Радиоголографический способ определения диаграммы направленности антенны в диапазоне частот

 

Предложен способ измерения диаграммы направленности в диапазоне частот антенны, заключающийся в возбуждении исследуемой антенны импульсным сигналом и излучении этой антенной импульсного электромагнитного поля, регистрации этого поля датчиками различной ориентации, определении диаграммы направленности исследуемой антенны на требуемых частотах посредством преобразования Фурье по времени и пространственным переменным, согласно которому перед преобразованием Фурье выполняют пеленгацию, определяют координаты элементарных источников и интенсивности этих источников, а регистрацию поля выполняют несколькими неподвижными датчиками. Изобретение относится к радиоголографии, измерению характеристик антенн и излучающих объектов. Способ обеспечивает упрощение процесса измерения и может быть широко использован в радиоголографии. 1 ил.

Изобретение относится к радиоголографии, измерению характеристик антенн и излучающих объектов.

Известные голографические установки регистрируют волновое поле на некоторой поверхности. Строго говоря, эта поверхность должна быть замкнутой и охватывать исследуемые источники электромагнитного поля. Такие установки используют в радиодиапазоне для определения характеристик антенн /1,2/.

При практической реализации для регистрации электромагнитного поля излучения антенны используют либо совокупность датчиков, расположенных в дискретных точках на некоторой поверхности (параллельная регистрация), либо один датчик и систему сканирования, обеспечивающую относительное перемещение датчика и исследуемого поля (последовательная регистрация).

Недостатком существующих способов регистрации радиоголограмм является необходимость большого числа датчиков при параллельной регистрации или сложная система сканирования, обеспечивающая перемещение в двух направлениях при последовательной регистрации. Еще более сложным и длительным оказывается процесс измерения диаграммы направленности антенны в диапазоне частот. В этом случае при сканировании необходимо еще изменять частоту возбуждающего антенну сигнала.

Один из способов, облегчающих измерение диаграммы направленности в диапазоне частот, описан в /3/. Он основан на использовании широкополосного импульсного сигнала, содержащего все частоты, на которых требуется измерение диаграммы направленности. Этот способ выбран в качестве прототипа предлагаемого изобретения. Способ заключается в возбуждении исследуемой антенны импульсным сигналом и излучении этой антенной импульсного электромагнитного поля, регистрации этого поля датчиками различной ориентации, определении диаграммы направленности исследуемой антенны на требуемых частотах посредством преобразования Фурье по времени и пространственным переменным.

Недостаток прототипа в том, что в нем присутствует система сканирования (блок 7 на фиг.1 в описании /3/). Это дорогостоящая механическая система, требующая высокой точности изготовления, а проведение измерений диаграммы направленности при сканировании в широком диапазоне углов занимает много времени.

Задача изобретения состоит в отказе от системы сканирования, что позволит удешевить измерительную установку и ускорить процесс измерений.

Цель изобретения упрощение и ускорение процесса измерения диаграммы.

Эта цель достигается тем, что в способе определения диаграммы направленности антенны в диапазоне частот, заключающемся в возбуждении исследуемой антенны импульсным сигналом и излучении этой антенной импульсного электромагнитного поля, регистрации этого поля датчиками различной ориентации, определении диаграммы направленности исследуемой антенны на требуемых частотах посредством преобразования Фурье по времени и пространственным переменным, перед преобразованием Фурье выполняют пеленгацию, определяют координаты элементарных источников и интенсивности этих источников, образующих излучение исследуемой антенны, а регистрацию поля выполняют несколькими неподвижными датчиками.

При пеленгации определяют координаты (X_n, Y_n, Z_n) элементарных излучателей, моменты времени (t_n), в которые происходит возбуждение излучателя воздействующим на антенну импульсом малой длительности и интенсивности элементарных источников, составляющие (P_xn, P_yn, P_zn) дипольного момента-вектора Затем восстанавливают полное поле излучения исследуемой антенны, суммируя поля, создаваемые элементарными диполями. Для определения диаграммы направленности антенны в диапазоне частот, т.е. поля в дальней зоне, суммирование представляет преобразование Фурье по времени и пространственным переменным от интенсивностей элементарных источников и его выполняют, как и в прототипе, с помощью быстрого преобразования Фурье.

Т. е. при построении радиоголограммы в предлагаемом способе регистрируют поле в нескольких дискретных точках неподвижными датчиками и вместо перемещения в пространстве используют изменение сигналов во времени. Минимальное число датчиков для измерения полной диаграммы направленности антенны в диапазоне частот равно трем. Однако для исключения особых случаев, в которых излучение некоторых элементарных источников в направлении какого-либо датчика может отсутствовать и не регистрируется этим датчиком, число датчиков следует увеличить до четырех. Число датчиков может быть еще увеличено для уменьшения погрешности результатов измерений. Число датчиков может быть и уменьшено, если известно заранее расположение элементарных источников или если нужна не полная диаграмма направленности, а, например, одно из главных сечений диаграммы.

Схема установки, реализующей описанный способ, приведена на чертеже.

Установка содержит импульсный генератор 1, исследуемую антенну 2, датчики 3 электромагнитного поля, переключатель 4, широкополосный стробоскопический осциллограф 5, регистратор 6 сигналов датчиков, блок пеленгации 7 и блок обработки 8, выполняющий преобразование Фурье.

Способ осуществляют следующим образом.

С помощью импульсного генератора 1 возбуждают исследуемую антенну 2, излучающую импульсное электромагнитное поле. Преобразуют излученное поле в электрические сигналы посредством датчиков 3. Поочередно подключают переключателем 4 сигналы датчиков к входу стробоскопического осциллографа 5, позволяющего наблюдать эти сигналы на экране и преобразующего быстрые сигналы датчиков в медленные, которые регистрируют регистратором 6. Эти зарегистрированные сигналы фактически являются импульсной радиоголограммой. Обрабатывают радиоголограмму и определяют диаграмму направленности антенны посредством блоков 7 и 8. Эти блоки реализуют на ЭВМ, входящей в настоящее время во многие измерительные устройства и измерительные комплексы.

Выполняют преобразование Фурье по времени и пространственным переменным и определяют диаграмму направленности антенны с помощью блока 8. С помощью блока 7 выполняют пеленгацию.

Определяют координаты (X_n Y_n Z_n) элементарных источников, моменты их возбуждения (t_n) исходным импульсом и интенсивности (P_xn P_yn P_zn) этих источников.

Число таких элементарных источников полагается конечным и равным. Если в реальной антенне число источников бесконечно, то их излучение будет аппроксимировано излучением N источников.

Указанные величины X_n, Y_n, Z_n, t_n, P_xn P_yn, P_zn(n=1,2,N) определяют из решения системы уравнений Здесь введены обозначения: где (i)U(t) сигнал i-го датчика, t_ни t_к начало и конец этого сигнала, t_n момент возбуждения n-го элементарного источника, c скорость света, X_i, Y_i, Z_i декартовы координаты i-го датчика,
расстояние от начала координат до этого датчика,
расстояние между i-м датчиком и n-м элементарным источником.

В дальней зоне R_in приближенно равно:
R_in=R_i-(X_iX_n+Y_iY_n+ Z_iZ_n)/R_i,
X_n, Y_n, Z_n декартовы координаты n-го элементарного источника,
P_xn, P_yn, P_zn проекции векторного дипольного момента на оси координат,
N число элементарных источников,
I число датчиков,
K определяет число уравнений в системе (их число равно K·I),
(i)R_x, (i)R_y, (i)R_z коэффициенты, определяющие реакцию i-го датчика на составляющую E_x, E_y и E_z электрического поля.

В результате решения системы уравнений определяют величины P_xn, P_yn P_zn, t_n, X_n, Y_n, Z_n (все остальные величины, входящие в уравнения, определяют положением и характером датчиков). После решения системы уравнений диаграмма направленности определяют в соответствии с выражением /4/:

В этих выражениях X, Y, Z декартовы координаты точки наблюдения. расстояние от точки наблюдения до начала координат, угол ϕ отсчитывают в плоскости X_oy от оси X, угол q от оси Z, w круговая частота. E_Θ и E_ϕ/ составляющие поля в дальней зоне антенны,
Рассмотрим простой пример определения диаграммы направленности предлагаемым способом.

Полагаем, что исследуемая антенна содержит два элементарных источника, расположенные на оси X в точках с координатами X₁=1, X₂=-1. Эти элементарные источники (диполи) ориентированы вдоль оси Z и имеют равные по величине и противоположные по знаку дипольные моменты (P_z1=P, P_z2=-P). Полагаем, что при импульсном возбуждении эти диполи одновременно в некоторый момент времени, принимаемый за ноль, излучают δ -импульсы (t₁=t₂=0). Пусть нас интересует диаграмма направленности в плоскости XOY. Как известно из литературы /5/, нормированная диаграмма направленности определяется выражением:

При определении диаграммы направленности в этом примере по зарегистрированному импульсному излучению будем полагать для упрощения выкладок, что известна ориентация элементарных излучателей (вдоль оси Z) и то, что они расположены на оси X, но координаты этих излучателей и их интенсивности заранее неизвестны. Излучение регистрируется двумя датчиками, расположенными на оси X, в точках с координатами X₀ и -X_o. эти датчики при импульсном возбуждении зарегистрируют сигналы:

Здесь (i)U(t) (i= 1,2) сигналы на выходах первого и второго датчиков, δ - δ -функция.

Определяют значения
При этом полагают, что R/X₀=1, так как нормированная диаграмма не зависит от уровня сигналов.

Система уравнений примет при всех записанных предположениях такой вид:

Решение этой системы даст значения: X₁=1, X₂=-1, t₁=t₂=0, P₁=-P₂=P.

Определение диаграммы направленности RE_Θ = F_Θ(ϕ) в плоскости XOY ( q = π/2 ) по формуле дает ч
Опускают постоянный, не зависящий от угла ϕ,множитель и получают приведенное ранее выражение для нормированной диаграммы направленности

Это совпадение подтверждает возможность определения диаграммы направленности антенны предлагаемым способом.

Источники информации:
1. Бахрак Л.Д. Курочкин А.П. Голография в микроволновой технике. М.Сов. радио,1979.

2. Захарьев Л.Н. Методы измерения характеристик антенн.М.Радио и связь. 1985.

3. Авторское свидетельство СССР N 1415203, кл.G 01 R29/10, 1986,прототип.

4. Федоров Б.Ф. Эльман Р.И. Цифровая голография.М.Наука.1976.

5. Справочник по элементам радиоэлектронных устройств под ред. Деулина В.Н. Жука М.С. М.Энергия.1977.

Формула изобретения

Радиоголографический способ определения диаграммы направленности широкополосной антенны в диапазоне частот, заключающийся в возбуждении исследуемой антенны импульсным сигналом и излучении этой антенной импульсов электромагнитного поля, регистрации этого поля датчиками различной ориентации, определении диаграммы направленности антенны на требуемых частотах посредством преобразования Фурье по времени и пространственным переменным, отличающийся тем, что регистрацию поля выполняют несколькими неподвижными датчиками и перед преобразованием Фурье пеленгацией определяют координаты элементарных диполей, образующих излучение исследуемой антенны, моменты времени t_n, в которые происходит возбуждение диполей, и их дипольные моменты решением относительно X_n, Y_n, Z_n, t_n, P_xn, P_yn, P_zn системы уравнений

где К 1, 2, К;
i 1, 2 i;
(_i)U(t) сигнал i-го датчика;
t_н, t_к начало и конец этого сигнала;
t_n момент возбуждения n-го элементарного диполя;
c скорость света;
λ - длина волны;
X_i, Y_i, Z_i декартовые координаты i-го датчика;
расстояние от начала координат до этого датчика;
расстояние между i-м датчиком и n-м элементарным диполем;
X_n, Y_n, Z_n декартовые координаты n-го элементарного диполя;
P_xn, P_yn, P_zn проекции векторного дипольного момента на оси координат;
n число элементарных диполей;
i число датчиков;
K К 1, число уравнений в системе;
_(i)K_x, _(i)K_y, _(i)K_z - коэффициенты, определяющие реакцию i-го датчика на составляющие E_x, E_y, E_z электрического поля.

РИСУНКИ

Рисунок 1