Способ определения амплитудно-фазового распределения

 

Изобретение относится к технике антенных измерений и может быть использовано при измерении амплитудно-фазового распределения поля антенны. Цель изобретения - повышение точности. Цель достигается тем, что выполняют прием сигналов с первой и второй точек из ряда точек, находящихся на поверхности измерений, расположенных на расстоянии шага измерений, и последующий прием сигналов со следующих точек, при этом прием осуществляют по двум каналам (поляризациям), трижды суммируют сигналы с обоих каналов с комплексными весовыми коэффициентами, трижды измеряют и фиксируют амплитуды принятых сигналов, причем значение комплексного вектора поля в первой точке по одной поляризации выбирают произвольно, а значение комплексного вектора поля во второй точке по этой поляризации и в обеих точках по ортогональной поляризации определяют как решения соответствующего матричного уравнения, для определения амплитуды и фазы поля в следующей точке используют параметры поля в точке, участвующей в предыдущем измерении. Дополнительно выполняют прием в третьей точке, расположенной на прямой, перпендикулярной линии , проходящей через первую и вторую точки, проходящей через первую точку. 1 з.п. ф-лы, 2 ил. СО с

союз сОВетских

СОЦИАЛИСТИЧЕСКИХ

РЕСПУБЛИК (я)5 G 01 R 29/10

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ

ПО ИЗОБРЕТЕНИЯМ И ОТКРЫТИЯМ

ПРИ ГКНТ СССР

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

К АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ (21) 4843332/09 (22) 22,06.90 (46) 07.08.92. Бюл, М 29 (71) Московский энергетический институт (72) Д.М.Сазонов и С.Ю.Борисов (56) Захаров Л.Н. и др. Методы измерения характеристик антенн СВЧ,— M,: Радио и связь, 1.985, с. 191-197, Авторское свидетельство СССР

М 1223170, кл. G 01 R 29/10, 1986, (54) СПОСОБ ОПРЕДЕЛЕНИЯ АМПЛИТУДНО-ФАЗОВОГО РАСПРЕДЕЛЕНИЯ (57) Изобретение относится к технике антен. ных измерений и может быть использовано при измерении амплитудно-фазового распределения поля антенны. Цель изобретения — повышение точности. Цель достигается тем, что выполняют прием сигналов с первой и второй точек из ряда точек, находящихся на поверхности измерений, расйоложенных на расстоянии шага измерений, и

Изобретение относится к антенной технике и может быть использовано при антенных измерениях.

Известен способ определения амплитудно-фазового распределения поля антенны, заключающийся в дискретном перемещении по заданной поверхности зонда и измерении амплитуды и фазы сигнала в каждой точке путем сравнения сйгйала с зонда с опорным сигналом.

Однако этот способ обладает недостаточной точностью определения и не позволяет эа один цикл измерений определить амплитудно-фазовое распределение по

5U,» 1753430 А1 последующий прием сигналов со следующих точек, при этом прием осуществляют по двум каналам (поляризациям), трижды суммируют сигналы с обоих каналов с комплексными весовыми коэффициентами, трижды измеряют и фиксируют амплитуды принятых сигналов, причем"эйачение комйлексного вектора поля в первой точке по одной поляризации выбирают произвольно, а значение комплексного вектора йоля во второй точке по этой поляризации и в обеих точках по ортогональной поляризации определяют как решения соответствующего матричного уравнения, для определения амплйтуды и фазы поля в следующей точке используют параметры поля 6 точке, участвующей в предыдущем измерении. Дополнительно выполняют прием в третьей точке, расположенной на прямой, перпендикулярной линии, проходящей через первую и вторую точки, проходящей через первую точку. 1 з.п. ф-лы, 2 ил.

4) двум взаимно ортогональным поляризаци- Фь ям. (ф)

Наиболее близким по сущности к пред- Qj лагаемому способу является способ определения амплитудно-фазового распределения поля антеннй, включающий прием исследуемого поля в точках измерительной траектории. измерение параметров принятого сигнала последовательно для каждой пары соседних точек, причем йервая точка I-й пары точек является второй точкой (i-1)-й пары, а вторая точка I-й пары является первой точкой (i+1)-й пары, причем перед измерением параметров принятого сигнала для I-й пары соседних точек трижды суммируют

1753430

2 Д (1 — cos (Ф)) 15

О, если с> О 2у — yl — у2, где ф= в о

2 2 25 о ур = хг + хъ + 2х1 хг

cos((p1I — рг + Ф> ), J = 1, 2, 3

x1(2)I — значение амплитуды поля в первой (второй) точке исследуемого поля для i-й пары точек, причем 30 со

Х11 = X2(I+1); P1i = P2 (I + 1.) И Х1Ь P1i — ВЫбирэются произвольно для l = 1;

90 <Ф< 180О.

Устройство для реализации указанного способа, включает измерительиый зонд, со- 35 . держащий N каналов, каждый из которых содержит последовательно соединенные антенну, коммутатор и фазовращатель, причем выход i-го фазовращателя (1 i а N) подсоединен к i-му входу сумматора, выход 40 которого подсоединен к входу амплитудноraäåòåêòîðà, выход которого является выходом зонда, Устройство также содержит последовательно соединенные низкоча- стотный приемный блок, вход которого под- 45 ключен к выходу амплитудного детектора, . блок вычислений и блок коммутаций, первые N выходов которого подключены к входам управления соответствующих коммутаторов, а вторые N выходов — к входам 50 управления соответствующих фазовращателей. л, если с О (1 — сов(Ф)) Enk = Eml

I Eml I!

ЕЙ Iг

Рг

Re (EmlEnk)

fm (Ет)Епк) Рз принятые сигналы, внося в сигнал, принимаемый во второй точке, дополнительный фазовый сдвиг последовательно О, Ф,-Ф Р, а измерение параметров принятого сигнала выполняют для мощности суммарного сиг- 5 нала для каждого значения 1i фазы 21(У, 3)У, у соответственно, и определяют значение амплитуды поля во второй точке и разность фаз поля между второй и первой точками исследуемого поля по формулам 10 ргi = р1i — агсто + y, уг — уз1 19 (Ф 2

2 $1I — уэ — уз

Однако этот способ обладает недостаточной точностью определения, связанной 55 с наличием ошибок, возникающих при попадании одной из антенн измерительного зонда в "нуль поля" (точку, где амплитуда исследуемого поля сравнима с уровнем шума). При этом погрешность определения амплитудно-фазового распределения поля антенны многократно возрастает, Цель изобретения — повышение точности определения амплитудно-фазового распределения поля антенны и расширение функциональных возможностей.

Сущность изобретения заключается в том, что в известном способе определения амплитудно-фазового распределения поля антенны, включающем излучение электромагнитного поля исследуемой антенной, прием исследуемого поля в точках измерительной траектории, расположенной нэ прямой, измерении параметров принятого сигнала последовательно для каждой пары соседних точек, причем первая точка (-й пары точек является второй точкой (i — 1)-й пары, а вторая точка i-й пары является первой точкой (i+1)-й пары, определение амплитудно-фазового распределения по результатам измерений, дополнительно прием электромагнитного поля выполняют трижды в перой точке по поляризации и или по ртогонэльной к ней m и вд второй точке по сновной поляризации и или ортогональной ней m, суммируют всякий раэ принятые ва сигнала с комплексными коэффициентаи передачи Jk (j = 1 — 6), измеряют значения ощностей суммарных сигналов Р1(Р2 и Рз) ответственно и определяют комплексную мплитуду поля во второй точке по формуле где Re(Eml Enk*); jm(Eml Enk*): I Eml I- наХОдятся как решения матричного уравнения

ГДЕ Eml(nk) = fml(nk) ЕХР (J Pml)nk)) — ЗНаЧЕНИЕ комплексного вектора в точке l(k) по поляризации n(m), m, n, i, k=1, 2; матрица(С) — матрица калибровки;

Р! = I k2I-1 Eml + k2IEnk I, (! = 1, 2, 3)— г значения измеренных сигналов;

kl (J = 1, 2, 3, 4, 5, 6) — комплексные коэффициенты передачи, характеризующие передачу сигналов с первой и второй точек для трех измерений, причем для определения амплитуды и фазы поля в следующей точке используют параметры поля в точке, участвующей в предыдущем измерении, 1753430

Поставленная цель достигается также сора подключен к входу низкочастотного тем, что в известном устройстве, включаю- измерительного блока, а выход низкочащем измерительный зонд, содержащий две стотного измерительного блока подключен идентичные антенны, установленные на ме- . к входу блока управления и обработки; -.ханическом сканере на расстоянии, равном 5 . На фиг,1 приведена схема устройства, шагу измерений друг от друга, блок измере- реализующего предлагаемый способ; на ния параметров сигнала, выход которого фиг.2 — расположение антенн, входящих в подключен к входу блока управления и об- состав измерительного зонда на плоскости работки, первый выход которого подсоеди- измерений. нен к входу управления механического" 10 Устройство содержит измерительный сканера, дополнительно антенны выполне- зонд 1, состоящий из антенн 2-4 с управля-. ны с управляемой поляризацией, введены емым положением йлоскости поляризацйи распределительная схема, первый и второй и распределительной схемы (PC) 5, блок 6 входы которой подключены к выходу первой . измерения параметров сигнала 6, состояи второй антенн соответственно, а первый, 15 щий из амплитудных детекторов 7-10, второй и третий выходы распределительной мультиплексора 11 и низкочастотного измесхемы подключены к первому, второму и рительного блока 12, блок 13 управления и третьему входам блока измерения парамет- обработки и механический сканер 14. ров сигнала, блок коммутаций. первый Устройство работает следующим обравыход которого подсоединен к входу управ- 20 эом. ления первой и второй антенн, а второй При помощи механического сканера выход — к вхоДу управления блока измере- 14 устанавливают измерйтельный зонд 1 в ния параметров сигнала.: исходное йоложенйе. Затем при помощи

Поставленная цель достигается также блока 13 управления и обработки устанавтем, что блок измерения параметров ситна- . 25 ливают антенну 2(4) в положение "Выключела включает последовательно соединЕнные но", а антенны 3, 4(2, 3) в положение, при мультиплексор и низкочастотный иэмери- . котором во включенном состоянии йаходяттельный блок, выход которого является. ся лишь по оДному р-i-n диоду в каждой выходом блока измерения параметров сиг-,. антенне. Таким образом на два входа PC 5 нала, первый, второй и третий входы муль- 30 подаются сигналы от антенн 3, 4(2, 3) сооттиплексора подключены к первому. второму, ветственно. Комплексные сигналы, несущие и третьему входам блока измерения пара- информацию об амплитуде и фазе поля в метров сигнала через первый, второй и точках расположенйя антенн 3, 4 (2, 3) по третий амплитудные детекторы соответст-- . поляризации, соответствующей включенновенно, вход управления мультиплексора яв- 35 му р — i— - n диоду, поступают с выходов PC 5 ляется входом управления блока измерения на соответствующие входы блока 6 измерепараметров сигнала, а амплитудные детек- ния параметров сигнала. С выхода блока 6 торы в непосредственной близости от изме-- измерения параметров-сйгнала три дейстрительного зонда. вительных сигнала последовательно постуПоставленная цель достигается также 40 пают в блок 13 управления и обработки, где тем, что измерительный зонд содержит три онЮ обрабатываются согласно алгоритму, идентичные антенны, причем выход третьей приведенному ниже. Коммутация сигналов антенны подключен к третьему входу изме- осуществляется в блоке 6 измерения парарительной схемы, а третья антенна разме- метров сигнала, по командам с блока 13 щается на линии, перпендикулярной линии, 45 управления и обработки. В результате опрепроходящей через первую и вторую антен- деляют искомые амплитуду и фазу поля в ны, и проходящей через первую антенну, на- . одной иэ двух. точек по поляризации, соотрасстоянии шага от нее. -:: ветствующей включенному в антенне 3(2)

Поставленная цель достигается также р-i-и диоду через произвольно выбранные тем, что распределительная схема выполне- 50 амплитуду и фазу поля в другой точке по на с четырьмя выходами; а блок измерения поляризации, соответствующей включеннопараметров сигнала выполнен состоящим . му в антенне 4(3) р-i-и диоду. иэ четырех амплитудных детекторов, Hylic= Затем при помощи блока 13 управления типлексора и низкочастотного измеритель- и обработки устанавливают антенну 3(2) или ного блока, прйчем входы амплитудных 55 4(3) в состояние, соответствующее ортогодетекторов подключены ксоответствующим нальной, Ао отношению к первоначальной, выходам распределительной схемы и рас-. поляризации и производят аналогичные положены в измерительном зонде, выходы": операции, беря в качестве. опорной величидетекторов подключены к соответствующйм "" ну, вычисленную на предыдущем этапе. Повходам мультиплексора, выход мультиплек- сле этого при помощи блока 13 управления

1753430 и обработки возвращают антенну 3(2) или

4(3) в исходное состояние, а в антенне 4(3) или 3(2) меняют поляризацию на ортогональную- и и овторяют опиСанну ю процедуру, причем в качестве опорной берутся величины, вычисленные на предыдущем этапе.

Затем при помощи механического сканера 14 перемещают измерительный зонд 1 вдоль линии, соединяющей точки расположения антенн 4(3) и 3(2) на величину шага измерений, который равен расстоянию между антеннами 4(3) и 3(2), В этом положении повторяют описанную процедуру, причем для определения амплитуды и фазы поля в новой точке исг эльзуют параметры поля, вычисленные на предыдущем шаге и т.д. Итоговое амплитудно-фазовое распределение определяют как совокупность вычисленных амплитуд и фаз поля: после перемещения измерительного зонда 1 по всей поверхности измерений.

Амплитудные детекторы 7 — 9 включают в состав измерительного зонда 1 с целью . .уменьшения погрешностей определения, возникающих при передаче сигналов от измерительного зонда t к остальной части амплитудного приемника б.

Четвертый выход PC 5 и четвертый . амплитудный детектор 10. используют для нормировки сигналов, снятых с амплитудных детекторов 7 — 9. Это позволяет расширить динамический диапазон измерений и повысить точность определения амплитудно-фазового распределения.

Антейна 2 (4), входящая в состав измерительного зонда, используется для усреднения вычисляемого на каждом шагу значения и для "привязки" соседних линеек при строчно-столбцевом способе сканиро- вания. Для этого последовательно произво дят вь1чйсления сначала с йспользованием антенны 4 (3) в качестве опорной, а затем то же самое производят и с использованием в качестве опорной антенны 2 (4), Затем производят усреднение, беря в качестве итогового значение, равное полусумме полученных таким образом . значений. Такая процедура позволяет повысить точность измерений за счет уменьшения случайной ошибки. "Привязка" соседних линеек при строчно-столбцевом способе сканирования осуществляется благодаря указанному рас положению антенн 2 — 4 на плоскости измерений (фиг.2), Алгоритм определения амплитуды и фазы поля по полученным сигналам Pi (i = 1, 2, 3, 4) можно пояснить следующим образом.

Запишем сигналы, полученные с амплитудных детекторов 7-9 в виде;

Р7= I k1Emi+ 2Еп

Ра =! kaEm(+ k4Enk I

Р9= IkSEmt+ kaEnkI, (1)

ГДЕ Em!(nk) = Imt(nk)BXP(IP ml> (nk) — ЗНаЧЕНИЕ

5 комплексного вектора поля в точке l(k) по поляризации n(m), m, n, 1, k = 1, 2;

k) (j = 1-6) — комплексные коэффициенты передачи, характеризующие передачу сигналов с первой и второй точас для трех

10 измерений;

Комплексные коэффициентБг ki однозначно связаны с конструкцией PC u определяют потенциальную точность вычислений с использованием данной конст15 рукции РС.

Равенства (1) можно записать в матричном виде:

Р7 е

ml Eml (2) Ю Enk

nk Ет) Р7

= jc) Pa (3) Re Em(Enk)

Im (Em(Enk) 40

Используя (3) можно найти искомое отношение комплексных сигналов в местах

45 расположения антенн 4 и 3 (3 и 2) по поляризации и и m соответственно:

Е I

I Em (50 (4) Матрица (С), входящая в (3) находится в результате калибровки, Известно несколько способов калибровки СВЧ-схем, аналогичных РС. Они обычно сводятся к вычислению

Pg-Рн для нескольких известных величин

Ер, Ез, с последующим расчетом матрицы (С) по формулам, подобным (2), (3).

Повышение точности достигается за счет того, что использование трех антенн и

В (2) (С*) — комплексная матрица размерностью 3 х 3, элементы котороймависят только от элементов матрицы рассеяния РС, Если теперь перейти к вещественным квадратичным переменным, то матрица (Cj

30 также становится вещественной, Если матрица (С) обратима, то из (2) получаем выражения для расчета входных сигналов по показаниям, снимаемым с амплитудных детекторов 7-9:

1 Еа !

1753430

Р2

Re (ет еп ) = (с)

:(Ф

Хп (EmlEnk) Рз

U1= k1E»+ (2Е12;

02 = k3E21 + к4Е22

U3 = k5E»(2) + k6E21(2), Езк = Ез р ур (=31 (2 Р1

Re(ез>езк) = I c) Pg

P) Im (E3lE3k) работа сразу по двум поляризациям сводит практически к нулю вероятность попадания антенн измерительного зонда в "нуль поля", а наличие третей антенны кроме того обеспечивает избыточность исходной информации, используя которую можно производить усреднение вычисляемого на каждом шаге значения поля, Формула изобретения

1, Способ определения амплитудно-фазового распределения поля антенны, включающий излучение электромагнитного поля исследуемой антенной, прием исследуемого поля в точках, расположенных на прямой линии, параллельной плоскости раскрыва исследуемой антенны, с одинаковым расстоянием между ними, измерение параметров принятого сигнала последовательно для каждой пары соседнихточек, причем первая точка i-й пары точек является второй точкой (i — 1)-й пары, а вторая точка i-й пары — первой точкой (i+1)-й пары, определение амплитудно-фазового распределения по результатам измерений, отличающийся тем, что, с целью повышения точности, прием электромагнитного поля в каждой паре точек выполняют по основной и ортогональной поляризациям, формируют суммарные сигналы в соответствии с соотношениями измеряют мощности суммарных сигналов

Р1, Р2 и Рз соответственно и определяют комплексную амплитуду поля в первой точке по ортогональной поляризации и во второй точке по основной и ортогональной поляризациям по формуле ф з(Re Eml Enk — J?m Eml Е

Enk = Eml 2 )

I Eml,I где значения I Eml I, Re(EmlEnk ), Im(EmlEnk*) определяют из матричного уравнения

ГДЕ Eml(nk) — ЭНаЧЕНИЕ КОМПЛЕКСНОЙ. НаПРЯженности исследуемого поля в точке m(n) поляризации l(k); .

m, и, i,k=1,2; матрица (С) — матрица калибровки;

k) {J = 1, ..., 6) — комплексные коэффициенты передачи принятых сигналоь, причем амплитуду исследуембго поля в первой точке первой пары точек по одной из поляризаций выбирают произвольно, а фазу

: — равной нулю.

2. Способ по п.1, отличающийся

20 тем; что, с целью повышения точности, дополнительно принимают исследуемое поле в третьей точке, расположенной на линии, перпендикулярной линии, проходящей че- рез первую и вторую точки приема, и прохо25 дящей через первую точку приема каждой пары точек, формируют суммарные сигналы в соответствии с соотношениями

U2 = k3E31+ 4ЕЗ2; ()3 = к5Е»(2) + "6Е31(2)

30 измеряют мощности суммарных сигналов

Рг и Рз соответствейно и определяют комплексную амплитуду исследуемого поля в третьей точке по основной и ортогональной поляризациями для каждой пары точек

35 по фоРмУле

40 гдЕ ЗначЕния I ЕЗ I, Re(E3i(E3k ), Хв(ЕЗ(E3k*) определяют из мат ичного авнения

1753430

Составитель С.Борисов

Техред М.Моргентал Корректор М,Максимишинец

Редактор Н.Химчук

Производственно-издательский комбинат "Патент", г. Ужгород, ул.Гагарина, 101

Заказ 2767 Тираж Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета по изобретениям и открытиям при ГКНТ СССР

113035, Москва, Ж-35. Раушская наб., 4/5