Устройство для измерения диаграмм направленности антенны в дальней зоне

 

Использование: при измерении диаграммы направленности антенн диапазона СВЧ и КВЧ в дальней зоне. Цель: повышение производительности измерения диаграммы направленности антенн в дальней зоне. Сущность изобретения: использование в предлагаемом устройстве сигнала с линейной частотной модуляцией и новых блоков, обеспечивающих его обработку с подавлением паразитных сигналов, обусловленных переотражениями испытательного сигнала от окружающих предметов и внутренних поверхностей помещения, и частотной автоподстройкой частоты биений в тракте обработки испытательного ЛЧМ-сигнала при изменении положения фазового центра исследуемой антенны в процессе измерений. Положительный эффект: уменьшение трудоемкости процесса измерения диаграммы направленности антенн в дальней зоне. 1 з.п. ф-лы, 5 ил.

Изобретение относится к технике антенных измерений и может быть использовано при измерении диаграмм направленности антенн диапазона СВЧ и КВЧ в дальней зоне.

Известно устройство для измерения диаграммы направленности антенны в дальней зоне, содержащее цепочку из последовательно соединенных СВЧ-генератора, исследуемой антенны, индикаторной антенны, приемника, при этом исследуемая антенна укреплена на поворотном столе [1] Однако это известное устройство имеет недостаточную точность измерения при наличии отражений сигнала от внутренних поверхностей помещения и элементов конструкции испытательного стенда при контроле диаграммы направленности антенны в дальней зоне.

Известно устройство для измерения диаграммы направленности антенны, содержащее цепочку последовательно соединенных генератора пикосекундных импульсов, исследуемой антенны, приемного зонда и стробоскопического осциллографа, сопряженного с ЭВМ или с микропроцессорным устройством [2] Однако это известное устройство в связи с резким уменьшением спектрального сигнала с ростом частоты и соответствующим уменьшением отношения сигнал/шум на входе осциллографа не обеспечивает требуемого динамического диапазона измерений на частотах выше 5-10 ГГц.

Наиболее близким по технической сущности является устройство для измерения диаграммы направленности антенны в дальней зоне, содержащее генератор опорного сигнала, управляемый фазовращатель, измеритель фазы и последовательно соединенные СВЧ генератор частотно-модулированного сигнала, направленный ответвитель, исследуемую антенну, вспомогательную антенну, управляемую линию задержки, супергетеродинный приемник (двухканальный), первый выход которого через последовательно соединенные синхронный (фазовый) детектор и узкополосный усилитель (фильтр) низкой частоты связан с входом измерителя амплитуды, при этом второй выход узкополосного усилителя низкой частоты соединен с входом измерителя фазы, второй выход направленного ответвителя подключен к второму входу супергетеродинного приемника, второй выход супергетеродинного приемника присоединен к первому входу управляемого фазовращетеля, выход управляемого фазовращателя подключен к второму входу синхронного (фазового) детектора, генератор опорного сигнала присоединен выходом к второму входу измерителя фазы и второму входу управляемого фазовращателя [3] Однако это известное устройство имеет недостаточную производительность измерений при контроле диаграммы направленности антенны в дальней зоне в связи с необходимостью обеспечения равенства электрических длин каналов приема этого устройства путем ручной установки задержки в управляемой линии задержки при каждом из значений углов поворота исследуемой антенны.

Поставлена задача повышение производительности измерения диаграммы направленности антенны в дальней зоне.

Технически задача реализуется следующим образом. В устройство для измерения диаграмм направленности антенны в дальней зоне, содержащее генератор тактового сигнала, измеритель амплитуды и последовательно соединенные управляемый СВЧ-генератор частотно-модулированного сигнала, направленный ответвитель, исследуемая антенна, вспомогательная антенна, супергетеродинный приемник, детектор, фильтр низкой частоты, при этом второй вход направленного ответвителя присоединен к гетеродинному входу супергетеродинного приемника, а выход супергетеродинного приемника подключен к входу измерителя амплитуды, введены последовательно соединенные генератор тактового сигнала, управляемый аттенюатор и интегратор, выход которого соединен с входом управления частотой управляемого СВЧ-генератора частотно-модулированного сигнала, последовательно соединенные блок начальной установки и сумматор, второй вход которого соединен с выходом фильтра низкой частоты, а выход с входом управления управляемого аттенюатора, при этом выход супергетеродинного приемника соединен с входом измерителя амплитуды и с первым входом блока начальной установки, второй вход которого соединен с выходом генератора тактового сигнала.

При этом блок начальной установки выполнен в виде последовательно соединенных амплитудного детектора, вход которого является первым входом блока начальной установки, порогового блока, триггера, элемента И, двоичного счетчика и цифроаналогового преобразователя, выход которого является выходом блока начальной установки, кнопочного переключателя, вход которого является вторым входом блока начальной установки и соединен с вторым входом элемента И, а выход с S-входом триггера и с установочным входом двоичного счетчика, инверсный выход триггера подключен к световому индикатору, второй вход которого соединен с общим проводом.

Сущность изобретения состоит в использовании в предлагаемом устройстве сигнала с линейной частотной модуляцией и новых блоков, обеспечивающих его обработку с подавлением паразитных сигналов, обусловленных переотражениями испытательного сигнала от окружающих предметов и внутренних поверхностей помещения, и частотной автоподстройкой частоты биений в тракте обработки испытательного ЛЧМ-сигнала при измерении положения фазового центра исследуемой антенны в процессе измерений, что обеспечивает повышение производительности измерений.

На фиг.1 приведена структурная электрическая схема устройства; на фиг. 2 функциональная электрическая схема варианта блока начальной установки; на фиг. 3 временные диаграммы, поясняющие принцип работы устройств; на фиг.4 - изображение спектра сигнала биений на входе тракта промежуточной частоты супергетеродинного приемника 13 до захвата системой частотной автоподстройки (ЧАП) устройства частоты биений полезного сигнала; на фиг.5 -изображение спектра сигнала биений на входе тракта промежуточной частоты супергетеродиного приемника 13 в режиме измерений.

Устройство содержит генератор 1 тактового сигнала, блок 2 начальной установки, измеритель 3 амплитуды, управляемый аттенюатор 4, сумматор 5, фильтр 6 низких частот, частотный детектор 7, интегратор 8, управляемый СВЧ-генератор 9 частотно-модулированного сигнала, направленный ответвитель 10, вспомогательную антенну 12, супергетеродинный приемник 13. К выходу направленного ответвителя 10 подключена исследуемая антенна 11.

Блок 2 начальной установки содержит кнопочный переключатель 2.1, пороговый блок 2.2, триггер 2.3, амплитудный детектор 2.4, световой индикатор 2.5, элемент И 2.6, двоичный счетчик 2.7, цифроаналоговый преобразователь 2.8.

Рассмотрим функции, выполняемые структурными элементами устройства. Генератор 1 тактового сигнала предназначен для выработки прямоугольных импульсов.

Блок 2 начальной установки предназначен для начальной установки частоты биений в пределах полосы пропускания супергетеродинного приемника 13.

Измеритель 3 амплитуды предназначен для измерения амплитуды диаграммы направленности исследуемой антенны 11.

Управляемый аттенюатор 4 предназначен для управления амплитудой прямоугольных импульсов, вырабатываемых генератором тактового сигнала.

Сумматор 5 предназначен для суммирования сигналов с выходов блока начальной установки 2 и фильтра низких частот 6.

Фильтр 6 низких частот предназначен для выделения низкочастотных составляющих сигнала с выхода частотного детектора 7.

Частотный детектор 7 предназначен для формирования сигнала управления затуханием в управляемом аттенюаторе 4, по величине, пропорциональной разнице частот сигнала с выхода супергетеродинного приемника и частоты настройки детектора 7.

Интегратор 8 предназначен для выработки сигнала управления управляемым СВЧ-генератором частотно-модулированного сигнала 9.

Управляемый СВЧ-генератор 9 частотно-модулированного сигнала предназначен для формирования частотно-модулированного сигнала в соответствии с управляющим воздействием.

Направленный ответвитель 10 предназначен для разделения СВЧ-энергии с выхода управляемого СВЧ-генератора 9 частотно-модулированного сигнала и подачи ее на исследуемую антенну 11 и гетеродинный вход супергетеродинного приемника 13.

Вспомогательная антенна 12 предназначена для приема электромагнитной энергии, излученной исследуемой антенной 11.

Супергетеродинный приемник 13 предназначен для формирования, усиления и частотной селекции сигнала биений с амплитудой, пропорциональной коэффициенту усиления исследуемой антенны 11.

Устройство работает следующим образом.

Генератор 1 тактового сигнала вырабатывает прямоугольные импульсы (эпюра 1 на фиг.3). Далее эти импульсы меняют свою амплитуду, проходя через управляемый аттенюатор 4, за счет затухания в нем (эпюра 2 на фиг.3). Интегратор 8 интегрирует импульсы, они, превращаясь в пилообразное напряжение U (эпюра 3 на фиг. 3), поступают на вход управляемого СВЧ-генератора 9 частотно-модулированного сигнала в качестве управляющего воздействия. На выходе данного генератора 9 формируется линейно-частотно-модулированный сигнал (эпюра 4 на фиг. 3), энергия которого при подаче на направленный ответвитель 10 разделяется на две части. Сигнал с первого выхода направленного ответвителя 10 поступает на исследуемую антенну 11 и излучается в пространство, далее он принимается вспомогательной антенной 12, расположенной в дальней зоне. Впоследствии этот сигнал поступает на сигнальный вход супергетеродинного приемника 13. Сигнал с второго выхода направленного ответвителя 10 поступает на гетеродинный вход супергетеродинного приемника 13, на выходе которого формируется сигнал на частоте биений (эпюра 5 на фиг.3).

Рассмотрим процесс формирования сигнала на выходе супергетеродинного приемника 13. Линейно-частотно-модулированный сигнал на гетеродинном входе приемника 13 имеет вид гармонического напряжения переменной частоты w w_o + v_wt: где w_o const; v_w скорость изменения частоты; T период повторения управляющего воздействия.

На сигнальный вход приемника 13 поступает этот же сигнал, но с амплитудой U_cm, пропорциональной коэффициенту усиления исследуемой антенны 11, и частотой w_c w_o + v_w(t + Δt), отличающейся от частоты гетеродинного напряжения из-за наличия задержки Δt сигнала при прохождении его между исследуемой антенной 11 и входом супергетеродинного приемника 13: В результате на выходе приемника 13 появится разностный сигнал U_b(t) биений с частотой w_b v_wΔt и амплитудой, пропорциональной амплитуде входного сигнала:
U_b(t) cU_cmcos(w_bt). (3)
При этом частота биений может быть рассчитана из следующего соотношения:

где S крутизна модуляционной характеристики СВЧ-генератора 9;
DU_upr диапазон изменения управляющего воздействия.

На входе приемника 13 присутствует несколько сигналов с различными задержками, обусловленными отражениями испытательного сигнала от внутренних поверхностей помещения, в котором производятся испытания, от элементов конструкции испытательного стенда. Значения задержек Δt_i этих сигналов больше задержки полезного сигнала Δt поэтому в процессе измерений их частоты находятся за пределами полосы пропускания приемника 13 и не оказывают мешающего воздействия на процесс измерений.

Примерный вид спектра сигнала на входе тракта промежуточной частоты супергетеродинного приемника 13 показан на фиг.4, где Δw_pr полоса пропускания тракта промежуточной частоты супергетеродинного приемника 13, a сигналы, появление которых обусловлено наличием отражений от окружающих предметов. Частоте w_b соответствует сигнал, проходящий по кратчайшему расстоянию между испытуемой и вспомогательной антеннами, ему соответствует минимальная задержка по времени. Все паразитные сигналы a имеют большую временную задержку и не попадают в полосу Δw_pr и соответственно не появляются на выходе супергетеродинного приемника 13.

В начальном состоянии элемент И 2.6 закрыт низким уровнем с выхода тригера 2.3. Начальный захват системы ЧАП обеспечивается следующим образом. В начальный момент девиация частоты сигнала генератора 9 устанавливается таким образом, чтобы частота биений полезного сигнала превышала частоту настойки тракта промежуточной частоты супергетеродинного приемника 13 в 1,2 1,8 раза (фиг.4). При нажатии кнопочного переключателя 2.1 на выходе тригера 2.3 импульсом с выхода генератора тактового сигнала 1 появится высокий уровень, передний фронт которого установит в нулевое состояние двоичный счетчик 2.7 и будет открыт элемент И 2.6, который пропустит на информационный вход двоичного счетчика 2.7 импульсы с выхода генератора тактового сигнала 1. Цифро-аналоговый преобразователь 2.8 преобразует сигнал с выхода двоичного счетчика 2.7 в аналоговый. Этот сигнал подается на первый вход сумматора 5, где произойдет его суммирование с сигналом с выхода фильтра низкой частоты 6. На выходе сумматора 5 будет сформирован, таким образом, сигнал управления затуханием управляемого аттенюатора 4. Следовательно, амплитуда импульсов с выхода генератора тактового сигнала 1, которая прямо пропорциональна девиации частоты на выходе управляемого СВЧ-генератора частотно-модулированного сигнала 9, будет уменьшаться и соответственно будет уменьшаться девиация частоты. При этом весь спектр сигнала перемещается влево до тех пор, пока частота биений полезного сигнала не попадает в полосу пропускания выходного усилителя супергетеродинного приемника 13 (фиг.5), при этом происходят захват системы ЧАП и прекращение работы блока начальной установки следующим образом. Полезный сигнал на частоте биений поступает на вход частотного детектора 7, настроенного на промежуточную частоту приемника 13. Частотный детектор 7 формирует сигнал, соответствующий рассогласованию частот полезного сигнала и настройки. Далее этот сигнал подается на фильтр низкой частоты 6, где происходит подавление высокочастотных составляющих, которые, возможно, присутствуют на выходе частотного детектора 7. Сигнал с выхода фильтра низкой частоты 6 подается на второй вход сумматора 5. Одновременно сигнал с выхода супергетеродинного приемника 13 детектируется амплитудным детектором 2.4 и подается на пороговый блок 2.2, который выработает высокий уровень на выходе, если сигнал на входе будет больше некоторого заданного уровня. Высокий уровень с выхода порогового блока 2.2 подается на R-вход тригера 2.3 и установит его в противоположное состояние, что приведет к установке элемента И 2.6 в нулевое состояние. В результате прекратится поступление импульсов с генератора 1 на информационный вход счетчика 2.7, что приведет к фиксации напряжения на выходе цифроаналогового преобразователя 2.8 и соответственно к прекращению последовательного ступенчатого увеличения затухания в аттенюаторе 4. На втором выходе тригера 2.3 появится высокий уровень, при этом свечение светового индикатора 2.5 будет свидетельствовать о том, что можно производить измерения диаграммы направленности исследуемой антенны 11 при помощи измерителя амплитуды 3. В процессе измерений сигнал рассогласования с выхода фильтра 6, регулируя затухание в аттенюаторе 4, обеспечивает постоянство частоты биений полезного сигнала.

Последовательно поворачивая исследуемую антенну 11 в азимутальной плоскости, фиксируют зависимость показаний измерителя амплитуды 3 от угла поворота. С изменением угла поворота в устройстве происходят смещение фазового центра исследуемой антенны 11, соответствующее изменение электрической длины линии исследуемая антенна 11 вспомогательная антенна 12 и задержки сигнала Δt при этом постоянство рабочей частоты биений w_b обеспечивается автоматической регулировкой параметров управляющего воздействия на входе генератора СВЧ 9 изменением затухания в аттенюаторе 4. Это позволяет исключить затраты времени на ручную настройку устройства при каждом значении угла поворота исследуемой антенны 11 при одновременном подавлении паразитных сигналов, обусловленных переотражениями испытательного СВЧ-сигнала от окружающих предметов и внутренних поверхностей помещения.

Источники информации, принятые во внимание при составлении заявки на изобретение
1. Миклашевская А. В. Автоматические измерители в диапазоне СВЧ. М. Связь, 1972, с. 47.

2. Исследование объектов с помощью пикосекундных импульсов./Под редакцией Г.В.Глебовича. М. Радио и связь, 1984, с. 230.

3. Авт. св. СССР N 985753, Мкл. ³ G 01 R 29/10, 1982 (прототип).

Формула изобретения

1. Устройство для измерения диаграмм направленности антенны в дальней зоне, содержащее последовательно соединенные СВЧ-генератор частотно-модулированного сигнала, направленный ответвитель, супергетеродинный приемник, детектор и фильтр низкой частоты, при этом второй выход направленного ответвителя предназначен для подключения исследуемой антенны, вспомогательную антенну, выход которой соединен с сигнальным входом супергетеродинного приемника, измеритель амплитуды, отличающееся тем, что СВЧ-генератор частотно-модулированного сигнала выполнен управляемым, введены последовательно соединенные генератор тактового сигнала, управляемый аттенюатор и интегратор, выход которого соединен с входом управления частотой управляемого СВЧ-генератора частотно-модулированного сигнала, последовательно соединенные блок начальной установки и сумматор, второй вход которого соединен с выходом фильтра низкой частоты, а выход с входом управления управляемого аттенюатора, при этом выход супергетеродинного приемника соединен с входом измерителя амплитуды и с первым входом блока начальной установки, второй вход которого соединен с выходом генератора тактового сигнала.

2. Устройство по п.1, отличающееся тем, что блок начальной установки выполнен в виде последовательно соединенных амплитудного детектора, вход которого является первым входом блока начальной установки, порогового блока, триггера, элемента И, двоичного счетчика и цифроаналогового преобразователя, выход которого является выходом блока начальной установки, кнопочного переключателя, вход которого является вторым входом блока начальной установки и соединен с вторым входом элемента И, а выход с S-входом триггера и с установочным входом двоичного счетчика, инверсный выход триггера подключен к световому индикатору, второй вход которого соединен с общим проводом.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3, Рисунок 4, Рисунок 5