Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Исследование и разработка алгоритмических методов коррекции результатов трактовых измерений 23
1.1 Состояние и задачи развития методов и средств для измерения комплексных параметров цепей СВЧ 26
1.2. Моделирование анализатора цепей СВЧ 32
1.2.1. Математическое моделирование ошибок измерения двухполюсников 33
1.2.2. Математическое моделирование ошибок измерения S-параметров четырехполюсников 40
1.3. Разработка алгоритмов коррекции результатов трактовых измерений 52
1.3.1.Алгоритмы, инвариантные к характеристикам исследуемых четырехполюсников 52
1.3.2 Адаптированные алгоритмы коррекции для типовых изделий техники СВЧ 58
1.3.2.1. Измерение взаимных согласованных устройств 59
1.3.2.2. Измерение невзаимных согласованных устройств 63
1.3.2.3. Измерение четырехполюсников с большим ослаблением 65
Глава 2. Разработка методов и средств определения параметров моделей ошибок трактовых измерений 71
2.1. Разработка методов определения направленности рефлектометров (параметра Сі модели) 72
2.2. Калибровка ААЦ по трем высокодобротным нагрузкам 84
2.3. Калибровка ААЦ по согласованной и вые око добротным противофазным нагрузкам 89
2.4. Калибровка ААЦ по согласованной нагрузке и короткозамкнутым нагрузкам с разными
электрическими длинами 94
2.5. Метод калибровки ААЦ с использованием образцовых четырехполюсников 99
2.6. Метод калибровки ААЦ с преобразованием результатов частотных измерений во временную область 109
2.7. Выводы 115
Глава 3. Разработка методов и средств метрологического обеспечения трактовых измерений высокой точности 118
3.1. Анализ погрешностей измерения S-параметров 119
3.1.1. Оценки погрешностей измерения ККО и ККП анализатором цепей общего применения 119
3.1.2. Анализ метрологических характеристик анализатора цепей со «встроенным интеллектом» 122
3.1.2.1. Составляющая погрешности, обусловленная конечной точностью определения направленности рефлектометров 124
3.1.2.2. Составляющая погрешности, обусловленная конечной точностью определения рассогласования 126
3.1.2.3. Случайная составляющая погрешности 126
3.2. Анализ методических погрешностей ААЦ при неполном учете влияющих факторов 128
3.2.1. Оценка точности калибровки ААЦ по противофазным нагрузкам 129
3.2.2. Оценка точности калибровки ААЦ по согласованной нагрузке и нагрузке «холостого хода» 131
3.3. Разработка методов и средств метрологической аттестации аппаратуры для трактовых измерений высокой точности 133
3.3.1. Выбор и обоснование средств поверки 134
3.3.2. Основы методики поверки метрологических характеристик ААЦ и оценка ее достоверности 139
3.3.3. Вопросы аттестации разработанных средств самопроверки ААЦ 145
Глава 4. Алгоритмические методы повышения точности векторных измерений в открытом пространстве 156
4.1. Анализ особенностей применения ААЦ в технике измерений объектов в открытом пространстве 157
4.1.1. Расчет необходимого энергетического потенциала ААЦ для проведения антенных измерений 159
4.1,2. Измерение поляризационных характеристик излучаемого антенной поля 163
4.1.З. Измерение входных параметров антенн 165
4.1.4. Анализ условий проведения измерений характеристик рассеяния РЛО 169
4.2. Разработка алгоритмических методов нейтрализации пространственных помех в задачах измерения характеристик рассеяния радиолокационных объектов 172
4.2.1. Коррекция искажений при измерении характеристик рассеяния РЛО на основе двухполюсной модели ошибок... 174
4.2.2. Комплексный метод коррекции характеристик рассеяния на основе обобщенной модели ошибок измерения 180
4.3. Разработка математического аппарата метода частотно- временной коррекции искажений КДН антенн, измеренных в условиях недостаточной безэховости 185
Глава 5. Экспериментальная разработка базы аппаратурного исследования объектов в экранированных волноводах и открытом пространстве 195
5.1. Проектирование ААЦ первого поколения 197
5.1.1. Разработка концепции построения 197
5.1.2. Исследование путей построения источника зондирующего сигнала 204
5.1.3. Исследование долговременной стабильности параметров ААЦ 222
5.1.4. Разработка математического обеспечения АИС 226
5.2. Особенности проектирования микропроцессорных ААЦ с расширенными функциональными возможностями 233
5.2.1. Разработка структурной схемы 234
5.2.2. Анализ функциональных возможностей блока антенных измерений 238
5.2.3. Анализ надежности системы 241
5.2.4. Экспериментальное исследование метрологических характеристик АИС 244
5.3. Выводы , 252
Заключение 255
Литература 260
Приложение 1
- Моделирование анализатора цепей СВЧ
- Калибровка ААЦ по трем высокодобротным нагрузкам
- Анализ методических погрешностей ААЦ при неполном учете влияющих факторов
- Разработка алгоритмических методов нейтрализации пространственных помех в задачах измерения характеристик рассеяния радиолокационных объектов
Введение к работе
Актуальность темы. Состоянием теории и техники измерений параметров элементов трактов передач с распределенными постоянными во многом определяется уровень развития таких базовых отраслей промышленности, как радиолокация, радионавигация, антенная техника, космическая связь, микроэлектроника СВЧ и др. Прогресс в этом виде радиоизмерений базируется на интенсивных исследованиях, направленных на автоматизацию, расширение пределов и повышение точности измерения комплексных параметров матрицы рассеяния, которой формально представляют любое линейное устройство СВЧ, включенное в волновод. Создание обширной номенклатуры радиокомпонентов на базе перспективных коаксиальных каналов сечением 7/3.04 мм и 3.5/1.52 мм, а также новейшего - 2.4/1.04 мм, широкое внедрение активных полупроводниковых структур в функциональные узлы микроэлектронного исполнения обусловили резкий рост объема векторных измерений в диапазоне частот до 45 ГГц и потребовали существенного - в 3-5 раз увеличения их точности.
Повышение точности измерения S-параметров традиционно достигалось совершенствованием измерительных схем и конструкций, увеличением точности расчета и механического изготовления СВЧ узлов радиоизмерительной аппаратуры (РИА). Современная практика трактовых измерений диктует необходимость таких метрологических характеристик РИА, для реализации которых требуются рефлектометры с направленностью лучше 40дБ, широкополосные двухканальные преобразователи частоты с развязкой каналов более 80дБ, чувствительностью лучше 10"13 Вт при допустимых потерях на рассогласование не хуже - 40дБ, согласованные нагрузки с КСВ 1.003 и т.п. СВЧ-узлы со столь высокими параметрами могли быть изготовлены
только в единичных экземплярах, а диапазон рабочих частот их нередко свертывался фактически до точки.
В то же время для решения целого ряда актуальных измерительных задач, в том числе при отработке изделий, выполненных по технологии «стеле», настоятельно необходим панорамный просмотр исследуемых объектов в сверхширокой полосе частот с коэффициентом перекрытия до нескольких сотен при высокой надежности результата анализа. Очевидно, что проблему увеличения достоверности результатов измерений следует решать не только совершенствованием схемотехники РИА. Необходим поиск новых путей повышения точности панорамных трактовых измерений.
В последнее время проявилась устойчивая тенденция единого подхода к радиотехническому обеспечению векторных измерений в экранированных волноводах и открытом пространстве, т.е. продвижения панорамной трактовой РИА в практику антенных измерений, включая измерение ЭПР и диаграмм рассеяния радиолокационных объектов. Это направление развития радиоизмерительной техники особенно актуально, поскольку универсальные модели для антенных и трактовых измерений повышенной точности на мировых рынках не рекламируются. Создание комбинированной РИА, способной с высокой точностью выполнять все виды векторных измерений в экранированных волноводах и открытом пространстве, обещает существенную экономию средств за счет их концентрации на этапе разработки многофункциональной аппаратуры, а также на месте применения за счет повышения эффективности эксплуатации.
Как и всякое развивающееся направление в радиоизмерительной технике (РИТ) разработка такой комбинированной РИА диктует свои специфические требования как к техническим параметрам измерительной системы, так и к общей методологии измерительного процесса, что представляет собой хорошую основу для появления новых, свойственных этому новому направлению, методов и алгоритмов решения комплексных задач. Успех в создании таких высокоточных универсальных измерительных систем может быть
обеспечен разработкой новых алгоритмических методов повышения точности векторных измерений в экранированном волноводе и открытом пространстве, основанных на математических преобразованиях результатов измерений по специальным алгоритмам.
Необходимое сочетание высокой точности с большим потоком экспериментальных данных при резко возросшем объеме вычислений обуславливает применение процессора для управления измерительным комплексом, автоматизации сбора опытных данных и вычисления скорректированных S-параметров исследуемого объекта. Организованный по такому принципу гетеродинный автоматический анализатор цепей (ААЦ) будет сочетать высокий уровень автоматизации с предельно низкими погрешностями векторных измерений, что возможно достигнуть с помощью новых алгоритмических преобразований опытных данных, полученных двухэтапным процессом измерения, включающим комплексную калибровку ААЦ по эталонам и собственно измерение с автоматической коррекцией результатов.
Первые работы по развитию алгоритмических методов повышения точности панорамных трактовых измерений опубликовали на рубеже 60-х - 70-х годов XX века Stepfen F.Adam, Hackborn R.A., Hand B.P., Rytting D.K., Beatty R.W. Развитию высказанных идей в условиях отечественной технологической базы посвящены работы ведущих ученых: И.К. Бондаренко, А.С. Елизарова, В.П. Петрова, Э.В. Нечаева, Р.П.-П. Жилинскаса, И.И. Чупрова. Важные вопросы метрологии трактовой РИА, в которой реализованы алгоритмические методы повышения точности измерений, отражены в работах Р.К. Стародубровского, А.Е. Львова, В.И. Ефграфова, Ю.В. Рясного; целый ряд важных теоретических и практических результатов по созданию микроэлектронных узлов с уникальными техническими характеристиками для ААЦ получен в работах Ю.М. Грязнова, Г.Б. Дзехцера, A.M. Щитова.
Интерес к исследованиям алгоритмических методов повышения точности трактовых измерений совпал по времени с периодом особенно быстрого развития средств вычислительной техники, которые обеспечили необходи-
мую техническую базу для развития этого нового направления радиоизмерительной техники.
Вследствие эвристического происхождения модели [21,33] не последовало ее теоретического обоснования, т.е. не были раскрыты особенности моделирования АЦ и построения математической модели ошибок, не были опубликованы аналитические выражения, устанавливающие функциональные связи параметров модели с реальными характеристиками СВЧ узлов измерительной схемы, что оставило открытым вопрос об адекватности модели. Не были рассмотрены модификации моделей, обусловленные многообразием схем рефлектометрических блоков измерителей S-параметров. Не выполнен строгий расчет предельной точности трактовых измерений при использовании различных наборов калибровочных устройств, не приведена оценка влияния технических параметров агрегатируемых в измерительную систему блоков на ее погрешности. Следует особо подчеркнуть, что комбинированные системы для трактовых и антенных измерений на мировых рынках не рекламируются.
Таким образом, просматривается круг незавершенных актуальных задач, охватывающих методологические и метрологические аспекты всех видов векторных измерений на СВЧ, что сдерживает развитие этого направления в радиоизмерительной технике. Это обстоятельство в свою очередь затрудняло метрологическую аттестацию устройств СВЧ, а также РИА групп ФК2, Р2, Р4, П6, ПК7, усложняло отработку изделий на минимум отражательной способности. Необходимость решения этих актуальных проблем радиоизмерительной отрасли отмечалась в Постановлении ВПК при СМ СССР (№> 289 от 18.10.90г.), приказах Министерства промышленности средств связи СССР (№ 291 от 20.06.80 г.) и Министерства связи СССР (№ 137 от 16.11.90 г.).
Целесообразность решения одним универсальным измерительным прибором метрологических задач в экранированном тракте и открытом пространстве потребовала теоретического обобщения наработанного научного
11 материала и решения крупной народнохозяйственной проблемы: создание теоретической и методологической базы метрологически достоверного, технически эффективного исследования элементов трактов передач СВЧ, внешних параметров антенн, характеристик рассеяния радиолокационных объектов и реализации ее в виде радиоизмерительной аппаратуры нового поколения — автоматических анализаторов цепей с расширенными функциональными возможностями. Комплексный характер решаемой проблемы определяется необходимостью охватить все виды векторных измерений на СВЧ и все основные факторы, ограничивающие их точность, объединить и найти общие методы аппаратурного исследования объектов в экранированном тракте и открытом пространстве.
Этим продиктована постановка целого ряда работ по созданию теоретической и методологической базы аппаратурного исследования линейных цепей СВЧ и объектов в открытом пространстве в Горьковском научно-исследовательском приборостроительном институте в 1972-1991 годах, а затем в Технологическом университете Подолья в 1992-1996 годах и Нижегородском государственном техническом университете в 1997-2003 годах. Эти работы послужили теоретической основой создания двух поколений автоматических анализаторов цепей СВЧ и ряда универсальных систем по заказам МПСС, МЭП и MOM СССР в диапазоне частот от 100 МГц до 18 ГГц.
Целью диссертационной работы является разработка методов математического описания и моделирования высокоточных измерений комплексных параметров элементов трактов передачи, развитие наиболее эффективных из них для повышения точности векторных измерений в открытом пространстве и внедрение теоретических результатов исследований в практику радиоизмерительной отрасли.
Научная новизна заключается в разработке и обобщении теоретических и методологических основ высокоточных измерений S-параметров элементов трактов передач и создании на этой базе универсальных методов аппаратурного исследования линейных цепей СВЧ, компактных антенн и ра-
диолокационных объектов прибором нового поколения - автоматическим анализатором цепей с расширенными функциональными возможностями. В диссертационной работе:
- проведено теоретическое обоснование известной модели ошибок
трактовых измерений путем математического моделирования анализатора
цепей общего применения с учетом неидеальности параметров всех СВЧ-
узлов измерительной схемы АЦ: и пассивных (направленных ответвителей) и
сложных активных (ГКЧ и преобразователя частоты); что позволило наибо
лее объективно оценить предельные возможностям алгоритмического метода
повышения точности и определить допустимые границы снижения требова
ний к техническим характеристикам СВЧ-узлов схемы ААЦ при сохранении
высокой точности измерений;
получены новые СЛАУ алгоритмов калибровки ААЦ и коррекции искажений S-параметров исследуемой цепи, отличающиеся тем, что они разработаны с учетом особенностей подключения в измерительный тракт калибровочных устройств, оснащенных полярными разъемами типов III и IX ГОСТ 13317-90;
проведен анализ метрологических характеристик АЦ общего применения и ААЦ со «встроенным интеллектом», в результате которого получены формулы расчета систематических погрешностей в виде уравнений для комплексных, скалярных и фазовых составляющих, отражающие аналитическую связь отдельных компонентов погрешности с реальными характеристиками СВЧ-узлов анализатора, что позволяет пользователю объективно оценивать точность измерения S-параметров в конкретных условиях эксперимента;
-разработаны математические модели и на их основе математический аппарат алгоритмических методов коррекции искажений при измерении с помощью ААЦ характеристик рассеяния РЛО в условиях недостаточной без-эховости полигона;
-предложен новый метод измерения ККО удаленных объектов и на его основе разработан математический аппарат коррекции входных характери-
стик антенны как вынесенного объекта измерения, обеспечивший десятикратный выигрыш в точности;
-разработан метод измерения поляризационных характеристик излучаемого антенной поля на основе вырабатываемых в схеме ААЦ квадратурных компонент информативного сигнала, получены формулы для расчета коэффициента эллиптичности, угла наклона большой оси эллипса и определения направления вращения вектора электрического поля.
Методы исследования базируются на теории математического моделирования метрологических задач с использованием математического аппарата волновых матриц и направленных графов, информационной теории радиоизмерений и теории функций комплексного переменного, преобразования Фурье и спектрального анализа.
Краткое содержание работы. Диссертация состоит из пяти глав, введения и заключения.
В первой главе рассматривается одна из составных частей решаемой в диссертации научно-технической проблемы, определяющая направления развития теории и методов трактовых измерений высокой точности - разработка и развитие высокоэффективных алгоритмических методов обработки первичной измерительной информации, обобщенных на все виды исследуемых линейных цепей с произвольными характеристиками. Главное внимание уделяется строгому научному обоснованию известной модели ошибок трактовых измерений путем математического моделирования анализатора цепей общего применения, по результатам которого синтезируются рабочие модели погрешностей измерения S-параметров двухполюсников и четырехполюсников СВЧ а также разрабатываются алгоритмы коррекции экспериментальных результатов, выведенные для типовых структурных схем блоков рефлектро-метров анализатора цепей.
Значительное место в главе уделяется исследованию сходимости полученных алгоритмов, инвариантных к характеристикам исследуемых объек-
тов, и разработке упрощенных алгоритмов коррекции, адаптированных к типовым изделиям техники СВЧ. Показывается, что за счет использования априорных данных о параметрах измеряемого устройства удается обеспечить реальный масштаб времени измерения при сохранении высокой точности результата.
Во второй главе разрабатываются методы определения параметров построенных моделей с целью выявления составляющих систематической погрешности измерения S-параметров для последующего учета при коррекции результата эксперимента. Методы базируются на использовании для калибровки АЦ оптимальных комплектов образцовых СВЧ узлов, представляющих собой двухполюсники и четырехполюсники с эталонированными параметрами. Показывается, что методы, основанные на применении комбинированного комплекта мер отражения и передачи, имеют преимущество по метрологическим параметрам и улучшают технологичность ААЦ в целом за счет сокращения номенклатуры дорогих калибровочных элементов, а метод, основанный на преобразовании результатов частотных измерений во временную область позволяет сократить количество эталонов до минимума - двух ко-роткозамкнутых нагрузок штыревой и гнездовой конструкции соответственно. Все разработанные алгоритмы и образцовые меры к ним опробованы и реализованы автором при создании анализаторов цепей первого и второго поколений для трактовых измерений высокой точности в диапазоне частот 0,118 ГГц.
В третьей главе ставится и решается задача метрологического обеспечения автоматических анализаторов цепей> которой завершается разработка основополагающих принципов теории трактовых измерений высокой точности. На базе построенных моделей проводится анализ погрешностей измерения S-параметров анализатором цепей общего применения и агрегатиро-ванного с компьютером в АИС, получена форма записи погрешностей измерения ККО и ККП, согласованная с Госстандартом СССР. Разрабатывается методика первичной и периодической поверок АИС, в основу которой поло-
жен косвенный метод определения погрешностей, аргументируется выбор и анализ средств поверки метрологических характеристик с учетом полноты поверяемых параметров и технологичности применяемых образцовых устройств.
В этой же главе разрабатываются методы аттестации средств поверки и анализируется достоверность результатов метрологической аттестации ААЦ рассмотренными методами. Исследуются предельные возможности развитого алгоритмического метода по учету и устранению влияния составляющих погрешности путем анализа инструментальных и методических ошибок определения вклада мешающих факторов. Показано, что в результате осуществления алгоритмических преобразований данных первичных измерений на этапе калибровки ААЦ эквивалентные параметры СВЧ узлов схемы, лимитирующие точность измерения, улучшаются в несколько раз.
В четвертой главе проводятся исследования, направленные на развитие и продвижение наиболее эффективных методов теории высокоточных трактовых измерений в практику векторных измерений в открытом пространстве для автоматизации и повышения точности аппаратурного исследования антенн и радиолокационных объектов. Для решения вопроса о возможности применения ААЦ в антенной технике проводится расчет энергетического потенциала радиоизмерительного комплекса полигона при измерениях в дальней зоне и указываются пути технического обеспечения сформулированных энергетических требований.
Разрабатываются новые алгоритмические методы нейтрализации пространственных помех полигона при измерении комплексных диаграмм рассеяния РЛО, объемных комплексных диаграмм направленности (КДН) компактных антенн, а также поляризационных характеристик излучаемого антенной поля. Решается задача точного измерения параметров матрицы рассеяния удаленных объектов, в том числе входных характеристик антенны как вынесенного объекта измерения.
Показывается, что при коррекции искажений КДН антенн большей эффективностью обладает разработанный алгоритмический метод коррекции ошибок, основанный на преобразовании результатов частотных измерений во временную область, новизна которого состоит в применении гауссова радиоимпульса в качестве гипотетического сигнала, зондирующего антенну, снявшего проблему борьбы с паразитными колебаниями временной функции отклика антенны, обусловленными эффектом Гиббса. Разрабатывается математический аппарат метода частотно-временной коррекции искажений объемной КДН, измеренной с помощью ААЦ, методом вышки в условиях недостаточной безэховости.
Большое внимание в этой главе уделяется построению моделей ошибок измерения характеристик рассеяния РЛО и разработке математического аппарата алгоритмического метода коррекции результатов измерений ЭПР и ДР в условиях недостаточной безэховости полигона. Разработанный метод векторного вычитания эффектов полигона позволяет нейтрализовать влияние переотражений сигнала от внутренних поверхностей полигона и ослабить паразитную связь между облучателями коллиматора. Эффект от реализации метода дал десятикратное снижение основной погрешности измерения при увеличении на 20дб чувствительности радиоизмерительного комплекса.
В пятой главе рассматриваются технические вопросы создания автоматизированных высокоточных систем I и II поколений для комбинированных измерений в коаксиальном волноводе и открытом пространстве. Разрабатывается концепция построения АИС и решаются вопросы программного взаимодействия секций системы с внешним компьютером и между собой, исследуются вопросы реализации наработанных методов точного измерения S-параметров цепей и характеристик рассеяния РЛО в программных средствах микропроцессорных систем ААЦ и сопряженного с ним компьютера.
Значительное место в главе отводится исследованию адекватности разработанных математических моделей и корректности полученных алгоритмов учета главных ошибок трактовых измерений. В завершении главы про-
водится сравнение технических характеристик разработанных автором комбинированных измерительных систем с отечественными и зарубежными приборами для антенных и трактовых измерений.
На защиту выносятся:
теоретическое обоснование известной модели ошибок трактовых измерений путем математического моделирования анализатора цепей общего применения с учетом параметров всех элементов СВЧ его измерительной схемы, что позволило получить наиболее объективную оценку предельным возможностям алгоритмического метода повышения точности и определить допустимые границы снижения требований к техническим характеристикам СВЧ-узлов схемы ААЦ при сохранении высокой точности измерений;
новые системы линейных алгебраических уравнений, составляющие в совокупности алгоритмы калибровки ААЦ и коррекции искажений S-na-раметров исследуемых объектов, отличающиеся тем, что они разработаны с учетом особенностей включения в измерительный тракт устройств, снабженных коаксиальными полярными соединителями;
результаты анализа метрологических характеристик АЦ общего применения и ААЦ со «встроенным интеллектом», отличающиеся тем, что выражения систематических погрешностей в виде уравнений для комплексных, скалярных и фазовых составляющих получены с учетом предложенных способов калибровки ААЦ и параметров разработанных эталонных устройств;
новые принципы метрологического обеспечения ААЦ, состоящие в сочетании методов сличения и самоповерки, позволившие в условиях практического совпадения его метрологических характеристик с параметрами контрольно-измерительной аппаратура резко повысить технико-экономическую эффективность аттестации ААЦ за счет автоматизации и удешевления периодической поверки на месте эксплуатации;
- разработанные математические модели и на их основе математиче
ский аппарат алгоритмических методов коррекции искажений при измерении
характеристик рассеяния РЛО в условиях недостаточной безэховости полигона;
- новый метод измерения ККО удаленных объектов и на его основе раз
работанный математический аппарат коррекции входных характеристик
антенны как вынесенного объекта измерения, обеспечивший десятикратный
выигрыш в точности;
-разработанный метод измерения поляризационных характеристик излучаемого антенной поля на основе вырабатываемых в схеме ААЦ квадратурных компонент информативного сигнала, полученные формулы для расчета коэффициента эллиптичности, угла наклона большой оси эллипса и определения направления вращения вектора электрического поля.
Обоснованность и достоверность полученных результатов и следующих из них выводов и рекомендаций обеспечены:
- применением теоретически обоснованного математического аппарата топологических методов анализа линейных цепей СВЧ и преобразования топологических схем с использованием правила Мэзона для свертывания сложных направленных графов многополюсников;
положительными итогами проверки адекватности построенных математических моделей и исследования сходимости метода итераций, которым решаются некоторые из полученных алгоритмов коррекции результатов измерений;
совпадением теоретических результатов с экспериментальными;
разработкой и внедрением в промышленность образцов ААЦ, метрологические характеристики которых соответствуют лучшим зарубежным моделям микроволновых анализаторов цепей.
Практическая значимость диссертации состоит в разработке и внедрении основ проектирования анализаторов цепей высокой точности с расширенными функциональными возможностями, способных с высокой эффективностью выполнять все виды векторных измерений в коаксиальном волноводе и открытом пространстве. В результате диссертационной работы
создана теоретическая база построения универсальных моделей ААЦ и АИС, включающая:
-разработку и внедрение в промышленность концепции построения комбинированных высокоточных систем для антенных и трактовых измерений;
-разработку, исследование и реализацию в промышленных образцах принципов метрологического обеспечения панорамных измерителей S-параметров высокой точности, на базе которых составлена и утверждена в Госстандарте СССР методика первичной и периодической поверок ААЦ с использованием спроектированных и изготовленных комплектов образцовых мер полного сопротивления и комплексной передачи;
-разработку математического обеспечения ААЦ и пакеты программ для решения типовых измерительных задач в коаксиальном волноводе сечением 7/3.04 мм и 3.5/1.52 мм.
Полученные в процессе работы результаты обеспечили не менее, чем пятикратный выигрыш в точности основных видов векторных измерений, расширили их динамический диапазон до 80-100 дБ. Научно обоснованные технические решения используются в радиоизмерительной отрасли при разработке микропроцессорных анализаторов цепей СВЧ, а также при измерении и аттестации антенн космических аппаратов.
Реализация и внедрение результатов работы. Основные результаты теоретических и экспериментальных исследований диссертационной работы при непосредственном участии автора внедрены в рабочие эталоны и образцовые установки, промышленные и лабораторные приборы, нашли применение в учебном процессе. Главные научно-технические результаты диссертации получены автором в ходе выполнения под его руководством ряда НИ-ОКР, поставленных в ГНИПИ, и отражены в 9 научно-технических отчетах,
-ГО
утвержденных руководителями организаций 6 ГУ МГТСС, МЭП, MOM
СССР и представителями Генерального Заказчика. Внедрение результатов диссертационной работы подтверждено соответствующими актами.
Разработанные методы калибровки ААЦ и коррекции результатов измерений внедрены в программных средствах созданного под руководством автора первого отечественного ААЦ типа РК4-17 и спроектированных на его базе автоматизированных измерительных систем «Измеритель комплексных коэффициентов передач автоматический 0.11- 18 GHz» («Ресурс»), «Измеритель параметров цепей и транзисторов 0.11-12.4 GHz « («Разбег А»), а также ААЦ 2-го поколения со встроенными микропроцессорными системами РК4-55. Концепция построения комбинированных АИС для трактовых и антенных измерений внедрена при разработке и создании универсальных систем «Измеритель комплексных коэффициентов передач автоматический 0.6 —12.4 GHz» («Ректор»), «Измеритель амплитудно-фазовых параметров антенн и цепей СВЧ» («Ректорі»), «Измеритель характеристик рассеяния радиолокационных объектов» («Факир»), выполненных под руководством автора по заказам MOM для предприятий ГКБ «Южное» г. Днепропетровск и НПО Машиностроения г. Реутов.
В результате выполнения НИОКР «Разработка, изготовление и поставка аппаратуры для измерения амплитудно-фазовьгх и поляризационных параметров с улучшенными техническими характеристиками» («Ректор» и «Ректорі») создана не имеющая аналогов (зафиксировано в Акте приемки темы Госкомиссией, утвержденном Начальником ГТУ Минсвязи СССР и согласованном Представителем Генерального Заказчика) АИС для антенных и трактовых измерений, а ГКБ «Южное» оснащено современной высокопроизводительной аппаратурой для измерения параметров антенн, поляризационных характеристик излучаемого антенной поля и S-параметров цепей СВЧ. За время эффективной эксплуатации аппаратуры проведены измерения и отработка параметров бортовых антенн целого ряда космических аппаратов и ракет-носителей («Аркад», «Апекс», «Зенит-SL», «Циклон», «Січ 1», «Січ 2», «Микроспутник», «Днепр 1»).
АИС «Автоматизированная установка для поверки и аттестации двухполюсников СВЧ» («Рельеф», научный руководитель Андреев И.Л.) приме-
нялась в ГНИЛИ для поверки и аттестации эталонных устройств СВЧ, в период эксплуатации способствовала решению вопросов метрологического обеспечения разрабатываемых измерительных приборов групп ФК2, РК4,
ДК1.
Оригинальные проектные решения блоков ААЦ, выполняющих интерфейсную и управляющую функцию в системе, а также обеспечивающих необходимый энергетический потенциал антенных измерений, заложили основы концепции построения комбинированных анализаторов цепей и антенн СВЧ. Способ калибровки ИБО и устройства для векторных измерений на промежуточной частоте, защищены шестью авторскими свидетельствами СССР.
Апробация результатов работы. По основным положениям и результатам диссертационной работы сделано 24 доклада на международных, всесоюзных и республиканских конференциях и симпозиумах, в том числе:
-на Всесоюзной конференции «Системы автоматизации научных исследований» (Рига, 1973);
-на VI, VII и XI научно-технических конференциях «Радиоизмерения» (Каунас, 1975, 1978, 1988);
-на Всесоюзных симпозиумах «Измерения параметров цепей и разности фаз сигналов» и «Проблемы радиоизмерительной техники» (Горький, 1975, 1989);
-на научно-технической конференции «Приемные модули СВЧ устройств» (Ленинград, 1988);
-на 2-й и 5-й Крымских конференциях «СВЧ техника и спутниковые телекоммуникационные технологии» (Севастополь, 1992, 1995);
-на VII научно-технической конференции «Метрология в радиоэлектронике» (Москва, 1988);
-на 1, II и III научно-технических конференциях стран СНГ "Измерительная и вычислительная техника в технологических процессах и конверсии производства» (Хмельницкий, Украина, 1992, 1993, 1995);
-на I Украинской научно-технической конференции «Метрология в электронике» (Харьков, Украина, 1994);
-на республиканской научно — практической конференции «Технологический университет в системе реформирования образовательной и научной деятельности Подольского региона» (Хмельницкий, Украина, 1995);
-на республиканской научно-технической конференции «Физика и технические приложения волновых процессов» (Самара, 2001);
-на Всероссийской научно-технической конференции, посвященной 65-летию ФИСТ НГТУ (Н. Новгород, 2001);
-на Всероссийской научно-технической конференции «Информационные системы и технологии» (Н. Новгород, НГТУ, 2002);
-на Всероссийской научно-технической конференции «Информационные системы и технологии» (Н, Новгород, НГТУ, 2003);
-на международной конференции «Физика и технические приложения волновых процессов» (Самара, 2003);
-на Всероссийской научно-технической конференции «Физика и технические приложения волновых процессов» (Волгоград, 2004).
По результатам диссертационной работы выпущено 9 научно-технических отчетов по НИР, имеется 47 научных публикаций, получено 6 авторских свидетельств на изобретения.
Моделирование анализатора цепей СВЧ
Как отмечено выше главные систематические погрешности трактовых измерений обусловлены, в основном, неидеальными техническими параметрами элементов СВЧ-части схемы анализаторов цепей, а источники ошибок, локализованные в тракте промежуточной частоты и индикаторе, оказывают существенно меньшее влияние на общую погрешность, поскольку измерительные устройства промежуточной частоты обладают высокими техническими параметрами, а совершенствование их схемотехники [71-76] приносит быстрые и малозатратные результаты.
С целью установления закономерностей влияния параметров устройств СВЧ схемы на точность измерений проведем строгое обоснование происхождения известной модели ошибок путем математического моделирования АЦ в двух рабочих режимах, продвигаясь от простого к сложному: отдельно в режиме измерения двухполюсников и отдельно - четырехполюсников. Целью моделирования является строгое поэтапное построение математических моделей ошибок измерения параметров отражения и полной матрицы рассеяния соответственно, без учета одинакового для этих режимов вклада составляющих погрешностей, обусловленных характеристиками устройств тракта ПЧ и индикатора.
Типовую схему АЦ (рис.1 Л) в режиме измерения ККО двухполюсников можно представить эквивалентной схемой (рис. 1.2), на которой источник зондирующего сигнала изображен в виде генератора со стабильным по уровню напряжением Е и согласованным с волновым сопротивлением тракта выходным сопротивлением, а также каскадного четырехполюсника, параметры которого характеризуют рассогласование в тракте включения исследуемого объекта и непостоянство уровня выходного сигнала при качании его частоты. Возможные схемы блока рефлектометров рассмотрены в [66], принципиальные отличия которых сводятся к двум вариантам исполнения - зондирование объекта через первичный канал НО или через вторичный. Другие особенности не столь существенны.
Пусть объект включен в первичный канал НО, тогда рефлектометриче-ская схема будет представлена восьмиполюсником, в котором между сечениями 2-2 и 5-5 располагается первичный канал встречно включенных направленных ответвлений HOI и Н02, в сечениях 3-3 и 4-4 выделяются падающая и отраженная волны соответственно. Измеритель разности фаз и отношения уровней представлен идеальным измерителем векторного отношения (ИБО) измерительного и опорного сигналов в сечении 6-7 и шестипо-люсником, параметры которого характеризуют амплитудно-фазовую нерав номерность преобразования измерительного и опорного сигналов в двухка-нальном переносчике частоты при работе в полосе частот, а также рассогласование на его входах и паразитную связь между каналами. Таким образом, на схеме рис. 1.2 выделены "идеальный" измеритель и "идеальный" источник испытательного сигнала для того, чтобы факторы, определяющие погрешности измерителя, отнести к отдельным 2п-полюсникам.
Поскольку каждый многополюсник схемы рис. 1.2 линеен (комплексные амплитуды входных и выходных волн напряжения в одномодовом режиме связаны линейной зависимостью), то любой из них может быть охарактеризован параметрами матрицы рассеяния. Систему независимых линейных уравнений, связывающих падающие и отраженные волны напряжений через S-параметры 2п-полюсников, удобно изобразить ориентированным графом, т.е. эквивалентной схеме измерителя (рис. 1.2) сопоставить топологическую в виде направленного графа рис. 1.3. Ветви построенного графа имеют следующий физический смысл.
Контуры в сечениях 2-2 и 5-5, а также 3-3 и 4-4 отображают рассогласование в первичных и вторичных трактах рефлектометрической схемы соответственно (S55 - измеряемый ККО двухполюсника). Ветви: S3 г и S23; S45 и Sj4 - переходное ослабление HOI и H02 соответственно; S42 и S35 - направленность, включая переходное ослабление, измерительного ответвителя Н02 и ответвителя HOI падающей волны; S73 и Эб4 - паразитная связь между каналами в преобразователе частоты; S63 и S74 — коэффициенты преобразования в опорном и измерительном каналах преобразователя;S52 и S25 — потери мощности сигнала в первичных трактах HOI и Н02; S21 — отображает непостоянство уровня зондирующего сигнала в диапазоне частот.
Погрешности рефлектометров неоднократно рассматривались с применением аппарата направленных графов [66,77,78], однако характеристики преобразователя частоты и схемы отношений, а также ИЗС никогда не включались в топологическую схему. Сложные графы функциональных схем приборов для измерения комплексных параметров смесителя в его рабочем режиме, содержащие штатные и нештатные пути прохождения сигналов, послужили основой оригинальных технических решений [79,80], однако эти графы составлены для измерительного фазового моста с двухчастотным зондированием объекта измерения, которое не применяется в панорамных трактовых измерениях.
Новизна исходного графа (рис. 1.3) состоит в том, что наряду с пассивными устройствами рефлектометрической схемы он представляет параметры сложных активных блоков - генератора качающейся частоты и двухканаль-ного преобразователя частоты, т.е. отображает все характеристики высокочастотных узлов АЦ, которые определяют его метрологические параметры. Это позволит в дальнейшем оценить влияние технических параметров схемы отношений и развязки каналов преобразователя на предельные возможности алгоритмического метода по учету главных систематических погрешностей анализатора цепей.
Исходный граф дает наглядное представление о функциональной связи между показанием р = —— «идеального» ИВ О и ККО измеряемого двухпо люсника S55. Трудоемкое решение системы уравнений, записанных для падающих и рассеянных волн напряжений, можно заменить более эффектив ным методом - нахождением передач графа t7] = —- и t61 = —- из независи Е Е мого узла Е (сигнал "идеального" источника) к узлам 7 (UR) И 6 (Us), изображающими измерительный и опорный сигналы на входах "идеального" измерителя отношений. Тогда искомое показание р равно отношению . Передача графа tei вычисляется по формуле Мэзона [81]
Калибровка ААЦ по трем высокодобротным нагрузкам
Рассмотренные методы определения одного из параметров модели -комплексного коэффициента Сі реализуются с помощью сложных в технологическом отношении и дорогих устройств — согласованных нагрузок с переменной электрической длиной. Рассмотрим возможности использования более технологичных нагрузок "короткого замыкания", которые могут обеспечить определение всех параметров четырехполюсника ошибок, если выполнять их с различной электрической длиной. Калибровочный комплект из трех короткозамкнутых нагрузок только на одном типе соединителя рассмотрен в [66]. Для измерения четырехполюсников входные разъемы блока рефлектометров должны быть разнополярными , поэтому нами разработан универсальный математический аппарат метода, способный работать с любым видом соединителей - и «вилка» и «розетка» [130].
Пусть измерительный разъем, к которому подключается исследуемый двухполюсник, - розетка (тип III по ГОСТ 13317-89), тогда короткозамкну-тые штыревые нагрузки на этом типе соединителя могут обеспечивать режим "КЗ" как в плоскости выходного гнездового соединителя, так и на фиксированном расстоянии от нее. Располагая нагрузкой "КЗ" в плоскости соединения с розеткой (электрическая длина нагрузки С = 0), а также двумя коротко-замкнутыми нагрузками с электрическими длинами 2 Сі и 2С2 можно решить задачу определения трех параметров четырехполюсника ошибок, поочередно измеряя указанные нагрузки: l + C3e"J Tl Уравнения (2.11) получены путем подстановки в (1.8) комплексных коэффициентов отражения короткозамкнутых нагрузок комплекта:
Фазовый набег о = шт — к — ш2С/с, обусловленный прохождением волны в нагрузке до плоскости короткого замыкания и обратно, поворачивает фазу ККО по часовой стрелке от значения ±180 .
Решением системы (2.11) являются формулы для расчета параметров Если измерительный разъем рефлектометра - вилка, то для определения параметров модели необходимо использовать гнездовые нагрузки " короткого замыкания". Конструкция гнездового соединителя не позволяет реализовать режим "КЗ" в плоскости соединения с вилкой [92], поэтому калибровку рефлектометра рассматриваемым методом можно осуществить с помощью трех короткозамыкателеи с электрическими длинами 2С«, 2С] и 2С2, где С - геометрическая длина регулярного короткозамкнутого коаксиального волновода нагрузки. Результаты измерения нагрузок, выполненных на гнездовых соединителях, образуют систему исходных уравнений: которой относительно Сь С2 и С3 имеет вид:
Системы уравнений (2.12) и (2.14) позволяют вычислить параметры условного четырехполюсника ошибок, приписываемого гнездовому и штыревому измерительному разъему соответственно. При калибровке рефлекто-метрической схемы АЛЦ, оканчивающейся штыревым соединением, расчет о0 зависит от сечения канала, в котором выполняется нагрузка.
В НИР "Ресурс" [17] спроектированы короткозамкнутые нагрузки на соединителях типа III (7/3.04 мм) и типа IX (3.5/1.52 мм). Разбивка диапазона частот и соответствующие длины нагрузок с рассчитанным значением угла наклона ФЧХ комплексного коэффициента отражения приведены в таблице 2.2, из которой видно, что на соединителях типа "розетка" минимальное расстояние до плоскости короткого замыкания нагрузок составляет в малогабаритном канале 4 мм (с0 = 22.958238 10"5 F), где F - текущее значение частоты (кГц).
Доминирующей погрешностью определения параметров Сь С2 и Сз рассмотренным методом трех нагрузок "короткого замыкания" является ошибка воспроизведения ими эталонного значения комплексного коэффициента отражения: ГИ( =1, а также расчетного значения фазы ККО.
Методы аттестации короткозамкнутых нагрузок рассматриваются в п. 3.3.3, где приводятся экспериментальные данные измеренных по разработанной методике ККО короткозамкнутых нагрузок. Максимальная абсолютная погрешность воспроизведения модуля ККО составила ДГКЗ 0.0041 в канале 7/3 мм и А1ГКЗ 0.0067 в канале 3.5/1.5 мм. Погрешность расчетного значения фазы коэффициента отражения нагрузок обеспечена точностью изготовления длины регулярной линии, которая выдерживается с допуском ± 0.01 мм, что приводит к неопределенности фазы ККО, например, нагрузки С = 25 мм на частоте 18 ГГц не более Д(р0 ± 1.3.
Проанализируем влияние погрешностей короткозамкнутых нагрузок на точность определения параметров модели.
В п.2.1 отмечалось, что при измерении согласованных устройств доминирующей погрешностью является недостаточная направленность рефлектометра, представленная в модели параметром Сі. Следовательно, минимальное значение измеряемого коэффициента отражения определяется погрешностью измерения координат вектора С). Оценим порядок этой погрешности ДСЬ предположив для упрощения Сз = 0.
Поскольку модули ККО короткозамкнутых нагрузок по технологическим причинам меньше Vro исходные уравнения для расчета С! примут вид: решением их относительно С) будет выражение где: С{0) -значение параметра, найденного с учетом погрешностей нагрузок короткого замыкания; Дуі и Дуг — абсолютные погрешности воспроизведения модуля ККО=1. Погрешность определения ДСі можно представить как разность ДСі = Сі - С] 0\ где С) вычислен в предположении идеальности нагрузок. В результате расчетов получим:
Так как показательные функции представляют окружности единичного О о радиуса в пределах изменения аргумента от 0 до ±180 , то последнюю формулу можно представить в следующем виде: где учтена погрешность результатов измерений Др0 и Дрь обусловленных неточностью работы "идеального" измерителя векторных отношений на промежуточной частоте. Раскрыв скобки, получим оценку по максимуму: показывает, что погрешность определения модуля Сі в основном лимитируется суммой абсолютных погрешностей используемых нагрузок. В канале 7/3.04 мм величина погрешности Д]С 0.008-Ю.01, а в малогабаритном канале ДСі 0.014, следовательно, минимальные значения КСВ, которые могут измеряться прибором, прокалиброванным рассматриваемым методом трех высокодобротных нагрузок, составят KCBmitl 1.02- 1.03.
Учет рассогласования (С3) может только увеличить погрешность ДС( на величину (pi - р0 ДСз Ду]Ду2. Таким образом, в наиболее интересном случае — измерении малых рассогласований метод трех короткозамкнутых нагрузок характеризуется значительно большей погрешностью по сравнению с методом согласованной нагрузки: ДСі 0.014 и ДСі 0.003 соответственно.
Параметры зондирующего сигнала существенно влияют на погрешности определения параметров СГС3 модели ошибок измерения двухполюсников рассмотренным методом. Стабильность частоты широкополосного ГКЧ на основе ЖИГ-головки сантиметрового диапазона не удается по разным причинам сделать лучше 10"4, при этом нелинейность перестройки составляет (Н2)%, Вследствие этого погрешность установки частоты ГКЧ в режиме кодового управления (1024 частотные точки) не лучше 0.25% [22,132,133]. Эти факторы вызывают фазовую ошибку при калибровке по ко-роткозамкнутой нагрузке с длиной С: где: 2С - путь, пройденный ТЕМ волной в нагрузке со скоростью С, AF - абсолютная погрешность установки частоты ГКЧ. Расчетная фазовая ошибка из-за нестабильности частоты для нагрузки, например, С=7.5 мм на частоте 18 ГГц составляет примерно 0.8 , что фактически удвоит абсолютную погрешность определения направленности: ДС] 0.028. поэтому рассмотренный метод рекомендуется использовать в комплекте с любым алгоритмом коррекции только при стабилизированном по частоте источнике сигнала [58] или имея в составе ААЦ ГКЧ с параметрами синтезатора СВЧ [19,65,97] при измерении недостаточно согласованных объектов.
Отмеченные выше недостатки могут быть уменьшены, если для определения параметров модели применить метод, основанный на калибровке ААЦ противофазными рассогласованными нагрузками [17,18], а направленность измерять при помощи согласованной нагрузки. Вполне очевидным вариантом исполнения противофазных нагрузок является пара: вы
Анализ методических погрешностей ААЦ при неполном учете влияющих факторов
Учет всех (Сі -=- Со) основных факторов, влияющих на погрешности трактовых измерений, обеспечивает наиболее высокую точность измерения (3.7) -5- (3.10), при этом используется не менее трех типов калибровочных элементов. Поскольку изготовление эталонов связано с немалыми технологическими трудностями и ведет к удорожанию ААЦ, практический интерес представляет анализ погрешностей агрегатированных АЦ при калибровке комплектами с минимальной номенклатурой образцовых мер.
Известно, что панорамный анализатор цепей общего применения для калибровки и проверки своих метрологических характеристик комплектуется набором аттенюаторов, калиброванных рассогласованных и согласованных нагрузок. С помощью такого ассортимента калибровочных узлов всегда имеется возможность учесть паразитную связь между каналами АЦ: к устройствам подключения объекта присоединить либо две согласованных нагрузки, либо два аттенюатора ослаблением 20 дБ и определить вектор С5. режим "холостого хода" для калибровки прибора легко обеспечивается использованием предельного круглого волновода диаметром 7 мм или 3.5 мм, выполненного без специальных требований к точности механического изготовления. Типовую короткозамкнутую нагрузку используем для фиксации плоскости калибровки и эталонирования модуля ККО.
Таким образом, возможный минимальный набор образцовых мер состоит из нагрузок "холостого хода" и " короткого замыкания". Рассмотрим метрологические характеристики ААЦ при калибровке этим комплектом.
Данным комплектом можно определить частотнозависимую неиден тичность каналов АЦ (параметры Сг и Сд), рассогласование в измерительном тракте (параметры С3 и С6), а при наличие аттенюаторов и паразитную связь каналов (параметр С5). Алгоритм калибровки включает следующие уравне ния: где: рК1 и рїх — результаты измерения нагрузок "короткого замыкания" и "холостого хода" соответственно; Kjj - результат измерения ККП перемычки между разъемами «А» и «Б» блока рефлектометров, ify, Qij - результат измерения ККП при определении С5, i/j; рн -результат измерения ККО при определении С6; оо и Стхх — фазовые набеги гнездовых нагрузок "КЗ" и "XX" соответственно. Рассматриваемый метод не обеспечивает определения направленности рефлектометров, поэтому систематические погрешности измерения S-napa-метров аппроксимируются выражениями (3.15), полученными из (3.7) +-(3,10) с полным учетом вектора С]:
Параметры исследуемого объекта при калибровке АЦ рассмотренным методом целесообразно рассчитывать в соответствии с одним из адаптированных, например, (1.20), алгоритмов, полагая С = 0;
Соотношения (2.13) показывают, что погрешности определения параметров Сг и Сз в основном обусловлены характеристиками используемых для этого калибровочных элементов - нагрузок "короткого замыкания" и "холостого хода". Данные таблицы 2.5 подтверждают корректность применения нагрузок "XX" для калибровки АЦ. В таблицу 3.1 внесены результаты измерения на РК4-17 типовой короткозамкнутой нагрузки, которой комплектуются панорамные приборы подгрупп Р2 и Р4. Данные таблицы 3.1 показывают, что погрешность модуля ККО находится в пределах десятых долей процента, а неточность фиксации плоскости 131 калибровки (без систематической составляющей, вызванной отклонением присоединительного размера соединителя типа "вилка") составляет менее 4. Погрешности измерения S-параметров цепей, расчитанные по формулам (3.15) с учетом результатов измерений нагрузок (таблица 2.5 и таблица 3.1), проиллюстрированы графиками рис. 3.1 и рис.3.2, кривые "З". В расчетах взяты характеристики АЦ общего применения (п. 3.1). Графики показывают, что калибровка минимальным по составу комплектом образцовых мер - нагрузок "КЗ" и "XX" с учетом паразитной связи между каналами обеспечивает не менее чем трехкратное снижение погрешностей по сравнению с прибором, откалиброванным в одной частотной точке (п. 3.1).
Недостаток метода калибровки АЦ, рассмотренного в п. 3.2.1, - невысокая точность измерения согласованных четырехполюсников — устраняется применением согласованной нагрузки, которая вместе с нагрузкой "XX" обеспечивает учет таких факторов, как недостаточная направленность рефлектометров и амплитудно-фазовая не идентичность каналов АЦ в диапазоне частот. Об измерении паразитной связи каналов справедливы рекомендации п. 3.2.1.
Параметры модели ошибок измерения S-параметров цепей определяются из соотношений (3.17): где: рС1[ и рхх - результаты измерения согласованной нагрузки и нагрузки "XX"; Kg и Qjj — результаты измерения ККП при соединенных накоротко и разомкнутых разъемах «А» и «Б» блока рефлектометров соответственно. Параметры исследуемой цепи при таком методе калибровки вычисляются по формулам:
Погрешности измерения ККО с учетом калибровки этим методом могут быть аппроксимированы выражениями На частотах свыше 2 ГГц вместо нагрузки "холостого хода" целесообразно использовать короткозамкнутую нагрузку, поскольку упрощается расчет фазы плоскости калибровки, при этом Сг вычисляется так: Сг= - Ркз-Сь кроме того, на этом участке частотного диапазона резистивную согласованную нагрузку лучше заменить на подвижную и вычислять Ct по (2.3) или (2.5). Расчет параметров передачи по формулам (3.18) дает методическую погрешность, оценить которую можно по (3.196)
Разработка алгоритмических методов нейтрализации пространственных помех в задачах измерения характеристик рассеяния радиолокационных объектов
Измерение диаграмм рассеяния и поперечных сечений радиолокационных объектов проводится в безэховых камерах, оснащенных коллиматором, который формирует плоский фронт волны в районе облучаемого объекта. Если в эксперименте определяется уровень отраженной мощности от неподвижного исследуемого объекта по сравнению с откликом калиброванной мишени, то говорят о задаче измерения поперечных сечений. Если цель эксперимента — измерение отклика в зависимости от азимутальной координаты вращающегося на поворотном устройстве изделия, то такую задачу называют измерением диаграмм рассеяния радиолокационных объектов. В обоих случаях объект зондируется ЛЧМ сигналом.
Возможная структурная схема экспериментальной установки представлена на рис. 4.2. В безэховой камере установлен коллиматор и исследуемый радиолокационный объект. Радиоизмерительная аппаратура вынесена в приборный зал и связана с облучателями коллиматора радиочастотными кабелями. На рис. 4.2 раскрыта так же блок-схема рефлектометрическои части ААЦ, на вход которой подается ЛЧМ сигнал от ИЗС. Поскольку для измерений характеристик изделий в открытом пространстве достаточно одного направления зондирования, то СВЧ схема упрощается, и блок рефлектометров обеспечивает измерение только коэффициента отражения Sn и прямой передачи S2i. Включенные встречно направленные ответвители формируют опор ный сигнал и выделяют информативный сигнал при измерении параметра Si і. В результате локации объекта коллимированным пучком измерительный сигнал попадает в приемный облучателеь и направляется на вход «— 0.1- 18 GHz » блока рефлектометров. Выбор измерительных сигналов осуществляется электрически управляемым коаксиальным переключателем W, выход которого соединен с измерительным входом преобразователя частоты ААЦ.
При измерении поперечных сечений на погрешность оказывают влияние следующие факторы: - рассогласование в радиочастотных трактах и амплитудно-фазовая не идентичность характеристик каналов в диапазоне частот; -пространственные помехи, обусловленные недостаточной безэхово-стью камеры и паразитной связью облучателей коллиматора.
Ошибки измерений, связанные с формированием поля плоской волны зеркалом коллиматора здесь не рассматривается, поскольку требования к точности изготовления и юстировки элементов несимметричного параболического зеркала для обеспечения допустимых фазовых неоднородностей распределения поля во фронтальной плоскости сформулированы в [144].
Исследуем возможности повышения точности измерения характеристик радиолокационных объектов, используя развитые для трактовых измерений алгоритмические методы учета влияния систематических погрешностей.
Пространственные помехи при измерении поперечных сечений достигают чувствительного входа ААЦ параллельно с главным сигналом, отраженным от исследуемого объекта. Предлагается два пути ослабления влияния таких помех на результаты измерений. В простейшем методе применяется алгоритм векторного вычитания эффектов пустого полигона. Метод разработан [134,150,152] для нейтрализации влияния паразитного сигнала, обу словленного остаточными отражениями в камере и нештатным прохождением сигнала между облучателями коллиматора.
В основу метода положена математическая модель рис 1,5, модифицированная для измерений в открытом пространстве (рис. 4.3). Узлы Us и UT отображают опорный и информативный сигналы, отношение которых вычисляет ААЦ. Ветвь графа ej представляет паразитный вектор нештатного прохождения сигнала на измерительный вход ААЦ в пустом полигоне. Ветви Є21 и ё)2 отображают ошибки передачи информативного сигнала в диапазоне частот. Ветвь Єз представляет рассогласование в радиолинии, включая подводящие к облучателям радиочастотные кабели.
Пусть частота источника зондирующего сигнала дискретно перестраивается от \ ! и X с шагом \6 и периодом перестройки Т0, тогда результат измерения Т (Чобе) на k-ой частоте анализатором цепей параметра S2i, пропорционального ЭПР исследуемого РЛО, может быть найден как передача графа от узла Us до узла UT: где: X = Чі+ к % - текущая дискретная частота ИЗС; к = 0, 1, 2,... N-1; N - число дискретных значений частоты за период перестройки Т0; 0{ - дискретное значение азимутального угла РЛО; С = 1, 2, 3,... L; Є2 = Є2і еі2 Выражение (4.10) показывает, что результат прямого измерения Т(\ ,6() существенно отличается от истинного значения S2i(vK, 0() измеряемого параметра из-за влияния мешающих факторов, которые представлены в модели векторами ошибок Cj, е2 и е3.
Анализ предложенной двухполюсной модели ошибок (рис. 4.3) приводит к несложной процедуре калибровки измерительной установки (рис.4.2). Для определения эффектов пустого полигона удаляется исследуемый объект (S2i = 0) и проводится измерение ККП pi(Vk)=UT(Vk)/Us(vk)HaN частотах. Данные измерений образуют массив параметра модели et(vK):
Частотнозависимые ошибки передачи сигналов в измерительном и опорном каналах установки определяются путем измерения калиброванной мишени (S2i = S2i(0)). Параметр e2(VK) на каждой частоте рассчитывается по формуле (4.10) и образует второй массив калибровочных постоянных:
Рассогласование в радиолинии, представленное параметром е двухполюсной модели, может быть интерпретировано как переизлучение отраженной от мишени волны зеркалом коллиматора в направлении мишени. Прежде
