Содержание к диссертации
Введение
Глава 1 Состояние современной техники измерений фазовых параметров антенн навигационной аппаратуры потребителя .13
1.1 Влияние характеристик антенн навигационной аппаратуры потребителя при выполнении координатно-временных измерений 13
1.2 Сравнительный анализ методов измерения фазового центра антенны . 20
1.3 Сравнительный анализ методов измерений задержки сигнала в антенне навигационной аппаратуры потребителя 27
Глава 2 Теоретические предпосылки создания исходных эталонов фазовых параметров антенн навигационной аппаратуры потребителя 30
2.1 Анализ поля излучающей системы при измерении фазовых параметров антенн навигационной аппаратуры потребителя 30
2.2 Обоснование метода измерения положения фазового центра антенны в дальней зоне .. 37
2.3 Выбор метода воспроизведения группового времени запаздывания в антенне .44
2.4 Оценка достижимой в безэховых камерах точности измерений фазовых параметров антенн 47
Глава 3 Методы уменьшения погрешностей, возникающих при измерениях фазовых параметров антенн в безэховой камере 56
3.1 Исследование поля излучающей антенны для обоснования размеров рабочей зоны 56
3.2 Исследование поля антенн навигационной аппаратуры потребителя в условиях безэховой камеры.. 64
3.3 Разработка метода уменьшения влияния остаточных отражений в безэховой камере на точность измерения группового времени запаздывания вантенне 69
Глава 4 Разработка эталонных мер задержки для воспроизведения группового времени запаздывания в антенне .79
4.1 Обоснование применимости биконической антенны в качестве эталонной меры задержки 80
4.2 Разработка модели биконической антенны с симметрирующим устройством для расчета группового времени запаздывания 87
4.3 Оценка погрешности воспроизведения единицы группового времени запаздывания эталонными мерами задержки 90
Глава 5 Исследование метрологических характеристик исходных эталонов фазовых параметров антенн навигационной аппаратуры потребителя .100
5.1 Обоснование структуры и принцип работы эталонов 100
5.2 Оценка погрешности воспроизведения координат фазового центра 104
5.3 Оценка погрешности воспроизведения угла сдвига фаз при измерении фазовой диаграммы антенны 108
5.4 Оценка точности измерения координат фазового центра антенны и изменений его положения в зависимости от угла места и азимута 112
5.5 Оценка погрешности воспроизведения группового времени запаздывания в спиральных антеннах методом трех антенн 118
5.6 Сравнение метода эталонного поля и метода эталонной антенны для оценки погрешности передачи группового времени запаздывания в антенне 124
5.7 Оценка точности измерений группового времени запаздывания в антеннах навигационной аппаратуры потребителя 129
Заключение .134
Список литературы
- Сравнительный анализ методов измерения фазового центра антенны
- Обоснование метода измерения положения фазового центра антенны в дальней зоне
- Разработка метода уменьшения влияния остаточных отражений в безэховой камере на точность измерения группового времени запаздывания вантенне
- Оценка погрешности воспроизведения угла сдвига фаз при измерении фазовой диаграммы антенны
Сравнительный анализ методов измерения фазового центра антенны
До появления глобальных навигационных спутниковых систем задача по определению положения фазового центра большей частью касалась рупорных антенн, применяемых в качестве самостоятельных излучателей и в качестве облучателей зеркальных антенн [41]. Данная задача решалась расчетным путем [41, 42, 43, 44] или экспериментально.
Наименее точный метод измерений – метод трех антенн – описан в [45]. Он основан на измерениях отношения мощностей на входе излучающей и на выходе приемной антенн для каждой пары из трех антенн при двух разных расстояниях. Традиционно этот метод применяется для измерений коэффициентов усиления антенн, однако, путем добавления изменяемого параметра – расстояния между антеннами – можно дополнить систему уравнений для определения положения фазового центра каждой из трех антенн. Данный метод не позволяет измерить фазовую диаграмму антенны, поскольку основан на измерениях амплитудных параметров.
Наиболее распространенный метод измерения положения фазового центра антенны заключается в измерении ее фазовой диаграммы в дальней зоне при помощи векторного анализатора цепей и расчете координат фазового центра через измеренную фазовую диаграмму. В [23] были описаны два способа измерения фазовой диаграммы: путем перемещения зонда в некоторой плоскости, изменяя расстояние между антеннами, описывая тем самым фрагмент эквифазного контура и путем перемещения зонда по окружности. Более распространенный способ измерения фазовой диаграммы реализуется путем вращения антенны при помощи опорно-поворотного устройства при неподвижной излучающей антенне.
В миллиметровом диапазоне длин волн используется разновидность данного метода – метод разности фаз (Differential phase method) [46]. Данный метод заключается в измерениях угла сдвига фаз между напряжениями на выходе двух антенн, принимающими электромагнитные волны, излучаемые антенной, вращаемой при помощи опорно-поворотного устройства, с последующим расчетом ее фазовой диаграммы. Этот метод позволяет существенно уменьшить составляющую погрешности измерения фазы комплексного коэффициента передачи между антеннами, связанную с нестабильностью в подводящем тракте и вращающихся соединителях, которая увеличивается с ростом частоты. В [47] приведены результаты измерений координат фазового центра антенны в диапазоне частот от 110 до 190 ГГц с погрешностью не более 0,3 мм. Следует отметить, что метод разности фаз применим только к излучающим антеннам, поэтому он может быть использован только с пассивными антеннами НАП.
Вариант схемы с использованием опорной антенны предложен в [22]. Данная схема позволяет производить измерения при значительном удалении от излучателя (рисунок 1.5). ИА – измерительная антенна; ВА – вспомогательная антенна; ОА – опорная антенны Рисунок 1.5 – Схема измерений фазовой диаграммы антенны при большом расстоянии между антеннами
При небольших расстояниях между антеннами в опорной антенне нет необходимости, т.к. применение фазостабильных коаксиальных кабелей с низкими потерями, а так же широкий динамический диапазон современных векторных анализаторов цепей обеспечивают стабильность характеристик измерительного тракта при изменении конфигурации изгибов кабелей и малую случайную составляющую погрешности измерений фазы комплексного коэффициента передачи. Такие измерения проводятся преимущественно в безэховых камерах (рисунок 1.6). Координаты фазового центра рассчитываются через измеренную фазовую диаграмму антенны по методу наименьших квадратов [23, 31, 34].
Результаты калибровки антенн НАП в безэховой камере без оценки погрешности приведены в [4, 26, 32]. В публикациях [48, 49] рассмотрены факторы, влияющие на точность измерений положения фазового центра. Одним из основных источников погрешности является влияние остаточных отражений в безэховой камере. В публикациях [48, 49] показан частный случай оценки погрешности из-за отражений путем изменения конфигурации установки (изменение расстояния между излучателем и антенной НАП и высоты установки антенн). При этом изменение положения фазового центра достигало 1,5 мм. В данных публикациях отмечено, что значительный вклад в погрешность измерения dPCV вносит источник погрешности, связанный с влиянием опорно-поворотного устройства, крепежных элементов и запитывающего кабеля. Наиболее сильно он проявляется с антеннами без дополнительного экрана для подавления многолучевой помехи – лишь меняя расположение запитывающего кабеля, было получено изменение dPCV до 2 мм [49]. Результаты измерений характеристик антенн с импедансно-кольцевидным экраном практически не подвержены влиянию этой составляющей погрешности [50, 51], поэтому точность их калибровки выше.
На практике также применяют методы измерения фазового центра по сигналам НКА, которые разделяют на абсолютные [5, 52, 53, 54] и относительные [55] измерения. В обоих методах при измерениях используется вспомогательный (опорный) комплект НАП (рисунок 1.7). Оба комплекта НАП синхронизированы по частоте при помощи внешнего опорного генератора. При относительных измерениях обе антенны неподвижны, при этом измеряется угломестная зависимость разности псевдодальностей при движении НКА, а характеристики антенны НАП определяются относительно характеристик опорной антенны. Метод абсолютных измерений отличается тем, что при измерениях антенна НАП меняет угловую ориентацию. В этом случае зависимость разности псевдодальностей от угла места и азимута определяется за счет вращения антенны при помощи манипулятора (рисунок 1.8). Данный метод измерений широко применяется при калибровке антенн в лабораториях Geo++ GmbH (Германия) и NGS (США).
Обоснование метода измерения положения фазового центра антенны в дальней зоне
В соответствии с выражениями (2.27) и равенством ГВЗ в антенне в режиме приема и излучения для измерений ГВЗ действует принцип взаимности, поэтому к определению ГВЗ в антенне применимы основные методы измерений амплитудных параметров: метод эталонного поля, метод эталонной антенны и метод трех антенн.
Поскольку антенны НАП бывают как пассивные, так и активные, то измерение ГВЗ в них проводится в режиме приема. Для этого необходимо обеспечить в некоторой точке в пространстве, в которую помещается фазовый центр антенны НАП известное время распространения сигнала при помощи эталонной антенны с известным значением ГВЗ в ней. Существует два подхода создания эталонных антенн: экспериментальное определение параметров антенн или электродинамический расчет.
Экспериментальное определение параметров антенн возможно методом трех антенн [63, 29]. При этом метод трех антенн позволяет определить неизвестные параметры каждой из антенн в отдельности. Для этого проводятся измерения суммарного ГВЗ в i-ой и j-ой антеннах по формуле gm R Т =Т С а значения ГВЗ в каждой антенне рассчитываются по формулам т 12+т13-т23 12-т13+т23 т13+т23-12 (228 - 230) 1 2 2 2 3 2 где Т1, Т2, Т3- ГВЗ в антеннах №1, 2 и 3 соответственно; Т12 - суммарное ГВЗ в антеннах №№1, 2; Т13 - суммарное ГВЗ в антеннах №№1, 3; Т23 - суммарное ГВЗ в антеннах №№2, 3. Таким образом, доказана возможность применения метода эталонного поля, метода эталонной антенны и метода трех антенн для измерений группового времени запаздывания в антенне. Для реализации методов эталонного поля и метода эталонной антенны необходима антенна с известным значением группового времени запаздывания в ней.
Одним из нормируемых параметров безэховых камер является коэффициент безэховости, который характеризует уровень остаточных отражений, влияющих на однородность поля внутри некоторой рабочей зоны. Коэффициент безэховости используется для оценки точности измерения амплитудных параметров антенн. В связи с расширением номенклатуры измеряемых параметров антенн НАП возникла необходимость оценки влияния остаточных отражений от стен безэховой камеры на точность измерения фазовых параметров антенн.
В литературе [64, 65, 66] встречаются формулы для расчета коэффициента безэховости, выраженные через плотность потока энергии и напряженность электрического поля. Поскольку плотность потока энергии является скалярной величиной и не несет в себе информации о фазе, то целесообразнее представить коэффициент безэховости в соответствии с выражением rj = 20\og , (2.31) E пр где 7] - коэффициент безэховости, дБ; Епр - комплексная амплитуда напряженности электрического поля, создаваемая основным источником ЭМП, В/м; Eотр - комплексная амплитуда напряженности электрического поля, создаваемая отраженными электромагнитными волнами, которая определяется векторной суммой напряженностей Е,, образованных множеством паразитных источников ЭМП, В/м: Еотр=Е1+Е2+... + Еn. В общем случае из-за остаточных отражений возникает отклонение вектора напряженности электрического поля по модулю и фазе, в результате суммы векторов Епр и Еотр формируется смещенный вектор Еизм (рисунок 2.6а): Еизм = Епр + Еотр. (2.32) Еотр Епр Еотр а) сумма векторов б) наибольшее отклоне- в) наибольшее отклоне Eпр и Еотр ние модуля напряжен- ние фазы напряжен ности электрического ности электрического поля поля
При этом наибольшее отклонение напряженности электрического поля по модулю возникает в том случае, когда Ф -Фр =±71 + 2п-n, отр пр где ФE и ФE пр отр аргументы комплексных величин Eпр и Еотр; n – целое число. Границы погрешности модуля напряженности электрического поля рассчитываются по формуле Н = ±20.1В(1-10"/20)[дБ].
Наибольшее значение разности фаз между векторами Епр и Еизм в соответствии с рисунком 2.6в наблюдается при ортогональности векторов Еизм и Еотр. Тогда границы погрешности фазы напряженности электрического поля из-за остаточных отражений определяются соотношением: / отр \ V Eпр ) A0 = +arcsin При измерениях амплитудной и фазовой диаграмм антенн НАП измеряется комплексный коэффициент передачи между излучающей антенной и антенной НАП при помощи векторного анализатора цепей: U+ 21 + g = вь и вх где U вх - комплексная амплитуда напряжения падающей волны на входе излучающей антенны, В; U+вьа - комплексная амплитуда напряжения падающей волны на выходе приемной антенны НАП, которая пропорциональна напряженности электрического поля излучающей антенны Е и связана с ней в общем случае выражением и+вЬ1Х = Е-Кп-(в, р), (2.33) где К„ - коэффициент преобразования, связанный с характеристиками антенны и элементов фидерного тракта. Напряжение U\blx, пропорциональное суммарной напряженности электрического поля Еизм на выходе приемной антенны, с учетом (2.32) и (2.33) представляется в виде:
Разработка метода уменьшения влияния остаточных отражений в безэховой камере на точность измерения группового времени запаздывания вантенне
Начиная, приблизительно, с 6 м, влияние отражений в безэховой камере заметно увеличивается из-за ухудшения коэффициента отражения радиопоглощающего материала при соответствующих углах падения электромагнитной волны на поверхность пола [67].
Чтобы определить поперечные размеры рабочей зоны, были проведены измерения фазовой диаграммы спиральной антенны относительно ее частичного фазового центра в секторе углов в пределах ±15 (рисунок 3.6). Отличие фазовой диаграммы от эталонной фазовой диаграммы в этом секторе углов составило не более 0,3, антенна в этом случае представляется в виде точечного источника электромагнитного поля с точностью до полученной неоднородности поля излучающей антенны в рабочей зоне.
Фазовая диаграмма спиральной антенны, измеренная относительно частичного фазового центра С учетом сектора углов , диаметр рабочей зоны цилиндрической формы составляет не менее 1 м при удаленности от частичного фазового центра излучателя не менее чем на 2 м (рисунок 3.7).
Размеры антенн НАП с экраном для подавления многолучевой помехи, как правило, не превышают нескольких дециметров, что позволяет проводить измерения их параметров в рабочей зоне с полученными размерами для конкретной безэховой камеры и излучающих спиральных антенн. Расстояние между экраном спиральной антенны и фазовым центром антенны НАП при этом не должны превышать 6 м при измерении фазовой диаграммы и находиться в пределах от 2,5 до 6 м при измерении ГВЗ. 3.2 Исследование поля антенн навигационной аппаратуры потребителя в условиях безэховой камеры
Для оценки влияния кривизны волнового фронта и влияния остаточных отражений на результат измерений фазовой диаграммы антенн НАП были проведены измерения параметров распределения поля пары антенн: излучающей спиральной антенны и антенны НАП.
Чтобы выделить взаимные переотражения между антеннами использовалась антенна НАП NovAtel GNSS-750 с импедансно-кольцевидным экраном, т.к. с такими антеннами переотражения наиболее выражены из-за массивности экрана. Расчеты проводились аналогично формулам (3.1) – (3.3). Результаты измерений представлены на рисунке 3.8.
Распределение поля спиральной антенны и антенны НАП Фазовое распределение было измерено при двух ориентациях антенны НАП по углу . Как видно по рисунку 3.8 взаимные переотражения между антеннами ярко выражены только на начальном участке распределения поля, а при значениях R более 2,5 м вносят сопоставимый с отражениями в безэховой камере вклад в отклонение распределения поля. В соответствии с формулой (2.31) и измеренным амплитудным распределением, при расстояниях до 6 м обеспечивается коэффициент безэховости не более минус (40 – 35) дБ.
Влияние кривизны волнового фронта на размере D антенны НАП зависит от угла (рисунок 3.9), с чем и связана разница между фазовыми распределениями при разных на рисунке 3.8. С увеличением расстояния между антеннами эти зависимости начинают сходиться.
Результаты измерений показали, что отличие фазы поля при расстояниях между антеннами 1,5 м и 6 м достигает 14. Однако это не означает, что фазовая диаграмма антенны НАП, измеренная при разных расстояниях имеет такие же отличия, т.к. в большей степени отличие фазовых диаграмм связано с величиной фазовой погрешности поля антенны НАП. Влияние фазовой погрешности поля спиральной антенны при этом незначительно, что подтверждает эксперимент, результаты которого представлены на рисунках 3.10 и 3.11. В данном эксперименте были измерены фазовые диаграммы антенн НАП при разных расстояниях между антеннами и рассчитано отличие измеренных фазовых диаграмм при расстояниях 0,8 и 3 м относительно фазовой диаграммы при расстоянии 6 м.
Конструкция антенн НАП, использованных в эксперименте, имеет различия, как в самом антенном элементе, так и в наличии дополнительного импедансно-кольцевидного экрана (рисунок 1.3). Численно результаты с разными антеннами близки, не смотря на то, что качественно зависимость от у антенн разная. Отличие же фазовых диаграмм при разных расстояниях соответствует разнице между значениями распределения поля по фазе при разных на рисунке 3.8 и не превышает 6-7.
В [49] представлен способ оценки погрешности измерения фазовой диаграммы антенн НАП на примере антенны без дополнительного экрана для подавления многолучевой помехи. Оценка проводится по размеру антенны D и описывается выражением (2.7). Эксперимент подтвердил, что такой подход применим и к антеннам с дополнительным экраном, при этом за размер D антенны в формуле (2.7) принимается не размер экрана, а размер антенного элемента.
Для экспериментального подтверждения применимости полученных в главе 2 формул (2.35) и (2.37) для оценки погрешности измерений фазовых параметров антенн НАП были проведены измерения зависимости модуля и фазы комплексного коэффициента передачи между входом излучающей спиральной антенны и выходом антенны НАП от расстояния при углах в пределах ± 90. Также была измерена зависимость ГВЗ между входом излучающей антенны и выходом антенны НАП от расстояния при углах от 0 до 90. Антенна НАП перемещалась в диапазоне 0,6 м, обеспечивая при этом расстояния между антеннами от 2,7 до 3,3 м. Диапазон перемещения выбран, исходя из оценки наибольшего периода интерференции при соответствующих расстояниях между антеннами, согласно расчетам, приведенным в параграфе 3.4. По измеренной зависимости модуля коэффициента передачи рассчитан коэффициент безэховости, который составил не более минус 40 дБ при расстояниях около 3 м. С учетом коэффициента безэховости и амплитудной диаграммы антенны НАП (рисунок 3.12) были рассчитаны границы погрешности измерения фазы комплексного коэффициента передачи и ГВЗ между входом излучающей антенны и выходом приемной антенны по формулам (2.35) и (2.37).
Оценка погрешности воспроизведения угла сдвига фаз при измерении фазовой диаграммы антенны
Антенна, не содержащая активных элементов, может использоваться как в режиме генерации, так и в режиме измерения. В режиме измерения в эквивалентную схему антенны дополнительно входит сопротивление нагрузки, поэтому для простоты рассмотрена антенна в режиме генерации. В сферической системе координат, ось Z которой совпадает с осью тонкой биконической антенны, а начало координат с геометрическим центром антенны, напряженность поля в направлении максимума диаграммы направленности представляется в виде 01АИ / ,ч Е =0 a" aexpГi(-г + 0La + Фиa -Ф2a + я/2)1, (4.1) 4w ZI L J a где ток на входе антенны выражен через напряжение Ua на ее входе и входной импеданс Za, т. е. Ia = Ua/Za. Из (3.1) следует, что разность фаз между Е и напряжением на входе антенны определяется формулой АФ = -кг + я/2 + Фь - Oz =-кг + АФа. (4.2)
Величина АФ, которую можно назвать фазовой задержкой, состоит из двух слагаемых. Первое слагаемое не зависит от свойств антенны и определяется расстоянием до точки наблюдения от фазового центра антенны, совпадающего для биконической антенны с геометрическим. Его можно трактовать как набег фазы при распространении сферической волны от фазового центра. Второе слагаемое зависит только от свойств антенны.
Приведенные выше формулы относятся к случаю, когда на вход антенны подается гармонический сигнал. Рассмотрим случай, когда на вход антенны поступает узкополосный сигнал. Тогда напряженность электрического поля в дальней зоне будет также представлять собой узкополосный сигнал с той же самой огибающей, но сдвинутой на время задержки Т, которое определяется по формуле: T = -dAO/d( . (4.3) Подставив (4.2) в (4.3), получим T = d(kr)/d z + Ta, где сигнала в антенне.
Таким образом, ГВЗ в антенне в режиме генерации рассчитывается через аргументы входного сопротивления и действующей длины антенны. Для биконических антенн в [68] были проведены точные расчеты этих параметров в ограниченном диапазоне частот. Для того чтобы рассмотреть ГВЗ в биконической антенне в более широком диапазоне частот, можно использовать приближенные формулы, которые были получены для тонкой биконической антенны в [62, 71]: где 50(JC) - ряд Щелкунова [72], выражающийся через интегральные синусы и косинусы; fi = ln параметр, характеризующий толщину биконической антенны; 30 - угол раскрыва конуса ($0 = 2 у); b - длина образующей конуса; ЛХ- ) - функция Бесселя; Я 2) (х) - функция Ханкеля второго рода. Согласно [73] формула (3.6) представляется в виде: SoM—: m , (4.7) ikbxrieT \ + z 4 J-1 R где R = yj(kbf+x2-2kbxz. При x = kb (3.7) принимает вид: 50(А&) = Г ! 1іп1±і&. (4.8) В соответствии с выражением (4.8) были получены значения S0(kb) kb (рисунок 4.1) и интеграла G(kb) = jS0(x)dx, необходимые для расчета о параметров тонкой биконической антенны по формулам (4.4) и (4.5). Расчеты параметров антенны производились для параметра , равного 3, 10, 30 и 100. Параметр = 3 недостаточно велик для приближенных формул, однако соответствующий ему угол раскрыва 305,8 близок к размерам биконических антенн, которые возможно изготовить, тогда как уже при = 10 угол раскрыва 30 0,0052. 1,00 kb/я
На рисунке 4.2 приведены результаты расчета входного сопротивления тонкой биконической антенны в зависимости от безразмерного параметра kb, который связан с частотой: Л с 2п-Ъ Входное сопротивление в начальном диапазоне частот представляет собой полностью реактивное сопротивление. С ростом частоты увеличивается действительная часть входного сопротивления, тогда как мнимая часть входного сопротивления приближается к нулевым значениям и далее поведение входного сопротивления имеет периодический характер. б) модуль входного сопротивления Рисунок 4.2 - Входное сопротивление биконической антенны вблизи резонанса При обращении мнимой части входного сопротивления в нуль в биконической антенне наступает резонанс. Частота резонанса зависит от угла раскрыва конуса (рисунок 4.2а) – чем больше угол раскрыва конусов, тем меньше параметр и ниже частота резонанса. При резонансное значение kbрез/2.
Модуль входного сопротивления в резонансе также зависит от размера антенны (рисунок 4.2б). С увеличением параметра модуль входного сопротивления антенны стремится к сопротивлению линейного полуволнового вибратора, равному 73,1 Ом. С уменьшением параметра модуль входного сопротивления антенны уменьшается. Подбирая угол раскрыва конусов, можно настроить входное сопротивление биконической антенны в резонансе, равное волновому сопротивлению линии передачи для обеспечения согласования.