Способ определения диаграммы направленности фазированной антенной решетки

Изобретение относится к области антенной техники, а точнее к способам измерения диаграммы направленности (ДН) фазированной антенной решетки (ФАР) в ближней зоне без изменения ее положения относительно измерительной антенны. Предлагается способ определения диаграммы направленности (ДН) фазированной антенной решетки (ФАР), включающий прием (излучение) сигналов фазированной антенной решеткой, изменение сдвигов фаз одного или нескольких элементов ФАР, измерение амплитуды и фазы суммарного сигнала, переданного (принятого) вспомогательной антенной, определение из измеренных данных амплитуды и фазы возбуждения элементов и вычисления ДН ФАР в соответствии с приведенной математической моделью. Измерение осуществляют не в поле сферической волны, которую излучает вспомогательная антенна, имеющая фазовый центр, а в поле плоской волны, создаваемой коллиматором. Технический результат - повышение точности и упрощение процесса измерений ДН ФАР. 1 ил.

 

Область техники

Изобретение относится к области антенной техники, а точнее к способам измерения диаграммы направленности (ДН) фазированной антенной решетки (ФАР) в ближней зоне без изменения ее положения относительно измерительной антенны.

Уровень техники

Традиционным способом измерения ДН антенн является измерение по вышке в дальней зоне, когда испытуемая антенна, работающая на передачу (прием), располагается на некотором удалении от вспомогательной антенны, работающей на прием (передачу). При этом для получения ДН испытуемая антенна вращается в одной или, при необходимости, двух плоскостях, а принятый сигнал, напрямую соответствующий значениям ДН, регистрируется экспериментальным оборудованием. Для обеспечения заданной точности измерений необходимо обеспечить некоторое минимальное расстояние между испытуемой и вспомогательной антеннами. Для большинства антенных измерений используется в качестве минимального расстояния между зондом и испытуемой антенной величина 2D²/λ, где D - апертура испытуемой антенны, а λ - длина волны передаваемого сигнала. Во избежание технических трудностей, связанных с требованием измерения параметров антенн в дальнем поле, то есть обеспечения такого расстояния, все более широкое применение находят методы измерения характеристик антенн в ближней зоне.

Аналогом настоящего изобретения является один из наиболее распространенных сейчас способов измерения параметров антенн в ближней зоне - коллиматорный способ (Методы измерения характеристик антенн СВЧ/ Л.Н. Захарьев, А.А. Леманский, В.И. Турчин и др.; под ред. Н.М. Цейтлина. - М.: Радио и связь, 1985, стр.139-140). При этом способе испытуемая антенна помещается в коллимированный пучок лучей, или, иными словами, в поле плоской волны, созданное специальным устройством - коллиматором, роль которого чаще всего играет зеркальная антенна. Диаграмма направленности антенны обычно измеряется путем вращения антенны в двух плоскостях. Однако, если для антенн с механическим сканированием механизм вращения является неотъемлемой частью антенны и изготавливается в обязательном порядке, то для фазированных антенных решеток изготовление такого механизма представляет дополнительные и весьма существенные издержки осуществления измерений.

Прототипом данного изобретения является способ определения характеристик ФАР с помощью неподвижного зонда, наиболее известными направлениями в реализации которого являются модуляционный (Восстановление распределения поля в раскрыве решетки модуляционным способом/ А.А. Леманский, В.С. Рабинович, В.Г. Соколов//Радиотехника и электроника, 1976, т.21, вып.3, с.616-620) и коммутационный (Коммутационный метод измерения характеристик ФАР/ Г.Г. Бубнов, С.М. Никулин, Ю.Н. Серяков, С.А. Фурсов. - М.: Радио и связь, 1988, 120 с.) методы измерения. Данный способ не требует осуществления какого-либо механического вращения или перемещения испытуемой антенны и зонда друг относительно друга и основывается на математической модели, описывающей ФАР как структуру точечных, независимых источников излучения, причем априорно должны быть известны ДН и расположение элементов ФАР в пространстве как друг относительно друга, так и относительно измерительного зонда. Способ неподвижного зонда включает установку испытуемой антенны перед зондом, имеющим фазовый центр, на таком расстоянии, чтобы она находился в дальнем поле одного элемента ФАР (т.е. допускается размещение зонда в ближнем поле самой ФАР); изменение фазового распределения ФАР (распределения относительных сдвигов фаз элементов решетки); регистрацию амплитуды и фазы сигнала, принятого зондом; и определение амплитуды и фазы возбуждения элементов ФАР, основываясь на измеренных данных и априорной информации.

В этом способе знание геометрии системы "элементы ФАР - зонд" необходимо в силу того, что из-за разной величины удаления элементов ФАР от зонда сигнал от различных элементов ФАР будет проходить разное расстояние и, соответственно, набег фазы сигналов от разных элементов будет различен. Таким образом, сдвиг фазы сигнала на излучателях ФАР определяется с точностью до постоянной величины, которая зависит от расстояния между данным излучателем и зондом и определяется по формуле. Чтобы восстановить действительное значение фазового сдвига на элементе ФАР, в способе неподвижного зонда предлагается измерять это расстояние в отдельном эксперименте. Однако погрешность измерения этого расстояния, выраженного в соответствии с целью эксперимента в длинах волн, растет с повышением частоты и, начиная с высокочастотной части СВЧ диапазона, начинает играть существенную роль.

Кроме того, учитывая, что положение фазового центра излучателя в ФАР может не совпадать с положением его фазового центра при работе вне решетки (US Patent 5235342), необходимо проведение дополнительных экспериментов для определения точного положения фазового центра как у зонда, так и у элементов ФАР, что усложняет общий процесс измерений, повышает издержки его осуществления и вводит дополнительные погрешности, связанные с ограниченной точностью определения положений необходимых фазовых центров.

Сущность изобретения

Предлагаемый способ основан на совмещении коллиматорного способа измерений и способа неподвижного зонда. Он позволяет измерять параметры ФАР без осуществления механического вращения или перемещения испытуемой антенны и при этом не требует априорной геометрической информации о положении фазовых центров излучателей ФАР.

В отличие от прототипа испытуемую ФАР устанавливают не перед зондом, имеющим фазовый центр, а перед коллиматором, в такой области, где излучаемое электромагнитное поле представляет собой плоскую волну, параллельно фронту плоской волны.

Изменяют фазовое распределение ФАР - значения сдвигов фаз одного или нескольких элементов ФАР.

Регистрируют амплитуду и фазу сигнала, принятого коллиматором, для каждого фазового распределения.

Определяют амплитуды и фазы возбуждения элементов ФАР, основываясь на измеренных данных.

Так как по определению коллиматора электрическая длина путей от элементов ФАР до входа измерительной аппаратуры одинакова, то в отличие от прототипа данные о фазе излучающих элементов ФАР не нуждаются в корректировке, учитывающей геометрию ФАР и относительное расположение ФАР и измерительного зонда. Поэтому они могут сразу быть использованы для восстановления диаграммы направленности ФАР в соответствии с математической моделью:

где

- ДН ФАР;

- комплексная амплитуда n-го элемента;

- ДН n-го элемента ФАР;

N - количество элементов ФАР.

Данное изобретение направлено на повышение точности и упрощение процесса измерений ДН ФАР. Этот технический результат достигается тем, что измерение осуществляется не в поле сферической волны, которую по определению излучает антенна, имеющая фазовый центр, а в поле плоской волны, создаваемой коллиматором.

Перечень чертежей

На чертеже изображена схема измерений.

Сведения, подтверждающие возможность осуществления изобретения

Средства для реализации данного изобретения - коллиматор и коммутационный и модуляционный методы измерения широко известны и описаны в литературе.

Ниже приводится описание предпочтительной реализации данного изобретения, но при этом необходимо иметь в виду, что возможно внесение незначительных изменений без отклонения от рамок и духа настоящего изобретения.

Необходимо отметить, что описывается схема измерения ФАР, работающей на прием, но описываемый способ может равным образом применяться и для измерения ФАР, работающей на передачу. При этом выход и вход измерительного канала амплифазометра просто меняют местами.

Измерительная установка содержит:

- Отражательную параболическую антенну (1)

- Испытуемую ФАР (2)

- Амплифазометр (3)

- Систему управления фазовращателями (4)

- Компьютер (5)

- Генератор СВЧ (6)

Испытуемая ФАР (2) (см. чертеж) устанавливается перед отражательной параболической антенной (1), играющей роль коллиматора, в такой области, где излучаемое электромагнитное поле представляет собой плоскую волну, параллельно фронту плоской волны.

Сигнал от генератора (6) подается на вход амплифазометра (3), с выхода измерительного канала амплифазометра (3) направляется на вход коллиматора (1) и излучается в пространство. Испытуемая ФАР (2) принимает сигнал от коллиматора и передает его на вход измерительного канала амплифазометра (3).

Канал выдачи данных измерений амплифазометра (3) и интерфейс системы управления фазовращателями (4) подключаются к компьютеру (5).

Предлагаемый способ осуществляется следующим образом. Для каждого фазовращателя компьютер через систему управления фазовращателями устанавливает все возможные фазовые сдвиги, в то время как фазовые сдвиги остальных фазовращателей остаются неизменными, для каждого значения фазового сдвига получает от амплифазометра данные об измеренной амплитуде и фазе высокочастотного сигнала, принятого ФАР, и сохраняет их. Затем для каждого фазовращателя формируют систему линейных уравнений (Коммутационный метод измерения характеристик ФАР/ Г.Г. Бубнов, С.М. Никулин, Ю.Н. Серяков, С.А. Фурсов. - М.: Радио и связь, 1988, стр.56) и, решив ее и используя ДН элемента ФАР, определяют амплитуду и фазу возбуждения элемента ФАР.

По полученным комплексным величинам возбуждения элементов ФАР рассчитывают ДН ФАР по формуле:

где

- ДН ФАР;

- комплексная амплитуда n-го элемента;

- ДН n-го элемента ФАР;

N - количество элементов ФАР.

Способ определения диаграммы направленности фазированной антенной решетки, включающий прием или излучение сигналов фазированной антенной решеткой, изменение сдвигов фаз одного или нескольких элементов фазированной антенной решетки, измерение амплитуды и фазы сигнала, переданного или принятого вспомогательной антенной, определение из измеренных данных амплитуды и фазы возбуждения элементов и вычисления диаграммы направленности фазированной антенной решетки в соответствии с математической моделью

где - диаграмма направленности фазированной антенной решетки;

- комплексная амплитуда n-го элемента фазированной антенной решетки;

- диаграмма направленности n-го элемента фазированной антенной решетки;

N - количество элементов фазированной антенной решетки,

отличающийся тем, что испытуемая фазированная антенная решетка располагается перед коллиматором в такой области, где излучаемое или принимаемое электромагнитное поле представляет собой плоскую волну, параллельно фронту плоской волны таким образом, чтобы электрические длины путей от элементов фазированной антенной решетки до входа измерительной аппаратуры были одинаковы, а измеренные значения амплитуды фазы сигнала, переданного или принятого вспомогательной антенной, непосредственно используются для восстановления диаграммы направленности в соответствии с вышеупомянутой математической моделью.