устройство для измерения параметров антенн

Формула изобретения

1. УСТРОЙСТВО ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЯ ПАРАМЕТРОВ АНТЕНН, содержащее антенную решетку, генератор, выход которого является входом для подключения исследуемой антенны и соединен с первыми входами амплифазометров, выходы которых подключены к соответствующим входам вычислительного блока, и коммутаторы, соединенные управляющими входами с выходом блока управления, к входу которого подключен выход вычислительного блока, отличающееся тем, что в него введен металлический экран, который выполнен в виде усеченных пирамид, совмещенных большими основаниями с плоской частью экрана, причем ось каждой пирамиды проходит через соответствующий узел координатной сетки антенной решетки по нормали к плоской части металлического экрана, на малом основании каждой пирамиды размещен излучатель антенной решетки, который выполнен осесимметричным, а поверхность металлического экрана со стороны расположения излучателей покрыта поглощающим материалом, при этом каждый излучатель через коммутатор, который выполнен многоканальным, присоединен к второму входу амплифазометра, а блок управления имеет дополнительный выход для подключения исследуемой антенны.

2. Устройство по п.1, отличающееся тем, что каждый излучатель выполнен в виде двух идентичных проводящих элементов уголкового профиля, первые продольные кромки которых установлены параллельно на малом основании усеченной пирамиды, а вторые продольные кромки образуют зазор, в котором расположен подстроечный проводник, подсоединенный к одной из этих кромок, при этом к другой продольной кромке одного из проводящих элементов подключен центральный проводник коаксиального фидера излучателя, а наружный его проводник подключен к металлическому экрану.

3. Устройство по п.1, отличающееся тем, что расстояния между узлами координатной сетки антенной решетки равны (1,3-1,7), высота каждой усеченной пирамиды равна (1,9-2,2), сторона ее большего основания равна (1,3-1,7), а сторона ее малого основания равна (0,33-0,37), где - рабочая длина волны.

4. Устройство по пп.1 - 3, отличающееся тем, что первые продольные кромки проводящих элементов каждого излучателя антенной решетки соединены между собой проводящей пластиной, в которой выполнено отверстие для коаксиального фидера.

5. Устройство по пп. 1 - 4, отличающееся тем, что металлический экран установлен с возможностью перемещения вдоль нормали к его плоской части.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к антенной технике и может быть использовано для измерений характеристик излучения антенн, в частности активных фазированных антенных решеток (АФАР) в ближней зоне.

Известен измерительный комплекс для определения характеристик исследуемого передающего устройства по амплитудно-фазовому распределению поля в его раскрыве. Комплекс содержит передающее исследуемое антенное устройство, измерительный зонд (антенный элемент), два коммутатора, амплифазометр, блок управления, блок вычисления и два отрезка подвижного СВЧ-тракта, в котором три замера фазы при каждом положении зонда позволяют исключить влияние фазовых нестабильностей СВЧ-трактов измерительного устройства на результаты измерений.

Однако время измерения характеристик исследуемого устройства этим комплексом очень велико из-за механического перемещения измерительного зонда по узлам координатной сетки апертуры исследуемого антенного устройства. Кроме того, в данной системе низкая точность измерений, обусловленная фазовой нестабильностью самого исследуемого устройства, так как фазовые параметры исследуемого антенного устройства, в особенности содержащего АФАР, при длительных измерениях значительно изменяются. К тому же для достаточно мощных АФАР при длительных измерениях их характеристик необходимы системы обеспечения их температурного режима (системы охлаждения), что затрудняет проведение испытаний таких устройств в безэховых камерах, т.е. возникает проблема радио- и визуальной маскировки.

Известно устройство, в котором для измерений характеристик излучения в апертуре антенны и ее ближней зоне используется протяженный зонд, представляющий собой линейную синфазную антенную решетку, подключенную к блоку обработки сигналов, содержащему генератор, амплифазометр и ЭВМ. Протяженный зонд можно перемещать вдоль апертуры и по нормам к ней.

В известном устройстве время измерений параметров исследуемой антенной системы уменьшено по сравнению с измерительными системами, содержащими одиночный зонд. Однако его недостатками являются низкая точность измерений вследствие искажений сигнала из-за взаимного влияния элементов и относительно малая скорость измерений (из-за необходимости механического перемещения зонда).

Наиболее близким к заявленному является выбранное в качестве прототипа устройство, содержащее антенную решетку, генератор, выход которого является входом для подключения исследуемой антенны и соединен с первыми входами амплифазометров, выходы которых подключены к соответствующим входам вычислительного блока, и коммутаторы, соединенные управляющими входами с выходов блока управления, к входу которого подключен выход вычислительного блока.

Недостатками этого устройства являются низкая точность измерений вследствие искажений сигнала из-за взаимного влияния элементов и переотражений, относительно малая скорость измерений, обусловленная отсутствием дополнительных связей между блоками.

Целью изобретения является повышение скорости и достоверности измерений.

Основные пути решения поставленной задачи состоят в реализации многоканальной измерительной антенной системы, обеспечивающей одновременное измерение параметров излучения в плоскости, параллельной плоскости апертуры, при малых искажениях между каналами; создании блока обработки сигналов для параллельной обработки результатов измерений с высокими точностью и быстродействием.

На фиг.1 представлена схема устройства для измерения параметров антенн; на фиг.2 - антенная решетка с металлическим экраном.

Устройство для измерения параметров антенн содержит антенную решетку 1, которая содержит антенные излучатели 2, размещенные в узлах координатной сетки над металлическим экраном, состоящим из усеченных пирамид 3, большие основания которых совмещены с плоской частью основания 4 экрана, а на их малых основаниях размещены излучатели 2. Поверхность металлического экрана со стороны излучения покрыта поглощающим материалом 5. Измерительная антенная система вместе с исследуемой антенной 6 может быть размещена в безэховой камере 7 или в свободном пространстве. Металлическое основание 4 может быть плоским (как показано на фигурах) или представлять собой поверхность с криволинейной огибающей (конус, цилиндр, вырезка из параболической поверхности), выбранной в соответствии с формой поверхности исследуемой антенны.

Каждый антенный элемент содержит две идентичные проводящие пластины 8 уголкового профиля, первые продольные кромки которых установлены параллельно на малом основании усеченной пирамиды 3, а вторые продольные кромки образуют зазор 9 шириной (1,76-1,9) 10^-2 , - рабочая длина волны, в котором расположен подстроечный проводник диаметром (1,5-1,710^-3 (на фигурах не показан). Проводник присоединен к одной из вторых продольных кромок, при этом к другой продольной кромке одного из проводящих элементов подключен центральный проводник 10 коаксиального фидера 11 излучателя, а наружный его проводник подключен к металлическому экрану.

Расстояние между узлами координатной сетки равно (1,3-1,7) размеры усеченных пирамид выбраны из соотношений: высота Н = (1,9-2,2) , а поперечные размеры оснований соответственно а₁ = (0,33- -0,37) и (1,3-1,7) . В другом варианте первые продольные кромки проводящих элементов каждого излучателя антенной решетки соединены между собой проводящей пластиной, в которой выполнено отверстие для коаксиального фидера.

Антенная решетка 1 подключена к блоку обработки сигналов, содержащему n-канальный коммутатор 12 с блоком 13 управления, n амплифазометров 14, генератор 15 и ЭВМ 16. Все излучатели 2 антенной решетки 1 разбиты на n групп, каждая из которых присоединен к входу соответствующего канала коммутатора 12. Выход коммутатора присоединена к первому входу соответствующего амплифазометра 14, второй вход которого соединен с генератором 15, а выход присоединен к одному из входов ЭВМ 16, при этом к управляющим входам многоканального коммутатора подключен блок 13 управления.

В измерительной антенной системе металлический экран установлен с возможностью перемещения вдоль нормали к его плоской части и соответственно к апертуре исследуемой антенны 6 в пределах от длины волны до величины D/2 где D - наибольший размер апертуры исследуемой антенны (другими словами в области между реактивной ближней зоной и зоной Френеля).

Кроме того, может быть введена калибровочная антенна (на фигурах не показана), которую устанавливают в зоне расположения исследуемой антенны.

Устройство работает следующим образом.

Перед началом измерений производится калибровка. Для этого вместо исследуемой антенны 6 устанавливается калибровочная антенна, для которой с высокой точностью известны или могут быть вычислены значения амплитуды и фазы электромагнитного поля в точках расположения каждого из излучателей 2. Для того, чтобы уровни сигналов на различных излучателях 2 не перекрывали динамического диапазона амплифазометров 14, желательно, чтобы калибровочная антенна имела как можно более широкую диаграмму направленности. Затем с помощью блока 13 управления и ЭВМ 16 осуществляют поочередное включение всех каналов n-канального коммутатора 12, при этом измеряется комплексный коэффициент передачи каждого канала, который определяется как отношение комплексных напряжений, измеренных амплифазометрами 14, и комплексных напряженностей поля в точках расположения соответствующих излучателей 2. Все измеренные значения комплексных коэффициентов передачи всех каналов вводятся в память ЭВМ 16. После этого устанавливают исследуемую антенну и также с помощью блока 13 управления и ЭВМ 16 проводят рабочее включение всех элементов устройства. Затем проводят поочередное подключение с помощью n-канального коммутатора 12 каждого из излучателей 2 к соответствующим амплифазометрам 14 и измерение комплексных величин электромагнитного поля соответствующих излучателей 2 как отношение комплексных напряжений, измеренных амплифазометрам 14, к коэффициентам передачи соответствующих каналов, хранящимся в памяти ЭВМ 16. По результатам регистрации и измерения комплексных величин амплитудно-фазового распределения на поверхности в области расположения антенной решетки с помощью ЭВМ 16 определяют выходные характеристики исследуемой антенны 6.

Нет необходимости проводить калибровку измерительной антенной системы перед каждым измерением, так как при определении характеристик по амплитудно-фазовому распределению поля в ближней зоне на величину ошибки влияют не абсолютные изменения коэффициентов передачи каналов, а их изменения относительно друг друга. Но ввиду идентичности выполнения всех каналов, а также полимерного равенства их электрических длин изменения комплексных коэффициентов передачи всех каналов, связанных с изменением внешних условий, должны быть примерно равными, поэтому калибровку необходимо очень тщательно провести после сборки измерительной антенной системы и затем повторять во время проведения периодических регламентных работ.

Устройство позволяет проводить оптимизацию по точности измерений, так как имеется возможность изменения расстояния между апертурой исследуемой антенны 6 и апертурой устройства в пределах нескольких длин волн в области от до D/2 , где D - наибольший размер апертуры исследуемой антенны 6; - рабочая длина волны. Таким образом, обеспечивается более высокая точность при измерении в области между реактивной ближней зоной и зоной Франеля. Кроме того, точность измерений в предложенном устройстве повышается за счет уменьшения искажений измеряемого поля в области апертуры устройства. Поле, излучаемое исследуемой антенной 6, (в режиме передачи) принимают в каждой координатной точке апертуры устройства излучатели 2, каждый из которых представляет собой две близко расположенные щелевые антенны, отстоящие друг от друга на величину зазора 9 и образованные двумя изогнутыми металлическими пластинами 8 уголкового профиля. Дополнительно искажения измеряемого поля в предложенной измерительной антенной системе снижены за счет уменьшения взаимного влияния между излучателями 2, обусловленного выполнением металлического экрана в виде усеченных пирамид 3, покрытых со стороны излучения поглощающим материалом 5. Это достигается выбором геометрических размеров многоугольных усеченных пирамид 3 и типом поглощающего материала 5. Тем самым практически исключены искажения, вызванные переотражением измеряемого поля и взаимным влиянием излучателей 2. Кроме того, переотражения уменьшены до минимума за счет согласования излучателей 2 с выходным коаксиальным фидером посредством подстроечного элемента, расположенного у кромки вдоль зазора 9.

Из изложенного следует, что из зоны излучения, где сосредоточена основная мощность, переотражения практически не попадают во внешнее пространство. Кроме того, для подавления остаточного излучения, а также заднего и бокового излучения исследуемой антенны 6 и подавления паразитного излучения всех вспомогательных элементов устройство может быть размещено в окружении поглощающего материала 5 в безэховой камере 7 или свободном пространстве, что позволяет обеспечивать как радио-, так и визуальную маскировку исследуемой антенны 6.

Предложенное устройство обладает высоким быстродействием, обусловленным тем, что излучатели 2 дополнительно объединены в группы, вместе перекрывающие всю зону излучения, при этом каждая из групп подключена к отдельному каналу коммутатора 12 и отдельному амплифазометру 14, а выходы амплифазометров подключены к ЭВМ 16. Устройство позволяет производить контроль и измерение оперативных тактико-технических характеристик больших АФАР с высокой достоверностью при обеспечении радио- и визуальной маскировки. Это видно из следующего.

Контроль больших АФАР и измерение их характеристик производится при расстоянии между апертурами исследуемой АФАР и апертурой устройства менее 10 м, в то время как дальняя зона для этих АФАР может составлять около 10 км. Регистрация амплитудно-фазового распределения комплексного поля в ближней зоне исследуемой АФАР при работе в импульсном режиме происходит за время не превышающее 4-5 с, что существенно меньше чем в известных устройствах. Следует отметить также, что реальное время импульсного передающего режима АФАР составляет окло 10 с. Практически исключены искажения измеряемого комплексного поля в области апертуры устройства, что достигнуто за счет конструктивного выполнения излучателей, металлического экрана, покрытого поглощающим материалом, и возможности одновременного перемещения всех излучателей совместно с экраном в пределах нескольких длин волн по нормам к апертуре исследуемой антенны. Устройство позволяет производить измерение и контроль других антенн без существенной переделки, т.е. обладает относительной универсальностью. Оно обеспечивает радио- и визуальную маскировку исследуемого объекта, которая обусловлена отсутствием переотражений в рабочей зоне излучения, а также наличием как визуальной защиты, так и защиты от паразитного излучения всех имеющихся излучающих элементов, что выполнено благодаря сравнительно небольшим геометрическим размером устройства, излучающие элементы которого размещены в окружении поглощающего материала. Изложенное и определяeт технико-экономическую эффективность предложенного устройства для измерения параметров антенн.