способ антенных измерений

Формула изобретения

Способ антенных измерений, заключающийся в том, что антенной излучают импульс, который принимают удаленной антенной, отличающийся тем, что принятый импульс задерживают, переизлучают удаленной антенной и принимают антенной, которую располагают в месте первичного излучения.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к области антенной техники и может быть использовано при экспериментальной отработке антенн, контроле характеристик на стадиях создания и эксплуатации.

Известен способ антенных измерений [1] стр. 26, заключающийся в том, что испытуемой антенной излучают непрерывный зондирующий сигнал, который принимают удаленной измерительной антенной, полученный сигнал обрабатывают с целью получения тех или иных характеристик испытуемой антенны. Недостаток этого способа заключается в сложности проведения измерений.

Известен также способ антенных измерений [1] стр.24, рис.2.1, заключающийся в том, что измерительной антенной излучают непрерывный зондирующий сигнал, который принимают удаленной испытуемой антенной, полученный сигнал обрабатывают с целью получения тех или иных характеристик антенны. Недостаток этого способа также заключается в сложности проведения измерений.

Различие в первых двух способах - аналогах заключается в том, что испытуемая антенна работает на излучение или прием.

Способы измерений [1] используют обычно монохроматический, непрерывный зондирующий сигнал. При этом возникает проблема борьбы с отражениями от земли и других объектов, расположенных в зоне исследований. Для решения этой проблемы прибегают к строительству безэховых камер, покрытиям из поглощающих материалов, специальным методам обработки информации и другим сложным и дорогостоящим мероприятиям. Другая сложность монохроматических антенных измерений состоит в том, что при необходимости исследований характеристик антенн в полосе частот трудоемкость измерений возрастает пропорционально числу зондирующих частот.

Наиболее близким к заявляемому является способ антенных измерений [2] стр. 19-20, заключающийся в том, что антенной излучают импульс, который принимают удаленной антенной. Отличие данного способа от предыдущих состоит в том, что в качестве зондирующего сигнала используется короткий (широкополосный или сверхширокополосный) импульс. Это позволяет проводить измерения сразу в широком спектре частот, а интересующие частоты выделять на этапе обработки. Кроме того, такой способ позволяет достаточно легко бороться с мешающими отражениями, поскольку прием короткого импульса осуществляется во временном окне, в которое не попадают из-за разности хода отклики от других объектов. Очевидно, что, как и у первых двух аналогов, испытуемой может быть излучающая или принимающая антенна.

Недостаток данного способа состоит в сложности проведения измерений. Проблема состоит в том, что для неискаженного измерения характеристик антенн необходимо размещение измерительной и испытуемой антенн в дальней зоне [1] стр. 11. При этом расстояние между антеннами может составлять от десятков метров до километров. На таком же удалении располагаются излучающая и принимающая - обрабатывающая аппаратура. Это создает сложности в организации измерений, поскольку необходимо разместить аппаратуру в двух местах, обеспечить энергоснабжение и связь между излучающим и приемными пунктами. Кроме того, необходима передача синхронизирующих импульсов для привязки окна приема зондирующего импульса к моменту его излучения. Если зондирующие импульсы имеют нано - и пикосекундные длительности, то передача синхронизирующих импульсов на большие расстояния по кабелям или волноводам требует существенных затрат, приводит к частотным (временным) искажениям, что приводит к потере точности измерений. Таким образом, удаленное расположение передающей и приемной антенн создает организационные и технические сложности.

Измерения антенн ставят своей целью определение таких характеристик антенн, как диаграмма направленности, коэффициент усиления и других пеленгационных, поляризационных и энергетических параметров. В основе этих измерений лежит оценка сигнала либо принятого антенной-зондом с известными параметрами и излученного испытуемой антенной, либо принятого испытуемой антенной от антенны-зонда. Тип получаемой характеристики зависит в основном от способа обработки сигнала. Таким образом, задачей антенных измерений является получение сигнала, прошедшего через исследуемую антенну и в наименьшей степени искаженного воздействием помех от различных факторов. Главными проблемами при измерениях антенн являются, во-первых, необходимость измерения сигнала в дальней зоне, где фронт волны может считаться плоским, в противном случае возникают трудно устранимые искажения. Во-вторых, побочные отражения от различных объектов в зоне исследования существенно усложняют и удорожают измерения. В-третьих, определение таких характеристик, как диаграмма направленности, требует огромного числа измерений (10⁷ см. [2] стр. 5), что практически не реализуемо. Объем измерений еще более возрастает при необходимости оценки параметров антенны в полосе частот. Радикальных способов борьбы с первой проблемой при сохранении точности нет. Решение второй проблемы сопровождается серьезными материальными затратами на создание безэховых камер, поглощающих покрытий, работающих лишь в определенных диапазонах частот, проведение дорогостоящих облетных измерений и т.д. Третья проблема частично разрешается за счет автоматизации измерений с использованием компьютеров, которые позволяют частично упростить решение первых двух проблем путем усложнения алгоритмов обработки.

Традиционные методы измерения антенн основываются на непрерывных монохроматических сигналах. Работа с такими сигналами проще, так как частотные характеристики снимаются непосредственно на каждой частоте в отдельности. Современные методы обработки с использованием компьютеров, а также методы генерации и приема сверхширокополосных сигналов позволяют перейти от частотной к временной форме исследований. При этом вторая и третья проблемы находят новые решения.

Противоречие существующих способов антенных измерений заключается в том, что для получения неискаженных сигналов требуется расположение антенн в дальней зоне, однако при этом возникает необходимость синхронизирующей связи между этими антеннами, которая вносит искажающий вклад в измерения. Затраты на борьбу с последними искажениями и размещением приемной и передающей аппаратуры в разных местах могут быть устранены благодаря предлагаемому способу измерений.

Задачей заявляемого способа является упрощение проведения измерений антенн за счет того, что излучающая и принимающая аппаратура располагается в одном месте. Это обеспечивает снижение стоимости измерений, так как отпадает необходимость в дорогостоящих кабелях большой длины, упрощается энергоснабжение аппаратуры, размещение обслуживающего персонала и технических средств и т. п. Увеличивается скорость проведения измерений за счет упрощения организации измерений. Отсутствие искажений синхронизирующих сигналов в длинных кабелях повышает точность измерений. Заявляемый способ антенных измерений отличается тем, что принятый импульс задерживают, переизлучают удаленной антенной и принимают антенной, которую располагают в месте первичного излучения.

Существенными отличиями заявляемого способа антенных измерений по сравнению со способом - прототипом являются, во-первых, совмещенное расположение излучающей и приемной антенн и соответствующей аппаратуры, что упрощает и удешевляет решение проблемы организации и синхронизации измерений. Во-вторых, режим переизлучения (пассивной) удаленной антенны упрощает состав ее аппаратных средств. В-третьих, задержка зондирующего импульса перед переизлучением его удаленной антенной (и возможность выбора величины t₃) позволяет исключить появление искажающих откликов от посторонних предметов в окне приема в разных условиях измерений. В-четвертых, испытуемая антенна может работать не только в излучающем или приемном, но и в пассивном переизлучающем режиме, а также располагаться либо в удаленном, либо в приемно-передающем пункте. Это позволяет гибко выбирать наиболее простой и точный вариант проведения измерений, исходя из размеров, размещения, возможностей приемно-передающей аппаратуры и других особенностей измеряемой антенны.

Основной помехой для приема переотраженного импульса является отражение зондирующего импульса от конструктивных элементов удаленной антенны. Отражения от других объектов могут быть исключены из окна приема за счет разницы во времени распространения, так как это делается у способа - прототипа. Для борьбы с основной помехой сигнал принятый удаленной антенной задерживают на время t₃ и переизлучают. Величину задержки можно выбрать равной или большей длительности зондирующего импульса. В результате переотраженный сигнал приходит в приемную антенну позднее помехи, что позволяет принять в окне приема неискаженный сигнал от удаленной антенны. При наличии в зоне исследования других объектов, создающих отражения, попадающие в окно приема, следует изменить величину t₃.

У способа - прототипа необходимости в задержке t₃, вообще говоря, нет, так как прямая передача сигнала из излучающей антенны в приемную позволяет выбирать окно приема, основываясь только на времени прямого распространения сигнала между антеннами. Вместе с тем, наличие посторонних предметов в зоне исследований может привести к тому, что полезный и искажающий сигналы поступят одновременно.

Заявляемый способ проведения антенных измерений предполагает два основных варианта его практической реализации. Первый из них приведен на фиг. 1, где 1 - излучающая антенна, 2 - удаленная пассивная переизлучающая антенна, 3 - принимающая антенна, 4 - генератор импульсов, 5 - синхронизатор, 6 - регистратор, 7 - линия задержки. Исследуемая антенна может занимать любое из трех возможных положений, т.е. быть излучающей, переизлучающей или приемной. Остальные две антенны выполняют роль испытательных зондов с известными параметрами. В качестве генератора 4 может выступать источник одиночных широкополосных или сверхширокополосных импульсов с внешним запуском. Синхронизатор 5 обеспечивает запуск генератора 4 и открытие окна приема ответных импульсов в регистраторе 6. В качестве синхронизатора может выступать мультивибратор, частота которого задает периодичность посылки зондирующих импульсов (десятки - сотни килогерц), а длительность импульсов определяется величиной 2 t_p + t₃, где t_p - время распространения сигнала от излучающей антенны 1 до переизлучающей антенны 2 или от переизлучающей антенны 2 до приемной 3 (эти времена равны, поскольку приемная 1 и передающая 3 антенны расположены рядом по отношению к удаленной антенне 2), t₃ - время задержки импульса в линии задержки 7.

При таких параметрах сигналов синхронизатора 5 генератор 4 должен запускаться фронтом синхронизирующего импульса, а регистратор - спадом того же импульса. В качестве регистратора 6 при работе с импульсами нано- и пикосекундной длительности используются стробоскопические преобразователи, которые из каждого полученного в антенну 3 отклика "вырезают" один отсчет. Полностью отклик формируется по множественным реализациям зондирования, в том числе с усреднением измерений по каждому отсчету. При выбранной схеме измерений сигнал от генератора 4 излучается антенной 1 и после пассивного отражения в антенне 2 приходит в антенну 3 ослабленным, поэтому к мощности генератора 4 и (или) чувствительности регистраторов 6 предъявляются повышенные требования.

Линия задержки 7 предназначена для задержки на время t₃ сигнала, поступившего в антенну 2, и возврата этого сигнала в антенну 2 для излучения. Линия задержки 7 может представлять собой кабель или волновод, закороченный на конце. Величина задержки t₃ выбирается так, чтобы мешающие отражения от других предметов, в частности от конструктивных элементов антенны 2, не поступили в антенну 3 одновременно с отраженным сигналом от приемно-передающего тракта.

Работа измерительной системы происходит следующим образом. По сигналу от синхронизатора 5 запускается генератор 4. Сформированный короткий импульс излучается антенной 1 и, спустя время t_p, поступает в антенну 2. Воспринятый сигнал подается в линию задержки 7 через время t₃/2, доходит до закороченного конца кабеля, возвращается в антенну 7 и переизлучается ею. Через время t_p этот сигнал поступает в антенну 3. В этот момент синхронизатор 5 запускает регистратор 6, который получает один отсчет принятого сигнала. Повторяя многократно этот процесс, можно получить полностью сигнал, содержащий информацию об исследуемой антенне, и в результате соответствующей обработки оценить желаемые характеристики антенны. Отсчеты сигнала с выхода регистратора 8 поступают с низкой частотой (десятки - сотни килогерц). Поэтому они легко могут быть введены в ЭВМ и обработаны по заданным алгоритмам.

Другой вариант реализации заявляемого способа приведен на фиг. 2. Отличие этой схемы от предыдущей состоит в том, что функции передающей и принимающей антенны выполняет одна антенна, которая переключается с передачи на прием антенным коммутатором 9. Переключением антенны управляет синхронизатор 5. Возможность использования такой схемы зависит от расстояния между антеннами 1, 3 и 2, характеристик антенного коммутатора 9. Если от момента передачи сигнала до его обратного приема (2t_p + t₃) антенный коммутатор способен переключиться в передачи на прием с заданным качеством, то такой вариант реализации заявляемого способа возможен. В этом варианте исследуемой антенной может быть как антенна 1, так и антенна 2.

Литература

1. Страхов А. Ф. Автоматизированные антенные измерения. - М.: Радио и связь, 1985. - 136 с.

2. Антенны. Сборник статей. Выпуск 1 (38) 1997 г. ISSN 0320-9601.