонный сканер антенного измерительного комплекса, вариант 1, где:
1. Измеряемая ФАР.
2. Первая направляющая.
3. Вторая направляющая.
4. Каретка первой направляющей.
5. Каретка второй направляющей.
6. Поворотный механизм.
7. Антенна-зонд.
Фиг. 2 - Наклонный сканер антенного измерительного комплекса, вариант 2, где:
8. Ферма.
9. Противовес.
Рассмотрим возможность реализации заявляемой полезной модели.
Варианты реализации сканера приведены на фиг. 1 и 2. ФАР 1 установлена под углом α к горизонту. В первом случае, фиг. 1, горизонтальная направляющая 2 закреплена на высоте (если имеется такая возможность). На ней размещена подвижная каретка 4 с приводами позиционирования, которые здесь не рассматриваются. На каретке 4 укреплен поворотный механизм 6, который жестко соединен со второй направляющей 3 в ее средней части. Поворотный механизм может быть реализован на основе устройства углового позиционирования по углу элевации, например, MI-55000 [9]. Вторая направляющая 3 закреплена поворотно в центре тяжести, и оказывается механически сбалансированной. Единственной причиной ее дисбаланса является каретка 5 с приводами позиционирования и антенной зондом 7, которые, как правило, имеют небольшой вес, составляющий тысячные доли процента от веса самой направляющей. Во втором варианте, Фиг. 2, подъем сканера по отношению к первой направляющей 2 и ФАР 1 требует использования жесткой, но достаточно габаритной и тяжелой фермы 8, позволяющей установить поворотный механизм 6 напротив геометрического центра ФАР 1. В этом варианте каретка 4 снабжена противовесом 9, который уравновешивает ферму 8, снижая нагрузку на направляющую 2 и каретку 4. Сканер, благодаря поворотному механизму 6, можно установить строго параллельно ФАР 1 под углом α.
Система автоматизированного управления измерениями (не показана), содержащая компьютер и соответствующие контроллеры обеспечивает перемещение антенны-зонда 7 горизонтально по направляющей 2, благодаря каретке 4. Перемещение антенны-зонда в вертикальной плоскости - наклонно и параллельно ФАР осуществляет направляющая 3 с кареткой 5 и ее приводами позиционирования.
Таким образом, заявляемая полезная модель может быть реализована, позволяет с более высокой точностью сканировать наклонные ФАР.
Источники информации:
1. Лаборатория №3 - электродинамики компактных полигонов. - http://ww.itae.ru/staff/page_units/Lab3/%D0%9B%D0%B0%D0%B13.pdf.
2. Группа компаний Microwave Vision Group. http://www.microwavevision.com/sites/www.microwavevision.com/files/files /Meas%20overview_RU.pdf.
3. Патент RU 105466.
4. Патент JPH 0915282(A).
5. Автоматизированный измерительный комплекс (АИК). http://www.ust.com.ua/ru/aik_dlja_izmerenij_harakteristik_antennih_ustrojst_v_v_blijnej_zone_izluchenija.html.
6. Автоматизированные комплексы измерения радиотехнических характеристик антенн. - http://www.trimcom.ru/seminar/izm.pdf.
7. Википедия, С-300. - https://ru.wikipedia.org/wiki/%D1-300.
8. Разработка перспективной корабельной многофункциональной РЛС ПВО/ПРО "АМДР" для ВМС США (2013). http://pentagonus.ru/publ/razrabotka_perspektivnoj_korabelnoj_mnogofunkci_onalnoj_rls_pvo_pro_amdr_dlja_vms_ssha_2013/36-l-0-2466.
9. Плоская антенна в ближней зоне компании MI Technologies. - http://www.linetest.ru/public/files/2254_mi_overview_brochure_rus_logo_06_09.pdf.