АВТОМАТИЗИРОВАННЫЙ КОМПЛЕКС ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЙ РАДИОТЕХНИЧЕСКИХ ХАРАКТЕРИСТИК АПЕРТУРНЫХ АНТЕНН

Полезная модель относится к устройствам для измерения или индикации электрических величин, в частности, радиотехнических характеристик апертурных антенн. Заявляемый комплекс может быть использован для измерений амплитудных и фазовых диаграмм направленности, поляризационных характеристик, коэффициента усиления и координат фазового центра апертурных антенн (параболоидов, рупоров, фазированных антенных решеток и т.д.) на основе измерений в ближней зоне, используя анализ излученных и принятых сигналов во временной области в частотном диапазоне от единиц до десятков гигагерц.
Известен комплекс для измерений радиотехнических характеристик антенн [1], основанный на измерении мощности в щелевой антенной решетке в ближней зоне в зависимости, используя два поворотных стола.
Недостатками этого способа являются низкая скорость измерений, связанная с ручным управлением и ограниченная область применения - только щелевые антенны.
Известен комплекс для измерений радиотехнических характеристик антенн [2], содержащий опорно-поворотное устройство (ОПУ) с управляемыми приводами и установленной на нем измеряемой антенной, зондирующую антенну, контроллер позиционирования, связанный с приводами антенн, радиочастотное приемо-передающее устройство, связанное с измеряемой и зондирующей антеннами и центральный компьютер, связанный с контроллером позиционирования и радиочастотным приемопередающим устройством.
Недостатком данного устройства является ограниченный круг решаемых задач: для позиционирования антенн используется только поворотное устройство, а для измерения применяется частотный метод.
Известен комплекс для измерений радиотехнических характеристик антенн в ближней зоне [3], размещенный в безэховой камере и содержащий ОПУ с управляемыми приводами и установленной на нем измеряемой антенной, сканер, с управляемыми приводами позиционирования зондирующей антенны относительно измеряемой, контроллер позиционирования, связанный с приводами антенн, радиочастотное приемо-передающее устройство, связанное с измеряемой и зондирующей антеннами и центральный компьютер, связанный с контроллером позиционирования и радиочастотным приемо-передающим устройством.
Недостатком данного комплекса является ограниченный круг решаемых задач, в частности, две степени свободы для зондирующей антенны и неподвижное положение измеряемой не позволяют оценить радиотехнические характеристики антенны в полной мере. Кроме того, комплекс [3] использует способ измерения в частотной области, недостатки которого будут рассмотрены ниже.
Наиболее близким к заявляемой полезной модели является комплекс для измерений радиотехнических характеристик антенн [4], установленный в безэховой камере и содержащий ОПУ с управляемыми приводами и установленной на нем измеряемой антенной, сканер - поворотный привод зондирующей антенны относительно измеряемой, контроллер позиционирования, связанный с приводом измеряемой антенны, радиочастотное приемо-передающее устройство, связанное с измеряемой и зондирующей антеннами и центральный компьютер, связанный с контроллером позиционирования и радиочастотным приемо-передающим устройством.
Недостатком данного устройства является ограниченность решаемых задач - исследуется только зависимость характеристик измеряемой антенны от ее угловых положений.
Задачей, решаемой заявляемой полезной моделью, является создание автоматизированного комплекса для полного и точного измерения радиотехнических характеристик апертурных, в том числе и крупногабаритных и тяжелых антенн, используя ближнюю зону и сверхширокополосные сигналы.
Для решения поставленной задачи в автоматизированном комплексе для измерений радиотехнических характеристик апертурных антенн, установленном в безэховой камере и содержащем ОПУ с управляемыми приводами и установленной на нем измеряемой апертурной антенной, сканер, с управляемыми приводами позиционирования зондирующей антенны относительно измеряемой, контроллер позиционирования, связанный с приводами антенн, радиочастотное приемо-передающее устройство, связанное с измеряемой и зондирующей антенной и центральный компьютер, связанный с контроллером позиционирования и радиочастотным приемо-передающим устройством, ОПУ обеспечивает измерительной антенне три степени свободы перемещения, приводы сканера обеспечивают зондирующей антенне четыре степени свободы перемещения, в качестве радиочастотного приемо-передающего устройства используются сверхширокополосные (СШП) приемник и передатчик соответственно, ОПУ установлено на платформе, снабженной домкратами первичного позиционирования и колесами с возможностью перемещения по рельсам за пределы безэховой камеры, сканер и ОПУ покрыты радиопоглощающим материалом.
Для измерений радиотехнических характеристик антенн применяются измерения в дальней или в ближней зонах. Измерения в дальней зоне больше соответствуют условиям применения антенны, но сопряжены со значительными материальными затратами на создание больших полигонов для измерений, на борьбу с мешающими отражениями от посторонних объектов, на создание близких к реальным условий и т.п. Измерения в ближней зоне существенно дешевле, и при определенных условиях, например, для апертурных антенн, оказывается возможным распространить (пересчитать) результаты испытаний, полученные на малогабаритном измерительном полигоне в достоверные характеристики антенны в дальней зоне. Основными методами оценки радиотехнических характеристик антенн являются измерения в частотной и во временной областях. В первом случае в качестве зондирующих сигналов используются, например, монохроматические сигналы. Изменяя частоту зондирующего сигнала, а также относительное положение можно получить амплитудные и фазовые характеристики поля антенны. Следует отметить, что этот метод нагляден, а его результаты достаточно просто интерпретировать. Недостатками частотного метода являются: высокая трудоемкость, связанная с продолжительными измерениями, особенно, если желаемые характеристики антенны нужно получить в спектре частот. В частотной области в режиме непрерывного излучения сложно исключить влияние отражений от посторонних предметов. Во временной области в качестве зондирующего сигнала используются, например, одиночные, короткие (пикосекундные) импульсы, имеющие сверхширокополосный спектр. Прием таких сигналов сопряжен с серьезными трудностями, но применение стробоскопических методов [5] позволяет решить эту проблему. Преимущества антенных измерений во временной области заключаются, во-первых, в возможности оценки свойств антенны сразу в широком спектре частот. Во-вторых, в возможности выбора такого окна приема СШП импульса, при котором влияние посторонних предметов будет исключено или уменьшено. Заявляемый комплекс пригоден для измерения характеристик апертурных антенн, характеризующихся наличием поверхности (апертуры), на которой происходит трансформация высокочастотной энергии, распространяющейся в линии передачи, в энергию свободных электромагнитных волн. Размеры апертуры обычно значительно превышают размеры длины волны, на которой работает антенна.
Существенными отличиями заявляемого автоматизированного комплекса для измерений радиотехнических характеристик апертурных антенн являются:
Опорно-поворотное устройство имеет три степени свободы перемещения измерительной антенны и обеспечивает, возможность проводить измерения в широком диапазоне относительных положений антенн, в том числе и для цилиндрических измерений.
В прототипе ОПУ имеет две степени свободы.
Приводы сканера обеспечивают зондирующей антенне четыре степени свободы перемещения.
В прототипе сканер имеет лишь поворотное устройство.
В качестве радиочастотного приемо-передающего устройства используются сверхширокополосные приемник и передатчик.
В прототипе используются обычные, частотные методы зондирования.
Домкраты первичного позиционирования позволяют отказаться от дорогостоящего поворотного устройства для вращения измеряемой антенны 3 вокруг оси γ, тем более, что необходимость в таком повороте возникает только перед началом измерений.
В прототипе указанные элементы отсутствуют.
Опорно-поворотное устройство установлено на платформе, которая снабжена колесами с возможностью перемещения по рельсам за пределы безэховой камеры. Такая конструкция позволяет упростить монтаж и демонтаж антенны, проводя его за пределами безэховой камеры.
В прототипе такая возможность отсутствует.
Заявляемую полезную модель иллюстрируют следующие графические материалы.
На Фиг.1 приведена структурная схема автоматизированного комплекса для измерений радиотехнических характеристик апертурных антенн, где:
1 - безэховая камера;
2 - опорно-поворотное устройство;
3 - измеряемая апертурная антенна;
4 - сканер;
5 - зондирующая антенна;
6 - контроллер позиционирования;
7 - радиочастотное (сверхширокополосное) приемо-передающее устройство;
8 - центральный компьютер;
9 - платформа;
10 - домкраты первичного позиционирования;
11 - колеса;
12 - рельсы;
13 - радиопоглощающее покрытие.
Фиг.2 - опорно-поворотное устройство 2, где:
14 - поворотное устройство вокруг оси β;
15 - поворотное устройство вокруг оси α;
16 - слайдер.
Фиг.3 - сканер 4, где:
17 - привод перемещения по оси X;
18 - привод перемещения по оси Y;
19 - привод перемещения по оси Z;
20 - привод вращения вокруг оси Z.
Безэховая камера 1 представляет собой помещение, имеющее изнутри радиопоглощающее покрытие 13, обеспечивающее уменьшение мешающих отражений. Такое же покрытие 13 имеют сканер 4 и ОПУ 2. В принципе временной способ измерения позволяет отказаться от радиопоглощающего покрытия всего помещения, используя, временное окно приема, однако, эксперименты показали, что большей точности измерений удается добиться в условиях безэховой камеры.
Опорно-поворотное устройство 2, фиг.1, 2 предназначено для первичного (перед серией измерений) позиционирования измеряемой антенны 3 относительно зондирующей и обеспечивает первой три степени свободы. Два поворотных устройства 14 и 15 позволяют повернуть ОПУ вокруг осей β (вращение R) и α (вращение Q) соответственно. При этом точность установки по углу составляет единицы минут. Линейное перемещение по оси γ обеспечивают скользящие направляющие - слайдер 16.
Измеряемая антенна 3 является предметом измерений. Измерительный комплекс позволяет с наибольшим успехом измерять апертурные антенны: параболоиды, рупоры, фазированные антенные решетки, в том числе и крупногабаритные, тяжелые антенны, весом более тонны.
Сканер 4 предназначен для перемещения измерительной антенны в процессе серии измерений в плоскости X, Y и обеспечивает зондирующей антенне 4 степени свободы. Линейное перемещение осуществляется приводами 17, 18 и 19 соответственно по трем ортогональным осям X, Y и Z, параллельным ортогональным осям γ, α и β при точности позиционирования до десятых долей миллиметра. Угловое перемещение (поляризацию) зондирующей антенны вокруг оси Z (вращение Р) обеспечивает поворотное устройство 20.
В качестве средств линейного и углового позиционирования ОПУ 2 и сканера 4 может использоваться соответствующее оборудование фирмы MI Technologies [6], имеющее автоматизированные приводы для автоматического (от центрального компьютера 8) и ручного управления.
Зондирующая антенна 5 - малогабаритная, направленная антенна предназначена для измерений антенны 3, при этом возможны два режима работы комплекса - когда антенна 5 является излучающей, а антенна 3 - приемной и наоборот.
Контроллер позиционирования 6 предназначен для управления приводами устройств линейного и углового позиционирования (X, Y, Z, P, γ, Q, R) антенн 3 и 5 в автоматическом и ручном режимах.
Радиочастотное 7 приемо-передающее устройство предназначено для формирования зондирующих сигналов одной антенны и приема сигналов от другой. В заявляемой полезной модели в качестве зондирующих используются сверхширокополосные сигналы. В этом случае приемо-передающее устройство 7 содержит генератор СШП сигналов - одиночных коротких (пикосекундных) импульсов, например, [7, 8]. Для приема сигналов используется стробоскопический приемник, например, [9], осуществляющий по каждой реализации выборку и оцифровку одного отсчета принятого сигнала.
Центральный компьютер 8 предназначен для управления через контроллер позиционирования 6 положением антенн 5 и 3, приема оцифрованных сигналов от стробоскопического приемника, обработки полученных сигналов, вычисления радиотехнических характеристик измеряемой антенны 3, отображения и документирования результатов.
Платформа 9 предназначена для установки и перемещения ОПУ 2 с антенной 3. Платформа 9 перемещается на колесах 11 по рельсам 12 и может быть выведена из безэховой камеры 1 для монтажа и демонтажа тяжелой антенны 3 с применением подъемно-транспортного оборудования, применение которого внутри помещения нежелательно.
Домкраты первичного позиционирования 10 предназначены для первичной точной установки платформы 9, так, чтобы плоскости X, У и γ, β были параллельны, а люфты в рельсах 12, колесах 11, упругости ОПУ не влияли на точность измерений.
Рассмотрим работу заявляемого комплекса.
Перед началом работ измеряемую антенну 3 за пределами безэховой камеры 1 закрепляют на ОПУ 2, установленном на платформе 9. Перемещают платформу 9 на колесах 11 по рельсам 12 и устанавливают напротив сканера 4. С помощью геодезического оборудования юстируют оси X, Y и Z сканера 4, домкратами 10 добиваются параллельности плоскостей X, У и γ, β.
Подготовка к производству измерений заключается в том, что устанавливают измеряемую антенну 3 в определенное пространственное положение, используя поворотные устройства 15 и 14 (вращения Q, R) и слайдер 16 (перемещение по оси γ). Позиционирование и осуществляют автоматически по командам от центрального компьютера 8 или от пульта ручного управления через контроллер позиционирования 6. В последствии положение антенны 3 изменяют и повторяют измерения.
р
п
р
1
2
mn
ср
п
Для измерений в каждом положении измеряемой антенны 3 сканер 4, используя приводы перемещения 17, 18, по командам от центрального компьютера 8, поступающим через контроллер позиционирования 6, перемещают зондирующую антенну 5 в плоскости ХУ с выбранным шагом. В каждой из NxM точек производятся СШП измерения. Для этого выбирается временное окно приема зондирующих СШП сигналов, начало которого определяется t - временем распространения электромагнитной волны от зондирующей антенны 5 к измеряемой 3, а длительность временем t окончания переходных процессов в приемной антенне. Фиксированное окно приема позволяет в значительной степени избавиться от отражений зондирующего сигнала от посторонних предметов. Вместе с тем, ряд элементов комплекса остаются в зоне влияния на зондирующий сигнал, в частности конструктивные элементы сканера 4 и ОПУ 2. Стартовый сигнал запускает генератор СШП сигналов, который формирует сверхкороткий видеоимпульс, обеспечивающий перекрытие требуемой рабочей полосы частот измеряемой антенны 3. Этот сигнал поступает, например, в зондирующую антенну 5. С задержкой на время t+ΔT включается приемник СШП сигналов, который из принятого измеряемой антенной 3 «выкусывает» один отсчет A(ΔT) - амплитуду импульса, которую преобразуют в цифровую форму и подают в компьютер 8. Через произвольное время повторяют зондирование при тех же исходных параметрах и получают A(ΔТ) и т.д. В результате множества реализаций вычисляют среднее значение S(t)=A(ΔT)=, где k - число измерений. Изменяя величину ΔT от 0 до t с шагом Δt можно получить все амплитуды сигналов принятых измеряемой антенной 3 в выбранном временном окне. Таким образом, этот известный подход позволяет измерить принятый сигнал с точностью до масштабно-временного преобразования.
Рассмотрим возможность получения характеристик измеряемой антенны 3 на основе полученных результатов.
mn
В ходе одного цикла измерений формируется набор сигналов s(t). Эти сигналы соответствуют m, n-му (m={1,M}, n={1,N}) положению зондирующей антенны 5 при сканировании в плоскости раскрыва измеряемой антенны 3 по двум координатам.
x
y
Сканирование осуществляется в плоскости XY, параллельной плоскости раскрыва измеряемой антенны 3. В общем случае (для антенн с произвольной поляризацией) измерения проводятся при горизонтальной и вертикальной ориентации вектора  зондирующей антенны 5. Тогда для каждого m, n-го положения зонда имеем два сигнала s(t), s(t).
mn
mn
mn
Для каждого сигнала s(t) вычисляется его комплексный спектр W(ω)=F{s(t)}, где F{•} - символ операции преобразования Фурье.
i
i
При выполнении преобразования Фурье массива дискретных отсчетов сигнала s(t), (t=iΔt; i=1,…,N), взятых с шагом дискретизации Δt, получаем массив комплексных коэффициентов Фурье с шагом Δf=1/(N-1)Δt, занимающий в частотной области интервал [0…1/Δt].
В программном обеспечении центрального компьютера 8 предусмотрена возможность использования различных типов сглаживающих функций: Хана, Хэмминга, Блэкмана, Ланцоша или Каппелини.
q
mn
mn
q
q
q
После выполнения преобразования Фурье для каждой дискретной частоты рабочего диапазона ω имеем набор комплексных чисел W =W(ω). Этот набор комплексных чисел описывает амплитудно-фазовое распределение поля на плоскости вблизи раскрыва антенны на частоте ω.
В дальнейшем алгоритмы обработки сигналов не отличаются от традиционных алгоритмов, используемых в узкополосных измерительных комплексах.
Таким образом, заявляемый автоматизированный измерительный комплекс позволяет получать радиотехнические характеристики апертурных антенн. Большое число степеней свободы сканера 4 и ОПУ 2 позволяет получить достаточно полную картину пространственного распределения электромагнитных полей и характеристик антенн. При этом благодаря измерениям в ближней зоне удается использовать малогабаритный комплекс. Измерения в СШП диапазоне позволяют значительно сократить время измерений за счет проведения каждого измерений в спектре частот.
Источники информации:
1. Патент RU 2237253 «СПОСОБ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ДИАГРАММ НАПРАВЛЕННОСТИ ЩЕЛЕВОЙ АНТЕННОЙ РЕШЕТКИ ПО РЕЗУЛЬТАТАМ ИЗМЕРЕНИЙ В БЛИЖНЕЙ ЗОНЕ ФРЕНЕЛЯ»
2. Патент RU 2370781 «УСТРОЙСТВО ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЯ ДИАГРАММЫ НАПРАВЛЕННОСТИ АНТЕННЫ».
3. R.Hartman and Jack Berlekamp, “Fundamentals of Antenna Test and Evaluation”, Microwave Systems New and Communications Tracking, June 1988. (http://www.mi-http://technologies.com/literature/mag2.pdf)
4. Патент US 2010073246 «SYSTEM AND METHOD FOR MEASURING ANTENNA RADIATION PATTERN IN FRESNEL REGION BASED ON PHI-VARIATION METHOD».
5. Патент RU 2141674 «СПОСОБ АНТЕННЫХ ИЗМЕРЕНИЙ»
6.
7. Патент US 2010277371 «TRUE TIME DELAY SYSTEMS WITH ARRAY ANTENNA FOR THE SPATIALLY CHANGEABLE RADIATION PATTERN FOR MAXIMUM POWER ULTRA-WIDEBAND PULSES».
8. Патент US 2009021309 «Fully Integrated Ultra Wideband Transmitter Circuits and Systems».
9. Патент RU 2136006 «СТРОБОСКОПИЧЕСКИЕ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛИ».