Устройство для измерения амплитудно-фазового распределения поля в раскрыве приемной антенны

Изобретение относится к измерительной технике, а именно к устройствам амплифазометрических антенных измерений. Устройство для измерения амплитудно-фазового распределения поля в раскрыве приемной антенны, содержащее сверхвысокочастотный генератор, выход которого соединен с измерительным зондом и с первым входом амплифазометра, выход которого соединен с первым входом устройства управления и сбора данных, первый выход которого соединен с первым входом первого блока вычисления, предназначенного для запоминания измеренных отношений амплитуд и разностей фаз сигналов и вычисления амплитудно-фазового распределения, поворотное устройство, механически связанное с исследуемой антенной, выход которой соединен со вторым входом амплифазометра. При этом устройство управления и сбора данных служит для формирования и выдачи команд управления на поворотное устройство и управления устройством измерения в целом. Также устройство содержит второй блок вычисления, предназначенный для вычисления координат точек измерения вектора коэффициента передачи исследуемой антенны в соответствии с оптимальной пространственной структурой измерения, и блок памяти, предназначенный для хранения информации о пространственной конфигурации антенны. При этом выход второго блока вычисления соединен со вторым входом устройства управления и сбора данных и со вторым входом первого блока вычисления, в свою очередь выход блока памяти соединен с входом второго блока вычисления и с третьим входом первого блока вычисления, кроме того, блок памяти установлен на исследуемой антенне. Технический результат - повышение точности измерения амплитудно-фазового распределения на раскрыве плоской фазированной антенной решетки. 3 ил.

 

Изобретение относится к измерительной технике, а именно к устройствам амплифазометрических антенных измерений.

Наиболее близким техническим решением к предлагаемому изобретению является измерительная установка (Журнал Академии наук СССР "Радиотехника и радиоэлектроника", том XXIV, вып.12, 1979, с.2398-2399), содержащая последовательно соединенные сверхвысокочастотный генератор, амплифазометр, устройство управления и сбора данных и блок вычисления, кроме того, выход сверхвысокочастотного генератора соединен с измерительным зондом, опорно-поворотное устройство, механически соединенное с исследуемой антенной, выход которой соединен со вторым входом амплифазометра, а второй выход устройства управления и сбора данных соединен с управляющим входом опорно-поворотного устройства.

Однако известное техническое решение обладает малой точностью измерения амплитудно-фазового распределения (АФР) в связи с тем, что оценивание АФР на раскрыве фазированной антенной решетки (ФАР) из системы линейных уравнений по результатам измерения коэффициента передачи антенны на некоторой поверхности относится к обратным задачам электродинамики и является плохо обусловленной задачей.

Технический результат предлагаемого технического решения направлен на повышение точности измерения амплитудно-фазового распределения на раскрыве фазированной антенной решетки (ФАР) за счет оптимизации пространственной структуры измерений, рассчитываемой во введенном втором блоке вычисления по координатам каждого элемента антенны, сохраненным в блоке памяти.

Технический результат достигается тем, что устройство для измерения амплитудно-фазового распределения поля в раскрыве приемной антенны содержит сверхвысокочастотный генератор, выход которого соединен с измерительным зондом и с первым входом амплифазометра, выход которого соединен с первым входом устройства управления и сбора данных, первый выход которого соединен с первым входом первого блока вычисления, предназначенного для запоминания измеренных отношений амплитуд и разностей фаз сигналов и вычисления амплитудно-фазового распределения, а также поворотное устройство, механически связанное с исследуемой антенной, выход которой соединен со вторым входом амплифазометра, при этом устройство управления и сбора данных служит для формирования и выдачи команд управления на поворотное устройство и управления устройством измерения в целом, второй блок вычисления, предназначенный для вычисления координат точек измерения вектора коэффициента передачи исследуемой антенны в соответствии с оптимальной пространственной структурой измерения, и блок памяти, предназначенный для хранения информации о пространственной конфигурации антенны, при этом выход второго блока вычисления соединен со вторым входом устройства управления и сбора данных и со вторым входом первого блока вычисления, в свою очередь выход блока памяти соединен с входом второго блока вычисления и с третьим входом первого блока вычисления, кроме того, блок памяти установлен на исследуемой антенне.

Отличительными признаками от прототипа является то, что в устройство дополнительно введены второй блок вычисления, предназначенный для вычисления координат точек измерения вектора коэффициента передачи исследуемой антенны в соответствии с оптимальной пространственной структурой измерения, и блок памяти, предназначенный для хранения информации о пространственной конфигурации антенны, при этом выход второго блока вычисления соединен со вторым входом устройства управления и сбора данных и со вторым входом первого блока вычисления, в свою очередь выход блока памяти соединен с входом второго блока вычисления и с третьим входом первого блока вычисления, кроме того, блок памяти установлен на исследуемой антенне.

На фиг.1 представлена функциональная блок-схема устройства для измерения амплитудно-фазового распределения поля в раскрыве приемной антенны, на фиг.2 представлены результаты вычисления среднеквадратического отклонения (СКО) восстановленного фазового распределения, усредненного по всем элементам антенной решетки, на фиг.3 представлены результаты вычисления среднего уровня фона корреляции матрицы пространственного преобразования.

Устройство для измерения амплитудно-фазового распределения поля в раскрыве приемной антенны содержит сверхвысокочастотный генератор 1, измерительный зонд 2, амплифазометр 3, устройство управления и сбора данных 4, состоящее из блока сбора данных и блока управления, первый блок вычисления 5, поворотное устройство 6, исследуемую антенну 7, второй блок вычисления 8 и блок памяти 9.

Выход сверхвысокочастотного генератора 1 соединен с измерительным зондом 2 и с первым входом амплифазометра 3. Выход амплифазометра 3 соединен с первым входом устройства управления и сбора данных 4. Первый выход устройства управления и сбора данных 4 соединен с первым входом первого блока вычисления 5. Поворотное устройство 6 механически связано с исследуемой антенной 7. Выход исследуемой антенны 7 соединен со вторым входом амплифазометра 3. Выход второго блока вычисления 8 соединен со вторым входом устройства управления и сбора данных 4 и со вторым входом первого блока вычисления 5. Выход блока памяти 9 соединен с входом второго блока вычисления 8 и с третьим входом первого блока вычисления 5.

Блок памяти 9 установлен на исследуемой антенне 7.

Сверхвысокочастотный генератор 1 предназначен для генерации гармонического сигнала в диапазоне частот исследуемой антенны 7.

Измерительный зонд 2 предназначен для излучения сверхвысокочастотного гармонического сигнала на исследуемую антенну 7. Располагается измерительный зонд 2 в дальней зоне исследуемой антенны 7 и формирует плоскую волну на раскрыве исследуемой антенны 7.

Амплифазометр 3 предназначен для измерения отношения амплитуд и разности фаз измеряемого (второй вход) и опорного (первый вход) гармонических сигналов.

Устройство управления и сбора данных 4 предназначено для обеспечения передачи данных с амплифазометра 3 на первый блок вычисления 5, для формирования и выдачи команд управления на поворотное устройство 6 и управления устройством измерения в целом.

Первый блок вычисления 5 предназначен для запоминания измеренных отношений амплитуд и разностей фаз сигнала и вычисления амплитудно-фазового распределения.

Поворотное устройство 6 предназначено для поворота установленной исследуемой антенны 7 в двух плоскостях и фиксации взаимного углового положения антенны и измерительного зонда в соответствии со значением, задаваемым на управляющем входе. Исследуемая антенна 7 устанавливается на поворотном устройстве таким образом, чтобы начало координат элементов ФАР было совмещено с пересечением осей вращения поворотного устройства по обеим угловым координатам.

Исследуемая антенна 7 представляет собой сверхвысокочастотную плоскую ФАР. Координаты элементов x_i,y_i ФАР отсчитываются относительно системы координат, начало которой располагается на поверхности раскрыва ФАР и на пересечении осей вращения поворотного устройства 6.

Второй блок вычисления 8 предназначен для вычисления координат точек измерения вектора коэффициента передачи исследуемой антенны 7 в соответствии с оптимальной пространственной структурой измерения.

Блок памяти 9 предназначен для хранения информации о пространственной конфигурации антенны. Устанавливается на исследуемой антенне 7 в процессе ее изготовления.

Измерение амплитудно-фазового распределения реализуется следующим образом.

Измеренный амплифазометром вектор коэффициента передачи исследуемой антенны 7 в любом из N угловых положений связан с амплитудно-фазовым распределением поля на раскрыве антенны 7 матричным соотношением:

где A={a_ik, i=1,..., N_s, k=1,..., N_ar} - матрица комплексных коэффициентов пространственного преобразования, N_ar - число элементов ФАР.

При N_s=N_ar АФР получается умножением на матрицу, обратную А:

Однако восстановление амплитудно-фазового распределения из системы линейных уравнений по результатам измерения коэффициента передачи исследуемой антенны 7 относится к обратным задачам электродинамики и является плохо обусловленной задачей, что приводит к большим ошибкам измерения.

Элементы матрицы коэффициентов пространственного преобразования с учетом дальней зоны ФАР рассчитываются следующим образом:

где λ - длина волны, ϕ_k, θ_k - задают угловое положение, х_i, y_i - координаты элементов ФАР.

Для повышения точности измерений введем условие ортогональности векторов пространственного преобразования А_k={a_ik, i=1,...,N_s}, по которым осуществляется разложение коэффициентов АФР s_i:

Тогда элементы вектора измеренного АФР определяются умножением вектора коэффициентов передачи ФАР на соответствующий ортогональный вектор пространственного преобразования:

Таким образом, при выполнении условия ортогональности векторов обратная задача решается точно. Повысить точность измерения амплитудно-фазового распределения можно, устанавливая значения ϕ_k, θ_k таким образом, чтобы условие ортогональности векторов А_k (4) выполнялось наиболее точно: должно быть минимально в случае n≠k.

Первый этап. Координаты каждого элемента ФАР x_i, y_i, i=1...N_ar считываются из блока памяти 9 и поступают во второй блок вычисления 8. Во втором блоке 8 вычисления происходит расчет N угловых направлений ϕ_k, θ_k по условию минимума корреляции при условии n≠k. Эти значения поступают на второй вход первого блока вычисления 5 и на второй вход устройства управления и сбора данных 4 и запоминаются.

Второй этап. Проводится измерение элементов вектора коэффициента передачи в каждом из N_s угловых положений. С этой целью устройство управления и сбора данных 4 выдает на поворотное устройство 6 команды управления для перемещения исследуемой антенны 7 в заданное угловое положение ϕ_k, θ_k. Поворотное устройство 6 отрабатывает полученные команды, устанавливая исследуемую антенну 7 в заданное угловое направление. Сигнал с выхода сверхвысокочастотного генератора 1 передается на измерительный зонд 2, установленный в дальней зоне исследуемой антенны 7, и первый (опорный) вход амплифазометра 3. Излучаемый измерительным зондом 2 сигнал принимается исследуемой антенной 7 и передается на второй (измерительный) вход амплифазометра 3. Амплифазометр 3 вычисляет разность фаз γ_k и отношение уровней с_k опорного и измеренного сигнала. Измеренные значения с_k и γ_k считываются блоком управления и сбора данных 4, который передает измеренные значения на первый вход первого блока вычисления 5 для хранения. Процесс измерений повторяется для каждого из N угловых направлений.

Третий этап. Первый блок вычисления 5 производит расчет амплитудно-фазового распределения , используя считываемые из блока памяти 9 координаты элементов ФАР х_i, y_i, поступающие со второго блока вычисления угловые положения ϕ_k, θ_k, амплитуду с_k и фазу γ_k сигнала в каждой измеренной точке в соответствии с формулой (2).

Преимущества оптимизации пространственной структуры измерений подтверждает математическое моделирование. На фиг.2 и 3 представлены результаты вычисления среднеквадратического отклонения (СКО) восстановленного фазового распределения, усредненного по N_ar элементам антенной решетки, и средний уровень фона корреляции матрицы пространственного преобразования r_Ф для эквидистантной прямоугольной решетки размером 10×10 элементов с шагом между элементами

Пространственная структура измерений характеризуется прямоугольным угловым сектором, ограниченным угловыми положениями

и

внутри которого по каждой угловой координате точки измерения распределены равномерно. На фиг.2 более темным цветом отмечены области с меньшим СКО. На фиг.3 темным цветом выделена область, в которой значение среднего уровня фона корреляции r_Ф<0,1. Данные расчетов свидетельствуют о повышении точности восстановления фазового распределения при угловых размерах сектора измерений, соответствующих минимальному значению среднего уровня фона корреляции r_Ф.

Аналогичные результаты получены и для измеренного амплитудного распределения.

Таким образом, восстановление амплитудно-фазового распределения по измерениям коэффициента передачи антенны в дальней зоне происходит гораздо точнее, если эти измерения производить в точках, соответствующих оптимальной пространственной структуре измерений.

Устройство для измерения амплитудно-фазового распределения поля в раскрыве приемной антенны, содержащее сверхвысокочастотный генератор, выход которого соединен с измерительным зондом и с первым входом амплифазометра, выход которого соединен с первым входом устройства управления и сбора данных, первый выход которого соединен с первым входом первого блока вычисления, предназначенного для запоминания измеренных отношений амплитуд и разностей фаз сигналов и вычисления амплитудно-фазового распределения, а также поворотное устройство, механически связанное с исследуемой антенной, выход которой соединен со вторым входом амплифазометра, при этом устройство управления и сбора данных служит для формирования и выдачи команд управления на поворотное устройство и управления устройством измерения в целом, отличающееся тем, что в него введены второй блок вычисления, предназначенный для вычисления координат точек измерения вектора коэффициента передачи исследуемой антенны в соответствии с оптимальной пространственной структурой измерения, и блок памяти, предназначенный для хранения информации о пространственной конфигурации антенны, при этом выход второго блока вычисления соединен со вторым входом устройства управления и сбора данных и со вторым входом первого блока вычисления, в свою очередь выход блока памяти соединен с входом второго блока вычисления и с третьим входом первого блока вычисления, кроме того, блок памяти установлен на исследуемой антенне.