Способ определения характеристик диаграммы направленности антенны

 

Изобретение относится к области радиотехники и может быть использовано для измерения характеристик антенн. Цель изобретения - повышение точности измерений характеристик диаграммы направленности антенны путем компенсации производственного разброса вносимого фазовращателями решетки излучающих зондов значения фазового сдвига. Данный способ реализуется устройством, содержащим решетку излучающих зондов, установленную перед раскрывом исследуемой антенны, p-разрядные фазовращатели, распределительную систему, генератор, измеритель, блок управления фазовращателями и ЭВМ.

Компенсация систематических ошибок каждого фазовращателя осуществляется путем их учета при компенсации начального значения фазы возбуждения соответствующего излучающего зонда решетки, а компенсация случайных ошибок осуществляется путем переключений одновременно всех фазовращателей решетки излучающих зондов в очередное дискретное состояние и измерения параметров сигналов, принятых исследуемой антенной, с таким расчетом, чтобы за время пребывания на входе блока управления фазовращателями команды управления, соответствующей заданному положению фазового фронта плоской волны, каждый фазовращатель принял все свои дискретные состояния. 1 ил., 1 табл.

Изобретение относится к области радиотехники и может быть использовано при измерениях характеристик антенн.

Известен способ измерения диаграммы направленности антенны непосредственно в дальней зоне, заключающийся в измерении параметров сигнала, принятого или излученного испытуемой антенной, помещенной на опорно-поворотном устройстве, при различных угловых положениях испытуемой антенны относительно передающей антенны (Фрадин А.З. Рыжков Е.В. Измерения параметров антенно-фидерных устройств. М. Связь, 1972, с. 236).

Недостатком способа является необходимость использования для таких измерений больших антенных полигонов при определении характеристик остронаправленных антенн, у которых дальняя зона располагается на расстоянии нескольких километров и более.

Этого недостатка лишены способы, позволяющие определить параметры диаграммы направленности антенны на основе измерений амплитуд и фаз поля в ее ближней зоне (на расстоянии нескольких длин волн), которые в зависимости от формы поверхности сканирования ближнего поля испытуемой антенны носят названия планарных или апертурно-зондовых, цилиндрических и сферических (Шишов Ю. А. Определение характеристик антенн по измерениям поля в ближней зоне. - Зарубежная радиоэлектроника, 1983, N 10, с. 58 66).

Недостатками этих способов являются необходимость двумерного механического сканирования ближнего поля антенны и использование соответствующей математической обработки результатов измерений, что приводит к значительной продолжительности процедур измерений и обработки, а также низкая помехозащищенность измерений, которая вызывает необходимость их проведения в дорогостоящих безэховых камерах.

Для устранения этих недостатков предложен способ (Pereira J.F.R. Anderson A. P. Bennet J.C. New procedure for near-field measurement of microwave antennas without anehoic enviroments. IEE Proc. 1984, H 134, N 6, pp. 351 358), где с помощью плоской решетки излучающих зондов, управление фазами токов возбуждения в которых осуществляется с помощью p-разрядных фазовращателей, в ближней зоне испытуемой антенны, размещаемой на расстоянии нескольких длин волн от решетки излучающих зондов, синтезируется плоская волна, положение фронта которой управляется с помощью p-разрядных фазовращателей, и производятся измерения параметров сигналов, принятых испытуемой антенной при различных положениях фазового фронта синтезируемой плоской волны.

Данный способ по совокупности существенных признаков наиболее близок к изобретению и выбран в качестве прототипа.

Недостаток известного способа определения характеристик диаграммы направленности антенны состоит в том, что при его технической реализации остается нескомпенсированным производственный разброс вносимого фазовращателями значения фазового сдвига, это приводит к погрешностям формирования заданного амплитудно-фазового распределения на раскрыве решетки излучающих зондов, синтезирующей плоскую волну в ближней зоне испытуемой антенны и в конечном итоге к погрешностям определения характеристик ее диаграммы направленности. При этом возникает необходимость в повышении требований к точности изготовления фазовращателей, что приводит к значительному повышению стоимости измерительной установки.

Цель изобретения повышение точности измерений характеристик диаграммы направленности антенны путем компенсации производственного разброса, вносимого фазовращателями решетки излучающих зондов значения фазового сдвига.

Поставленная цель достигается тем, что при определении характеристик диаграммы направленности антенны известным способом, в котором с помощью плоской решетки излучающих зондов, управление фазами токов возбуждения в которых осуществляется с помощью p-разрядных фазовращателей, в ближней зоне испытуемой антенны, размещаемой на расстоянии нескольких длин волн от решетки излучающих зондов, синтезируется плоская волна и производятся измерения параметров сигналов, принятых испытуемой антенной при различных положениях фазового фронта синтезируемой плоской волны, осуществляется компенсация производственного разброса вносимого фазовращателями (решетки излучающих зондов) значения фазового сдвига, причем систематические ошибки каждого фазовращателя учитывают при компенсации начального значения фазы возбуждения соответствующего излучающего зонда решетки, а случайные ошибки компенсируют путем осуществления при каждом заданном положении фазового фронта синтезируемой плоской волны 2^p переключений одновременно всех фазовращателей решетки излучающих зондов в очередное дискретное состояние, измерений параметров сигналов, принятых испытуемой антенной перед каждым переключением фазовращателей, и усреднения результатов 2^p измерений.

Таким образом, предлагаемый способ характеризуется двумя отличительными признаками по сравнению с прототипом: компенсацией систематических ошибок каждого фазовращателя путем их учета при компенсации начального значения фазы возбуждения соответствующего излучающего зонда решетки и компенсацией случайных ошибок путем осуществления при каждом заданном положении фазового фронта плоской волны 2^p переключений одновременно всех фазовращателей решетки излучающих зондов в очередное дискретное состояние, измерений параметров сигналов, принятых испытуемой антенной перед каждым переключением фазовращателей, и усреднением результатов 2^p измерений.

Выполнение указанных операций позволяет полностью компенсировать производственный разброс величины вносимого фазовращателями фазового сдвига, что приводит к повышению точности реализации заданного амплитудно-фазового распределения на раскрыве решетки излучающих зондов, синтезирующей плоскую волну в ближней зоне испытуемой антенны, и в конечном итоге к повышению точности определения характеристик ее диаграммы направленности. В результате технической реализации предлагаемого способа могут быть снижены требования к точности изготовления фазовращателей, что приведет к снижению стоимости решетки излучающих зондов.

На чертеже приведен вариант технической реализации предлагаемого способа.

Изображенное на чертеже устройство содержит решетку излучающих зондов 1, установленную перед раскрывом исследуемой антенны 2, p-разрядные фазовращатели 3, распределительную систему 4, генератор 5, измеритель 6, блок управления фазовращателями 7, ЭВМ 8.

Измерение параметров исследуемой антенны по предлагаемому способу осуществляется следующим образом.

После установки фазовращателей решетки излучающих зондов в состояния, соответствующие задаваемому положению фазового фронта синтезируемой плоской волны, в соответствии в начальной фазой тока возбуждения соответствующего излучающего зонда и систематической ошибкой соответствующего фазовращателя периодически переключают одновременно все фазовращатели решетки в очередное дискретное состояние с таким расчетом, чтобы каждый фазовращатель принял все свои дискретные состояния за время пребывания на входе блока управления фазовращателями команды управления, соответствующей заданному положению фазового фронта плоской волны, измеряют амплитуду сигнала, принятого испытуемой антенной перед каждым переключением фазовращателей, в результате 2^p этих измерений усредняют.

Полученное в результате усреднения измеренное значение напряженности поля будет соответствовать заданному положению фазового фронта волны, синтезируемого решеткой излучающих зондов, так как погрешность установки заданного положения фазового фронта при этом компенсируется.

Компенсация погрешностей установки заданного положения фазового фронта синтезируемой решеткой излучающих зондов волны, обусловленных производственным разбросом вносимого фазовращателями значения фазового сдвига, осуществляется следующим образом.

Код управления фазовращателем mn-го излучающего зонда решетки (m номер строки, n номер столбца решетки) по предлагаемому способу определяется соотношением где Δϕ дискрет переключения фазовращателя; v_тр(m,n) требуемое значение фазы тока возбуждения mn-го излучающего зонда в соответствии с заданным положением фазового фронта синтезируемой решеткой волны; ϕ_нач(m,n) начальная фаза тока возбуждения mn-го излучателя; ϕ_сист(m,n) систематическая ошибка mn-го фазовращателя; l номер фазовой подставки, поступающей в младшие разряды фазовращателя перед каждым измерением (l 0, 1, 2, 2^p 1); ·} S(m,n) номер дискретного состояния mn-го фазовращателя (S(m,n) 0, 1, 2, 2^p 1).

Погрешность установки фазового состояния mn-го фазовращателя, обусловленная производственным разбросом его характеристик, может быть представлена выражением ϕ^(s_пр⁾(m,n) = ϕ_сист(m,n) + ϕ_s(m,n), (2) где ϕ_сист(m,n) систематическая ошибка mn-го фазовращателя;
ϕ_s(m,n) случайная ошибка mn-го фазовращателя.

Истинное значение фазы тока возбуждения mn-го излучателя определяется как
ϕ^(l)_изл(m,n) = ϕ^(l)_упр(m,n)+ϕ_нач(m,n)+ϕ^(s_пр⁾(m,n). (3)
Погрешность установки фазы тока возбуждения mn-го излучающего зонда
Δϕ^(l)_изл(m,n) = ϕ_изл(m,n) - ϕ_тр(m,n) - Δϕ·l, (4)
а ее усредненное по l значение

Здесь усреднение по l соответствует предлагаемому способу. Поскольку погрешность ϕ_s(m,n) представляет собой в этом случае центрированную случайную величину, так как систематическая погрешность ϕ_сист(m,n) учтена при компенсации (установке) начальной фазы тока возбуждения mn-го излучающего зонда в соответствии со способом-прототипом (для обеспечения минимально возможного уровня излучения вне области испытуемой антенны), то

Следовательно, при определении характеристик диаграмм направленности антенн по предлагаемому способу практически полностью компенсируются погрешности установки фазового фронта синтезируемой решетки излучающих зондов волны, обусловленные производственным разбросом вносимых фазовращателями значений фазовых сдвигов, а следовательно, повышается точность измерений.

Техническая реализуемость предлагаемого способа может быть проиллюстрирована на примере решетки излучающих зондов, управление положением фазового фронта волны в которой осуществляется с помощью p-разрядных фазовращателей.

Рассмотрим в качестве примера трехразрядный фазовращатель: дискрет переключения фазы Δϕ 45^o, число состояний 2^p 8. Поступающая на фазовращатель команда управления ϕ^(o)_упр(m,n) 135^o. В каждое из восьми возможных состояний фазовращатель устанавливается с ошибками, которые обусловлены производственным разбросом его характеристик и находятся в пределах от -Δϕ/2 до Δϕ/2. Значения ошибок ϕ^(s_пр⁾(m,n) в зависимости от номера дискретного состояния mn-го фазовращателя S(m, n) приведены в таблице.

Систематическая погрешность установки фазового состояния фазовращателя, обусловленная производственным разбросом его характеристик, определяется как
.

Случайные же погрешности в зависимости от номера состояния составляют

Компенсация систематической погрешности ϕ_сист(m,n) осуществляется путем подбора фазовращателей с равными систематическими погрешностями либо путем установки дополнительно фиксированного фазовращателя, обеспечивающего фазовый сдвиг
ϕ_доп(m,n) = -ϕ_сист(m,n).
В соответствии с изложенным погрешности установки положения фазового фронта синтезируемой решеткой излучающих зондов волны, обусловленные производственным разбросом вносимого фазовращателями значения фазового сдвига, практически полностью компенсируются.

Основное достоинство предлагаемого способа состоит в том, что его применение позволяет значительно снизить требования к точности изготовления фазовращателей, а следовательно, снизить их стоимость и стоимость решетки излучающих зондов.

Формула изобретения

Способ определения характеристик диаграммы направленности антенны, при котором с помощью плоской решетки излучающих зондов, управление фазами токов возбуждения в которых осуществляется p-разрядными фазовращателями, в ближней зоне испытуемой антенны синтезируют плоскую волну и измеряют параметры сигналов, принятых испытуемой антенной при различных заданных положениях фазового фронта синтезируемой плоской волны и определяют по ним характеристики диаграммы направленности антенны, отличающееся тем, что предварительно компенсируют систематические ошибки каждого фазовращателя при установке начального значения фазы возбуждения соответствующего излучающего зонда решетки, осуществляют для каждого заданного положения фазового фронта синтезированной плоской волны 2p переключений одновременно всех фазовращателей решетки излучающих зондов в очередное дискретное состояние, измеряют параметры сигналов, принятых испытуемой антенной перед каждым переключением фазовращателей и усредняют результаты измерений.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2