автореферат диссертации по радиотехнике и связи, 05.12.07, диссертация на тему:Разработка методов, алгоритмов и устройcтв для определения амплитудно-фазовых распределений и внешних характеристик антенн в амплифазометрическом методе антенных измерений

МОСКОВСКИЙ ордена ЛЕНИНА и ордена ОКТЯБРЬСКОЙ РЕВОЛЮЦИИ ЭНЕРГЕТИЧЕСКИЙ ИНСТИТУТ

На правах рукописи

БОРИСОВ СЕРГЕИ ЮРЬЕВИЧ

РАЗРАБОТКА МЕТОДОВ, АЛГОРИТМОВ И УСТРОЙСТВ ДЛЯ ОПРЕДЕЛЕНИЯ АМПЛИТУДНО-ФАЗОВЫХ РАСПРЕДЕЛЕНИИ И ВНЕШНИХ ХАРАКТЕРИСТИК АНТЕНН В АМПЛИФА30МЕТРИЧЕСК0М МЕТОДЕ АНТЕННЫХ ИЗМЕРЕНИИ.

Специальность 05.12.07 - антенны и СВЧ устройства.

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Москва, 1992

Работа выполнена на кафедре Антенных устройств и распространения радиоволн Московского ордена Ленина и Ордена Октябрьской Революции энергетического института

Научный руководитель - доктор технических наук, профессор Сазонов Д.М.

Официальные оппоненты - доктор технических наук, с.н.с. Зимин Д.Б.

кандидат технических наук р.н.с. Гусевский В.И. Ведущая организация - название организации указано в

решении специализированного Совета

Защита состоится "•//" 1992 г. в

час.

на заседании специализированного Совета К 053.16.13 Московского энергетического института по адресу: г.Москва, Е-250, ул. Красноказарменная, 17, ауд. А-402. •

Отзыв, заверенный печатью, просим направлять по адресу: 105835 ГСП, Москва, Е-250, ул. Красноказарменная, 14, Совет,МЭИ.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке МЭИ.

Автореферат разослан

Ученый секретарь специализированного к.т.н.

Т.И.Курочкина

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуалыюстъ работ». Антешше система являются одним из вагяей-иих элементов современных радиотехнических комплексов самого широкого назначения. Зачастую о™ являются тем звеном, которое определяет основше возможности комплекса, поэтому для практики больше значение имеет достоверное определешге основных параметров и характеристик антенн.

В последние года, особенно в связи с созданием целой серии дорогостоящих антешшх систем, таких как фазированные антенные решетки (ФАР), а также больших, остронэправленшх антенн для радиоастрономии и дальней радиосвязи, традиционные методы измерения их внешних характеристик в дальней зоне уже либо не могут бить реализовали в силу ряда причин технического характера, либо их реализация является экономически нецелесообразной. В этих условиях стали активно развиваться и все шире внедряться методы измерений параметров антенн в ближней зоне, среди которых одним из наиболее эффективных является амшшфазометрическнЛ (радиоголографический) метод антешшх измерений.

Амплифазомотрический метод антешшх измерений позволяет производить высококачественное измерение внешних характеристик антенн при расстоянии между исследуемой и вспомогательной антеннами, составляющими несколько длин волн, что не требует создания больших, дорогостоящих антешшх полигонов и имеет ряд других вамшх преимуществ. В настоящее время разработка этого метода вшила из стадии исследований и он успешно применяется на этапах разработки, серийного производства и .эксплуатации.

Однако разработку методического, алгоритмического и аппаратурного обеспечения этого перспективного метода антенных измерений нельзя считать завершенной. Факторы, выявившиеся при реализации амшш-фазометрического метода на практике не позволяют в полной мере реализовать высокую потенциальную точность метода. Одной из наиболее актуальных является задача повышения точности определения амплитудно-фазового распределения (АФР) поля антешш на поверхности измерений. В известных методиках определения АФР электромагнитного поля антешш (включая радиогологрзфические метода) обязательно присутствует канал передачи опорного сигнала. Он реализуется либо с помощью протяженного СВЧ тракта (кабеля или волновода), либо посредством пространственной волны, формируемой специальной опорной антенной. В

обоих случаях канал передачи опорного сигнала является источником погрешностей измерений. Известные способы уменьшения погрешностей измерения АФР, вызванных влиянием опорного канала не позволяют в полной мере устранить эти ошибки измерения. Перечисленные выше факторы, наряду с требованием повышения экономической эффективности метода делают весьма актуальной задачу разработки новых методик и алгоритмов определен;« АФР поля исследуемой антенны при реализации ам-плифазометрического метода антенных измерений.

В диссертационной работе предложены и разработаны новые методики и алгоритмы определения АФР поля антенны в ближней зоне, полностью ликвидирующие или существенно (в десятки и сотни раз) уменьшающие погрешности измерений АФР, вызванные влиянием опорного канала. Разработанные математические модели позволили проанализировать различные аспекты реализации предложенных методик и их эффективность, а изготовленные и экспериментально исследованные новые основные узлы измерительной установки доказали их практическую реализуемость и работоспособность.

Цель работы. Целью диссертационной работы является разработка новых методик, алгоритмов и устройств для определения амплитудно-фазового распределения (АФР) электромагнитного поля и диаграммы направленности антенн в амплифазометрическом методе антенных измерений, позволяющих уменьшить суммарную погрешность метода путем устранения ряда традиционных источников возникновения погрешностей. Эта цель достигается путем последовательного решения следующих задач:

-анализ и классификация причин и источников возникновения погрешностей амплифазометрического метода антенных измерений;

-создание новых методик определения АФР электромагнитного поля антенны;

-разработка алгоритмов определения АФР электромагнитного поля и диаграмм направленности (ДН) антенн с использованием новых методик; -разработка математических моделей для новых методик; * -разработка схем построения автоматизированных комплексов, реализующих новые методики;

-разработка и исследование конструкций основных элементов измерительного зонда;

-анализ методических особенностей разработанных методик и выработка предложений по повышению их эффективности для различных форм измерительных поверхностей.

Прикладное значение поставленной цели определяется

непосредственным отношением ее к решению наиболее актуальных задач в области совершенствования методов антенных измерений.

Методы исследования. Исследование метода® измерения АФР осуществляется на математических моделях с учетом всех основных дестабилизирующих факторов. Расчет чувствительности к изменению параметров разработанных схом осуществляется с применением теории чувствительности. Исследование математических моделей вариантов метода с применением многополюсников СВЧ осуществляется с использованием матричной теории многополюсников. Разработка метода калибровки СВЧ пастей измерительных зондов опирается на итерационные и матричные методы 'решения систем нелинейных уравнений.

Обоснованность научных положений и достоверность результатов определяется использованием апробированных методов исследования СВЧ устройств, примененных при решении поставленных задач. О работоспособности и эффективности предложенных методик, а также об отсутствии ошибок в алгоритмах и правильности работы программ можно судить по тестовым расчетам, которые показали хорошее совпадение с известными из других источников результатами. Полученные результаты не входят в кэие-либо противоречия с физическими соображениями. Правильность основных результатбв подтверждена экспериментальными исследованиями.

Научная новизна работы заключается в следующем:

1. Предложены и разработаны новые методики и алгоритмы определения АФР электромагнитного поля антенны в ближней зоне на поверхности измерений произвольной формы по одной или одновременно по двум взаимно ортогональным поляризациям, основанные на использования двухэлементного измерительного зонда и фазоуправляемого скользящего опорного канала.•

2. Предложены и разработаны новые методики и алгоритмы определения АФР электромагнитного поля антенны в ближней зоне на поверхности измерений произвольной Форш гто одной или одновременно по двум взаимно ортогональным поляризациям, основанные на использовании двухэлементного измерительного зонда и измерительных многополюсников СВЧ.

3. Предложены и разработаны методики и алгоритмы определения АФР, описанные в п.п. I, 2 для трех- и многоэлементного измерительного зонда.

4. Создана конструкция новой, электрически управляемой вибраторной антенны с управляемым положением плоскости поляризации, входящей в состав измерительного зонда, сочетающей в себе функции коммутатора и

дискретного фазовращателя (0,тс), а также конструкция антенны, выпол-нлгаей функции, описанные выше, выполненная на основе волновода квадратного сечения.

Б. Предложены принципы создания конструкции СВЧ части измерительного зонда с фззоуттравляемым скользящим опорным каналом.

6. Разработана конструкция пленарной распределительной СВЧ схемы для использования в составе измерительного зонда.

7. Предложены метода калибровки СВЧ частей измерительных зондов, используемых при реализации различных вариантов методик, описанных в п.п. I, 2, 3.

Практическая ценность полученных в диссертации результатов состоит в том, что на их осноье разработаны методики и ЭВМ программы, позволявшие определять амплитудно-фазовое распределение поля антенны амплпметрическим методом измерений, а также осуществлять управление автоматизированным комплексом и производить оценку точности измерешй на математической модели. Создана система программного обеспечения автоматизированного измерительного комплекса (СПО АПК) БЕКТОЯ, используемая для измерения поля в раскрыве антенны и расчета ее ДН. ПредложеЕШ Конструкции и проЕедена экспериментальная отработка измерительной антенны с управляемым положением плоскости поляризации и встроенными фазовращателем и коммутатором, СВЧ части измерительного зонда с Фазоуправляемым скользящи опорным каналом и планарной распределительной схемыг используемой в составе измерительного зонда.

Внедрение. Результаты работы внедрены на кафедре АУ и РРВ МЭИ, в Особом конструкторском бюро (ОКБ) МЭИ и в Воинской части 35533 о чем тлеются 3 акта о внедрении.

Апробация работы. Основные результаты работы докладывались на конференциях: двух всесоюзных научно-техгапеских конференциях по антенным измерениям "Метрологическое обеспечение антенных измерений" ВКАИ-4, ВКАИ-5, г.Ереван, 1987, 1990 гг., всесоюзной научно-технической конференции "Фазированные антешшэ решетки и ш, элементы: автоматизация проектирования и измерений" ' ФАР-90, г.Казань, 1990 г., всесоюзном научно-техническом семинара "Математическое моделирование и создание САПР для расчета, анализа V синтеза антенно-фидершх систем и их элементов", г.Ростов-Ярославский, 1990 г., на межотраслевой научно-техническо! конференции "Сложные антенные системы и их компоненты. Теория, применение, экспериментальные исследования", г. Ленинград, 1991 г., на научном семинаре кафедры АУ и РРВ МЭИ.

Публикации. Основные результаты работы опубликованы в статьях и

тезисах докладов [1-11], а также в материалах 6 заявок на изобретение, по 5 из которых к настоящему моменту получено положительное решение [12].

Объем работы. Диссертационная работа состоит из введения, четырех глав, заключения, библиографического списка и двух приложений. Работа содержит 123 страницы машинописного текста, 43 страницы рисунков и таблиц, II страниц приложений. Список литературы включает 84 наименования на 9 страницах.

Основные положения. выносимые на защиту:

1. Методики и алгоритмы определения АФР электромагнитного поля антенны в ближней зоне на поверхности измерений произвольной формы по одной или одновременно по двум взаимно ортогональным поляризациям, основанные на использовании двухэлементного измерительного зонда и фазоуправляемого скользящего опорного канала.

2. Методики и алгоритмы определения АФР электромагнитного поля антенны в ближней зоне на поверхности измерений произвольной формы по одной или одновременно по двум взаимно ортогональным поляризациям, основанные на Использовании двухэлементного измерительного зонда и измерителышх многополюсников СВЧ.

3. Методики и алгоритмы определения АФР, описанные в п.п. I, 2 для трех- и многоэлементного измерительного зонда.

4. Практическая реализация основных узлов СВЧ части измерительного комплекса, предназначенного для реализации амплиметрического метода измерений: двух вариантов антенн с управляемым положением плоскости поляризации и встроенным фазовращателем (0,1с), а также СВЧ части измерительного зонда с фазоуправляемым скользящим опорным каналом и пленарной распределительной СВЧ схемы.

5. Результаты экспериментального исследования разработанных основных элементов измерительного зонда.

6. Методы калибровки СВЧ частей измерительных зондов, используемых при реализации различных вариантов методик, предложенных в п.п. I, 2, 3.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ.

Во введении обосновывается актуальность решаемой задачи, дг%тся краткий анализ недостатков известных методов измерений внешних параметров антенн в дальней зоне, преимущества методов ближней зоны, сформулированнн цели и задачи исследований и приводится краткое со-

держание работа.

В первой главе работы проанализированы электродинамические основы амплифазометрического метода антенных измерений и пределы -применимости различных допущений, используемых при его практической реализации. Для случая плоской измерйтельной поверхности разработана система программного обеспечения SEKTOR [1,11] для автоматизированного комплекса ИСПР-2, установленного в МЭИ. СПО АИК SEKTOR позволяет выполнять следующие функции: управлять процессом измерения АФР; собирать и записывать в ЭВМ .измеренные данные; расчитывать по измеренным данным выбранные сечения ДН и интегральные характеристики ДН; формировать и выдавать на одно из возможных устройств отображения протокол измерений и графики ДН. Программное обеспечение написано на языке ФОРТРАН и работает в диалоговом режиме.

В процессе эксплуатации измерительных комплексов, позволяющих производить антенные измерения в ближней зоне выявился ряд факторов, ограничивающих высокую потенциальную точность этих методов. Основными методическими погрешностями рассматриваемого метода являются: I) погрешность измерения АФР; 2) погрешность позиционирования; 3) погрешность влияния зонда; 4) погрешность ограничения; 5) погрешность дискретизации. Методические погрешности расположены здесь в порядке убывания величины их вклада в суммарную погрешность. Отмечено, что наибольший вклад в суммарную погрешность вносит погрешность измерения АФР поля антенны, особенно фазового распределения поля в ближней зоне.

При измерении АФР, кроме погрешности, вызванной несовершенством измерительных приборов, имеются еще два существенных недостатка традиционного способа измерения АФР, схема которого представлена на рис.1. Первая из них заключается в том, что при измерении фазы в различных точках на поверхности измерений изменяется разность длин сигнального и опорного трактор (Д1/А.) и даже при неподвижном СВЧ тракте возникает погрешность измерения фазы, вызванная этой разнит цей и нестабильностью частоты СВЧ генератора. Величину этой погреш-' ности можно рассчитать по формуле j ЛФ=2тс(Af/£) (Д1/Л.), где (Af/f)- ве-генератора. Второй недостаток что при его

Рис.1 Схема традиционного способа измерения АФР. личина фазовой нестабильности традиционного метода измерения АФР заключается в том

реализации обязательно деформируется один из СВЧ трактов (либо . в опорном канале, либо в измерительном). Суммарная погрешность, вызванная влиянием всех этих факторов может достигать 10 и более градусов и существенным образом сказывается на погрешности определения ДН исследуемой антенны. Поэтому задача отыскания методик определения АФР поля антенны, ликвидирующих или существенно уменьшающих такого рода погрешности является весьма актуальной.

Вторая глава посвящена разработке нового метода определения амплитудно-фазового распределения поля антенны, позволяющего существенно уменьшить погрешность измерения АФР, вызванную влиянием отмеченных выше факторов.

На рис.2 изображена упрощенная схема устройства для реализации

разработанного метода [2,3,4,9,10]. Опорный канал в предложенном устройстве заменяется так называемым "скользящим опорным каналом". Термин скользящий отражает тот факт, что опорная точка от шага, к шагу перемещается с измерительным зондом по поверхности измерений (как бы скользит), подобно тому, как это происходит, например, при работе с измерительным циркулем. Как видно из рис.2 при реализации предложенного метода вместо амплифазометра используется амплитудный приемник (АП-амплиметр), что позволяет именбвать предложенный метод как ам-плиметрический. .

Алгоритмы определения отношения амплитуд и разности фаз поля в точках расположения антенн А1 и А2 амплиметрическим методом измерений приведены в [4,9,10,12]. Для варианта метода с использованием фазоуправляемого скользящего опорного канала отношение амплитуд и разность фаз исследуемого поля в местах расположения антенн А1 и А2 измерительного зонда связаны следующими равенствами для случая трех измерений:

Рис.2 Схема амплиметрического метода измерений

4х,

йэ-лг у с а^-аа-йз •>

81П(фГ (1-С08(ф)И

21

1/2

Ф2= ф1 -

( й2-й3 ) )"

2а1 - а2 - <13

+ е

(2)

где С=

О, если с^О х, если с<0

2й1-й2-йз

( 1 -СОБ ((|> ) )

х.,= |Х1 [ ехр (Лср1); х2= |х2 |ехр(;)(р2)-комплексные вектора поля в первой и второй точках соответственно;

90°< а <180°- фазовый дискрет фазовращателя (а^О0^^"^^0)-для случая трех измерений;

а1= 0°;о2= 90о;аз= 180°;а4= 270° - для случая четырех измерений.

(Ц» |х1|1+ |кд |г+ 2х1х2соб(<р1- ф2+ с^), 1=1,2,3(,4)- сигнал на выходе измерительного зонда при различных положениях фазовращателя.

А для случая четырех измерений:

Х2= —— [(й4-(^)2+((1г(13)г]1/2; ф2= фгвгсгЕ

4х

I

(сЦ-йз^

+ £ (з)

где 5=

О, если сЦ ■тс, если <ц<0з

Используя формулы (I), (2) и (3) можно вычислить искомое соотношение амплитуд и искомую разность фаз комплексных векторов поля в местах расположения антенн А1 и А2.

Существенно, что в датой схеме линии передачи СВЧ от зондов к сумматору являются неподвижными. а в процессе сканирования деформируется только НЧ-каСель, что не приводит к возникновению фазовой ошибки. Требование к частотной стабильности генератора определяется здесь лишь условием стабильности разности фаз 'колебаний Еблизи антенн А1 и А2, а так как расстояние между ними (шаг измерений) на 1-2 порядка меньше, чем максимальный размер исследуемой антенны, то в соотвущее число раз уменшается и фазовая ошибка, вызванная этой нестабильностью. Таким образом, использование предложенного метода позволяет существенно уменьшить погрешность определения АФР поля антенны, а, следовательно ее ДН и других внешних характеристик.

Для анализа работоспособности и оценки точности вариантов амплиметрического метода определения АФР поля антенны с

использованием схем с фазоуправляемым скользящим опорным каналом разработаны математические модели и соответствующие ЭВМ программы (БВММРОКЭ, 5В!Л№0К4) [8], позволяющие учесть влияние на результат измерения всех основных источников погрешностей.

Характерные результаты расчетов, полученных с помощью программ ЭВИМТОКЗ и 5ВММР0К4, приведены на рис.За-Зг. На рис.За и 36 изображены зависимости с.к.о. ошибки вычисления амплитуды и фазы поля соответственно для варианта амплиметрического метода измерений с трехпозиционшм фазовращателем (для трех величин ф=120,150, 90°),' а на рис.Зв и Зг с четырехпозишошшм фазовращателем в опорном канале. Анализируя полученные результаты можно сделать следующие выводы [8] (значения параметров схем различны!):

I. При отсутствии источников погрешностей измерения (все с.к.о. равны нулю) погрешность определения АФР амплиметрическим методом

охГдй

Рис.3. Характерные результаты расчетов измерений равна нулю как в случае с трехпозиционшм, так и в случае с четырехпозиционным фазовращателями.

2. С увеличением разницы амплитуд поля в точках расположения антенн измерительного зонда при прочих равных условиях погрешность определения как амплитуды так и фазы поля плавно увеличивается симметричным образом относительно точки равных амплитуд, где

погрешность мшшмальна.

3. Для варианта метода с трехпозициошшм фазовращателем при прочих: равных условиях минимальная погрешность во всем динамическом диапазоне измерений наблюдается при величине фазового дискрета фазовращателя ф=120°.

Сравнивая варианты метода с трех- и четырехпозиционным фазовращателями между собой можно заметить, что в случае с четырехпозициошшм фазовращателем зависимость погрешности определения как амплитуды, так и фазы поля от величины х менее крутая, что позволяет сделать вывод о том, что этот вариант обеспечивает более высокую точность при одной и той же величине динамического диапазона, или наоборот, при одной и той же заданной величине погрешности в этом случае обеспечивается больший динамический диапазон измерений.

На рис.4 изображена схема измерительного зонда (ИЗ) второго варианта амплиметрического метода измерений, состоящая из рас-

распределителъной схемы (РС) (измерительный многополюсник СВЧ), к выходам I и 2 которой подключены измерительные антенны А1 и А2, а к выходам 3-5 детекторные секции ДЗ-Д5 соответственно. Алгоритм определения АФР с использованием такой схемы приведен в 19], где показано, что . искомое отношение комплексных сигналов в местах расположения антенн А1 и А2 выглядит следующим образом:

Ех йе(Е1Е*) - ДпКЕ^)

где %(2)=^1 (2)ехР(Зф1 (2)' ~ значение комплексного вектора поля в точке 1(2); ,

к3=1-6)-комплексные коэффициенты передачи, характеризующие передачу сигналов с первой и второй точек на каждую из трех

детекторных секций;

о о о

Р3=|К1Е1+К2Е2|£ р4= ^3Е1+к4Е2 ' РБ~' КБЕ1 ^К6Е2 '' " сигналы на выходе амплитудных детекторов.

Комплексные коэффициенты к^ однозначно связаны с конструкцией РС, определяют потенциальную точность вычислений с использованием данной конструкции РС а их величина определяется в процессе

-Щ-

РС -щз— м

-{23-

Рис.4. Схема измерительного

дпнттп п РП_

калибровки [7], являющейся неотъемлемым этапом вычислений. В остальном алгоритм определеш!Я АФР не отличается от изложенного для варианта метода с фазоуправляемнм скользящим опорным каналом.

В заключение второй главы предложен метод калибровки СВЧ. схемы измерительного зонда, пригодный для калибровки схем в обоих вариантах амплиметрического метода, а также произведен расчет чувствительности схемы с фазоуправляемнм скользящим опорным каналом к величине фазового дискрета фазовращателя, показано, что минимальной чувствительностью обладает схема с Д<р= 120°

Третья глава посвящена разработке конкретных устройств для реализации амплиметрического метода антенных измерений. Все устройства доведены до экспериментальных образцов и их работоспособность проверена на практике.

Основные отличия комплексов, предназначенных для реализации амплиметрического метода заключаются в специфике конструкции измерительного зонда, выделенного пунктиром на рис.2 и рис.4. В обоих вариантах в состав измерительного зонда входят измерительные антенны А1 п А2. В третей главе представлены результаты разработки двух- вариантов оригинальной конструкции антенн со встроегашми коммутатором и фазовращателем, эскизы которых представлены на рис.5а и 56,

I

4

3

Рис.5. Эскизы

а) б)

антенн со встроенными коммутатором и фазовращателем.

На рис.5а) изображена антенна, представляющая собой конструкцию из двух совмещенных под углом 90° полуволновых вибраторов с симметрирующими устройствам! в виде четвертьволновых щелей. Каждое из четырех плеч антенны соединено с центральным прободником подводящей коаксиальной линии через соответствующий p-i-n диод. Надлежащий режим питания диодов по постоянному току осуществляется при помощи проволочной пирамиды, ребра которой могут использоваться также и при настройке антенны. Коммутируя по определенному закону p-i-n диоды, в антенне можно реализовать 14 режимов работы, позволяющих с дискретом 45° управлять положением плоскости поляризации, на которой работает антенна и в каждом положении плоскости поляризации производить управление фазой с дискретом 180°.

Антенна, изображенная на рис.56 [5] возбуждается при помощи штыря возбуждения, являющегося продолжением внутреннего проводника коаксиальной линии, который по очереди замыкается через держатели и блокировочные конденсаторы на стенки волновода в зависимости от îoro какие из четырех p-i-n диодов находятся в открытом состоянии. Внешний проводник коаксиальной линии соединен с ' короткозамкнутой стенкой отрезка волновода. Открывая по определенному закону p-i-n диоды в этой конструкции также можно с дискретом 45° управлять поляризацией, на которой работает антенна и в каждом положении ' плоскости поляризации производить управлеше фазой с дискретом 180°'.

Использование описанных конструкций антенн в амплиметрическом методе измерений позволяет производить измерение АФР по двум взаимно ортогональным поляризациям (см. гл.4), упростить конструкцию распределительной схемы измерительного зонда и достаточно просто реализовать выключение антенны в варианте амплиметрического метода измерений с использованием линейного зонда [10].

Для оценки работоспособности и исследования технических харак- ' теристик описанных конструкций изготовлен ряд образцов антенн, а также произведена серия экспериментов с ними. В том числе - настройка на min КСВ; измерение величины'развязки по поляризациям; измерение диаграммы направленности в различных режимах. Получены следующие результаты: для режимов'1-4 KCBmin^I,I; для режимов 5-8 KCBffllnsI,23; для режимов 9-12 KCBminsI,4; величина развязки по поляризациям -18,5 ДБ.

Далее в третьей главе представлены результаты проектирования и экспериментального исследования двух вариантов СВЧ схем, позволяющих-реализовать оба различных варианта амплиметрического метода - с фазоуправляемым скользящим опорным каналом (ФСОК) и с пленарной

раснределитольнсй схемой (ПГС).

Схема СВЧ части в Езриэнте метода с ФСОК (рлс.ба) состоит из комбинации фазовращателей и сумматора, ко входом I и 2 псдалш&ются антенны, о но входу 3 амплитудный детектор. В схеме применены . Фазовращатели мостового, а сумматор кольцевого типа. Произведя; расчет СВЧ части для материала ФАФ-4-1, изготовлен экспериментальны;! образец, исследоваш технические характеристики, которые позволили сделать вывод о принципиальной реализуемости данного взриантэ СЗЧ части и возможности ее использования в амплжотрнческом методе антенных измерений.

Для реализации СВЧ части в варианте амплиметриче'ского метода с применением ПРС использована оригинальная схема, предстазлекэя на рис.66 [63. Ко входам I и 2 схемы подключаются "измерительные антенны, а ко входам 3, 4 и 5 - амплитудные детекторы. Схема составлена, из отрезков линии передачи, имеет плоскостную топологию, удобную

3 4 5

-tí;

I

jyL

eat

Ti

tr

__I)

б)в варианте с ПРС

а)в варианте с ФСОК

Рис.6. Схемы СВЧ частей измерительного зонда, для микрополоскового и волноводного исполнения, и симметрична создаваемые ею АФР:

как и

вход I:

I, exp(-j120 ), ехр(-;)240'

3

вход 2:£ ехр(-_}240"), ехр(-^120"), I

На основании обобщенного метода узловых напряжений'получены Формулы связи между параметрами схемы: длинами и волновыми сопротиЕленями г^ отрезков линий передачи, . позволяющие добиться наилучших характеристик. Схема реализована также на материала ФАФ-4-1 для

следующих параметров: =Л/Э; 12=1^=Х/4; 13=Э\/8; 2^=1;

Изготовленный образец экспер:шентально исследован. В четвертой главе на основе анализа методических особенностей

] •

амплиметрического метода измерений разрабатываются способы повышения его эффективности. В-частности, разработана методика определения АФР поля антенны амплиметрическим методом измерений одновреметю по двум взаимно ортогональным поляризациям, а также варианты схем метода с трех-, многоэлементным и линейным зондами, особенности использования амплиметрического метода при различных формах измерительной поверхности, а также приводится анализ способов повышения эффективности алгоритмов восстановления ДН антенны по измеренному с использованием амплиметрического метода измерений АФР на плоскости в ближней зоне.

Идея варианта амплиметрического метода измерений, позволяющего производить определение АФР по двум взаимно ортогональным поляризациям за один цикл измерений базируется на использовании в качестве антенн измерительного зонда антенн с управляемым положением плоскости поляризации, конструкция которых описана выше.

Измерительный зонд (рис.7) в рассматриваемом варианте метода сос-

№

—Х|

з\

Уг

¿1

тоит из двух таких антенн, расположенных на расстоянии шага измерений, двух фазовращателей (а,0) и (0,90-а) где а-любое, сумматора и амплитудного детектора.

Здесь необходимо определить 4 амплитуды и 4 фазы поля в точках расположения двух антенн измерительного зонда (по основной и ортогональной поляризациям), т.е. 8 действительных Произведение искомых амплитуд и раз-

Рис. 7. Схема измерительного зонда.

чисел х1,хг,у1,у2,ф1,ф2,фэ,ф4 ность искомых фаз в этом случае определяется следующим образом

IУ-! I |У21 =(а^+а|)1/2

1У! I |х2|=(а|+а|)1/г

1Х1 I 1УгМ?3+а7)1/г

II, I 1*21=(Я4*а|)1/2

агсгё(а5/а1) , если а5>0

.вгсг§(а5/а1 )+тс, если а5<0

"аг^(а6/а2) • , если V'0

ап^(а6/а2)+тс, если а6<0

"аг^(а7/а3) , если а7>0

aгctg(a7/a3)+1t¿ если а?<0

"аг^(а8/а4) , если Пд>,0

аг^(а8/а4)+я;, если а8<0

(4)

где:

1=1-8)

У1,фэ- берутся для 1=1,2,5,6; х-рф.,- берутся для 1=3,4,7,8; Уд.Ф^- берутся для 1- нечетных; Хд.Фд- берутся для 1- четьих; функция cos- берется для 1=1-4; функция sin- берется для 1=5-8;

У1=|У1|ехр(о'ф1+2);х1=|х1 |ехр(Зф^- значение комплексного вектора поля в точках расположения антенн по вертикальной и горизонтальной,поляризациям соответственно. Выбрав, как это делалось выше, одну из величин x^xg^.j^ в качестве опорной из (4) легко получить выражения для остальных неизвестных.

Схема измерения с применением линейного зонда [10] изображена на рис.8. Преимущества использования такого варианта зонда заключаются в том, что механическое перемещение его вдоль одной из координат заменяется здесь электрическим переключением выбранных каналов (или совокупности каналов),кроме того здесь проявляются все основные преимущества использования многоэлементных зондов - избыточность измеряемой га-формации, возможность статистическо-Рис.8.Схема измерений с линей- го усреднения, эффективная борьба с ным зондом. имеющимися методическими погрешнос-

тями амплиметрического метода и погрешностью позиционирования, т.к. здесь реализуется практически абсолютная точность установки антенн измерительного зонда в требуемых точках.

В заключение четвертой главы проанализированы преимущества и недостатки амплиметрического метода антенных измерений, g заключении сделаны основные выводы по работе, g приложения вынесены: вывод основной формулы,. связывающей ДН исследуемой антенны с распределением электромагнитного поля на плоскости вблизи ее раскрыва, а также 3 акта о внедрении результатов диссертационной работы.

-18-

OCHOBiCJS РЕЗУЛЬТАТЫ РАБОТЫ.

1. Предложены и разработаны новые методики и алгоритмы определения АО? электромагнитного поля антенны в ближней зоне на поверхности измерений произвольной Форш по одной или одновременно по двум взаимно ортогональным поляризациям, основанные на использовании двухэлементного измерительного зонда и фазоуправляомого скользящего опорного канала.

2. Предложены и разработаны новые методики и алгоритмы определения АФР электромагнитного поля антенны в ближней зоне на поверхности измерений произвольной Формы по одной или одновременно по двум взаимно ортогональным поляризациям, основанные на использовании двухэлементного измерительного зонда и измерительных многополюсников СВЧ.

3. Предложены и разработаны методики и алгоритмы определения АФР, описанные в п.п. I, 2 для трех- и многоэлементного измерительного зонда.

4. Создана конструкция новой, электрически упраьляемой вибраторной антенны с" управляемым положением плоскости поляризации, входящей в состав измерительного зонда, сочетающей в себе функции коммутатора и дискретного фазовращателя (0,те), а также конструкция антенны, выполняющей функции, описанные выше, выполненная на основе волновода квадратного сечения.

5.Предложены принципы создания конструкции СВЧ части измерительного зонда как в варианте метода с ФСОК так и в варианте с измерительными многополюсниками СВЧ.

6. Разработан метод калибровки СВЧ частей измерительных зондов, пригодный для калибровки СВЧ схем в обоих вариантах предложенных методик.

СОДЕРЖАНИЕ ДИССЕРТАЦИИ ОТРАЖЕНО В СЛВДУП1МХ РАБОТАХ:

1. Борисов C.D. Диалоговая система, предназначенная для работы в составе АИК по измерению ДН апортурннх антенн// Четвертая Всесоюз. конф. "Метрологическое обеспечение антенных измерений". Тезисы докладов. -Ереван, 1987.- С.439.

2. С.Ю. Борисов, Д.М. Сазонов. Метод повышения точности определения амплитудно-фазового распределения (АФР) поля антенны и ее диаграммы направленности (ДН)// Всесоюзный научно-технический семинар "Математическое моделирование и создание САПР для расчета, анализа и синтеза йнтенно-фидерных систем и их элементов". Тезисы докладов.- Го-

-19-

стов- Ярославский, 1990.- С.29-30.

3. С.Ю.Борисов, Д.М.Сазонов. Амшшметрический метод определения амплитудно-фазового распределения (АФР) поля антенны// Всесоюзная научно-техническая конференция "Фазированные антенные решетки. и их элементы: автоматизация проектирования и измерений" (ФАР-90). Тезисы докладов.- Казань, 1990.- С.114-116.

4. С.Ю.Борисов, Д.М.Сазонов. Определение основных характеристик антенн при помощи амплиметрического метода измерений.//Пятая Всесоет. конф. "Метрологическое обеспечение антенных измерений". Тезисы до-~ кладов.- Ереван, 1990.- С.27-29.

б. С.Ю.Борисов, Д.М.Сазонов, В.В.Смирнов. Антенна с управляемым положением плоскости поляризации как элемент измерительного зонда для применения в амплиметрическом методе антенных измерений.//Пятая Все-союз. конф. "Метрологическое обеспечение антенных измерений". Тезиса докладов.- Ереван, 1990.- С.210-211.

6. К.А^Блохина, С.Ю.Борисов, Д.М.Сазонов. Пленарная распределительная СВЧ схема измерительного зонда в амплиметрическом методе антенных измерений.//Пятая Всесоюз.. конф. "Метрологическое обеспечение антенных измерений". Тезисы докладов.- Ереван, 1990.- С.204-205.

7. С.Ю.Борисов. Сравнение методов калибровки-СВЧ схемы измерительного зодда в амплиметрическом методе антенных измерений.//Пятая Всесоюз. конф. "Метрологическое обеспечение антенных измерений". Тезисы докладов.- Ереван, 1990.- С.207-209.

8. С.Ю.Борисов, Д.М.Сазонов. Анализ вариантов амплиметрического метода антенных измерений с фазоуправляемым скользящим опорным каналом и результаты математического моделирования.// Межрегиональная, научно-техническая конференция "Сложные антенные системы и их компоненты. Теория, применение, экспериментальные исследования". Тезисы докладов.- Ленинград, 1991.- СЛ02-103.

9. Беляев Б.Г., Борисов С.»., Сазонов Д.М. Определение амплитудно-фазового распределения поля и диаграммы направленности антенны • амплиметрическим методом измерений//Тр./ .Моск. знерг. ин-т.- 1992.-Вып. 645.- С.191-199.

10. С.Ю.Борисов, Д.М.Сазонов. Повышение точности измерения фазы в.' амплифазометрическом методе антенных измерении// Радиотехника.-1990. - й II.- С.63-65.

11. С.Ю.Борисов. Автоматизированная система для измерения характеристик излучения антенн в ближней зоне// В сб. "Лабораторные работы * I, 2 по курсу Автоматизация антенных и СВЧ измерений" . под ред.

Н.Я.Фролова.- М.: МЭИ, 1990.- С. 25-33.

12. A.c. 1689882 СССР, MKVf G01R29/10. Способ определения амплитудно-фазового распределения поля антенны/ Д.М.Сазонов, С.Ю.Борисов; Моск. энерг. ин-т (СССР).- Л 4715540/09 (22); Заявлено 07.07.89; Опубл. 07.II.91, Бюл. * 41// Открытия. Изобретения.- 1991.- * 41.-C.I64.

Подписано к печати Л— •¿^/f*

Печ.л. /¿^_Тираж Заказ Брспляшо.

Типография МЭИ, Красноказарменная, 13.