Расширение функциональных возможностей коллиматорного метода антенных измерений

При проведении антенных измерений необходимо, чтобы амплитудный и фазовый фронт волны, падающей от вспомогательного источника на антенну, можно было бы считать плоским на ее раскрыве. Этого можно достигнуть двумя способами. Во-первых, измеряя параметры антенн в дальней зоне на открытых полигонах, на которых испытуемую антенну и вспомогательный источник электромагнитных волн разносят на значительные расстояния, составляющие для современных остронаправленных антенн тысячи и даже десятки тысяч метров. При этом велика вероятность ошибок, связанных с отражением от поверхности земли, местных и удаленных отражающих предметов. Во-вторых, применяя измерения характеристик антенн в ближней зоне их излучения различными методами, наиболее простым и распространенным из которых является коллиматорный [1, 2].

При коллиматорном методе измерений поле вспомогательного источника электромагнитных волн, близкое к полю плоской волны, создается с помощью вспомогательной антенны 5 коллиматора, расположенной в непосредственной близости от испытуемой антенны, фактически в ближней зоне. В качестве коллиматора, как правило, используют зеркальные антенны, хотя могут быть использованы и другие типы антенн: линзовые, рупорные, антенные решетки и др. При этом желательно применять облучатели коллиматоров со сравнительно узкой диаграммой направленности, чтобы уровень поля, падающего на кромку зеркала коллиматора, был минимальным [3, 4]. Коллиматор помещают в безэховую камеру, стенки, пол и потолок которой покрыты радиопоглощающим материалом. Устройство, состоящее из коллиматора, безэховой камеры и поворотного устройства, предназначенного для вращения антенны в процессе измерения диаграммы направленности (ДН), принято называть «компактным полигоном» (рис. 1) [5].

Несмотря на высокие стоимостные характеристики, трудоемкости монтажных и настроечных работ на зеркале коллиматора, компактные полигоны на его основе используются весьма широко. Это можно объяснить следующими факторами [5]:

• а)    хорошей изученностью коллиматорного метода измерений;

• б)    широкополосностью коллиматора, а значит – потенциальной широкополосностью всего полигона;

• в)    оперативностью проводимых измерений;

• г)    возможностью проведения измерений параметров активной фазированной антенной решетки (АФАР) на высоком уровне мощности без применения специализированных методов. Следует подчеркнуть важность данного фактора для учета влияния тепловых режимов АФАР на диаграммобразование;

• д)    возможностью модернизации отдельных составных частей полигона, позволяющей повысить точность измерений и реализовать практически сложные методы обработки сигнала (поляризационный, во временной и частотной области и др.) без проведения глубокой модернизации.

Рис. 1. Компактный антенный полигон на основе зеркального коллиматора: 1 – радиопоглощающий материал; 2 – поворотное устройство; 3 – исследуемая антенна; 4 – облучатель; 5 – коллиматор

Постановка задачи

При проведении измерений параметров антенн коллиматорным методом сложно произвести оценку максимума боковых лепестков ДН как в главных сечениях, так и в сечениях, отличных от главного. Особенности классической методики измерений таковы, что первоначально производится поиск максимума сигнала при угловых вариациях антенны, а затем проводится измерение диаграммы направленности в двух главных сечениях главного лепестка [1].

Целью данной работы является повышение точности оценки уровня боковых лепестков (УБЛ) ДН при коллиматорном методе антенных измерений на базе методики измерения объемных ДН на компактном полигоне и автоматизированного программно-аппаратного комплекса, реализующего данную методику.

Методика измерения объемных ДН на компактном полигоне

Для полной оценки боковых лепестков необходимо и достаточно знать объемную амплитудную ДН вида F (θ, φ), где θ – вертикальная угловая координата: θ ∈ [θ min , θ max ]; φ – горизонтальная угловая координата φ ∈ [φ min , φ max ]. Где величины θ min , θ max и φ min , φ max определяют рабочую зону сканирования.

При классическом методе измерения ДН оценка УБЛ проводится на основе анализа функции F (θ, φ) в главных сечениях θ гл и φ гл (для горизонтальной и вертикальной плоскости соответственно): F (θ гл , φ) = F (φ) и F (θ, φ гл ) = F (θ). Направление с угловыми координатами (θ гл , φ гл ) имеет наибольший уровень сигнала или определяется как центр главного лепестка ДН по уровню 3 дБ.

Методика измерения объемных ДН антенн на коллиматорном стенде с использованием двухосных опорно-поворотных устройств следующая:

• 1.    Задаемся минимальным необходимым шагом измерения ДН по обеим координатам:

• 2.    Ориентируя последовательно антенну в точки с угловой координатой (θ i , φ j ), измеряется амплитуда на выходе антенны A j , где i е [1... N ], j е [1_ M ], N = [ ( 6 max - 6 min )/ Аб] , M = [ ( ф max^- Ф тп )/^А ф] ^.

• 3.    Нормируются значения A j на величину A m _ax : F ij = A ij , A m _ax , где A m _ax = max ( A j ) .

• 4.    Строится поверхностная кривая F (θ, φ) с помощью аппроксимации ряда значений F ( 6 i , ф j ) , где 6 = 6 min + i A6 ; ф = Ф mi_n + i Аф .

Δθ=θ ^0,5, Δϕ=ϕ ^0,5 , 5...7            5...7

где θ _0,5 и ϕ _0,5 – ширины ДН.

Автоматизированный комплекс коллиматорного метода антенных измерений

Конструктивно и территориально комплекс состоит из двух обособленных частей: управляющей вычислительной части, в которой сосредоточены устройства управления и регистрации измерений, и безэховой камеры со вспомогательным, силовым и СВЧ оборудованием (рис. 2).

Рис. 2. Структурная схема автоматизированного комплекса коллиматорного метода антенных измерений

Управляющей вычислительной частью осуществляется регистрация результатов измерений. Пульт управления (ПУ) ОПУ (рис. 3) обеспечивает управление подачей питающих напряжений на его приводы. Пульт посредством интерфейса USB 2.0 связан с персональным компьютером (ПК). Таким образом осуществляется возможность ручного и автоматического измерения ДН с ПК и с ПУ ОПУ.

В безэховой камере размещены опорно-поворотное устройство (ОПУ), на которое устанавливается исследуемая антенна, коллиматор в совокупности с облучателем для создания квазип-лоского электромагнитного поля и приемопередающее анализирующее устройство (ПАУ) для запитки облучателей энергией СВЧ и регистрации отношения уровней.

Режимы работы комплекса:

• 1.    Ручной режим измерения ДН (управление приводами ОПУ осуществляется с ПУ, а прием информации – вычислительным регистрационным блоком).

  

  Рис. 3. Структурная схема пульта управления ОПУ

  
  

• 2.    Ручной режим измерения ДН с ПК (управление приводами ОПУ и прием информации осуществляется с ПК).

• 3.    Автоматический режим измерения ДН с ПК (измерение главного сечения ДН полностью автоматизирован).

• 4.    Автоматический режим измерения объемной ДН (измерение нескольких сечений ДН и последующее построение объемной ДН автоматизирован).

• 5.    Ручное управление углом поворота антенны θ и φ.

• 6.    Автоматический выезд антенны на заданные угловые координаты (е„ ф j ) .

Методика оценки погрешности нахождения максимума боковых лепестков

Методика измерения ДН значительно изменилась по сравнению с классической, поэтому погрешность определения УБЛ можно определить методом суперпозиции ряда случайных ошибок. Эти ошибки возникают под влиянием некоторого множества факторов, независимых по своему действию и природе. Будем считать, что вероятность появления таких ошибок подчиняется нормальному закону распределения. На основе свойства дисперсии суммы независимых случайных величин и табличных значении доверительных интервалов, нетрудно доказать, что максимальная погрешность определения УБЛ с вероятностью 0,997 не превысит величину:

ААбл=3 ААбЛ = 3Оси + (kе^Опу) + (kф^Опу) + °афр + (kе°Асу) + (kф°Асу) , где оАсу, ОАСУ - погрешность выезда антенны в точку с угловыми координатами (е,, ф,) (9i, Ф0; аопУ, СТОПУ - погрешность регистрации углового положения антенны; о си - погрешность средств измерения, включающая в себя погрешность приема, измерения и регистрации СВЧ- мощности; оафр -погрешность, обусловленная отклонением вторичного поля коллиматора от равномерного по фазе и амплитуде.

• 1      ( dF )     ,    max ( A - A - i )

= max или k =-----

• 2     ( d ф)      ^ф 2 -Аф

1     ( dF )     ,    max ( A - A )

= max или k =----- е 2    I d е)

k ф

k

2 -Ае

,

.

Главный вклад в погрешность измерений при коллиматорном методе вносят краевые волны, значит [1]:

^О АФР =

g [ r sin ( ф о -е ) ] kD sin е

, для е > фо

^{_ ф} 1 ,

g ^(x) =

J ( x )

1 D /2

— j J ⁽ x )d x

D - D /2

H r =-------, cos ф0

PP sin Фо = ----- , Sin Ф1 = ----- ,

71+Pk        vi+p 2

P =    , P = D ,

• ^k 2 H     2 H

где D k , D – размеры раскрыва коллиматора и исследуемой антенны; J ( x ) – амплитудное распределение тока в антенне; H – расстояние между коллиматором и центром исследуемой антенны.

Заключение

Разработанная методика измерения объемных ДН на компактном полигоне и структура автоматизированного комплекса коллиматорного метода антенных измерений, реализующего данную методику, позволяют значительно снизить трудоемкость измерений и время их проведения, исключить влияние человеческого фактора на допускаемые погрешности, а также повысить точность оценки максимального уровня боковых лепестков ДН в сечениях, отличных от главного.