Сравнение результатов восстановления диаграммы направленности конической рупорной антенны в дальней зоне по измерениям в зоне Френеля при различных положениях центра апертуры антенны относительно центра вращения опорно-поворотного устройства
Автор: В. И. Гриц
Журнал: Космические аппараты и технологии.
Рубрика: Ракетно-космическая техника
Статья в выпуске: 3, 2025 года.
Бесплатный доступ
В настоящее время методы измерения параметров антенн можно разделить на две основные группы: методы дальней и ближней зоны. Методы дальней зоны не требуют дорогостоящего и сложного оборудования, но для их реализации зачастую требуется антенный полигон протяженностью сотни и тысячи метров. Кроме того, становится практически невыполнимой задача экранирования измерительной трассы от влияния переотражений сигнала от различных предметов. Методы ближней зоны, напротив, лишены этого недостатка, но требуют применения сложных автоматизированных измерительно-вычислительных комплексов. Метод измерения характеристик антенн в зоне Френеля позволяет организовать антенный полигон значительно меньшей длины, чем в методах дальней зоны. Настоящая статья посвящена использованию данного метода применительно к конической рупорной антенне на частоте 13 гигагерц (ГГц). Показано влияние коррекции фазовых диаграмм направленности при различных значениях размера области восстановления диаграммы направленности, а также при разных конфигурациях положения антенны на опорно-поворотном устройстве. Проведен анализ результатов восстановления диаграммы направленности для каждой конфигурации опорно-поворотного устройства. На основе анализа результатов восстановления диаграммы направленности сделан вывод о взаимосвязи необходимости коррекции фазовых диаграмм направленности и расстояния от центра апертуры антенны до точки пересечения осей вращения опорно-поворотного устройства.
Антенна, зона Френеля, измерение, восстановление ДН, коррекция фазовых ДН
Короткий адрес: https://sciup.org/14134061
IDR: 14134061 | УДК: 621.396 | DOI: 10.26732/j.st.2025.3.02
Comparison of the results of restoring the radiation pattern of a conical horn antenna in the far zone based on measurements in the Fresnel zone at different positions of the antenna aperture center relative to the center of rotation
Currently, antenna parameter measurement methods can be divided into two main groups: far-range and near-range methods. Long-range methods do not require expensive and complex equipment, but their implementation often requires an antenna range hundreds and thousands of meters long. In addition, the task of shielding the measuring path from the influence of signal reflections from various objects becomes almost impossible. Near-field methods, on the contrary, are devoid of this disadvantage, but require the use of complex automated measurement and computing systems. The method of measuring antenna characteristics in the Fresnel zone makes it possible to organize an antenna range of significantly shorter length than in the methods of the far zone. This article is devoted to the use of this method in relation to a conical horn antenna at a frequency of 13 gigaherz (GHz). The effect of correction of phase direction pattern is shown for different values of the size of the direction pattern recovery area, as well as for different configurations of the antenna position on the control unit. The direction pattern recovery results was analyzed for each control unit configuration. Based on the analysis of the results of the direction pattern restoration results, a conclusion was made about the relationship between the need to correct the phase direction pattern and the distance from the center of the antenna aperture to the intersection of the axes of rotation of the control unit.
Текст научной статьи Сравнение результатов восстановления диаграммы направленности конической рупорной антенны в дальней зоне по измерениям в зоне Френеля при различных положениях центра апертуры антенны относительно центра вращения опорно-поворотного устройства
Важнейшим этапом производства космических аппаратов (КА) является проведение наземной экспериментальной отработки (НЭО) как КА в полном сборе, так и отдельных его частей, в том числе и антенн. После прохождения антенной очередного этапа испытаний необходимо проверить соответствие ее радиотехнических характеристик (РТХ)
требованиям, заявленным в техническом задании (в технических условиях). Одной из важнейших характеристик любой антенны является её диаграмма направленности (ДН), или зависимость уровня напряженности электрического поля, излучаемого (ДН на передачу) или принимаемого (ДН на прием) антенной. Вопрос точного измерения ДН является очень важным, поскольку ДН определяет зону обслуживания антенны при ее установке на КА.
1. Методика проведения измерений
В рамках работы был проведен эксперимент, заключающийся в следующем. На выбранной частоте производится измерение одного сечения ДН антенны в дальней зоне, после чего исследуемая и вспомогательная антенны смещаются на расстояние, соответствующее зоне Френеля. Это расстояние можно определить по формулам [2]:
«фр> 0,6D*jD/l(1)
«фр > 0,62 • (D3/2/Jfy(2)
«фр > D2/U(3)
«фр > 0,5 • (D4/3/A1/3),(4)
«фр> (D2/10^20A).(5)
Здесь D – наибольший размер (в данном случае – диаметр) апертуры исследуемой антенны, λ – длина волны, излучаемой исследуемой антенной, R фр – расстояние измерений в зоне Френеля.
В то же время это расстояние должно быть меньше расстояния дальней зоны антенны [7, 8].
Далее снимается несколько сечений ДН в зоне Френеля, затем с помощью специального математического алгоритма восстанавливается ДН антенны в дальней зоне. При снятии сечений задается диапазон угловых перемещений ОПУ в азимутальной плоскости, в настоящей работе – от минус 50 до 50°. Перед началом измерений ОПУ устанавливается по углу места в самое дальнее отрицательное сечение (отрицательное – ниже центрального). Переход между сечениями осуществляется в угломестной плоскости до достижения самого дальнего положительного сечения (положительное – выше центрального). Центральное сечение соответствует плоскости 0°. При снятии сечения ОПУ перемещается до противоположной границы диапазона перемещений, останавливаясь в каждой измеряемой точке в соответствии с заданным при подготовке к измерению шагом по углу, по достижении правой границы переходит к следующему сечению и процесс повторяется в обратном направлении. В каждой точке сечения снимается один отсчет поля, представляющий собой два значения: амплитуда и фаза поля.
Минимально необходимое количество сечений определяется по формуле [1, 3, 9]:
R
2D2
>~.
^ min — 2
Для корректного выполнения измерений необходимо добиться совмещения фазового центра исследуемой антенны с осью вращения опорноповоротного устройства во избежание искажения фронта волны, приходящей на исследуемую антенну. Обычно у рупорных антенн фазовый центр расположен примерно в центре раскрыва [10], однако на практике необходимо получить точные значения его координат. Это можно сделать с помощью алгоритма, изложенного в [6]. С помощью данного алгоритма производится пересчет фазовых ДН (ФДН), измеренных относительно точки вращения опорно-поворотного устройства (ОПУ) к фазовому центру антенны.
тх2'
2AR
+ 1,
где T x – наибольший линейный размер исследуемой антенны, R – расстояние между исследуемой и вспомогательной антеннами, λ – длина волны исследуемой антенны. Полученное значение округляется до ближайшего большего нечетного целого числа.
Измерения выполнялись для двух конфигураций положения антенны на ОПУ: с расстоянием от центра апертуры (ЦА) до азимутальной плоскости вращения ОПУ 0,5 метра (рисунок 1) и 0,15 метра (рисунок 2).
Характеристики эксперимента приведены в таблице 1.
Рисунок 1. Расположение антенны на ОПУ до коррекции положения ЦА
Том 9
Рисунок 2. Расположение антенны на ОПУ после коррекции положения ЦА
Характеристики эксперимента
Таблица 1
|
Параметр |
Значение |
|
Рабочая частота исследуемой антенны, ГГц |
13 |
|
Диаметр раскрыва исследуемой антенны, м |
0,17 |
|
Расстояние дальней зоны (ДЗ), м |
2,56 |
|
Расстояние измерений в зоне Френеля, м |
0,373 (до коррекции положения ЦА); 0,246 (после коррекции положения ЦА) |
|
Количество измеряемых сечений в зоне Френеля |
3 |
|
Сектор измерений, градус |
±50 |
2. Результаты измерений
Одним из важных параметров при обработке результатов измерений является область восстановления ДН (ОВДН). Это прямоугольная область вокруг апертуры антенны, по которой производится интегрирование поля при вычислении коэффициентов Фурье [1]. Согласно [1], для правильного восстановления ДН эта область должна полностью включать в себя апертуру антенны. Однако, как показано в [5], увеличение ОВДН до величины более 2–3 размеров апертуры приводит к появлению искажений на восстановленной ДН.
Результаты восстановления ДН для области восстановления ДН 0,189 на 0,189 метра приведены на рисунках 3–6.
Результаты восстановления ДН для области восстановления ДН 0,24 на 0,24 метра приведены на рисунках 7–10.
Результаты восстановления ДН для области восстановления ДН 0,263 на 0,263 метра приведены на рисунках 11–14.
Заключение
На основании представленных результатов можно сделать вывод о том, что коррекция ФДН имеет смысл, если ЦА рупорной антенны удален от точки пересечения осей вращения (далее – точка вращения) ОПУ более чем на 2–3 диаметра раскрыва. Если необходимо проводить измерения, сблизив ЦА и точку вращения, то коррекция ФДН приводит к появлению искажений на восстановленной ДН.
Влияние ОВДН было ранее рассмотрено в [5]. В данном случае стоит отметить лишь тот факт, что после уменьшения расстояния между центром апертуры антенны и точкой вращения ОПУ увеличение ОВДН вносит более заметное ухудшение качества восстановления ДН.
Рисунок 3. Без коррекции ФДН, ОВДН 0,189, до коррекции положения центра апертуры
Рисунок 4. Без коррекции ФДН, ОВДН 0,189, после коррекции положения центра апертуры
Рисунок 5. С коррекцией ФДН, ОВДН 0,189, до коррекции положения центра апертуры
I/
ОСМИЧЕСКИЕ АППАРАТЫ И
ТЕХНОЛОГИИ нш
Том 9
Рисунок 6. С коррекцией ФДН, ОВДН 0,189, после коррекции положения центра апертуры
Рисунок 7. Без коррекции ФДН, ОВДН 0,24, до коррекции положения центра апертуры
Рисунок 8. Без коррекции ФДН, ОВДН 0,24, после коррекции положения центра апертуры
Рисунок 9. С коррекцией ФДН, ОВДН 0,24, до коррекции положения центра апертуры
Рисунок 10. С коррекцией ФДН, ОВДН 0,24, после коррекции положения центра апертуры
Рисунок 11. Без коррекции ФДН, ОВДН 0,263, до коррекции положения центра апертуры
I/ I— ОСМИНЕСКИЕ АППАРАТЫ VI технологии вин
Том 9
Рисунок 12. Без коррекции ФДН, ОВДН 0,263, после коррекции положения центра апертуры
Рисунок 13. С коррекцией ФДН, ОВДН 0,263, до коррекции положения центра апертуры
Рисунок 14. С коррекцией ФДН, ОВДН 0,263, после коррекции положения центра апертуры
Список литературы Сравнение результатов восстановления диаграммы направленности конической рупорной антенны в дальней зоне по измерениям в зоне Френеля при различных положениях центра апертуры антенны относительно центра вращения опорно-поворотного устройства
- Кривошеев Ю. В. Измерение характеристик антенн в зоне Френеля на разреженной сетке углов: специальность 05.12.07 «Антенны, СВЧ – устройства и их технологии»: диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук / Кривошеев Юрий Вячеславович; ФГБОУ ВПО «НИУ «МЭИ». Москва, 2014. 146 c. Текст: непосредственный.
- Доманов С. К. Влияние технологических факторов на радиотехнические характеристики антенн космических аппаратов: специальность 05.12.07 "Антенны, СВЧ-устройства и их технологии": диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук / Доманов Сергей Константинович. Томск, 2018. 144 с.
- Восстановление диаграммы направленности антенны по измерениям в зоне Френеля на стенде для измерений в дальней зоне / И. Л. Виленко, А. А. Медухин, Ю. А. Сусеров [и др.] // Антенны. 2005. № 1. С. 46–52.
- Гриц В. И. Восстановление диаграммы направленности конической рупорной антенны в дальней зоне по измерениям в зоне Френеля // Современные проблемы радиоэлектроники: материалы XXIV Всероссийской научно- технической конференции с международным участием, посвящённой 129-й годовщине Дня радио. Красноярск: Сибирский федеральный университет, 2024. С. 118–121. ISBN 978-5-9905691-6-4.
- Гриц В. И. Влияние увеличения размера области восстановления диаграммы направленности рупорной антенны в зоне Френеля на результат восстановления диаграммы направленности в дальней зоне // Материалы XXVIII Международной научно- практической конференции, посвященной 100-летию со Дня рождения генерального конструктора ракетно- космических систем академика Михаила Федоровича Решетнева. Красноярск: СибГУ им. М. Ф. Решетнева, 2024. С. 349–352.
- Калинин Ю. Н. Измерение координат фазового центра антенны // Антенны. 2014. № 4. С. 54–62.
- Озеров М. А., Титаренко А. В. Синтезирование пространственной импульсной характеристики антенны для восстановления диаграммы направленности, измеренной в неидеальных условиях // Вестник метролога. 2016. № 4. С. 14–18. – ISSN 2413-1806
- Озеров М. А. Разработка высокоинформативных методов измерений характеристик направленности антенн и рассеивающих свой ств материалов в промежуточной зоне излучения // Материалы XI научно- технической конференции "Метрология в радиоэлектронике". Менделеево: ФГУП "ВНИИФТРИ", 2016. С. 26–31. ISBN 978-5-903232-70-3
- Fresnel Field to Far Field Transformation Based on Two- Dimensional Fourier Series Expansion / Y. V. Krivosheev, A. V. Shishlov, A. K. Tobolev, I. L. Vilenko // Advanced Electromagnetics Symposium. Paris: AES-2012, 2012, рр. 1–8.
- Фрадин А. З., Рыжков Е. В. Измерение параметров антенно- фидерных устройств. М.: Государственное издательство литературы по вопросам связи и радио, 1962. 317 с.
