Способ определения коэффициента эллиптичности антенн
METHOD OF DETERMINING ANTENNA ELLIPTICITY COEFFICIENT

Изобретение относится к антенным измерениям и может быть использовано при разработке, производстве антенно-фидерных устройств (АФУ) и их эксплуатации, в том числе для контроля поляризационных характеристик зеркальных антенн.
Известны различные способы измерения поляризационных параметров (ПП) антенн, 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 антенн 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. Последние характеризуют отношение комплексных амплитуд сигналов, на основе которых рассчитывают ПП антенны. Способ-аналог также характеризуется сложностью реализации и недостаточными точностными характеристиками измерения КЭ антенн 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.
n
В табл. 1 показаны результаты расчета по известной формуле (см. Защита от радиопомех / Под ред. М.В. Максимова. - М.: Сов. Радио, 1976. - С. 288.) коэффициента согласования по поляризации ζ между тестируемой антенной с вращающейся поляризацией с коэффициентом эллиптичности е и линейно поляризованной антенной-пробником, приведенной ниже. Расчеты проводились с различным взаимным расположением при параллельных (строки 2 и 3) и перпендикулярных (строки 4 и 5) большой осью поляризационного эллипса тестируемой антенны и осью антенны-пробника.
n
Так как мощность принимаемого сигнала прямо пропорциональна коэффициенту согласования по поляризации, то вследствие малой разницы между значениями ζ в соседних графах, столь же небольшим оказывается различие в величине мощности принятого сигнала при КЭ, близких к 1. Это подтверждает наличие проблемы определения КЭ антенн с поляризацией, близкой к круговой, известными способами, основанными на измерениях интенсивности компонентов поля волны.
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 к 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
Известен способ измерения коэффициента усиления на основе двух идентичных антенно-фидерных устройств (см. Фрадин А.З., Рыжков Е.В. Измерение параметров антенно-фидерных устройств. - М.: Сов. Радио, 1962, стр. 280-282). Способ-аналог 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 P 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 сигнала max P, вычисление коэффициента усиления G в соответствии с выражением
где λ - длина волны контрольного сигнала.
В способе-аналоге определяют максимальное значение коэффициента передачи, на основе которого и рассчитывают коэффициент усиления G АФУ, что и является общим аналога и заявляемого способа. Однако способ-аналог не позволяет измерять коэффициент эллиптичности е АФУ.
п
п
Наиболее близким по физической сущности к заявленному является способ определения коэффициента эллиптичности элементов фидера, определяющих поляризационные характеристики антенны (см. Пат. РФ №2715502, МПК G01R 29/10, опубл. 28.02.2020, бюл. №7). Способ-прототип заключается в использовании двух идентичных АФУ, соединении входа возбужденного поляризатора первого АФУ через вращающееся сочленение со входом приемного поляризатора второго АФУ, подключении на входы первого и второго АФУ идентичных поляризационных селекторов, вращении второй сборки из второго поляризационного селектора и второго АФУ до получения максимального значения коэффициента передачи k между ортогональными выходами поляризационных селекторов первой и второй сборки, расчета коэффициента эллиптичности е по величине k в соответствии с выражением
Прототип обеспечивает повышение точности измерения коэффициента эллиптичности поляризатора с поляризацией, близкой к круговой, снижение трудозатрат и упрощение измерительных процедур.
В состав тестируемых сборок АФУ в прототипе входят поляризаторы, выполняющие функцию обеспечения квадратурного питания пространственно-ортогональных компонентов электромагнитной волны, и поляризационные разделители (селекторы) - элементы, выполняющие функцию разделения сигналов ортогонально-поляризованных компонентов волны в разные фидеры или объединения таких сигналов в единый тракт, ведущий к излучателю.
Практически все эти признаки присущи и предлагаемому способу. Однако способ-прототип применим только к элементам, входящим в состав питающего антенну фидера. Он не позволяет измерять КЭ реальной антенны, так как может быть реализован только в полностью замкнутой электродинамической системе, что исключает сами излучатели из тестирования. Однако именно излучатели непосредственно формируют поле антенны и его параметры в свободном пространстве, в том числе, и поляризационные. Поэтому необходим инструментарий для контроля с необходимой точностью ПП антенны в целом, с учетом характеристик излучателей.
Целью заявляемого изобретения является определение коэффициента эллиптичности антенны при наличии всей совокупности ее элементов, с поляризацией, близкой к круговой, с точностью, достаточной для гарантированного поляризационного уплотнения (разуплотнения) сигналов.
T
п
п
Поставленная цель достигается тем, что в известном способе определения коэффициента эллиптичности антенны е, заключающемся в использовании двух антенно-фидерных устройств в составе поляризаторов, расположенных по общей продольной оси симметрии и ориентированных в направлении друг друга, подключении на входы каждого из них идентичных поляризационных селекторов, возбуждении первого АФУ контрольным сигналом S(t) заданной мощности P в полосе частот ΔF, приеме вторым АФУ контрольного сигнала S(t) и измерении его коэффициента передачи k путем вращения второго АФУ относительно общей оси симметрии до получения максимального значения коэффициента передачи k между ортогональными выходами поляризационных селекторов первого и второго АФУ, первое и второе АФУ преобразуют соответственно в первую и вторую антенну введением в их состав излучателей радиоволн, входы которых соединяют с выходами соответствующих поляризаторов, расстояние r между антеннами устанавливают исходя из динамического диапазона используемых измерителей, r≠0, измеряют коэффициент передачи  между одинаковыми выходами поляризационных селекторов первой и второй антенн, поворачивают вторую антенну вокруг общей оси симметрии на девяносто градусов и измеряют коэффициент передачи  между ортогональными выходами поляризационных селекторов антенн, вращением второй антенны вокруг общей оси симметрии до получения максимального коэффициента передачи получают коэффициент передачи  для выбранного расстояния r, рассчитывают коэффициент согласования по поляризации  и на его основе коэффициент эллиптичности анализируемой антенны
n
В основе предлагаемого изобретения по аналогии с прототипом лежит использование функциональной зависимости (см. Защита от радиопомех / под ред. М.В. Максимова. - М.: Сов. Радио, - 1976. - С. 288) между КЭ и коэффициентом согласования по поляризации ζ
i
t
где e - коэффициент эллиптичности поля радиоволны, приходящей к антенне, e - коэффициент эллиптичности антенны, ψ - угол между одноименными осями эллипсов поляризации радиоволны и антенны. Знак «плюс» перед вторым слагаемым соответствует совпадающим значениям направления вращения векторов поля радиоволны и антенны в режиме передачи. При несовпадающих значениях направления вращения векторов поля радиоволны и антенны перед этим слагаемым должен быть знак «минус».
п
Коэффициент согласования по поляризации ζ характеризует снижение принимаемой антенной электромагнитной энергии из-за несовпадения ПП волны, приходящей к антенне, и ПП самой антенны. Он численно равен отношению мощности, принимаемой антенной при текущих ПП, к мощности, которая может быть принята при полном согласовании по поляризации (см. Антенны эллиптической поляризации. Теория и практика: сб. статей / пер. В.А. Либина; ред. А.И. Шпунтов. - М.: Изд-во Иностр. лит-ры, 1961. - С. 52).
Этот коэффициент входит сомножителем в уравнение радиопередачи (см. Гавеля Н.П., Истрашкин А.Д., Муравьев Ю.К., Серков В.П. Антенны, ч. 1 / под ред. Муравьева Ю.К. - Л.: ВАС, - 1963. - С. 68), позволяющее определить величину принимаемой антенной мощности сигнала
T
T
R
T
R
где P - величина мощности, подводимой к передающей антенне, G и G - коэффициенты усиления передающей и приемной антенн, η и η - КПД фидеров на передающем и приемном концах радиолинии, V - множитель ослабления на трассе между антеннами.
Коэффициент передачи в этом случае определяется выражением
Обозначим произведение сомножителей в (2), которые в однородном пространстве не зависят от поляризационных параметров, через С
Тогда уравнение (1) принимает вид
Необходимость учета величины коэффициента С для определения КЭ в данном способе можно устранить, например, описанными ниже измерительными и расчетными процедурами.
i
t
Прежде всего, заметим, что при угле ψ=45° между одноименными осями эллипсов поляризации третье слагаемое в (2) равно нулю для любых e и e. А сумма коэффициентов согласования по поляризации при совпадающих  и противоположных  значениях направления вращения в этом случае равна единице.
Поэтому, используя (5), можем записать
n
где ζ - коэффициент согласования по поляризации идентичных антенн при противоположных значениях направления вращения векторов поля поляризационных эллипсов падающей на антенну волны и самой антенны в режиме передачи,  - коэффициент согласования по поляризации, при произвольном угле ψ=α и совпадающих значениях направления вращения векторов электрического поля поляризационных эллипсов,  - коэффициент согласования по поляризации, при угле ψ=α+90° и противоположных значениях направления вращения векторов электрического поля поляризационных эллипсов.
Следует отметить, что для проведения измерений совсем не обязательно первоначальное выставление угла 45 градусов между одноименными осями поляризационных эллипсов антенн. Тот же результат (равная единице сумма  и ) обеспечивается при любом первоначальном угле (ψ=α), если измерение  выполняется при угле между одноименными осями поляризационных эллипсов антенн, равном (α+90°), что и используется в предлагаемом изобретении.
i
t
Из (1) при e=e=е, ψ=α и противоположных значениях направления вращения векторов электрического поля поляризационных эллипсов (знак минус у второго слагаемого), вытекает соотношение, связывающее КЭ и коэффициент согласования по поляризации
Далее из (7) получаем выражение, которое используется для определения КЭ в предлагаемом способе
min
Соотношение (4) справедливо для условий дальней зоны антенн, то есть когда диаграммы направленности антенн сформированы и понятие «коэффициент усиления антенны» применимо. Однако выражение (7) корректно в рассматриваемых условиях при любых расстояниях между излучателями. При использовании идентичных антенн, неизменности их взаимоположения и окружающей обстановки, величину С, при хорошем согласовании в фидерах излучателей, можно, для целей определения КЭ данным способом, считать постоянной, а соотношения (7) и (8) верными, в том числе, и при е<e.
п
t
i
Технический результат достигается тем, что при измерении коэффициентов передачи, одновременно используют два экземпляра близких по характеристикам (идентичных) антенн. Расчет КЭ по измеренным значениям коэффициентов передачи (при этой усиленной зависимости) выполняют по соотношению (8). Последнее отражает эффект повышения чувствительности величины коэффициента передачи к изменениям КЭ. Сравнение соотношений (1) и (8) показывает, что в (1) величина ζ зависит от второй степени каждого из коэффициентов эллиптичности e и e, в (8) эта зависимость от е возросла до четвертой степени. Эта, сильнее выраженная зависимость, позволяет, в частности, при разработке антенн обходиться меньшими ресурсами вычислительной техники.
Заявляемый объект поясняется чертежами, на которых приведены:
на фиг. 1 - обобщенный алгоритм способа определения КЭ антенн;
на фиг. 2 - структурная схема измерений для способа определения КЭ;
2
на фиг. 3 - зависимость производной коэффициента согласования по поляризации для различных значений КЭ: линии 1-3 - графики производных функции коэффициента согласования по поляризации (выражение 1) от величины коэффициента эллиптичности исследуемой антенны е при фиксированной величине КЭ волны e, падающей на эту антенну, при совпадающих (а) и несовпадающих (б) значениях направления вращения векторов поля поляризационных эллипсов волны и антенны; линия 4 - график производной функции (7), описывающей зависимость коэффициента согласования по поляризации от КЭ тестируемой антенны, на фиг. 4 - структурная схема измерения КЭ с 2-портовым измерителем S параметров, выполняющим одновременно функции источника сигналов - генератора, и измерительного приемника (элементы 11 и 12 на фиг. 2);
на фиг. 5 - показаны графики результатов расчета коэффициентов передачи , , и  при моделировании антенн с расстоянием между ними 0,5 м;
на фиг. 6 - фотография исследуемой антенны;
на фиг. 7 - взаимоположение идентичных антенн при моделировании для определения КЭ. Нумерация элементов совпадает с фиг. 2.
На структурной схеме измерений для способа определения КЭ (фиг. 2) показано, что в состав каждого из двух идентичных антенн, коэффициент эллиптичности которых подлежит определению, входят одинаковые поляризационные селекторы (поз. 1 и 8), одинаковые поляризаторы (поз. 2 и 7), и одинаковые излучатели (поз. 3 и 6). Калиброванные нагрузки (поз. 4 и 9) и калиброванные коаксиально-волноводные переходы (поз. 5 и 10), а также генератор сигналов (поз. 11) и измерительный приемник (поз. 12) дополняют измерительную схему, обеспечивая возможность измерения коэффициентов передачи.
Предлагаемый способ заключается в том, что трижды измеряют коэффициенты передачи, по величине которых, с использованием соотношений (6) и (8), рассчитывают коэффициент эллиптичности е.
Первое измерение выполняют при произвольном угле α между одноименными осями поляризационных эллипсов антенн. Для этого к одинаковым выходам поляризационных селекторов, например, с право-поляризованным полем (поз. 14 и 15 на фиг. 2) подключают, соответственно, генератор и измерительный приемник. К двум другим выходам селекторов (поз. 13 и 16) подключают калиброванные согласованные нагрузки. При таких подключениях измеряют коэффициент передачи между выходами поляризационных селекторов первой и второй антенн -  соответствующий режиму работы при совпадающих значениях направления вращения векторов поля поляризационных эллипсов. Далее переключают измерительный приемник на ортогональный выход селектора второй антенны (поз. 16), а калиброванную согласованную нагрузку на выход селектора (поз. 15) и поворачивают вторую антенну на 90° вокруг общей продольной оси. В результате измеряют величину соответствующую режиму работы при противоположных значениях направления вращения векторов поля поляризационных эллипсов первой и второй антенны.
п
В этом же варианте подключения приборов, вращением второй антенны выполняют поиск ее углового положения, при котором величина  максимальна. В результате выполняют третье измерение коэффициента передачи . Затем, по частному от деления  на сумму ранее измеренных  и  определяют коэффициент ζ, и по формуле (9) - коэффициент эллиптичности тестируемых антенн е.
n
Предлагаемый способ более чувствителен к изменениям КЭ, что подтверждается графиками (фиг. 3) производных функции (ζ) в представляющем интерес интервале изменений КЭ. Абсолютная величина производной функции (8) - линия 4 и ее наклон превышают соответствующие значения производных функции, описываемой выражением (2), подтверждают вышесказанное. Аналогичные выводы следуют из приведенных ниже результатов расчетов и измерений параметров конкретного варианта антенны (фиг. 4), спроектированного и обмеренного, после изготовления, с использованием предлагаемого способа.
п
п
В табл. 2 представлены результаты расчета ζ для заданных значений е в соответствии с выражением 8. Последние отражают соотношение между величиной КЭ антенны е тестируемой антенны и коэффициентом согласования по поляризации ζ в предлагаемом способе.
п
Приращения значений величины ζ в соседних графах строки 3 вполне доступны измерению, что подтверждает повышение чувствительности в предложенном способе определения КЭ. В результате становится возможным определение КЭ антенны близком к 1, с помощью предлагаемого способа.
Способ на основе алгоритма, приведенного на фиг.1, применим для измерения КЭ антенны любых частотных диапазонов. Пример конкретной реализации способа представлен на фиг. 4 с использованием векторного анализа параметров цепей.
p
p
п
На фиг. 5а, б, в, приведены результаты измерения соответствующих коэффициентов передачи (, , ), показанной на фиг. 6 зеркальной антенны С-диапазона волн. На графиках по оси абсцисс указана рабочая частота в ГГц, а по оси ординат - значения коэффициентов передачи в дБ. В полосе частот от 3,6 до 4 ГГц значение  облучателя лежит в пределах 39-60 дБ. Результаты получены при тестировании реальной спутниковой радиолинии, которые совместно с данными моделирования с использованием (8) сведены в табл. 3. В первой строке приведены результаты измерения коэффициента поляризационной развязки K на линии спутниковой связи. Во второй строке представлены данные пересчета измеренного на радиолинии коэффициента поляризационной развязки K в коэффициент эллиптичности антенны, при условии, что коэффициент эллиптичности волны, «приходящей» от спутника на антенну, равен 0,999. В последних двух строках табл. 3 - представлены (для сравнения) сведения о ζ и КЭ, полученные при моделировании облучателя в расчетном симуляторе, использующем выражение (8).
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 во второй и четвертой строках свидетельствуют о возможности применения предлагаемого способа для тестирования пригодности антенны к работе на радиолиниях с поляризационным уплотнением по параметру «поляризационная развязка» в производственных условиях (е>0,94). Неполное совпадение значений во второй и четвертой строках таблицы объясняется влиянием контррефлектора и параболического отражателя (основного рефлектора антенны) на конечную величину КЭ антенны в целом.
При реализации описанного способа в схеме измерений вместо генератора сигналов и измерительного приемника (элементы 11 и 12 на фиг. 2), был использован 2-портовый векторный анализатор цепей ZVA67 фирмы Rohde & Schwarz. Схема представлена на фиг. 4. Динамический диапазон этого прибора составляет 140 дБ, а погрешность измерения коэффициента передачи около 0,15 дБ. По этой схеме вполне уверенно тестируют антенны с коэффициентом эллиптичности до 0,95.
Представленный способ позволил выполнить разработку и тестирование серийно выпускаемых на предприятии антенн с высокой эллиптичностью, предназначенных для работы в системах связи с поляризационным уплотнением каналов.
В случае использовании в схеме измерения 4-портовых анализаторов цепей исключается необходимость применения калиброванных согласованных нагрузок (элементы 4 и 9 на фиг. 2 и фиг. 4) и операция переключения между выходами поляризационного селектора во втором АФУ - блок 7 на фиг. 1.
Предлагаемый способ позволяет определять КЭ и в случае использования неидентичных антенн, подобно тому, как это выполняется в аналоге для коэффициента усиления. В этом случае предполагается использование модифицированных конечных соотношений.