Измеритель коэффициента прохождения сигнала системы антенна-обтекатель

Изобретение относится к радиотехнике и может быть использовано при радиотехнических испытаниях систем антенна-обтекатель. Техническим результатом является повышение точности измерений путем устранения погрешностей, возникающих из-за искажений суммарной характеристики в системе антенна-обтекатель. Измеритель коэффициента прохождения систем антенна-обтекатель содержит поворотный стенд с установленными на нем пеленгационной антенной, обтекателем и датчиком угла поворота обтекателя, измерительные каналы, каждый из которых содержит вспомогательную антенну, подключенную через СВЧ переключатель к генератору СВЧ, и устройства выборки и хранения, измеритель суммарного и разностного сигналов, устройство вычисления пеленгационной ошибки системы антенна-обтекатель, управитель. Дополнительно введены блок решения системы n линейных уравнений для суммарной характеристики (где n - количество измерительных каналов, при этом n>2) и вычислитель полинома n-1 степени для суммарной характеристики, а также предложены новые связи между элементами. 2 ил.

 

Изобретение относится к радиотехнике и может быть использовано при радиотехнических испытаниях систем антенна-обтекатель (А-О).

Известна система А-О, в которой вследствие деформации обтекателем фронта падающей электромагнитной волны происходит искажение диаграммы направленности суммарного канала (суммарной характеристики) пеленгационной антенны по сравнению с той же диаграммой в отсутствие обтекателя, причем это искажение зависит от углового положения пеленгационной антенны в обтекателе [Каплун В.А. Обтекатели антенн СВЧ (Радиотехнический расчет и проектирование). М., «Советское радио», 1974].

Известно устройство для измерения радиотехнических характеристик систем А-О [Столбовой В.С., Крицын В.А. Устройство для измерения радиотехнических характеристик систем антенна-обтекатель. Описание к патенту №2133478, 1999], позволяющее измерять коэффициент прохождения систем антенна-обтекатель и содержащее поворотный стенд с установленными на нем пеленгационной антенной, обтекателем и датчиком угла поворота обтекателя, причем выход датчика угла поворота обтекателя подключен к угломерному входу регистрирующего прибора, измерительные каналы, каждый из которых содержит вспомогательную антенну, подключенную через СВЧ переключатель к генератору СВЧ, и устройство выборки и хранения, измеритель суммарного и разностного сигналов, входы которого подключены к выходам пеленгационной антенны, а суммарный выход к входу устройства выборки и хранения, устройство вычисления пеленгационной ошибки системы антенна-обтекатель, входы которого подключены к выходам измерителя суммарного и разностного сигналов, управитель, выходы которого подключены к управляющему входу СВЧ переключателя и к управляющим входам устройств выборки и хранения.

Недостатком известных устройств для измерения коэффициента прохождения систем А-О является низкая точность измерений, обусловленная тем, что при измерениях не учитываются искажения суммарной характеристики при изменении углового положения пеленгационной антенны относительно обтекателя.

Целью предлагаемого изобретения является повышение точности измерений путем устранения погрешностей измерений, возникающих из-за искажений суммарной характеристики в системе антенна-обтекатель.

Указанная цель достигается за счет того, что в известный измеритель коэффициента прохождения систем антенна-обтекатель, содержащий поворотный стенд с установленными на нем пеленгационной антенной, обтекателем и датчиком угла поворота обтекателя, причем выход датчика угла поворота обтекателя подключен к угломерному входу регистрирующего прибора, измерительные каналы, каждый из которых содержит вспомогательную антенну, подключенную через СВЧ переключатель к генератору СВЧ, и устройство выборки и хранения, измеритель суммарного и разностного сигналов, входы которого подключены к выходам пеленгационной антенны, а суммарный выход к входу устройства выборки и хранения, устройство вычисления пеленгационной ошибки системы антенна-обтекатель, входы которого подключены к выходам измерителя суммарного и разностного сигналов, управитель, выходы которого подключены к управляющему входу СВЧ переключателя и к управляющим входам устройств выборки и хранения, дополнительно введены блок решения системы n линейных уравнений для суммарной характеристики (где n - количество измерительных каналов, при этом n>2), входы которого подключены к выходам устройств выборки и хранения, и вычислитель полинома n-1 степени для суммарной характеристики, входы которого подключены к выходам блока решения системы n линейных уравнений для суммарной характеристики и к выходу устройства вычисления пеленгационной ошибки системы антенна-обтекатель, а выход - к входу регистрирующего прибора.

На фиг.1 изображена блок-схема предлагаемого устройства, где:

1 - пеленгационная антенна;

2 - обтекатель;

3 - поворотный стенд;

4 - датчик угла поворота обтекателя;

5 - измеритель суммарного и разностного сигналов;

6 - устройство вычисления пеленгационной ошибки системы антенна-обтекатель;

7, 8, 9, 10, 11 - устройства выборки и хранения суммарного сигнала;

12 - блок решения системы n линейных уравнений для суммарной характеристики;

13 - вычислитель полинома n-1 степени для суммарной характеристики;

14 - регистрирующий прибор;

15, 16, 17, 18, 19 - вспомогательные антенны;

20 - СВЧ переключатель;

21 - генератор СВЧ;

22 - управитель.

Пеленгационная антенна 1, имеющая выход разностного сигнала и выход суммарного сигнала, а также обтекатель 2, радиопрозрачный для электромагнитных волн, установлены на поворотном стенде 3, снабженном датчиком угла поворота обтекателя 4. Выходы пеленгационной антенны 1 подключены к входам измерителя суммарного и разностного сигналов 5. Разностный Δ и суммарный ∑ выходы измерителя суммарного и разностного сигналов 5 подключены к входам устройства вычисления пеленгационной ошибки системы антенна-обтекатель 6, а суммарный выход ∑ измерителя суммарного и разностного сигналов 5, содержащий информацию о суммарном сигнале, принятом пеленгационной антенной 1, подключен к входам устройств выборки и хранения 7, 8, 9, 10, 11. Выходы устройств выборки и хранения 7, 8, 9, 10, 11 подключены к входам блока решения системы n линейных уравнений для суммарной характеристики 12. Каждый измерительный канал (например, i-тый канал), содержит вспомогательную антенну (для i-того канала вспомогательную антенну 18), подключенную через СВЧ переключатель 20 к генератору СВЧ 21, и устройство выборки и хранения (для i-того канала устройство выборки и хранения 10), вход которого подключен к суммарному выходу измерителя суммарного и разностного сигналов 5. Выходы блока решения системы n линейных уравнений для суммарной характеристики 12 подключены к входам вычислителя полинома n-1 степени для суммарной характеристики 13, вход пеленгационной ошибки которого также подключен к выходу устройства вычисления пеленгационной ошибки системы антенна-обтекатель 6. Выход вычислителя полинома n-1 степени для суммарной характеристики 13 подключен к входу регистрирующего прибора 14. Вспомогательные антенны 15, 16, 17, 18, 19, входящие в состав измерительных каналов, разнесены (см. фиг.1) в пределах рабочей зоны суммарной характеристики относительно электрической оси пеленгационной антенны 1 в отсутствие обтекателя 2 на угловые расстояния Δα_i, значения которых хранятся в долговременной памяти блока решения системы n линейных уравнений для суммарной характеристики 12. Управитель 22 подключен к управляющему входу СВЧ переключателя 20 и к управляющим входам устройств выборки и хранения 7, 8, 9, 10, 11.

Работает устройство следующим образом: управитель 22 управляет СВЧ переключателем 20 таким образом, что выход генератора СВЧ 21 поочередно подключается сначала к вспомогательной антенне 15, затем к вспомогательной антенне 16 и так далее, а затем к вспомогательной антенне 18 измерительного канала, имеющего порядковый номер i, причем в конце цикла он подключается к вспомогательной антенне 19 измерительного канала, имеющей порядковый номер n. Затем цикл переключения СВЧ переключателя 20 повторяется вновь: то есть генератор СВЧ 21 через СВЧ переключатель 20 подключается к вспомогательной антенне 15, затем к вспомогательной антенне 16 и так далее. Синхронно с подключением вспомогательной антенны любого измерительного канала, например вспомогательной антенны 18 из i-того измерительного канала, к выходу генератора СВЧ 21 через СВЧ переключатель 20 происходит подключение с помощью управителя 22 ячейки памяти устройства выборки и хранения, соответствующего данному измерительному каналу, в частности для i-того измерительного канала ячейки памяти устройства выборки и хранения 10, к суммарному выходу ∑ измерителя суммарного и разностного сигналов 5. Так как суммарный выход ∑ измерителя суммарного и разностного сигналов 5, содержит информацию о суммарном сигнале в любой момент времени и соединен с входами устройств выборки и хранения 7, 8, 9, 10, 11, то в результате такой логики управления СВЧ переключателем 21 и устройствами выборки и хранения 7, 8, 9, 10, 11 на выходе устройства выборки и хранения 7 имеется текущая информация о значении суммарного сигнала ∑, полученная от вспомогательной антенны 15; на выходе устройства выборки и хранения 8 соответствующая информация от вспомогательной антенны 16; на выходе устройства выборки и хранения 10 соответствующая информация от i-той вспомогательной антенны и, наконец, на выходе устройства выборки и хранения 11 соответствующая информация от n-ой вспомогательной антенны. Информация об угловом положении Δα_i каждой i-ой вспомогательной антенны из i-того измерительного канала (фиг.1) предварительно заносится и хранится в долговременной памяти блока решения системы n линейных уравнений для суммарной характеристики 12, в котором также производится решение приведенной ниже системы линейных уравнений.

где искомыми являются коэффициенты разложения суммарной характеристики системы антенна-обтекатель: В_OA-O, B_1A-O, B_2A-O, ... В_n-1A-O, значения ∑_1A-O, ∑_2А-O, ..., ∑_iA-O, ..., ∑_nA-O снимаются соответственно с выходов устройств выборки и хранения 7, 8, 9, 10, 11, а значения Δα₁, Δα₂, ..., Δα_i, ..., Δα_n извлекаются из долговременной памяти блока решения системы n линейных уравнений для суммарной характеристики 12.

Нетрудно показать, что при размещении вспомогательных антенн в пределах однозначности суммарной характеристики и угловом разносе вспомогательных антенн относительно друг друга определитель Q_w системы уравнений (1) не равен нулю, и она имеет единственное решение:

В_qA-O=Q_q/Q_w,

где Q_q - определитель, получающийся при замене q-го столбца свободными членами. Исходя из этого можно констатировать, что при наличии n измерительных каналов в результате решения системы n линейных уравнений на выходы блока решения системы n линейных уравнений для суммарной характеристики 12 выводятся n текущих значений коэффициентов разложения суммарной характеристики системы антенна-обтекатель: B_OA-O, B_1A-O, B_2A-O, ... B_n-1A-O, соответствующих текущему угловому положению пеленгационной антенны 1 в обтекателе 2.

Как известно [Каплун В.А. Обтекатели антенн СВЧ (Радиотехнический расчет и проектирование). М., «Советское радио», 1974], значение коэффициента прохождения системы антенна-обтекатель КП определяется выражением:

где ∑_A-O(Δα.) - значение суммарного сигнала, принимаемого с направления электрической оси системы A-O, то есть с направления, смещенного относительно первоначального направления электрической оси в отсутствие обтекателя (Δα=0) на величину пеленгационной ошибки системы A-O Δα;

∑_A(Δα=0.) - значение суммарного сигнала, принимаемого с направления электрической оси антенны в отсутствие обтекателя, то есть при Δα=0.

Исходя из (2) в вычислителе полинома n-1 степени для суммарной характеристики 13 осуществляется вычисление КП в соответствии со следующим выражением:

где B_0A - нулевой коэффициент разложения суммарной характеристики пеленгационной антенны в отсутствие обтекателя, значение которого на этапе предварительной калибровки устанавливается равным единице, то есть B_0A=1. При этом для вычислений по формуле (3) используются текущие значения коэффициентов разложения суммарной характеристики системы A-O, снимаемые с выходов блока решения системы n линейных уравнений для суммарной характеристики 12, а также значение пеленгационной ошибки Δα, снимаемое с выхода устройства вычисления пеленгационной ошибки системы антенна-обтекатель 6. Далее вычисленное значение КП с выхода вычислителя полинома n-1 степени для суммарной характеристики 13 поступает на вход регистратора 14 и регистрируется им как функция углового положения α обтекателя 2 относительно пеленгационной антенны 1. Для перемещения обтекателя 2 в процессе измерений относительно неподвижной пеленгационной антенны 1 служит поворотный стенд 3.

Для оценки качественно нового эффекта, обеспечиваемого предлагаемым устройством в части повышения точности измерений коэффициента прохождения, оценим абсолютную погрешность измерений коэффициента прохождения ξ [КП], определяемую как:

при этом под КП_изм будем иметь в виду измеренное значение КП, зарегистрированное регистратором 14 при наличии n измерительных каналов, а под КП_ист - истинное значение КП, которое могло быть измерено в идеальном случае, если бы имелась информация о значениях всех коэффициентов разложения суммарной характеристики системы A-O, то есть суммарная характеристика была бы полностью определена, что возможно только при n=∞. Тогда из (4) с учетом того, что на этапе предварительной калибровки устанавливается B_0A=1, получим:

Эффект повышения точности измерения коэффициента прохождения систем A-O иллюстрируется с помощью фиг.2. Фактически точность вычисления значения КП зависит от того, насколько точно может быть вычислено значение суммарной характеристики в т. О, соответствующей направлению электрической оси системы антенна-обтекатель, то есть направлению β=Δα. (фиг.2), причем значение Δα также зависит от углового положения пеленгационной антенны 1 в обтекателе 2. Увеличение количества вспомогательных антенн: A₁, A₂, ... A_i, ... A_n позволяет увеличить точность вычисления значения суммарной характеристики в т. О и соответственно уменьшить абсолютную погрешность измерений.

В частном случае одной вспомогательной антенны (n=1) из (5) получим

Из анализа (6) и фиг.2 следует, что в случае измерений с одной вспомогательной антенной (n=1), поскольку доступна информация об угловом положении (β₁=0) и уровне суммарного сигнала ∑_1A-O(0.)=B_0A-O только от одной вспомогательной антенны A₁ (см. фиг.2), при вычислении КП в соответствии с формулой (2) вместо точного значения ∑_A-O(Δα.) в т. О используется приближенное к нему значение ∑_1A-O(0.)=B_0A-O, в результате чего происходит занижение измеренного значения коэффициента прохождения по сравнению с истинным значением на величину, определяемую выражением (6), что и иллюстрируется на фиг.2.

В частном случае двух вспомогательных антенн (n=2), как следует из (5), абсолютная погрешность измерений уменьшается за счет исключения вклада, вносимого искажениями суммарной характеристики первого порядка (в частности, исключается слагаемое с коэффициентом B_1A-O), то есть:

В частном случае трех вспомогательных антенн (n=3), как следует из (5), абсолютная погрешность измерений уменьшается за счет исключения вклада, вносимого искажениями суммарной характеристики первого и второго порядка (в частности, исключаются слагаемые с коэффициентами B_1A-O и В_2А-O).

В общем случае из анализа (5) следует, что использование n измерительных каналов при n>2 позволяет достигнуть принципиально нового эффекта в части повышения точности измерений, а именно: уменьшить абсолютную погрешность измерений коэффициента прохождения путем исключения вкладов составляющих, вносимых искажениями суммарной характеристики системы антенна-обтекатель от первого до n-1 порядка (то есть вкладов, вносимых слагаемыми с коэффициентами B_1A-O, B_2A-O, ..., B_n-1A-O). Причем следует особо отметить, что эффект повышения точности при увеличении количества измерительных каналов носит не аддитивный характер, а обязан своим происхождением более детальному учету в процессе измерения коэффициента прохождения систем антенна-обтекатель искажений суммарной характеристики второго и более высокого порядка.

Измеритель коэффициента прохождения электромагнитных волн систем антенна-обтекатель, содержащий поворотный стенд с установленными на нем пеленгационной антенной, обтекателем и датчиком угла поворота обтекателя, причем выход датчика угла поворота обтекателя подключен к угломерному входу регистрирующего прибора, измерительные каналы, каждый из которых содержит вспомогательную антенну, подключенную через СВЧ-переключатель к генератору СВЧ, и устройства выборки и хранения, измеритель суммарного и разностного сигналов, входы которого подключены к выходам пеленгационной антенны, а суммарный выход к входам устройств выборки и хранения, устройство вычисления пеленгационной ошибки системы антенна-обтекатель, входы которого подключены к выходам измерителя суммарного и разностного сигналов, управитель, выходы которого подключены к управляющему входу СВЧ-переключателя и к управляющим входам устройств выборки и хранения, отличающийся тем, что дополнительно введены блок решения системы n линейных уравнений для суммарной характеристики (где n - количество измерительных каналов, при этом n>2), входы которого подключены к выходам устройств выборки и хранения, и вычислитель полинома n-1 степени для суммарной характеристики, входы которого подключены к выходам блока решения системы n линейных уравнений для суммарной характеристики и к выходу устройства вычисления пеленгационной ошибки системы антенна-обтекатель, а выход - к входу регистрирующего прибора.