Развитие и разработка методов экспериментального исследования характеристик остронаправленных зеркальных антенн Калинин Андрей Владимирович

Содержание к диссертации

Введение

Глава 1. Корреляционный радиоастрономический метод измерения характеристик антенн 26

1.1. Возможности корреляционного метода и его преимущества по сравнению с традиционным радиоастрономическим способом антенных измерений 27

1.1.1. Измерение поляризационных характеристик 31

1.2. Аппаратура для корреляционных антенных измерений 36

1.3. Особенности методик измерения характеристик антенн малобазового интерферометра по сигналам естественных внеземных радиоисточников 40

1.4. Экспериментальные результаты 46

1.4.1. Измерение характеристик 7-метровой зеркальной антенны по сигналам радиоисточников Лебедь-А и Солнце 46

1.4.2. Исследование характеристик 25-метровой зеркальной антенны по сигналам дискретных радиоисточников 51

1.5. Основные результаты главы 1 58

Глава 2. Радиоголографический метод исследования характеристик больших полноповоротных зеркальных антенн по внеземным источникам радиоизлучения 59

2.1. Метод и основные исходные соотношения 62

2.2. Согласование поляризации 75

2.3. Общие методические вопросы 79

2.4. Обзор методик и результатов топографических измерений параметров крупнейших зарубежных радиотелескопов 84

2.5. Аппаратура для радиоголографических измерений 90

2.5.1. Аппаратурно-программный комплекс НИРФИ для измерения параметров антенн по сигналам геостационарных ИСЗ и естественных радиоисточников 92

2.6. Исследование радиоголографическим методом характеристик российских 64-метровых радиотелескопов 98

2.6.1. Зеркальные параболические полноповоротные антенны ТНА-1500. 98

2.6.2. Схема размещения аппаратуры и оборудования на антенне ТНА-1500 при голографических измерениях 100

2.6.3. Технология голографических измерений характеристик антенн ТНА-1500

по сигналам геостационарных ИСЗ 103

2.6.3.1. Паспортизация аппаратуры и оборудования 103

2.6.3.2. Организация калибровок 106

2.6.3.3. Циклограмма измерений, обработка данных и представление результатов 108

2.6.4. Основные результаты измерений характеристик радиотелескопа в «Медвежьих Озерах» в диапазоне 4 ГГц 111

2.6.4.1 .Исследование тепловых деформаций зеркальной системы 123

2.6.4.2.Исследование гравитационных деформаций зеркальной системы по сигналу радиоисточника Лебедь-А 126

2.6.5. Результаты голографических измерений характеристик антенны в Калязине по сигналам геостационарных ИСЗ в диапазоне 11 ГГц 132

2.6.6. Основные погрешности проведенных измерений 139

2.6.6.1.Погрешности, обусловленные ограниченностью сектора сканирования ДН 139

2.6.6.2. Инструментальные погрешности 145

2.7. Методика и результаты исследования характеристик 7-метровой антенны по сигналам ИСЗ с опорной антенной, установленной на отдельном ОПУ 154

2.8. Основные результаты главы 2 162

Глава 3. Многочастотный метод антенных измерений 164

3.1 Методы измерения характеристик антенн при наличии рассеяния в измерительной установке и на окружающих предметах 164

3.2 Физические основы многочастотных антенных измерений 167

3.3 Многочастотный способ измерения поля антенны в ближней зоне 169

3.3.1. Поле в ближней зоне зеркальной параболической антенны, синтезируемое при многочастотных измерениях 169

3.3.2. Описание измерительной установки 181

3.3.3.Методические особенности многочастотных измерений в ближней зоне зеркальной параболической антенны 185

3.3.4. Результаты эксперимента 188

3.4 Исследование возможностей многочастотного способа для антенных измерений в безэховой камере 199

3.4.1. Описание измерительной установки 199

3.4.2.Методика измерений и обработки 201

3.4.3.Экспериментальные результаты 206

3.4.3.1 .Исследование рассеянных полей 206

3.4.3.2.Измерение диаграммы направленности антенны 214

3.5 Основные результаты главы 3 220

Заключение 221

Приложение 224

Литература 227

• Особенности методик измерения характеристик антенн малобазового интерферометра по сигналам естественных внеземных радиоисточников
• Обзор методик и результатов топографических измерений параметров крупнейших зарубежных радиотелескопов
• Физические основы многочастотных антенных измерений
• Исследование возможностей многочастотного способа для антенных измерений в безэховой камере

Введение к работе

Диссертация посвящена разработке высокоточных радиофизических методов экспериментального исследования характеристик СВЧ антенн и практической реализации их, в том числе для определения и улучшения характеристик крупных отечественных полноповоротных зеркальных радиотелескопов.

Актуальность темы. Разработка методов измерения параметров антенн различного назначения традиционно имеет важное значение для их создания и эксплуатации, о чем свидетельствует большое число работ, в том числе монографий и обзоров, посвященных этой теме, например [1-7, 20-28]. С повышением требований к техническим характеристикам антенных систем возрастают и требования к методам их измерений.

Одной из актуальных проблем антенной техники и радиоастрономии является максимальная реализация потенциальных технических возможностей существующих и вновь создаваемых крупногабаритных полноповоротных зеркальных антенн (в частности, радиотелескопов), которая невозможна без использования высокоточных методов измерения характеристик этих антенн. Хорошо разработанные и широко применяемые радиоастрономические способы [1—3,5,20,26] позволяют определять параметры больших антенн, такие как диаграмма направленности (ДН) в пределах главного и первых боковых лепестков, энергетические характеристики - коэффициент усиления (КУ), коэффициент направленного действия (КНД), коэффициент использования поверхности (КИП), коэффициент рассеяния (КР). На практике возникает необходимость исследования низких уровней бокового излучения антенн, их фазовых и поляризационных характеристик. Для достижения максимально возможных значений КИП в сантиметровом диапазоне и для понижения минимальной рабочей длины волны требуются данные о реальных распределениях амплитуды и фазы (АФР) поля в апертуре. Традиционные методы не позволяют получать эту информацию.

Известен [5,20,29] модифицированный, т.н. корреляционный (или интерферометри-ческий) радиоастрономический способ, предусматривающий применение вспомогательной опорной антенны и двухканального корреляционного приемника. Данный способ позволяет существенно (на несколько порядков) расширить динамический диапазон измерения ДН антенн, определять фазовые и поляризационные характеристики. Корреляционный метод может быть реализован, прежде всего, для антенн, работающих в составе малобазовых интерферометров [9,15,30].

Для исследования характеристик крупных радиотелескопов был предложен [31,32] радиоголографический способ, заключающийся в измерении по сигналам внеземных радиоисточников комплексной ДН антенны в двумерном угловом секторе и последующем восстановлении через преобразование Фурье АФР поля в апертуре. Распределение поля в апертуре дает важную информацию о зеркальной и облучающей системах антенны: крупно- и среднемасштабных неровностях отражающей поверхности зеркала, дефокусировке облучателя или контррефлектора, неравномерности облучения зеркала, затенении контррефлектором и его опорами и т.п. По этим результатам может быть уточнена первоначальная юстировка зеркал и облучателя, в том числе отражающей поверхности главного зеркала. Подобная юстировка особенно важна для улучшения характеристик больших зеркальных антенн, работающих в сантиметровом и миллиметровом диапазонах волн. Конструкции крупных антенн, как правило, допускают такую возможность, поскольку их главные рефлекторы состоят из отдельных панелей (щитов) размером порядка единиц квадратных метров с узлами для монтажной коррекции положений, а элементы облучающей системы имеют механизмы для дистанционной и ручной регулировки.

Альтернативой радиоголографии является юстировка по данным геодезических измерений. Создание оптической системы оперативного высокоточного контроля переменных деформаций зеркал и облучателей крупной полноповоротной антенны является весьма сложной технической задачей, и в настоящее время проекты таких систем существуют (например, [164,165]). Следует отметить то, что геодезическими способами контролируются геометрические параметры — смещение облучателя антенны, а также отдельных участков главного или вторичного зеркала. Голография же дает непосредственную информацию о радиотехнических характеристиках — распределении поля в апертуре и диаграмме направленности антенны. Использование внеземных источников радиоизлучения позволяет провести оптимальную юстировку на рабочих углах места антенны, а также исследовать переменные гравитационные и температурные деформации. Достоинства радиоголографии определили то, что в последние годы различные модификации метода использовались для улучшения характеристик многих крупнейших зарубежных радиотелескопов [15,33-53].

Реализация как корреляционного, так и голографического способов на уникальных системах, какими являются крупные антенны, с достижением высокой точности (динамический диапазон измерения ДН порядка 50-70 дБ, погрешность восстановления профиля поверхности - менее одной сотой длины волны) требует создания специальной аппаратуры и разработки соответствующих методик с тщательным анализом возможных источников погрешностей. Учитывая высокие требования к точности и боль шой объем измеряемой информации (до нескольких сотен тысяч комплексных значений поля за один сеанс), необходима полная автоматизация измерений.

В НИРФИ корреляционный и голографический методы развивались на протяжении последних 25 лет [26,74,110-113,120-133,136-141,143-150,153,154,156,157,161]. Разрабатывались методики измерений по сигналам дискретных радиоисточников, Солнца (для небольших антенн), геостационарных ИСЗ, которые затем были реализованы для исследования характеристик крупных антенн космической связи. Основные результаты этих разработок изложены в первых двух главах диссертации.

Другой актуальной проблемой антенной техники является повышение точности измерений, выполняемых при наличии рассеяния в измерительной установке и на окружающих предметах. Это относится как к измерениям на открытых площадках (полигонах), так и в помещениях, например, в безэховых камерах (БЭК). Разработке методов, уменьшающих влияние паразитного рассеяния, посвящено большое количество работ [17,24,25,28,85-92,106]. Одним из таких способов является использование широкополосных сигналов, позволяющее существенно уменьшать погрешности, вносимые отражениями в измерительной установке, а также определять влияние элементов конструкции антенны и окружающих предметов на исследуемые характеристики. Известен, в частности, способ измерений во временной области (или т.н. времяимпульсный метод) с использованием в качестве зондирующих сигналов коротких импульсов [17,88-92]. Данный метод требует применения специальной аппаратуры - генератора сверхкоротких импульсов, стробоскопического осциллографа и пр. Альтернативой времяимпульс-ному способу являются измерения в диапазоне частот с последующим синтезом отклика антенны во временной области [106,116,118,119,134,135, 142,151,152,155,158— 160,163]. Такие, т.н. многочастотные, измерения могут быть выполнены с использованием традиционной аппаратуры для антенных измерений в частотной области (ампли-фазометра и генератора). Одновременно этим методом могут быть исследованы параметры полей, рассеянных в установке (проведена аттестация измерительной установки), что также является актуальной задачей [16,96—102], о чем свидетельствует, в частности, появление свежих публикаций по данной теме в зарубежной и отечественной печати [101,163,167]. Вопросам разработки и реализации многочастотного способа при измерениях в ближней и дальней зоне посвящена третья глава диссертации. Целью диссертационной работы является:

1. Развитие и разработка методов и методик, обеспечивающих значительное повышение точности и информативности измерения характеристик СВЧ антенн, в первую очередь, остронаправленных зеркальных антенн.

2. Исследование характеристик действующих больших полноповоротных зеркальных антенн (радиотелескопов) и получение информации, необходимой для максимальной реализации потенциальных технических возможностей этих антенн в сантиметровом диапазоне длин волн.

Научная новизна. В диссертации разработаны и практически реализованы оригинальные методики высокоточных измерений характеристик крупных полноповоротных зеркальных антенн по сигналам естественных внеземных радиоисточников и геостационарных ИСЗ. Разработан и создан аппаратурно—программный комплекс для автоматизированных антенных измерений. Впервые в отечественной практике корреляционным и радиоголографическим методами выполнены детальные экспериментальные исследования диаграмм направленности (до уровней — 50...—70дБ) и распределений поля в апертуре (с разрешением 0.5... 0.7м) крупных антенн космической связи с зеркалами 25 и 64 метра, обеспечившие получение информации, необходимой для модернизации этих антенн и оптимизации их характеристик.

Предложен многочастотный способ определения пространственного распределения поля в ближней зоне антенны. Разработаны и экспериментально исследованы возможности многочастотных методик при измерениях в ближней зоне семиметровой зеркальной параболической антенны, а также при измерениях характеристик рупорных антенн методом дальней зоны в условиях БЭК.

Научное и практическое значение диссертации определяется тем, что разработанные методы и методики измерений существенно расширяют возможности исследования параметров СВЧ антенн, повышают точность и оперативность, дают новую информацию о характеристиках испытуемых антенн. Например, для экспериментального исследования бокового радиоизлучения больших полноповоротных антенн не существует реальной альтернативы корреляционному способу. Радиоголография дает уникальные возможности оперативного контроля распределения поля в апертуре, необходимого для реализации высоких технических характеристик зеркальных антенн (КИП, КУ и др.). Многочастотной способ позволяет разделить сигналы, несущие информацию об испытуемой антенне, от сигналов, отраженных от окружающих предметов, что обеспечивает повышение точности определения характеристик антенн, и, кроме того, дает возможность определить реальные уровни паразитных рассеянных полей. При необходимости этим методом могут выполняться высокоточные измерения без использования дорогостоящих БЭК. 

Практическое значение диссертации подтверждается тем, что все разработанные методы и методики реализованы на действующих антеннах и установках для антенных измерений.

В приведенных в приложении актах о внедрении результатов диссертации в ФГУП ЦНИИ «КОМЕТА» и ФГУП ОКБ МЭИ отмечено, в частности, что:

• результаты проведенных исследований корреляционным методом характеристик 25-метровых антенн на одном из объектов ЦНИИ «Комета» явились основополагающими при оценке ЭМС и помехозащищенности станции космической связи, а также для дальнейшего совершенствования антенных систем других объектов;

• по результатам радиоголографических исследований характеристик 64-метровой антенны ОКБ МЭИ в «Медвежьих Озерах» при подготовке к работе в проекте «Марс-96» выполнена регулировка положений щитов главного зеркала, в результате которой существенно повышена чувствительность антенны;

• по результатам первой серии голографических измерений на 64-метровой антенне ОКБ МЭИ в Калязине определены пути модернизации её многодиапазонной облучающей системы с целью повышения КИП в коротковолновой части сантиметрового диапазона.

Разработанные методики и измерительный комплекс могут быть применены (после соответствующей доработки) для исследования характеристик других крупных антенн. Заинтересованность в подготовке и проведении таких работ неоднократно высказывали пользователи 70- метровых, 32-метровых и 22-метровых радиотелескопов в России, Украине и Латвии.

Многочастотный способ также имеет большое практическое значение для антенных измерений. Проведенные экспериментальные исследования на стенде РАС НИРФИ «Старая Пустынь», а также на типовой установке в БЭК технологического университета Сингапура (Nanyang Technological University) подтвердили эффективность разработанных многочастотных методик для антенных измерений в ближней и дальней зонах.

Результаты, вошедшие в диссертацию, получены, в основном, в рамках хоздоговорных НИР, выполненных в НИРФИ по заданиям ЦНИИ «Комета», ОКБ МЭИ, АКЦ ФИАН. Они неоднократно включались в число важнейших результатов, представляемых НИРФИ в годичные доклады РАН. Работы по радиоголографии частично поддерживались также грантом Американского астрономического общества и контрактом с Европейским космическим агентством (1994г.).

Основные положения, выносимые на защиту:

1. Методики корреляционных радиоастрономических измерений параметров антенн малобазовых интерферометров по сигналам естественных радиоисточников, обеспечивающие значительное расширение динамического диапазона измерения ДН, а также возможность определения АФР поля в апертуре. Реализация разработанных методик в серии корреляционных измерений характеристик 25-метровой полноповоротной зеркальной параболической антенны космической связи по сигналам дискретных радиоисточников.

2. Аппаратурно-программный комплекс и алгоритмы высокоточных радиоголографи-ческих измерений характеристик полноповоротных зеркальных антенн по сигналам геостационарных ИСЗ и дискретных радиоисточников.

3. Результаты исследования радиоголографическим методом характеристик двух крупнейших отечественных полноповоротных радиотелескопов с зеркалами 64 метра, обеспечившие получение необходимой информации для юстировки их зеркальных и облучающих систем с целью повышения усиления этих антенн в диапазоне сантиметровых волн.

4. Многочастотный способ и методики антенных измерений, обеспечивающие повышение точности определения характеристик испытуемых антенн, а также определение уровня и пространственного распределения поля, рассеянного в измерительной установке.

Достоверность полученных результатов. Результаты и выводы диссертации обоснованы подробным анализом разработанных методик и погрешностей измерений, проведением вспомогательных (тестовых) экспериментов, сравнением с расчетными данными и с результатами, полученными другими способами (в пределах существующих альтернатив).

Апробация результатов. Результаты диссертации докладывались на следующих конференциях:

- II, IV и V Всесоюзных конференциях «Метрологическое обеспечение антенных измерений» (Ереван, 1981, 1987 и 1990гг.), #

- Международном совещании «Радиоголографический контроль крупных радиотелескопов» (Нижний Архыз, 1990г.),

- XXV,XXVI и XXVII радиоастрономических конференциях (Пущино, 1993г, Санкт-Петербург, 1995 и 1997гг),

- XXYII и XXVIII научно-технических конференциях по теории и технике антенн (Москва 1994 и 1998гг.),

- Международных конференциях по теории и технике антенн (Харьков, 1995г., Киев 1997г., Севастополь 1999 и 2003гг.),

- International Antenna Conferences, JINA (Nice, France, 1994, 1996 и 1998гг.),

- Progress in Electromagnetic Research Symposiums, PIERS (Seattle, USA, 1995r., Cambridge, USA, 1997г., Nante, France, 1998r.),

- Ninth International Conference on Antennas and Propagation, ICAP (Eindhoven, Netherlands, 1995г.),

ф - Thirteenth National Radio Science Conference, NRSC (Cairo, Egypt, 1996r.),

- International Conference "The World of Electromagnetics", AMEREM 96 (Albuquerque, USA, 1996r.),

- XXYth URSI General Assembly (Lille, France, 1996r.),

- IEEE Antennas and Propagation Society International Symposium (Montreal, Canada, 1997г.),

- Conference on Precision Electromagnetic Measurements, CPEM 98 (Washington, USA, 1998г.),

- Asia-Pacific Microwave Conference (Sydney, Australia, 2000r.),

- Восьмой научной конференции по радиофизике (Нижний Новгород, 2004г.),

- Всероссийской астрономической конференции ВАК-2004 «Горизонты Вселенной» (Москва, 2004г.),

- Second International Workshop "Ultrawideband and Ultrashort Impulse Signals" (Севастополь, Украина, 2004г.).

Представленные в диссертации результаты обсуждались на семинарах и совещаниях в НИРФИ, ЦНИИ «Комета», ОКБ МЭИ, АКЦ ФИАН, JPL (США), UCLA (США), Nan-yang Technological University (Сингапур).

,p, Публикации. Автором опубликовано по теме диссертации 27 статей в журналах,

сборниках и трудах международных конференций и совещаний, в том числе 11 статей (6 из них без соавторов) в журналах, входящих в Перечень периодических изданий, ре комендованных ВАКом РФ для публикации основных результатов докторских диссертаций. Опубликованы также тезисы 19 докладов на всесоюзных, российских и международных конференциях, 5 препринтов НИРФИ, получено одно авторское свидетельство. Всего по теме диссертации автором опубликовано 53 работы.

Личный вклад автора. В работах, выполненных коллективами, вклад автора был равноправным, или определяющим. Исследования корреляционного метода были начаты автором совместно с В.С.Коротковым и В.И.Турчиньш под научным руководством Н.М.Цейтлина. Разработка и реализация корреляционного способа для 25-метровой антенны выполнена группой сотрудников НИРФИ под руководством автора совместно с коллегами из ЦНИИ «Комета». Работы по радиоголографии 64- метровых радиотелескопов выполнены той же группой совместно с коллективом из ОКБ МЭИ, руководимым Б.А.Попереченко. Многочастотный способ предложен автором совместно с В.И.Турчиньш. Разработка, исследование и реализация данного метода выполнены автором самостоятельно.

Являясь научным руководителем ряда НИР, в рамках которых, в основном, выполнялись работы, автор вносил определяющий вклад в разработку методик, подготовку и проведение измерений, обработку и интерпретацию результатов, составление технических заданий на разработку аппаратуры и программного обеспечения.

Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, трех глав, заключения и приложения. Общий объем диссертации составляет 243 страницы, в том числе 62 страницы с рисунками и одной таблицей. Список литературы включает 174 наименования на 17 страницах.

Основное содержание диссертации.

Во введении дана общая характеристика работы и кратко изложено ее содержание.

Первая глава диссертации посвящена разработке, исследованию и применению корреляционного радиоастрономического метода антенных измерений. В начале главы дан краткий обзор истории развития этого метода. В параграфе 1.1 рассмотрены схема и возможности корреляционного метода, его преимущества перед традиционными радиоастрономическими антенными измерениями. Для реализации способа необходим двухканальный корреляционный приемник и дополнительная (опорная) антенна, сопровождающая при измерениях максимумом своей ДН используемый источник радиоизлучения, которым могут быть дискретные радиоисточники, Солнце (для небольших антенн), а также квазишумовые каналы геостационарных ИСЗ. Основное преимущест во метода заключается в значительном увеличении динамического диапазона измерений, что позволяет исследовать дальние боковые лепестки ДН испытуемых антенн. Появляется также возможность исследования характеристик антенны на отдельных поляризациях по неполяризованному излучению. В разделе 1.1.1 рассмотрены особенности измерений при различной поляризации излучения источника. Показано, что при хаотической поляризации сигнала источника поляризация измеряемой ДН определяется поляризацией в главном максимуме ДН опорной антенны. Это позволяет, изменяя поляризацию опорной антенны, измерять ДН исследуемой антенны на основной или паразитной поляризации. В измерениях по излучению с детерминированной поляризацией его поляризация полностью определяет поляризацию измеряемой ДН. В параграфе 1.2 рассмотрена структура построения аппаратурных комплексов для измерения характеристик антенн корреляционным способом. Для антенн, работающих в составе малобазовых интерферометров, метод может быть реализован с использованием штатного оборудование интерферометра, включая приемник, системы калибровки трактов, линии задержки и пр. Отличия в работе приборов и программ управления определяются изменением режима сканирования испытуемой антенны относительно наблюдаемого радиоисточника. Такие измерения были выполнены на семиметровой антенне системы апертурного синтеза РАС НИРФИ «Старая Пустынь». Измерения на 25-метровой антенне космической связи выполнялись с использованием макета промышленного корреляционного радиометра диапазона 2-4 ГГц, разработанного в ГНИПИ по заданию ЦНИИ «Комета» специально для антенных измерений. Приведена укрупненная блок-схема корреляционного приемника и требования к его параметрам в объеме, необходимом для последующего рассмотрения методик измерений. В параграфе 1.3 рассмотрены разработанные методики корреляционных измерений. Основное внимание уделено организации калибровок с целью контроля медленных изменений (дрейфов) параметров аппаратуры и трактов. При большой продолжительности измерений - от нескольких десятков минут для сечения ДН в широком секторе, до десятков часов для двумерной ДН - дрейфы сигналов могут стать основной причиной погрешности. Приведены результаты экспериментального исследования возможностей использования нескольких видов калибровок. Часть из них аналогична калибровкам в обычных радиоастрономических измерениях. В корреляционных измерениях по естественному радиоисточнику дополнительные возможности для калибровок появляются из-за его постоянного смещения относительно базовой линии интерферометра. Медленные и линейные на коротких временных интервалах изменения геометрической задержки предоставляют возможность реализовать простую и эффективную калибровку путем сопровождения источника обеими антеннами в течение времени, необходимого для записи, как минимум, одного интерференционного периода. В параграфе рассмотрены возможности использования результатов калибровок для коррекции показаний приемника (компенсации неравенства усиления и неортогональности каналов, паразитных составляющих), а также для устранения интерференционной составляющей из измеренной угловой зависимости фазовой ДН. В разделе 1.4.1 представлены результаты измерений корреляционным способом характеристик семиметровой антенны на РАС НИРФИ « Старая Пустынь». При работе этой антенны в составе интерферометра с базой 417м на частоте 540 МГц была выполнена серия измерений по радиоисточнику Лебедь-А. Для оценки потенциальных возможностей метода измерения проводились по нескольким алгоритмам сканирования антенны относительно источника. Были измерены сечения по отдельным координатам амплитудной и фазовой ДН на основной и ортогональной поляризациях, а также их распределения в двумерном угловом секторе. Проведено сравнение результатов с данными, полученными в измерениях по Солнцу, а также методом фокусировки на наземный источник (генератор) в зоне Френеля. Наибольший динамический диапазон (порядка 40 дБ) реализован в измерениях корреляционным способом при сканировании ДН за счет суточного перемещения источника. На этой же антенне в 10-см диапазоне проводилась апробация методик корреляционных измерений по Солнцу. Использовалась двухметровая опорная антенна, установленная на расстоянии около 1 Ом от исследуемой. Проведенные на семиметровой антенне исследования показали реализуемость возможностей корреляционного способа при достаточной проработке аппаратуры и методик измерений. Приведенные результаты демонстрируют возможность измерения ДН антенны в широком динамическом диапазоне, а также существенное преимущество данного метода перед другими известными при измерении низких уровней бокового излучения антенн. В разделе 1.4.2 рассмотрены результаты исследования корреляционным методом характеристик 25-метровой зеркальной антенны космической связи. Впервые в отечественной практике на крупной полноповоротной антенне были не только измерены сечения ДН в широком динамическом диапазоне, но и восстановлено с достаточным разрешением АФР поля в апертуре. Серия измерений в 10-см диапазоне была выполнена по сигналам дискретных радиоисточников Кассиопея-А, Лебедь-А, Дева, Телец и др. В качестве опорной использовалась точно такая же антенна, расположенная на расстоянии около 100 метров. Динамический диапазон измерения ДН составил около 50 дБ, тогда как с использованием модуляционного радиометра на данной антенне удавалось определить в лучшем случае уровень первого бокового лепестка (не более 25 дБ). Приведены примеры измеренных сечений амплитудной и фазовой ДН, демонстрирующие реализованный динамический диапазон. Двумерные распределения ДН (матрицы) измерялись в угловых секторах, обеспечивающих восстановление АФР с разрешением до 0,5x0,5м. Для уменьшения влияния переменных гравитационных деформаций зеркала продолжительность каждого сеанса не превышала 3 часов. Измерения больших матриц проводились в течение нескольких последовательных ночей при высоких углах места источника, симметрично относительно верхней кульминации. В отдельных сеансах для демонстрации возможностей восстановления АФР на поверхности зеркала исследуемой антенны закреплялись дополнительные металлические листы размером 2x0,4м. Приведены примеры восстановленных АФР в виде графиков отдельных сечений и двумерных распределений. Полученные результаты позволили детально проанализировать качество облучающей системы и отражающей поверхности зеркала данной антенны. В параграфе 1.5 сформулированы основные результаты первой главы. 

Вторая глава посвящена разработке и реализации радиоголографического метода исследования характеристик остронаправленных полноповоротных зеркальных антенн по сигналам внеземных радиоисточников. В начале главы обосновывается актуальность создания радиоголографической аппаратуры и методик для высокоточных измерений параметров больших отечественных зеркальных радиотелескопов. В параграфе 2.1 приведена схема и основные соотношения рассматриваемого способа антенных измерений. В качестве источников используются узкополосные или квазишумовые сигналы геостационарных ИСЗ, а также дискретные радиоисточники. При вращении антенны по заданным траекториям (сканировании) относительно выбранного радиоисточника производится измерение ее комплексной ДН в двумерном угловом секторе. По измеренной ДН с использованием известных соотношений теории апертурных антенн может быть восстановлено распределение поля в апертуре. Для зеркальных антенн с большим фокусным расстоянием ДН в секторе углов вблизи оси связана в приближении физической оптики преобразованием Фурье с распределением поля в апертуре (токов на поверхности зеркала). Для антенн, результаты исследования характеристик которых представлены в диссертации, приведены оценки, показывающие, что при сканировании ДН в угловом секторе порядка единиц градусов, обеспечивающем пространственное разрешение АФР в несколько десятков сантиметров, в обработке допустимо применять обратное преобразование Фурье. Показано, что при малых угловых секторах сканиро вания (порядка единиц градусов) поляризация измеренной составляющей ДН определяет поляризацию восстанавливаемого распределения поля в апертуре, что важно для интерпретации результатов голографических измерений. Приведены соотношения, определяющие искажения восстановленного фазового распределения при дефокусировке облучателя и локальных неровностях главного зеркала. В параграфе 2.2 рассмотрены вопросы согласования поляризации. Для последующей юстировки зеркальной и облучающей систем необходимо измерять ДН и восстанавливать поле в апертуре на основной поляризации. Поскольку в измерениях по ИСЗ поляризация измеряемой составляющей ДН полностью определяется составляющей принимаемого излучения в плоскости, перпендикулярной направлению его прихода, необходимо согласование этой поляризации с основной поляризацией исследуемой антенны. Для этого на практике выбирается сигнал ИСЗ с наиболее соответствующей поляризацией и выполняется подстройка поляризации в главном максимуме ДН исследуемой антенны под поляризацию принимаемого излучения. Показано, что для антенн с азимутально—угломестным поворотным устройством при сканировании ДН в узких угловых секторах и малых углах места ИСЗ можно пренебречь влиянием поворота вектора поляризации излучателя на восстанавливаемое распределение поля в апертуре. Приведены также соотношения, определяющие положение источника в системе координат исследуемого зеркала через наземные угловые координаты источника и антенны. В параграфе 2.3 рассмотрены общие методические вопросы голографических измерений. Поскольку для крупных российских радиотелескопов наблюдаемый угол места геостационарных ИСЗ не превышает 25°-30°, для исследования деформаций рефлектора целесообразно сочетать измерения по ИСЗ и по естественным радиоисточникам. В измерениях по ИСЗ выбор частоты ограничен, как правило, диапазонами 4 и 11 ГГц. При этом, например, в диапазоне 11 ГГц при реализации точности фазовых измерений около 1°-3° достижима точность восстановления формы поверхности порядка 40 -100 мкм, что на практике вполне достаточно. Приводятся оценки требуемого динамического диапазона и точности измерения ДН. Рассматриваются условия выбора углового сектора и дискрета сканирования ДН, вопросы организации калибровок аппаратуры и трактов при продолжительных сеансах измерений, возможные алгоритмы обработки данных. В параграфе 2.4 дан краткий обзор методик и результатов голографических измерений параметров крупнейших зарубежных радиотелескопов. Приведена таблица, составленная на основе зарубежных публикаций, позволяющая оценить разнообразие применяемых методик, точность измерений, реализованную на разных антеннах, и эффективность проведен ной юстировки. Более детально рассмотрены методики и результаты голографических измерений на крупных миллиметровых радиотелескопах в Nobeyama (Япония), Pico Veleto (Испания) и на антеннах сети дальней космической связи DSN (США), где в течение ряда лет проводились серии голографических измерений, по результатам которых последовательно улучшались технические характеристики этих антенн. Параграф 2.5 посвящен аппаратуре для голографических измерений. Даны краткие описания специализированных аппаратурных комплексов, созданных для измерений характеристик радиотелескопа в Nobeyama и антенн сети DSN. В разделе 2.5.1 рассмотрены блок-схема и технические характеристики разработанного и созданного в НИРФИ мобильного автоматизированного комплекса для радиоголографических измерений параметров антенн по сигналам ИСЗ и естественных радиоисточников. Комплекс, создававшийся, в первую очередь, для измерения характеристик 64-метровых антенн ТНА-1500, включает в себя сменные выносные СВЧ конверторы диапазонов 4 и 11 ГГц, преобразователь сигналов ПЧ, а также шестиразрядный цифровой коррелятор с тактовой частотой 10 МГц. Он позволяет выполнять высокоскоростные полностью автоматизированные антенные измерения. Дано описания разработанного программного обеспечения, предназначенного для управления режимами работы приемника, сбора данных, их обработки и представления результатов в удобном для анализа виде.

В параграфе 2.6 рассмотрены методики и основные результаты радиоголографических исследований характеристик 64-метровых полноповоротных антенн ТНА-1500. В разделе 2.6.1 дано краткое описание двух антенн ТНА-1500, разработанных и сооруженных ОКБ МЭИ в центрах дальней космической связи «Медвежьи Озера» под Москвой и недалеко от г. Калязина в Тверской области. В разделе 2.6.2 приведены схемы расположения аппаратуры измерительного комплекса и вспомогательного оборудования при измерениях на антеннах ТНА-1500. Основная задача при выборе схемы для голографических измерений на крупной антенне состоит в обеспечении высокой фазовой стабильности аппаратуры и протяженных СВЧ трактов, а также минимизации потерь при передаче сигналов между разнесенными блоками измерительного комплекса. С этой целью при измерениях на ТНА-1500 опорная антенна устанавливалась непосредственно на главное зеркало исследуемой у основания одной из опор контррефлектора. В разделе 2.6.3. рассмотрены основные особенности технологий (рабочих методик) разработанных для измерения характеристик антенн ТНА-1500 радиоголографи-ческим методом. В разделе 2.6.3.1 приведены результаты паспортизации оборудования (приемника, трактов, привода антенны), проводимой с целью обеспечения необходи мой точности измерений. Представлены, в частности, результаты, демонстрирующие высокую стабильность сигналов в трактах измерительного комплекса: при подаче на входы приемника фиксированного сигнала на временном интервале более часа среднеквадратичные значения отклонений амплитуды и фазы выходных сигналов составили da 0,4%, Стф 0,2°. Демонстрируется также эффективность определения и последующей коррекции динамических погрешностей измерения координат отсчетов значений ДН, возникающих при высоких скоростях вращения антенны. В разделе 2.6.3.2 рассмотрены особенности проведения калибровок. Поскольку суточный дрейф используемых ИСЗ составляет порядка 4—5 угловых минут, в калибровках одновременно с контролем медленных уходов параметров сигналов (амплитуды и фазы) определяются текущие значения угловых координат (азимут, угол места) спутника. При продолжительных измерениях матрицы ДН промежуточные калибровки выполняются с интервалом около 30 минут. Представлены результаты, демонстрирующие эффективность проводимых калибровок для контроля дрейфов параметров сигналов и координат ИСЗ. В разделе 2.6.3.3 рассмотрена циклограмма измерения матрицы ДН антенн ТНА—1500, разработанная с учетом результатов паспортизации оборудования антенны и измерительного комплекса. Измерения выполняются при строчно-кадровом сканировании антенны относительно ИСЗ на высокой скорости по одной координате (37с в диапазоне 11 ГГц и 107с в диапазоне 4 ГГц) с дискретным перемещением по другой. При этом используется режим работы коррелятора с минимальным временем накопления (26 мс) и минимально возможным периодом опроса, определяемым временем работы управляющей программы, и составившим в проведенных измерениях 50 мс. Таким образом, в измерениях сечений ДН более 50% времени проводится накопление сигнала. Реализуемые значения углового сектора сканирования ДН обеспечивают восстановление АФР поля в апертуре с разрешением 75-80 см по обеим координатам. При этом продолжительность одного сеанса измерения матрицы ДН составляет 3-3,5 часа. Для синхронизации работы управляющей программы и движения исследуемой антенны выполняется периодическая коррекция по внешним временным меткам (СЕВ) показаний таймера компьютера измерительного комплекс и часов СПУ, управляющего наведением антенны.

В разделе 2.6.4 приведены основные результаты исследования характеристик радиотелескопа в п. «Медвежьи Озера» в диапазоне 4 ГГц. Измерения с целью восстановления АФР поля в апертуре и определения карты смещений щитов главного зеркала с разрешением не хуже 1 м проводились по сигналам геостационарных ИСЗ серий Intel sat и Telecom на углах места около 20°. Приведены примеры измерения отдельных сечений и двумерных распределений ДН, демонстрирующие, что динамический диапазон измерения ДН составляет около 70 дБ. По данным голографических измерений были уточнены поправки к положению контррефлектора, а таїоке выполнена дополнительная регулировка главного зеркала антенны. В результате регулировки положений щитов главного зеркала коэффициент использования поверхности антенны (КИП) в диапазоне 5,1см был увеличен на 27% (1дБ). Кроме того, результаты голографических измерений были использованы для доработки зеркальной и облучающей систем антенны. После выполнения регулировки зеркала был проведен следующий цикл голографических измерений. В тексте приведены цветные карты, демонстрирующие особенности распределения амплитуды и фазы поля в апертуре до и после регулировки главного зеркала и изменений в облучающей системе телескопа. В разделе 2.6.4.1 приведены результаты исследования голографическим способом тепловых деформаций зеркальной системы радиотелескопа, обусловленных дневным солнечным нагревом. Приведено сравнение результатов восстановления АФР поля в апертуре по данным ночных и дневных измерений,, демонстрирующее характер крупномасштабных и локальных искажений фазового распределения. Среднеквадратичная по апертуре разность фазовых распределений, измеренных в ночное и дневное время, составила 6,5°. В разделе 2.6.4.2 приведены результаты голографических измерений по сигналу радиоисточника Лебедь-А. Малые размеры используемой опорной антенны ограничили динамический диапазон измерения ДН по радиоисточнику уровнем 20-25 дБ, что определило погрешность восстановления профиля зеркала величиной 0,5-0,7 мм при пространственном разрешении около Зм. Тем не менее, результаты голографических измерений по радиоисточнику на высоких (около70°) и низких (около 10°) углах места хорошо согласуются с результатами измерений по ИСЗ. Полученные оценки среднеквадратичной неровности зеркала совпадают в пределах точности измерений с данными, полученными по спутнику. На восстановленных распределениях поля хорошо заметны особенности, отмеченные при анализе АФР, измеренных по ИСЗ. Приведенная в тексте разность распределений фазы поля в апертуре ТНА-1500 на высоких и низких углах места демонстрирует характер и пространственный масштаб гравитационных фазовых искажений. 

В разделе 2.6.5 рассмотрены результаты первой серии голографических измерений характеристик радиотелескопа в Калязине, которые были начаты в 2002 г по заданию ОКБ МЭИ в интересах АКЦ ФИАН с целью улучшения радиотехнических характеристик этого телескопа в сантиметровом диапазоне, в частности в диапазоне 1,35 см для обеспечения возможности использования его в составе наземно-космического интерферометра проекта «Радиоастрон». Измерения проводились по сигналам геостационарного ИСЗ в диапазоне 11 ГГц. Среднеквадратичная по апертуре неравномерность фазового распределения составило величину 51°+2°. Приведены восстановленные с разрешением около 0,7 м карты распределений амплитуды и фазы поля в апертуре. Отмечено, что на рефлекторе имеются узлы со значительными отклонениями от требуемого положения, в частности указаны координаты пяти участков зеркала, отклонения в которых превышают величины ±6,5мм (±Х/4). По полученным результатам в ОКБ МЭИ была уточнена программа модернизации многодиапазонного облучателя антенны, после реализации которой предполагается проведение следующей серии голографиче-ских измерений. В разделе 2.6.6 рассматриваются основные погрешности проведенных измерений. В разделе 2.6.6.1 рассмотрены результаты моделирования, проведенного с целью определения возможных искажений АФР поля в апертуре антенн ТНА-1500, обусловленных влиянием ограниченного сектора измерения ДН. Приведены оценки величин и пространственных масштабов соответствующих искажений поля на краю рефлектора, вблизи теней опор и в смещенных регулировочных узлах рефлектора. В разделе 2.6.6.2 показано, что основной вклад в случайную составляющую погрешности восстановления поля в апертуре вносят отклонения антенны от заданных траекторий (угловые погрешности) при сканировании ДН. Анализируется, каким образом эти погрешности воздействуют на восстанавливаемое распределение и как, с учетом этого воздействия, может быть скорректирован алгоритм обработки для повышения точности восстановления поля в апертуре. Рассматривается также влияние на исследуемое распределение поля паразитных сигналов приемника.

В параграфе 2.7 рассмотрены методика и результаты исследования голографиче-ским способом характеристик 7-метровой зеркальной антенны. Основная цель измерений, выполненных на РАС НИРФИ «Старая Пустынь» в 1992-93гг., заключалась в отработка аппаратуры и методик, моделирующих последующие голографические измерения на больших телескопах. Кроме того, полученные результаты представляют собственный интерес, т.к. они демонстрируют возможности голографических измерений характеристик сравнительно небольших антенн. Измерения проводились по сигналам ИСЗ в диапазоне 11 ГГц с опорной антенной, установленной на отдельном ОПУ. Сканирование матрицы ДН проводилось как при непрерывном, так и при дискретном перемещении исследуемой антенны, наведением которой управляла ЭВМ измерительного комплекса по траекториям, обеспечивающим равномерную сетку отсчетов в системе координат зеркала. Реализованный угловой сектор сканирования ДН обеспечивал разрешение АФР поля в апертуре около 10x15см. Приведенные в параграфе результаты демонстрируют, что среднеквадратичные неровности зеркала антенны составляют около 1 мм, точность их восстановления - около ОД мм. Возможности измерений иллюстрируются результатами восстановления формы поверхности зеркала при закреплении на нем тестовой пластины толщиной 2 мм, а также сравнением АФР, восстановленных в разное время суток, демонстрирующим тепловые деформации каркаса и отражающей поверхности зеркала.

В параграфе 2.8 сформулированы основные результаты второй главы диссертации.

Третья глава диссертации посвящена разработке и исследованию возможностей многочастотного способа антенных измерений. В параграфе 3.1 обосновывается актуальность разработки методов, повышающих точность антенных измерений в присутствии помехового рассеяния, а также определяющих параметры рассеянных в установке полей. Дан краткий обзор известных способов. Многочастотный метод является альтернативой измерениям во временной области. Подобные методики применялись для исследования СВЧ трактов, радиолокационных характеристик объектов. Принципы многочастотного метода определения характеристик антенн изложены в параграфе 3.2. Выходные сигналы антенны измеряются на дискретном наборе частот. Последующее Фурье-преобразование данных с переходом во временную область позволяет разделить компоненты измеренного сигнала, различающиеся временем распространения. При соответствующем выборе дискрета частоты и полосы возможно разделение полезных сигналов (поля антенны) и помех, вызванных рассеянием. По задержке помех могут быть определены источники рассеяния. Восстановление поля антенны на частотах измерений путем фильтрации помех во временной области и выполнения обратного преобразования Фурье обеспечивает получение исследуемых параметров антенны с повышенной точностью. Подобным же образом (при фильтрации поля антенны) могут быть определены значения рассеянного поля на рабочих частотах и погрешность, вносимая рассеянием в измеряемые характеристики антенны.

В параграфе 3.3 изложены результаты разработки рассматриваемого метода для антенных измерений в ближней зоне. В разделе 3.3.1 анализируется поле во временной области, синтезируемое при многочастотных измерениях в ближней зоне зеркальной параболической антенны. Для плоской поверхности, сканирования рассмотрена импульсная переходная характеристика (ИПХ) антенны. Определены границы временного интервала, в котором сосредоточено поле исследуемой антенны. Приведены рассчи тайные зависимости ИПХ и синтезированного поля антенны для разных координат измерительного зонда на плоскости сканирования. Показано, что при широкой полосе частот временная зависимость синтезируемого в ближней зоне антенны сигнала имеет выраженные максимумы (импульсы). При положении зонда вблизи центра прожекторного луча антенны выделяются два импульса. Запаздывание второго импульса относительно первого соответствует разности времен распространения сигнала, отраженного от вершины и от края зеркала. Амплитуда второго импульса зависит от уровня облучения края зеркала. Интерференция отмеченных компонентов поля антенны обуславливает осцилляции частотной зависимости измеряемого сигнала. В разделе 3.3.2 дается описание установки, на которой проводилась апробация метода - разработанного в НИРФИ макета стенда для измерения характеристик антенн в ближней зоне. Сканирование поля семиметровой зеркальной параболической антенны, ориентированной в зенит, осуществляется за счет ее поворотов вокруг вертикальной оси при быстром вращении измерительного зонда в горизонтальной плоскости по дуге окружности, проходящей над осью вращения антенны. Стрела сканера, перемещающая зонд, имеет «ажурную» трубчатую конструкцию с целью внесения минимальных искажений в измеряемое поле антенны. Экспериментальная оценка уровня рассеянного поля и его распределения по плоскости сканирования выполнялась с использование многочастотного метода. В тексте приведены параметры сканирующего устройства и аппаратуры, схема СВЧ тракта установки. Совместный частотный диапазон используемых на стенде измерительных приборов - амплифазометра ФК2-24 и генератора Г4-80 - составляет 1,5 ГГц., что позволяет реализовать разрешение во временной области, достаточное для геометрии данной установки. Отсутствие программного управления частотой генератора и гетеродина амплифазометра существенно ограничивает возможности многочастотных измерений на данной установке. Апробация метода проводилась в полуавтоматическом режиме. В разделе 3.3.3 рассмотрены методические вопросы многочастотных измерений на стенде НИРФИ. Определены условия выбора дискрета и полосы частот. Приведено соотношение, определяющее по известной геометрии установки и с учетом дискретности перестройки частоты, границы временного интервала, в котором сосредоточено поле антенны. Проведенное моделирование показало, что на стенде возможен синтез импульса длительностью порядка 1,5нс (в пространстве 40...50 см). Поле антенны сосредоточено в интервале, длительностью от 3,3 до 10 не (от 1 до 3 м), в зависимости от координат измерительного зонда. Максимальная разность хода между полезным сигналом и помехами, однократно переотраженными между стрелой сканера и зерка лом антенны, составляет около 18 м. С учетом названных значений ожидаемых параметров сигналов во временной области дискрет перестройки частоты должен составлять не более б... 15 МГц. В разделе 3.3.4 рассматриваются экспериментальные результаты, полученные на стенде. Приведены частотные зависимости амплитуды и фазы сигнала, измеряемого в разных точках поверхности сканирования. Осцилляции амплитудной зависимости свидетельствуют о наличии в измеряемом сигнале нескольких компонентов с разными задержками. Эффективная полоса частот, определяемая СВЧ трактом установки, составляет порядка 1 ГГц, что позволяет получить разрешение по времени, близкое к ожидаемому. Представлены и проанализированы сигналы во временной области, синтезируемые при разных параметрах измерений. Во временной области сигнал разделяется на несколько составляющих. В полезном сигнале могут быть выделены составляющая, принимаемая непосредственно через задние лепестки ДН облучателя, и основной сигнал, отраженный от главного зеркала, который, как и ожидалось, имеет форму двойного импульса в центре области сканирования. По запаздыванию помех и известной геометрии установки были определены источники рассеяния. Показано, что основные помехи на данной установке возникают из-за однократных переотражений между сканирующим устройством и зеркалом антенны, а также элементами крепления облучателя. Исследованы уровни полезных и помеховых составляющих в разных точках области измерений. На основной рабочей частоте стенда 5 ГГц восстановлены распределения вдоль радиуса области сканирования «чистого» поля антенны и рассеянного поля, по которым выполнена оценка погрешности, вносимой рассеянием в восстановление ДН антенн на рабочей частоте. Для определения целесообразности использования радиопоглощающего материала измерения выполнялись как без РПМ на сканере, так и при укрытии им части стрелы сканера вблизи зонда. Результаты измерений показали, что в восстановленной ДН уровень помех, вызванных рассеянием, составляет от -10...-15 дБ в главном максимуме и менее -30 дБ вне главного лепестка. Использование РПМ приводит в целом к снижению уровня рассеянного поля. 

Параграф 3.4 посвящен исследованию возможностей многочастотных антенных измерений в дальней зоне. В разделе 3.4.1 дано описание установки, на которой проводился эксперимент. В БЭК размером 6 3х3м размещен серийный измерительный стенд разработки фирмы ORBIT/FR, предназначенный для проведения автоматизированных антенных измерений в дальней и ближней зонах в частотном диапазоне от 1 до 50 ГГц. На стенде используется микроволновый приемник НР8530А и синтезатор частот НР83651В, позволяющие выполнять высокоточные автоматизированные измерения, как на отдельных частотах, так и в диапазоне частот. При многочастотных измерениях использовалось только штатное оборудование и программа управления. В разделе 3.4.2 рассмотрены вопросы, связанные с методикой измерений и обработки. Показано, что на данной установке многочастотные измерения целесообразно выполнять на последовательности из примерно 400...800 частот с дискретом порядка 6...20 МГц. При этом интервал, на котором восстанавливается сигнал во временной области, составляет от 160 до 50 не (в пространстве от 15 до 50 м) с дискретом порядка 3... 10см. Рассмотрена возможность применения нескольких весовых окон в частотной области для лучшего разделения полезных и помеховых сигналов во временной области. Экспериментально показано, что на аппаратуре данного стенда может быть синтезирован импульс с уровнем первого бокового лепестка не ниже -60 дБ и шириной по первым нулям порядка 40 см, на основании чего выбрано оптимальное весовое окно. Проведено моделирование восстановления сигналов в частотной области при обратном Фурье-преобразовании временного массива данных после фильтрации помех. Исследованы погрешности восстановления сигналов в частотной области, возникающие при значительном сужении фильтра во временной области. Показано, что при плавной частотной зависимости и использовании спадающего весового окна возможно уменьшение ширины фильтра во временной области до 3-4 дискретов с сохранением высокой точности восстановления сигналов в центральной части рабочей полосы частот. В разделе 3.4.3 рассмотрены экспериментальные результаты, полученные многочастотным методом при измерении характеристик стандартных пирамидальных рупоров частотных диапазонов от 1 до 18 ГГц. В разделе 3.4.3.1 приведены результаты исследования параметров полей, рассеянных в измерительной установке. Первые же эксперименты показали присутствие в измеряемом сигнале помехи с уровнем порядка -7 дБ и задержкой около 60 см относительно максимума полезного сигнала. По результатам многочастотных измерений был определен источник паразитного отражения и приняты меры к снижению его уровня. Были исследованы распределения сигналов во временной области для разных угловых положений испытуемой антенны, соответствующих разным уровням ее ДН. Результаты показали, что все основные рассеянные сигналы (с уровнем выше -65 дБ) имеют запаздывание не более 10м относительно полезного сигнала. В указанном интервале имеются компоненты с относительным уровнем -25...-35дБ и задержками 0,3... 1м и компоненты с уровнем -40...-45дБ с большими задержками. При измерении низких уровней ДН антенны амплитуда отдельных компонентов становится сравнимой с амплитудой полезного сигнала. Были восстановлены на рабочих частотах угловые распределения рассеянных полей и проведено их сравнение с ДН, измеренными на тех же частотах. Исследовались распределения суммарного рассеянного поля, а также его компонентов с разными временными задержками. По полученным результатам сформулированы выводы относительно уровней и источников рассеянных полей на данном стенде. В разделе 3.4.3.2 анализируются результаты восстановления зависимостей в частотной области по части данных во временной области, соответствующей полю антенны. Поскольку, как показано в предыдущем разделе, задержка ближайших помех составляет 30...60см, для их подавления необходим довольно узкий фильтр во временной области. По экспериментальным данным проведена оценка полосы частот, на которой при использовании узкого временного фильтра не возникает существенных искажений восстановленных зависимостей амплитуды и фазы сигнала. Показано, что при использовании весового окна в частотной области и временного фильтра шириной 40...50 см (±3.. .±4 дискрета во временной области) возможно восстановление характеристик антенны в центральной части размером около половины рабочей полосы частот. Для нескольких пирамидальных рупоров приведены результаты, подтверждающие возможность восстановления сечений ДН в динамическом диапазоне около 50...60 дБ по данным довольно узкого интервала во временной области (40...50см). Приведены также сравнения сечений ДН, измеренных при разных распределениях рассеянных полей в БЭК. Показано, что различия в боковых лепестках ДН, наблюдаемые при обычных (од-ночастотных) измерениях, устраняются с использованием многочастотных методик. В параграфе 3.5 сформулированы результаты третьей главы.

В заключении приведены основные результаты диссертационной работы.

В приложении приведены акты о внедрении результатов диссертации в ФГУП ЦНИИ «Комета» и ФГУП ОКБ МЭИ.  

Особенности методик измерения характеристик антенн малобазового интерферометра по сигналам естественных внеземных радиоисточников

Вопросы организации корреляционных измерений рассматривались в работах [110-113,120,124,131 Д37Д 45,150,161]. На их основе в данном параграфе обсуждаются основные особенности методик корреляционных измерений по дискретным радиоисточникам, обусловленные, в первую очередь, большой продолжительностью измерений.

Продолжительность измерения характеристик антенн по радиоисточникам определяется необходимым временем накопления сигнала и объемом измеряемых данных. Измерение даже одного сечения ДН в предельно широком динамическом диапазоне может потребовать нескольких часов. Для двумерных распределений (матриц) ДН объемом до нескольких десятков тысяч комплексных отсчетов необходимое время достигает десятков часов. При исследовании характеристик крупных антенн желательно, чтобы за время сеанса угол места источника менялся незначительно во избежание искажений, вносимых переменными гравитационными деформациями. Практически это ограничивает продолжительность одного сеанса несколькими часами (не более 2-3). Измерение больших матриц ДН приходится разбивать на несколько сеансов и выполнять их по частям в течение нескольких суток (как правило, в ночное время) на близких углах места источника.

При большой продолжительности измерений значительные погрешности могут возникать из-за медленных изменений (дрейфов) параметров аппаратуры и трактов. Поэтому особое внимание следует уделять организации калибровок. Нами при проведении измерений использовались калибровки различных типов. Часть из них аналогична калибровкам в обычных радиоастрономических измерениях с подключением на вход приемника согласованной нагрузки, генератора шума, наведением исследуемой антенны на источник. В корреляционных измерениях по естественному радиоисточнику дополнительные возможности для калибровок появляются из-за его постоянного смещения относительно базовой линии интерферометра. Рассмотрим подробнее возможности таких калибровок.

На рисунках 1.5 и 1.6 приведены примеры записи выходного сигнала корреляционного радиометра при сопровождении радиоисточников Кассиопея-А и Лебедь-А двумя 25-метровыми антеннами, с базовым расстоянием около 100 метров. Приведенные результаты (полученные в разное время) демонстрируют характер изменения выходного сигнала интерферометра за время прохождения источником углового сектора от на- правления вдоль базовой линии до перпендикулярного ей. Заметна переменность периода интерференционного сигнала, а также неравенство усиления косинусного и синусного выходов приемника. На рисунке 1.6 хорошо видны периодические изменения амплитуды выходных сигналов, обусловленные уменьшением значения корреляционной функции из-за изменения геометрической задержки и регулярной коррекцией уровня сигнала введением соответствующей аппаратной задержки .

Значения вводимой переменной аппаратной задержки могут определяться по расчетной зависимости изменений геометрической задержки в случае, если параметры базы (три проекции на оси декартовой системы координат) известны. При неизвестных параметрах базы зависимость задержки от координаты источника определяется по максимуму сигнала интерферометра в предварительных измерениях. Следует отметить, что приведенные на рис. 1.5 и 1.6 записи относятся к предварительным измерениям, в которых аппаратная задержка вводилась по расчетным данным, но, очевидно, без достаточного учета постоянной составляющей разности хода сигналов в трактах антенн и приемника (т.н. инструментальной задержки). Этим объясняется наблюдаемая модуляция амплитуды порядка 10% (запись выполнена на скате корреляционной функции). В последующих измерениях инструментальная задержка была тщательно прокалибрована (она составила 16 не), что позволило существенно уменьшить модуляцию амплитуды сигнала (см. рис. 1.7). Кроме того, следует отметить, что в проведенных измерениях для уменьшения модуляции амплитуды переменная аппаратная задержка вводилась с упреждением на половину дискрета от расчетных значений.

Во время сеансов измерения характеристик антенн медленное (и линейное на коротких интервалах времени) изменение фазы сигнала, обусловленное изменением геометрической задержки, предоставляет возможность реализовать простую и эффективную калибровку путем сопровождения источника обеими антеннами в течение времени, необходимого для записи, как минимум, одного интерференционного периода. По записи определяются текущие значения таких параметров, как разность усиления каналов приемника, неортогональность выходных сигналов и «нулевые» уровни в обоих каналах. Пример подобной калибровки показан на рисунке 1.7. Представленные звездочками и кружками измеренные временные зависимости выходных напряжений обоих каналов корреляционного приемника аппроксимированы методом наименьших квадратов функцией вида

По найденным таким образом значениям ACjS, pc s и ac,s определяются введенные в соотношение 1.26 предыдущего параграфа параметры коррекции для выполненной калибровки: a=A/As, 8(p=n/2-((pc-(ps), SCyS=aC)S.

Период проведения калибровок определяется характерным временем изменения параметров аппаратуры и трактов и составляет порядка нескольких десятков минут. По результатам калибровок, выполненных до начала, в процессе и по окончанию измерения характеристик исследуемой антенны, производится линейная интерполяция зависимости от времени параметров a, 5q , Sc s и Ас. Выходные сигналы приемника, измеренные в процессе сканирования ДН, подвергаются коррекции с использованием текущих значений калибровочных констант: После этого характеристики исследуемой антенны рассчитываются по формулам:

Очевидно, что для определения фазовой ДН антенны Ф(0) и при восстановлении АФР поля в апертуре необходимо исключить из фазовой зависимости измеренного сигнала т.н. «интерференционную» компоненту, обусловленную изменением геометрической задержки за время измерений.

Нами применялись разные методики для коррекции фазовой зависимости. В одних случаях использовались результаты рассмотренных выше калибровок и определяемые в них параметры - период интерференционной составляющей (см. рис. 1.7 и соотношение 1.27). По двум последовательным калибровкам, определялись начальная фаза фІ5 период интерференции Ті и его производная dT/dt=(T2i)/(t2i), где ti и t2 - время первой и второй калибровок. После этого фазовая зависимость значений ДН, измеренных в моменты времени t„ между этими калибровками подвергалась коррекции: Ф(9) = Ф(Є(ґп )) - ф1 - 2n(tn - tx )(11 Ті + (11Т2 -1 / Ті )( n - h) l{t2 - tx)) (1.30)

Очевидно, что погрешность восстановления фазовой ДН Ф(В) зависит в данном случае от погрешности определения периода интерференции и его производной. Опыт показывает, что такая методика может использоваться на участках движения источника с плавным изменением периода интерференции, т;е. вдали от направления вдоль базовой линии.

Обзор методик и результатов топографических измерений параметров крупнейших зарубежных радиотелескопов

В таблице 2.1 приведены выборочные сведения о голографических измерениях на крупнейших зарубежных радиотелескопах, опубликованные, в основном, в работах [15, 33, 34, 37—48]. Указано местоположение телескопа, диаметр его зеркала, год проведения измерений, размер опорной антенны (ОА) и место ее установки , источник радиоизлучения, его угол места, частота, точность поверхности зеркала, погрешность голо-графических измерений. Даны краткие сведения об особенностях измерения матрицы ДН и восстановления АФР, результатах юстировки. При сравнении результатов голографических измерений следует иметь в виду, что разные авторы по разному оценивают их точность. Иногда приводится оценка случайной составляющей погрешности восстановления формы зеркала, полученная по отношению сигнал/шум в максимуме ДН с использованием соотношения (2.48). Чаще всего в качестве характеристики точности приводят "повторяемость" (обозначим ее символом 5) - усредненную по апертуре (или ее части) разность нескольких реализаций, полученных при одинаковых условиях. Для оценок неровностей зеркала и ошибок измерений используют значения как в направлении вдоль оси зеркала (обозначим их как СУ2 и 5Z), так и по нормали к его поверхности (CJJL и 5j_). Приводятся также "взвешенные" оценки (CTW и 8W) - с учетом распределения амплитуды поля в апертуре, теней от контррефлектора и опор. Некоторые авторы приводят оценки "истинных" неровностей зеркала (C и 8 ), учитывающие конечное разрешение восстановленного распределения поля в апертуре (с коррекцией на сглаживающую функцию R(x), см. рис. 2.5.) В целом приведенные данные отражают широкое использование рассматриваемого метода и разнообразие применяемых методик. При довольно близких значениях относительной точности (0,0015...0,006)-А, ( 1...4 по фазе) абсолютная точность определения линейных смещений выше, как и следовало ожидать, в измерениях на более высоких частотах. Рассмотрим подробнее результаты измерений на миллиметровых радиотелескопах, где была достигнута наивысшая точность.

Измерения на 45-метровом радиотелескопе в Нобеяма выполнялись по узкополосному сигналу радиомаяка ИСЗ частотой 19,45 ГГц при угле места 48 [15,48]. Сведения об аппаратуре и схеме ее расположения приведены в следующем параграфе. Зеркало этого радиотелескопа состоит из 600 панелей размером около 1,2x2,2м2. Для уменьшения температурных деформации внутренняя часть зеркала (Г 18м) изготовлена из уг-лепластовьгх панелей. На двух крайних кольцах (18м Г 22,5м) использованы панели из перфорированного алюминия. Положение каждой панели регулируется дистанционно управляемыми моторами с шагом 9 мкм. Первичная юстировка рефлектора была выполнена геодезическим методом в 1982-83 годах со среднеквадратичной погрешностью (3 =21 Омкм при точности поверхности панелей 60 мкм. В результате регулярных ра диоголографических измерений в период с 1985 по 1992 год (например, в 1990 году было выполнено 36 независимых измерений карт зеркала с разрешением по апертуре 43 см) точность рефлектора была последовательно улучшена до G W=65MKM. По данным радиоголографической юстировки точность зеркальной системы радиотелескопа (с учетом неровностей контррефлектора и семи вспомогательных зеркал) была оценена величиной CTW=103MKM.

Измерения КИП антенны на частотах 110 ГГц и 147 ГГц подтвердили улучшение качества поверхности и дали оценку точности ЗС (JW=129MKM ±18 МКМ. Расхождение в оценках, полученных разными способами, обусловлено, по мнению авторов, как погрешностями измерений КИП, так и систематическими ошибками голографических измерений. В работе [48] приведены интересные подробности этих измерений. Так, например, было выявлено наличие разности уровней (ступенек порядка 100 мкм, СКО) в углах соединений четырех соседних панелей, положение которых регулировалось одним мотором. После устранения этих ступенек, выполненного вручную в 1990 году, точность поверхности зеркала была улучшена с CTW=140 мкм до (lw=90 мкм. Наилучшая повторяемость результатов 5W=40 мкм получалась при измерениях в ночное время при облачной погоде. Несмотря на то, что на рефлекторе имеется специальная система циркуляции воздуха, поддерживающая равномерную температуру каркаса с точностью 0,3, температурные воздействия на поверхность панелей ограничивали повторяемость измерений. Так разность карт зеркала, измеренных в ночное время при ясном и при облачном небе, демонстрировала наличие деформаций в центрах алюминиевых щитов величиной до ОД мм. При сравнении карт, полученных ночью и днем, эти деформации увеличивались до 0,3 мм. На углепластовых щитах подобных деформаций замечено не было. 30-метровый радиотелескоп в Пико-Велета [15, 41] предназначен для наблюдений на длинах волн до 1 мм. Его главное зеркало состоит из 210 панелей со средним размером 2x2 м . Среднеквадратичная погрешность их изготовления составляла 26 мкм. Среднеквадратичные ошибки первоначальной установки, контролированной геодезическими методами при ориентации антенны в зенит, оценивались в 160 мкм (СКО по нормали к поверхности, что соответствует 145 мкм СКО вдоль оси зеркала). Высокая точность поверхности рефлектора обусловила необходимость выполнения голографических измерений на высоких частотах. Это обстоятельство, а также желание исследовать реальную форму зеркала на рабочих углах определило выбор в качестве сигнала для голо-графических измерений линию излучения пароводяного мазера в Орионе (частота 22,235 ГГц, ширина линии около 50 кГц), всплеск интенсивности которого наблюдался с 1976 года. С использованием опорного зеркала диаметром 1,75 метра, установленного за облучателем исследуемой антенны, выполнялись измерения матрицы из 32x32 значений ДН с шагом 72" по обеим координатам [41]. Время измерения одного значения ДН составляло около 33 секунд, из них 18 секунд - время накопления сигнала при сопровождении источника. Для ослабления воздействия переменных гравитационных деформаций продолжительность измерений за одни сутки ограничивалась пятью часами при углах места радиоисточника выше 38 (средний УМ за время сеанса составлял около 45). Измеряемая матрица разбивалась на семь частей - центральную часть размерностью 16x16 (время измерений 2,5 часа) и шесть боковых по 8x16 отсчетов (1,25 часа каждая). Для повышения точности и оценки повторяемости результатов проводилось усреднение по двум реализациям, полученным при идентичных условиях измерения матрицы ДН. С целью уменьшения влияния несимметрии (астигматизма) ДН облучателя исследуемой антенны выполнялось также усреднение карт зеркала, измеренных при «основном» положении облучателя и при его повороте на 90. В результате программа измерения четырех матриц ДН занимала, как минимум, восемь суток (при условии одинаковых погодных условиях и отсутствия сбоев аппаратуры). Общая продолжительность одного цикла измерений составляла 40 рабочих часов, из них 22 часа "чистого" времени накопления сигнала.

Физические основы многочастотных антенных измерений

Традиционным способом снижения влияния рассеяния является укрытие элементов установки радиопоглощающим материалом (РПМ), а также проведение измерений в безэховых камерах (БЭК) - помещениях, внутренние стены которых облицованы РПМ с целью создания в камере (или в ее части, т.н. «безэховой зоне») условий, приближенных к условиям свободного пространства [16,95,102]. При создании и эксплуатации БЭК необходим контроль качества безэховости. Существуют различные методики аттестации БЭК и РПМ [16,96-102], позволяющие определять источники и уровни отражений и принимать меры к их уменьшению. В частности, для этого широко применяются различные способы измерений во временной области [16,98-100]. С использованием разработанных методик аттестации удается добиваться низких уровней рассеяния в БЭК (т.н. коэффициент безэховости достигает значений 40.. .50 дБ и выше [16,96,100]), что позволяет проводить измерения характеристик антенн в таких камерах с достаточно высокой точностью. Однако методы аттестации БЭК и РПМ не предназначены для выявления рассеянных сигналов непосредственно при измерениях характеристик антенн. Как правило, аттестация выполняется в «пустой» камере - до полного монтажа измерительной установки (поворотных устройств, сканеров и пр.). В результате параметры рассеяния, измеренные при аттестации БЭК, могут существенно отличаться от их реальных уровней и распределений при антенных измерениях.

Для измерения характеристик антенн с повышенной точностью, а также определения уровня и пространственного распределения поля, рассеянного в установке, был предложен т.н. многочастотный способ [118], предусматривающий регистрацию комплексных значений поля антенны на ряде частот и последующее Фурье преобразование данных с переходом во временную область, где при определенных условиях возможно разделение составляющих измеренного сигнала. Данный метод является альтернативой измерениям во временной области, он обладает теми же возможностями, но реализуется на стандартной аппаратуре для антенных измерений в частотном диапазоне (амплифазометр, синтезатор частот). Подобные методики широко применяются при исследовании параметров СВЧ трактов и устройств, радиолокационньк характеристик объектов [103—105], использовались они и при аттестации некоторых типов РПМ [98].

В данной главе рассматриваются возможности многочастотного способа на примере стенда для планарных измерений в ближней зоне, а также установки для антенных измерений в БЭК. Приведены результаты экспериментального исследования возможностей способа, как для определения параметров рассеянного поля, так и для измерения характеристик антенн с повышенной точностью.

При наличии рассеяния исследуемая антенна кроме полезного сигнала, приходящего непосредственно от излучателя, принимает также и помеховые сигналы, переотраженные от элементов измерительной установки и от окружающих предметов. В этом случае сигнал на выходе ИА может быть представлен в виде суммы нескольких составляющих, распространяющихся от излучателя разными путями где А(ю), ф(со) — амплитуда и фаза излучаемого сигнала на частоте со; ак(со) — коэффициент передачи k-ой составляющей, Гк -разность путей распространения к-ой составляющей в измерительном и опорном трактах, включая линии передачи и свободное пространство. Многочастотный способ измерений [118, 119] представляет собой синтез во временной области отклика исследуемой антенны на широкополосный сигнал, реализуемый путем регистрации выходных сигналов ИА в диапазоне частот и последующего Фурье преобразования измеренных данных с переходом во временную область При этом во временной области происходит разделение составляющих с разным временем распространения КоМПОНеНТЫ Sk(t) ОТЛИЧНЫ ОТ НУЛЯ ЛИШЬ В НеКОТОрОМ Интервале Времен Atft. Например, длительность полезного сигнала определяется разностью максимального и минимального времени распространения сигнала от излучателя до различных участков апертуры ИА. Поэтому, если длительность полезного сигнала меньше возможных времен запаздывания помех, происходит разделение этих составляющих. В полученной зависимости S(t) распознавание полезных составляющих (соответствующих «истинному» полю ИА) производится с учетом известной геометрии измерительной установки. По задержке помех могут быть определены источники рассеяния. Относительные значения амплитуд помеховых компонентов определяются уровнем отражения от отдельных частей установки. Для фиксированного положения ИА ее «истинное» поле на частотах измерений может быть определено путем фильтрации (в простейшем случае, зануления) компонентов Sft(t), соответствующих помехам, и выполнения обратного преобразования Фурье. Подобным же образом (при фильтрации компонентов, соответствующих «истинному» полю ИА) может быть определено значение рассеянного поля на рабочих частотах. Проведение указанной процедуры для всех соответствующих взаимных пространственных положений излучателя и ИА (различных для измерений в дальней и ближней зонах) позволяет определить характеристики ИА с повышенной точностью, либо определить погрешность, вносимую рассеянием в измерения на данной установке обычным, одночастотным методом. На рисунке 3.2 показана блок-схема установки для измерения характеристик зеркальной антенны в ближней зоне. Измерение поля антенны (1) с облучателем (2) производится с помощью зонда (3), перемещаемого сканирующим устройством (4) по плоскости над раскрывом ИА. На схеме показаны приборы, необходимые для реализации многочастотных измерений (генератор, амплифазометр, компьютер), СВЧ линии передачи измерительного (5,6) и опорного (7) трактов, а также обозначены геометрические размеры, существенные для анализа возможностей рассматриваемого способа измерений. Для анализа возможностей многочастотных измерений рассмотрим импульсную переходную характеристику (ИПХ) исследуемой антенны в ближней зоне [119]. В соответствии с принципом Гюйгенса запишем ИПХ зеркальной осесимметричной параболической антенны (см. рисунок 3.2) в виде возбуждения параболоида, зависящее от диаграммы направленности облучателя (будем пренебрегать изменением направленности облучателя в рабочей полосе частот), Н — расстояние от вершины зеркала до плоскости сканирования; F —фокусное расстояние параболоида; И,Ф -координаты зонда в плоскости сканирования; р, ф -координаты точки интегрирования на поверхности зеркала; С - скорость света.

Исследование возможностей многочастотного способа для антенных измерений в безэховой камере

Осцилляции в АЧХ, представленной на рисунке 3.27, обусловлены наличием в измеряемом сигнале нескольких составляющих сравнимого уровня. Временные зависимости, представленные на рисунке 3.28, демонстрируют распределение этих компонентов. Полю собственно исследуемого рупора (полезный сигнал) соответствуют компоненты с задержками вблизи ct « 21 метр. Все последующие локальные максимумы связаны с паразитными переотражениями. Наибольший уровень из помеховых (около -7 дБ) имеет максимум с задержкой 60 см относительно полезного сигнала, равной удвоенной длине зонда. Следовательно, данная помеха идентифицируется как обусловленная переотражением излученного зондом сигнала от элементов крепления в его основании (см. рис. 3.22).

Для проверки предположения об источнике отмеченной помехи основание крепления зонда на вертикальной стойке сканера было дополнительно укрыто РПМ. Полученные после этого частотные и временные зависимости измеренного сигнала (для направления максимума ДН) представлены на рисунках 3.29 и 3.30 . В измеренной АЧХ существенно уменьшилась амплитуда осцилляции. Во временной области наблюдается значительное ослабление компонентов с соответствующей задержкой. Можно отметить также изменение структуры последующих паразитных максимумов, исчезновение отдельных парных пиков.

Последующие измерения в БЭК проводились после устранения отмеченного дефекта укрытия РПМ стойки крепления зонда. На рисунке 3.31 показаны восстановленные распределения сигналов во временной области для нескольких угловых положений ИА, соответствующих различным уровням ее ДН (сечение ДН данного рупора на одной из рабочих частот приведено на верхнем графике следующего рисунка).

Представленные на рисунках 3.30 и 3.31 временные зависимости демонстрируют, что все заметные рассеянные сигналы сосредоточены в интервале задержек порядка 10 метров относительно полезного сигнала (что примерно соответствует удвоенному размеру БЭК вдоль ее оси, совпадающей с направлением излучения зонда,). Вне указанного интервала можно отметить лишь компоненты с задержкой около 20 и 24 метров и уровнем порядка -65 дБ (см. рис. 3.28а и 3.30а). Возможно, эти дальние помехи обусловлены многократньми переотражениями между торцевыми стенами БЭК. Если пренебречь помехами столь низкого уровня, ограничившись анализом сигналов с относительным уровнем выше -60 дБ, то можно увеличить дискрет перестройки частоты до 10...20 МГц, что иллюстрируют приведенные на рисунках 3.32-3.33 результаты, полученные с дискретом 12 МГц.

Внутри отмеченного выше интервала задержек наблюдается значительное число рассеянных сигналов. При измерениях вблизи максимума ДН относительный уровень отдельных помеховых компонентов составляет от -25...-35 дБ (с задержками 0,3...1 метр) до -40...-45 дБ (компоненты с задержками до 10 метров). При измерениях низких уровней ДН амплитуды отдельных помеховых компонентов становятся сравнимы с полезным сигналом (см. рис. 3.31). С учетом величины запаздывания можно предположить, что наиболее близкие помеховые составляющие (с задержками до 1 метра) обусловлены рассеянием на конструкциях расположенных вблизи излучающего зонда (в первую очередь, на сканере). Помехи с большими задержками связаны как с отражениями от боковых стен БЭК, так и с многочисленными переотражениями вдоль оси БЗК от элементов измерительной установки (сканера, ОПУ) и торцевых стен.

Для оценки уровня рассеянного поля на рабочих частотах вычислялось обратное преобразование Фурье по части временной зависимости, соответствующей помехам. С целью определения суммарного уровня рассеянного поля, влияющего на точность измерения ДН, обратное БПФ выполнялось по компонентам во временной области с задержками от 0,3 до 24,5 метров относительно полезного сигнала. Исследовались также уровни рассеянного поля на рабочих частотах, обусловленного отдельными группами помеховых компонентов (с задержками в определенном интервале). Пример восстановленных угловых распределений рассеянных полей на одной из рабочих частот показан на рисунке 3.32. Для сравнения на верхнем графике этого рисунка показано измеренное сечение ДН на той же частоте. Распределения рассеянных полей представлены каждое для двух измерений, отличающихся (незначительно) расположением потенциальных источников рассеяния вблизи излучающего зонда .

С учетом результатов, показанных на рисунках 3.32 можно сформулировать некоторые выводы относительно уровней и источников рассеяния при проведенных измерениях:

При угловых положениях ИА в секторе порядка ±90 от направления на излучатель суммарный уровень рассеянного поля примерно на 20 дБ ниже уровня полезного сигнала (подтверждением этого является также наличие осцилляции порядка 10 % в АЧХ представленной на рисунке 3.29); при больших углах поворота ИА относительный уровень рассеянного поля возрастает и становится сравним с уровнем полезного сигнала (график 3.326).

Практически во всем рассматриваемом интервале задержек присутствуют помеховые компоненты, связанные с переотражениями вдоль оси БЭК. Об этом свидетельствует то, что в центральном угловом секторе измерений уровень помех, в основном, пропорционален уровню полезного сигнала — на всех восстановленных угловых зависимостях рассеянных полей имеются максимумы вблизи центрального направления, характерный размер этих максимумов соответствует ширине главного лепестка ДН ИА. Можно выделить сигналы с разными задержками, угловые зависимости которых практически повторяют на более низком уровне измеренную ДН. Пример такого сигнала (с задержками порядка 0,6 метра) показан на графике 3.32в.

Похожие диссертации на Развитие и разработка методов экспериментального исследования характеристик остронаправленных зеркальных антенн

Исследование характеристик антенной решетки щелевых излучателей на основной частоте и в многоволновом режиме приема Пичугин Владимир Николаевич

Исследование характеристик линейных сфокусированных антенн для радиоволновых технологических и диагностических устройствНизамутдинов, Радис Радифович

Исследование характеристик сферических резонаторных антенн малых электрических размеровКнязев, Николай Сергеевич

Исследование пространственных и энергетических характеристик антенн подвижной радиосвязи за пределами рабочих полос частот в целях обеспечения электромагнитной совместимости Тимашков Владимир Александрович

Исследование и разработка методов проектирования пассивных планарных СВЧ устройств Юдин Павел Николаевич

Разработка метода анализа и исследование электромагнитных полей, создаваемых распределительными сетями кабельного телевидения, в целях обеспечения электромагнитной совместимости с бортовыми радиотехническими системамиРужников Вадим Александрович

Разработка, исследование и практическое применение математических моделей полосковых линий на основе расчета электромагнитного поля методом статистических испытаний Садовский Николай Владимирович

Измерение характеристик антенн в зоне Френеля на разреженной сетке угловКривошеев Юрий Вячеславович

Энергетические характеристики антенны Вивальди в режиме излучения сверхкоротких импульсов и сверхширокополосных сигналовКостиков Григорий Александрович

Анализ городских радиотрасс и обоснование требований к характеристикам антенн базовых станций систем сотовой связи Алексеенко Максим Геннадьевич