Введение к работе
Актуалыюстъ работ». Антешшо системи являются одним из вагаїей-ших элементов соЕремеш-шх радиотехнических комплексов самого широкого назначения. Зачастую они являются тем звеном, которое оггределяот основные возможности комплекса, поэтому для практики болыпое значение имеет достоверное оггределеіше основних параметров и характеристик антенн.
В последние годи, особенно в связи с созданием целой серии дорогостоящих антешшх систем, таких как фазированные ентешше решетки (ФАР), а также больших, остронэправлешшх антенн для радиоастрономии и дальней радиосвязи, традиционные методы измерения их внешних характеристик в дальней зоне уже либо не могут бить реализованы 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 амшшфазомэтрическнл (радкоголографический) метод антешшх измерений.
Амплифазометрический 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 вышла 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 ампли-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 антенны на поверхности измерений. В известных методиках определения АФР электромагнитного поля антешш (включая радиоголографические 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 антенній. В
-4-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 определения АФР поля исследуемой антенны при реализации ам-шмфззометрического 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
-5-непосредствешшм отношением ее к решению наиболее актуальных задач в области совершенствования методов антешшх измерений.
Методы исследования. Исследование методіж измерении АФР осуществляется на математических моделях с учетом всех основных дестабилизирующих факторов. Расчет чувствительности к изменению параметров разработашшх 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, примененннх при решении поставленных задач. О работоспособности и эффективности предложенных методик, а также об отсутстгага ошибок в алгоритмах и правильности роботы 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:
-
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 использований двухэлементного измерительного зонда и фазоуправляемого скользящего опорного канала.
-
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.
-
Предложены и разработаны методики и алгоритмы определения АФР, описанные в п.п. I, 2 для трех- и многоэлементного измерительного зонда.
-
Создана конструкция новой, электрически управляемой вибраторной антенны с управляемым положением плоскости поляризации, входящей в состав измерительного зонда, сочетающей в себе функции коммутатора и
-6-дискретного фазовращателя (0,тс), а также конструкция антенны, выпол-клгаей функции, описанные выше, выполненная на основе волновода квадратного СЄЧЄІГ.1Л.
Б. Предложены принципи создания конструкции СВЧ части измерительного зонда с фазоутгравляемш скользящим опорным каналом.
-
Разработана конструкция пленарной распределительной СВЧ схему для использования в состаье измерительного зонда.
-
Предложены метода калибровки СВЧ частей измерительных зондов, используемых при реализации различных вариантов методик, ошісаіпшх в п.п. I, 2, 3.
Практическая ценность полученных в диссертации результатов состоит в том, что на их осноеє разработаны методики и ЭВМ программы, позволявшие определять амплитудно-фазовое распределение поля антенны амплпметрическим методом измерений, а также осуществлять управление автоматизированном комплексом и производить оценку точности измере-Ш1й на математической модели. Создана система программного обеспечения автоматизированного измерительного комплекса (СПО АПК) 5EKT0R, используемая для измерения поля в раскриве антенны и расчета ее ДН. Предложены конструкции и проЕедена экспериментальная отработка изме-рптольной антенны с управляемым положением плоскости поляризации и встроенными фазовращателем и коммутатором, СВЧ части измерительного зонда с Фазоуправляемш скользящим 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-технических конференциях по антенным измерениям "Метрологическое обеспечение антенных измерений" ВКАИ-4, ВКАІЇ-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 і синтеза антенно-фидорных систем и их элементов", г.Ростов-Ярославский, 1990 г., на межотраслевой научно-техническоі 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
-7-тезисах докладов [I—II], 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 приложения. Список литературы включает 84 наименования на 9 страницах.
Основные положения. выносимые на защиту:
-
Методики и алгоритмы определения АФР элзктромагнитного 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.
-
Методики и алгоритмы определения АФР электромагнитного поля антенны в ближней зоне на поверхности измерений произвольной формі по одной или одновременно по двум взаимно ортогональным поляризациям, основанные на использовании двухэлементного измерительного зонда и измерительных многополюсников СВЧ.
-
Методики и алгоритмы определения АФР, описанные в п.п. I, 2 для трех- и многоэлементного измерительного зонда.
-
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.