Методы увеличения точности определения характеристик антенн с помощью амплифазометрических измерений на сферической поверхности Шубников Виктор Васильевич

Введение к работе

Актуальность. В настоящее время широкое распространение получили амплифазометрический метод измерения характеристик антенн (т.н. метод ближней зоны). Его исследование связано с именами многих учёных, в т.ч. зарубежных - Е.Б. Джой, Д.М. Керне, А.С. Ньюел, Дж.Е. Хансен и др., отечественных - Л.Д. Бахрах, П.М. Геруни, А.П. Курочкин, Н.М. Цейтлин и др. Измерение на сферической поверхности позволяет путём пересчёта получить полную трёхмерную амплитудно-фазовую диаграмму направленности антенны. Актуальность темы обусловлена тем, что методы определения характеристик антенн, используемые в настоящее время, не обладают достаточной точностью:

1. Определение амплитудно-фазового распределения в раскрыве осуществляется с помощью приближения дальней зоны. Точное восстановление АФР на апертуре позволит производить диагностику антенн и настройку антенных решёток.

2. Амплитудно-фазовая диаграмма позволяет определить фазовый центр антенны, но в данный момент используются методы не адаптированные к измерениям в ближней зоне, а работающие с уже пересчитанной в дальнюю зону диаграммой. Определение фазового центра антенны важно, например, в системах геопозиционирования. Аналог фазового центра для ближней зоны является важной характеристикой антенн-зондов для испытаний на электромагнитную совместимость. При сферическом сканировании радиус сферы измерений от-считывается от точки пересечения осей вращения по угловым координатам до фазового центра зонда, следовательно, предварительное измерение зонда и учёт смещения его фазового центра с частотой позволит повысить точность измерений в ближней зоне.

Целью работы является повышение точности определения характеристик антенн по результатам измерений амплифазометрическим методом за счёт использования всей полученной в ходе измерений информации. В связи с чем решаются задачи разработки более точных методов для:

3. Восстановления поля на апертуре антенны, в т.ч. неплоской;

4. Определения фазового центра антенны и его аналога (центра кривизны поверхности равных фаз) для ближней зоны;

5. Определения фазового распределения вблизи антенны;

6. Расширения области достоверного восстановления ДН.

Методы исследования. В теоретической части используется аппарат специальных функций (присоединённые полиномы Лежандра, функции Ханкеля).

Численные эксперименты проводились с помощью вспомогательной программы, генерирующей поле решётки полуволновых электрических диполей в любой точке пространства, используя известные аналитические выражения компонент электрического поля диполя.

Для определения погрешностей использовалось статистическое моделирование методом Монте-Карло.

Натурные эксперименты проводились с помощью стенда ближнего поля со сферической поверхностью сканирования, реализующего кинематическую схему «крен над азимутом».

Программные средства написаны на языке MATLAB, позволяющем хорошо распараллеливать вычисления.

Основные положения, выносимые на защиту:

Метод прямого восстановления АФР на плоской апертуре, обладающий большей точностью, чем известный метод.

Метод прямого восстановления АФР на цилиндрической апертуре.

Метод определения фазового центра исследуемой антенны по результатам единичного сканирования в ближней зоне и расчёта фазового распределения в области пространства в дальней зоне.

Метод увеличения точности восстановления диаграммы направленности антенны как в достоверной с точки зрения геометрической оптики области, так и вне её.

Научная новизна:

7. Разработан метод восстановления АФР на плоской апертуре антенны, использующий пересчёт на параллельную раскрыву плоскость сферических компонент поля и их перевод в декартовы без приближения дальней зоны, а затем расчёт поля в раскрыве. Этот расчёт производится путём решения волнового уравнения в декартовых координатах с помощью принципа суперпозиции однородных плоских волн.

8. Разработан метод восстановления АФР на цилиндрической апертуре антенны, использующий переход к цилиндрическим волнам с помощью расчёта на промежуточном цилиндре сферических компонент и их перевода в цилиндрические.

9. Разработан метод определения фазового центра антенны и его аналога в ближней зоне (центра кривизны поверхности равных фаз) по результатам сканирования в ближней зоне, состоящий в непосредственном обнаружении эквифазной поверхности, путём расчёта сфе-

рических компонент электрического поля в соответствующих точках и их перевода в необходимые компоненты поля.

4. Выведены полностью аналитические выражения для определения фазового центра по результатам сканирования в ближней зоне.

5. Разработан метод определения положения фазового центра в пространстве, являющийся обобщением известного метода определения фазового центра в сечении.

6. Разработан метод уменьшения погрешности восстановления ДН как внутри достоверной области, так и вне её, использующий предложенный алгоритм восстановления АФР в раскрыве и модифицированные полиномы Лежандра, ортогональные на части сферической поверхности. В предложенном методе в отличие от ранее существующего вводится критерий определения константы уменьшения области достоверного спектра, необходимой в итеративном процессе.

Все вышеперечисленные методы используют всю информацию, получаемую амплифазометрическим методом, а не просто пересчитанную в дальнюю зону диаграмму направленности.

Степень обоснованности и достоверности полученных научных результатов. Разработанные методы верифицированы с помощью вычислительных и натурных экспериментов и показали свою эффективность.

Теоретическая и практическая значимость. Практическая значимость новых методов восстановления АФР на раскрывах состоит в том, что они позволят точно настраивать различные фазированнные антенные решётки по результатам сферического сканирования: плоские (подобно тому, как в данный момент это производится по результатам планарного), и цилиндрические, в том числе слабонаправленные.

Получены строгие аналитические формулы для вычисления фазового центра по результатам сканирования в ближней зоне.

Методы определения фазового центра позволят получать координаты полного и частичных фазовых центров и их аналогов в ближней зоне на любом расстоянии, не проводя дополнительных исследований, кроме одного сканирования в ближней зоне.

Метод уменьшения погрешности восстановления ДН позволит повысить точность результатов внутри достоверной области и оценить диаграмму направленности вне её для неполного сферического сканирования.

Реализация и внедрение результатов. Получен акт о внедрении результатов диссертационной работы в Федеральном государственном автономном образовательном учреждении высшего образования «Санкт-Петербургский государственный университет аэрокосмического приборостроения» (ГУАП).

Получен акт о внедрении результатов работы в ОКР «ШАТЕР» АО «Ордена Трудового Красного Знамени Всероссийского научно-исследовательского института радиоаппаратуры» (АО «ВНИИРА»).

Апробация работы. Основные теоретические и практические результаты по теме диссертации доложены и получили одобрение на следующих международных, всероссийских и региональных научно-практических конференциях:

1. Всероссийский симпозиум «Радиолокационное исследование природных сред», 16-17 апреля 2013 г., Санкт-Петербург, ВКА им. А.Ф. Можайского.

2. Научно-техническая конференция молодых ученых и специалистов «Старт в будущее-2013», 17-18 апреля 2013 г., Санкт-Петербург, Конструкторское бюро специального машиностроения.

3. 23-я Международная Крымская конференция «СВЧ-техника и телекоммуникационные технологии», 8-13 сентября 2013 г., Севастополь, Крым, Украина.

4. 1-ая Всероссийская научно-техническая конференция «Расплетинские чтения», 2014, Москва.

5. 24-я Международная Крымская конференция «СВЧ-техника и телекоммуникационные технологии», 7-13 сентября 2014 г., Севастополь, Крым.

6. Научно-практический семинар по вопросам проведения антенных измерений в ближней зоне, 2015 г., Москва, ОАО «Концерн ПВО «Алмаз-Антей».

7. Шестая научно-техническая конференция молодых учёных и специалистов, посвященная 80-летию со дня рождения А.А. Леманского, 24-26 сентября 2015 г., Москва.

Публикации. Основные теоретические и практические результаты по теме диссертации опубликованы в 15 статьях и материалах конференций, из которых 4 публикации в ведущих рецензируемых изданиях, рекомендованных в действующем перечне ВАК. Сообщения доложены и получили одобрение на 7 всероссийских и региональных научно-практических конференциях. Материалы работы вошли в монографию «Синтез характеристик антенн по измерениям в ближней зоне: монография» / В.В. Шубников, Ю.А. Антохина, А.Ф. Крячко, А.С. Ковалев [и др.].-СПб.: ГУАП, 2016. -309 с. Получено свидетельство о регистрации программного средства.

Структура и объём работы. Диссертация содержит 103 страницы основного текста, 67 рисунков, 4 таблицы. Список литературы состоит из 92 позиций.