Способ сверхвысокочастотных антенных измерений
Изобретение относится к области антенных измерений в области сверхвысокочастотных (СВЧ) сигналов и может быть использовано при исследовании диаграмм направленности и амплитудно-частотных характеристик (АЧХ) антенн. В качестве зондирующего используют СВЧ монохроматический сигнал, а при приеме используют рассинхронизированный стробоскопический приемник, выделяют максимальные мгновенные значения принятого сигнала, по которым оценивают АЧХ измеряемой антенны. Техническим результатом является обеспечение быстрого перехода от сверхширокополосных (СШП) к монохроматическим измерениям, за счет чего расширить частотную область измерений до десятков и сотен ГГц, произвести калибровку СШП измерений, а также повысить наглядность процесса измерений. 1 ил.
Изобретение относится к области антенных измерений в области сверхвысокочастотных (СВЧ) сигналов и может быть использовано при исследовании диаграмм направленности и амплитудно-частотных характеристик (АЧХ) антенн на стадиях их создания и эксплуатации.
Известен способ СВЧ антенных измерений [1], заключающийся в том, что антенной принимают СВЧ-сигнал, преобразуют его в температуру, которую измеряют. Полученные значения используют для оценки СВЧ-свойств антенны.
Недостатками данного способа являются высокая трудоемкость и низкая точность измерений. Высокая трудоемкость связана с инерционностью преобразователей СВЧ-излучения в температуру, что увеличивает продолжительность измерений. Низкая точность связана с непрямым способом измерения СВЧ-излучения, малым динамическим диапазоном [2] преобразователей, влиянием температуры окружающей среды и другими факторами.
Известен способ СВЧ антенных измерений [3], заключающийся в том, что устанавливают измеряемую и измерительную антенны с известными параметрами относительного положения, излучают СВЧ зондирующий сигнал одной антенной, принимают другой антенной, детектируют, оценивают амплитуду выпрямленного сигнала, по которой оценивают свойства измеряемой антенны при данных параметрах относительного положения антенн.
Практическая реализации данного способа зависит от возможности создания низкобарьерных диодов [3], работающих в диапазоне десятков и сотен гигагерц. Однако заявителям неизвестны диоды с такими характеристиками. Кроме того, нелинейность вольтамперной характеристики диодов приводит к существенным искажениям при измерениях в верхнем диапазоне частот объявленного диапазона. Авторам не известен способ снятия динамических характеристик диодов Шоттки в этом диапазоне частот, а предложения по компенсации этих искажений с использованием калибровочной таблицы, хранящейся в «микропроцессоре с интерфейсом RS-232», представляется практически нереализуемыми. Детекторные схемы с использованием СВЧ-диодов обладают существенной частотной зависимостью, в результате смена частотного диапазона требует замены детектора и калибровки схемы, что существенно усложняет измерения.
Общим недостатком способов [1-3] является высокая трудоемкость получения амплитудно-частотной характеристики (АЧХ) измеряемой антенны, связанная с необходимостью многочисленных измерений с использованием монохроматических зондирующих СВЧ-сигналов во всем интересующем диапазоне. При смене частотного диапазона приходится перестраивать или менять генераторы зондирующих сигналов и приемные устройства, проводить настройку, калибровку схемы измерений и т.п. Кроме того, оба способа предполагают снятие интегральных (усредненных) характеристик СВЧ-излучения, что снижает точность и скорость измерений.
Известен способ сверхвысокочастотных антенных измерений [4, 5], заключающийся в том, что устанавливают измеряемую и измерительную антенны с известными параметрами относительного положения, многократно излучают зондирующий сигнал одной и принимают другой антенной, выделяют из принятого сигнала мгновенные значения.
Основным отличием способов [4, 5] от предыдущих является то, что в качестве зондирующего сигнала используют сверхширокополосный СШП сигнал, например короткий импульс или фронт сигнала длительностью несколько пикосекунд. Моменты излучения зондирующего сигнала и начало его приема синхронизируют. Из принятого сигнала стробоскопическим способом выделяют одно мгновенное значение. При следующем зондировании смещают момент выделения мгновенного значения принятого сигнала относительно его начала. В результате многократных (сотен и тысяч) зондирований получают множество отсчетов принятого сигнала, но в другом временном масштабе. Преобразование Фурье указанной совокупности отсчетов позволяет получить АЧХ измеряемой антенны при данных параметрах относительного положения антенн. Основным преимуществом данного способа по сравнению с предыдущими является высокая скорость получения АЧХ за счет того, что измерения проводятся сразу в широком спектре частот.
Недостатками данного способа являются:
1. Ограниченные возможности измерений в верхнем (десятки-сотни ГГц) диапазоне СВЧ. Эта проблема связана с тем, что амплитуда компонент СШП зондирующего сигнала в этом диапазоне частот, как правило, мала. Соответственно их вклад в принятом сигнале сравним с шумовыми составляющими. В результате оказывается трудно или невозможно получить точные результаты измерений в указанном диапазоне частот. Увеличение частотного диапазона зондирующего сигнала в направлении высших частот требует существенных затрат.
2. Точность АЧХ в значительной степени зависит от точности масштаба по оси частот, которая при использовании СШП сигналов связана с точностью формирования длительности окна приема СШП сигнала и моментов приема его мгновенных значений. Эти временные величины формируются параметрически схемами стробоскопического преобразователя, зависят от различных внешних факторов, например температуры, и требуют калибровки [6].
3. Сложность контроля СШП измерений. В СШП антенных измерениях прием зондирующего сигнала осуществляется во временном окне, т.е. первичным результатом оказывается импульсная характеристика антенны, которая за счет соответствующей обработки компьютером преобразуется в АЧХ антенны. Такое преобразование не очевидно, поскольку даже для специалистов достаточно сложно предугадать вид АЧХ по импульсной характеристике системы. При СШП измерениях используются сложные компоненты: генератор СШП зондирующих сигналов, стробоскопический преобразователь, аналого-цифровой преобразователь (АЦП) и компьютер с соответствующим программным обеспечением, управляющий остальными компонентами, обрабатывающий и отображающий результаты измерений. Эти обстоятельства не позволяют в явном виде отследить процесс антенных измерений, компьютерная обработка скрывает возможные программные и аппаратные ошибки измерений. Все это порождает определенное недоверие к полученным результатам. В этих условиях возникает необходимость в создании простого и прозрачного механизма контроля тракта измерений.
Таким образом, задачами заявляемого изобретения являются расширение частотного диапазона, а также повышение точности и достоверности антенных измерений в СВЧ-диапазоне.
Для решения этой задачи в способе сверхвысокочастотных антенных измерений, заключающемся в том, что устанавливают измеряемую и измерительную антенны с известными параметрами относительного положения, излучают зондирующий сигнал одной и принимают другой антенной, многократно выделяют из принятого сигнала его мгновенные значения, в качестве зондирующего используют сверхвысокочастотный монохроматический сигнал, рассинхронизируют частоту выделения мгновенных значений принятого сигнала с частотой зондирующего сигнала, определяют максимальные мгновенные значения принятого сигнала, по которым оценивают свойства измеряемой антенны при данных параметрах относительного положения антенн.
Идея заявляемого способа состоит в том, что для расширения частотного диапазона, а также повышения точности и достоверности антенных измерений в СВЧ-диапазоне генератор СШП сигналов заменяют генератором СВЧ монохроматического сигнала при сохранении остальной схемы измерений. Такая замена может быть произведена быстро с сохранением параметров относительного положения антенн и настройки схемы измерений. Генератор СВЧ монохроматического сигнала имеет невысокую цену, его параметры легко измеряются частотомером. Если генератор зондирующего сигнала рассинхронизирован со стробоскопическим преобразователем, то последний будет выделять мгновенные значения принятого монохроматического сигнала в случайные моменты времени по отношению к частоте и фазе зондирующего сигнала. В результате многочисленных (тысячи) измерений велика вероятность того, что мгновенные значения принятого сигнала будут содержать его максимальную амплитуду. Это значение позволяет оценить свойства антенны при заданном монохроматическом зондирующем сигнале, т.е. получить один отсчет АЧХ, в том числе в верхнем диапазоне СВЧ-частот, где СШП-сигналы дают слишком большую ошибку. Кроме того, изменяя частоту генератора СВЧ зондирующего сигнала, можно сравнить АЧХ, полученную в результате СШП антенных измерений с результатами монохроматического СВЧ-зондирования в характерных точках, например в максимумах или минимумах АЧХ, и произвести калибровку результатов СШП-измерений по оси частот. Наконец, монохроматическое СВЧ-зондирование с использованием той же технологической базы, что и при СШП-измерении, позволяет подтвердить достоверность результатов в наглядном виде.
Реализация заявляемого способа сверхвысокочастотных антенных измерений заключается в том, что устанавливают измеряемую и измерительную антенны с известными параметрами относительного положения, излучают СВЧ монохроматический зондирующий сигнал одной и принимают другой антенной, многократно и рассинхронизированно с частотой зондирующего сигнала выделяют из принятого сигнала его мгновенные значения, определяют максимальные мгновенные значения принятого сигнала, по которым оценивают свойства измеряемой антенны при данных параметрах относительного положения антенн.
Существенными отличиями заявляемого способа от известных авторам аналогов являются:
Использование в качестве зондирующего сверхвысокочастотного монохроматического сигнала при СШП-схеме измерений, согласно которой измерения проводятся путем выделения мгновенных значений принятого сигнала (стробоскопическим способом). Использование такого зондирующего сигнала позволяет проводить измерения в верхней области СВЧ-частот, недоступной для СШП зондирующих сигналов, а также скорректировать масштаб по оси частот АЧХ-антенны, полученной в результате СШП-измерений. В прототипе для зондирования применяется СШП-сигнал, что ограничивает частотную область измерений.
Рассинхронизация частот выделения мгновенных значений принятого сигнала с частотой зондирующего сигнала позволяет при множественных измерениях обнаружить максимальную амплитуду принятого сигнала при заданной частоте СВЧ монохроматического зондирующего сигнала и таким образом получить отсчет АЧХ. Отсутствие синхронизации существенно упрощает процесс измерений. При СШП-измерениях, в том числе и в прототипе, осуществляется жесткая привязка моментов излучения зондирующего сигнала и моментов его приема.
Определение свойств измеряемой антенны по максимальным мгновенным значениям принятого сигнала позволяет быстро и с высокой точностью (за счет усреднения) определить отсчет АЧХ при данных параметрах относительного положения антенн. В прототипе АЧХ-антенны получают в результате выполнения вычислительных операций над множеством мгновенных амплитуд принятого сигнала, что приводит к увеличению трудоемкости процесса измерений, а также сложности оценки качества и достоверности результатов. В аналогах [1-3] максимальная амплитуда принятого сигнала оценивается медленно и с невысокой точностью.
Рассмотрим схему измерений, реализующую заявляемый способ, представленную на фиг.1, где:
1 - Генератор СВЧ-сигнала.
2, 3 - Антенны.
4 - Стробоскопический преобразователь.
5 - Аналого-цифровой преобразователь (АЦП).
6 - Компьютер с соответствующими схемами сопряжения и отображения результатов.
Схемы электрического согласования сигналов, синхронизации, контроллеры сопряжения и другие элементы схемы не показаны с целью упрощения.
Генератор сигнала 1 предназначен для формирования монохроматического СВЧ зондирующего сигнала и может быть реализован на основе известных схем.
Антенны 2, 3 предназначены соответственно для излучения и приема зондирующего сигнала. Измеряемой и измерительной может быть любая из них, используя принцип взаимности.
Стробоскопический преобразователь 4 предназначен для выделения мгновенных значений принятого сигнала. Стробоскопический преобразователь [7] содержит смеситель и управляемую линию задержки. Смеситель обеспечивает «выкусывание» мгновенного значения из принятого сигнала, а управляемая линия задержки определяет момент выполнения этой операции. Задание времени задержки осуществляется от компьютера установочными кодами.
Аналого-цифровой преобразователь 5 предназначен для преобразования мгновенных значений принятого сигнала в цифровой код. На входе АЦП 5 имеется устройство выборки и хранения, обеспечивающее хранение отсчета входного сигнала на время преобразования. Частота опроса АЦП 5 невелика, так что особенных требований к скорости его работы не возникает.
Компьютер 6 с соответствующими схемами сопряжения и отображения результатов предназначен для запуска измерительных циклов, управления стробоскопическим преобразователем, приема отсчетов принятого сигнала в цифровом коде, а также обработки и отображения результатов измерений.
Схема может работать в трех режимах. Режим зависит от параметров работы схемы и способов обработки результатов, задаваемых программным обеспечением компьютера 6.
Первый режим предназначен для измерения АЧХ-антенны в верхнем диапазоне СВЧ. В этом режиме компьютер 6 устанавливает код, задающий частоту генератора монохроматического СВЧ-излучения 1, и запускает его. Затем компьютер 6 подает сигнал на стробоскопический преобразователь 4 и АЦП 5, определяя момент съема мгновенного значения принятого сигнала. Этот момент зависит от времени завершения выполнения программ обработки предыдущего измерения в компьютере 6 и оказывается случайным по отношению к частоте и фазе генератора монохроматического СВЧ зондирующего сигнала 1. Поскольку генератор 1 и компьютер 6 не связаны друг с другом, то процессы излучения зондирующего сигнала и приема мгновенных значений оказываются рассинхронизованными. Однако, поскольку существует ненулевая вероятность самосинхронизации генератора 1 с работой компьютера 6, моменты выделения мгновенных значений принятого сигнала выбираются с использованием датчика случайных чисел. Стробоскопический преобразователь 4 выделяет мгновенное значение принятого сигнала и подает его на АЦП 6. Компьютер 6 считывает полученный цифровой код, сравнивает его с предшествующими мгновенными значениями принятого сигнала и выбирает наибольшее значение. Интервалы считывания обычно составляют десятки-сотни микросекунд в зависимости от быстродействия компьютера 6. Количество выборок обычно составляет сотни и тысячи. Поэтому вероятность того, что один или несколько отсчетов совпадут с амплитудным значением принятого сигнала, близка к единице. По окончании приема заданного числа отсчетов максимальный из принятых кодов считается отсчетом АЧХ на заданной частоте. Вычисление среднего значения из группы максимальных отсчетов позволяет повысить точность измерения. Меняя частоту генератора 1, можно получить АЧХ в заданном спектре частот.
Второй режим предназначен для калибровки результатов СШП-измерений АЧХ. Для работы в этом режиме выбирается характерный участок АЧХ, например локальный максимум с известными по результатам СШП-измерений значениями частоты fm, и нормированной амплитуды. Компьютер 6 задает генератору 1 частоту зондирования в некоей окрестности fm±Δ и проводит измерения аналогично первому режиму. Сканируя весь диапазон fm±Δ, можно найти локальный максимум АЧХ. Найденная частота генератора 1 измеряется частотомером, а в масштаб по оси частот АЧХ, полученный по СШП-измерениям, вводится поправка.
Третий режим предназначен для верификации результатов СШП-измерений путем возврата к классической схеме антенных измерений монохроматическим, непрерывным зондирующим сигналом. Измерения проводятся так же, как и в первом режиме. При этом задаются желаемые частоты зондирования и в явном виде наблюдаются амплитуды отклика, которые можно сравнить с результатами СШП-измерений.
Таким образом, заявляемый способ сверхвысокочастотных антенных измерений позволяет расширить область частот доступных для измерений, выполнить калибровку результатов СШП-измерений, а также произвести контроль результатов измерений. Важным достоинством заявляемого способа является простота перехода от СШП измерений к монохроматическим СВЧ-измерениям и обратно.
Источники информации
1. Патент РФ №2098837, заявка №95111565/09 Индикатор интенсивности электромагнитного излучения.
2. Ю.Р.БЛЯШКО. Диодные преобразователи мощности в диапазоне частот от 0,01 до 178 ГГЦ, «Системы и средства связи, телевидения и радиовещания». 2003. №1, 2.
3. Патент РФ №2082986 Устройство измерения характеристик пространственной избирательности антенн.
4. Антенны. Сборник статей. Выпуск 1 (38) 1997 г. ISSN 0320-9601.
5. Патент РФ №2141674, заявка №98114137/09 Способ антенных измерений.
6. Патент РФ №2159446, заявка №99107416/09 Способ калибровки стробоскопических преобразователей.
7. Патент РФ №2136006, заявка №97107216/09 Стробоскопические преобразователи.
Способ сверхвысокочастотных антенных измерений, заключающийся в том, что устанавливают измеряемую и измерительную антенны с известными параметрами относительного положения, излучают зондирующий сигнал одной и принимают другой антенной, многократно выделяют из принятого сигнала его мгновенные значения, отличающийся тем, что в качестве зондирующего используют сверхвысокочастотный монохроматический сигнал, рассинхронизируют частоту выделения мгновенных значений принятого сигнала с частотой зондирующего сигнала, определяют максимальные мгновенные значения принятого сигнала, по которым оценивают свойства измеряемой антенны при данных параметрах относительного положения антенн.
