Устройство для измерения параметров фар
Изобретение относится ктехнике антенных измерений и может быть использовано в составе комплекса для измерения параметров ФАР со строчно-столбцевым управлением с помощью неподвижного зонда. Цель изобретения - повышение точности. Для этого устройство содержит три делителя частоты на р, q, r, смеситель, фазовращатель на 90°, усилитель промежуточной частоты, два синхроннТЯЗГдетектора и два фильтра нижних частот. Коэффициенты деления делителей частоты связаны приведенным соотношением. 2 ил.
СОЮЗ СОВЕТСКИХ
СОЦИАЛИСТИЧЕСКИХ
РЕСПУБЛИК,, Я,,1756838А1 (51)5 G 01 R 29/10
ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ
ПО ИЗОБРЕТЕНИЯМ И ОТКРЫТИЯМ
ПРИ ГКНТ СССР
ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ
К АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ
Изобретение относится к технике ан-" . Недостатками известного устройства тенных измерений и может быть использо- являются существенйь1е "ошибки измеревано в составе комплекса для измеренйя. ния,-связанные с тем, что искомый сигнал параметров ФАР со строчно-столбцевым определяется как разность между сигналом управлением с помощью неподвижного строки и столбца, модулированных однозонда.. .: временно, и сиг н злами ог-стр о ки и столбца, модулированных раздельно, причем эти
Известноустройство для измерения ам-" сигналы значительно превосходят искомый плитуд и фаз излучения элементов ФАР, со-,.:: сигнал по амплитуде. Кроме того, время иэдержащее генератор СВЧ-колебаний; . мерения большое, что связано с необходинаправленный ответвитель, генератор пря- . мостью использовать три полосовых моугольныхимпульсов,измеряемую ФАРо . фильтра, имеющих nohocy пропускания недискретно-управляемыми фазовращателя- .. - сколько герц. ми, три коммутатора, счетчик, двухразфф-" Наиболее близким по технической сущный фаэовращатель, делитель частоты на К ности к предлагаемому изобретению являдва делителя частоты на 2, делитель частоты — ется устройство для измерения параметров на с, неподвижный зонд, вентиль, СВЧ-сум- .ФАР со строчно-столбцевым управлением, матор, квадратичный детектор, фазовраща- . содержащее генератор СВЧ, направленный .тель на 900, три полосовых фильтра, два ответвитель, генератор прямоугольных имдифференциальных усилителя, два фазовых пульсов, измеряемую ФАР с дискретно упдетектора, два фильтра низкой частоты. - равляемыми фазовращателями из состава
1 (21) 4835863/09 (22) 12.04,90 (46) 23.08.92. Бюл. № 31 (71) Гомельское конструкторское бюро
"Луч" (72) Л.А.Летунов, Г.Ю.Мосолов и О.M.Oáîëî- ник (56) Авторское свидетельство СССР
¹ 1453339, кл. G 01 R 29/10, 1987.
Авторское свидетельство СССР
¹ 1497589, кл, G 01 R 29/10, 1987, (54) УСТРОЙСТВО ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЯ ПАРАМЕТРОВ ФАР
{57) Изобретение относится к технике антенных измерений и может быть использовано . в составе комплекса для измерения параметров ФАР со строчно-столбцевым управлением с помощью неподвижного "зонда.
Цель изобретения - повышение точности. .Для этого устройство содержит три делителя частоты на р, q, r,"смеситель, фазовращател ь на 900, усилитель промйкуточной частоты, два СинхронййГ детектора и два фильтра нижних частот. Коэффициенты деления делителей частоты связаны приведенным соотношением. 2 ил.
1756838 измеряемой ФАР, делитель частоты на 2, йеподвижный зонд, измеритель разности фаз и ослаблений, фазовращатель на 90, заградительный фильтр, фазовый манипулятор, усилитель промежуточной частоты, 5 измерители уровня и разности фаз.
Недостатком известного устройства является то, что на вход фазового манипулятора, осуществляющего перемножение измерительного сигнала с сигналом генера- 10 тора прямоугольных импульсов (манипуляция синхронно . с манипуляцией измеряемого элемента), поступает измерительный сигнал, представляющий собой суперпозицию фазоманипулированных 15
cvIl HBRoB строки, столбца и измеряемого элемента, на пересечении которых он находится. При этом частота манипуляции строки и элемента совпадают, а фаза сдвинута на 90 . Если погрешность перемножения фазового манипулятора составляет 1 /, то
20 ввиду того, что в случае синфазного суммирования уровень сигнала от строки для больших ФАР может превышать уровень сигнала от элемента в 100 раз и более, погрешность измерения полезного сигнала от элемента ФАР может достигать величин
100% и более, Уменьшение этой погреи ности связано с необходимостью предварительной расфазировки ФАР по строке в направление на неподви>кный зонд, что ве30 дет к существенному увеличению времени измерений.
Цель изобретения — повышение точности и уменьшение времени цикла измерений ФАР со строчно-столбцевым 35 управлением; . Поставленная цель достигается тем, что в устройство для измерения параметров
ФАР со строчно-столбцевым управлением; состоящее из генератора СБЧ, направлен- 40 ного ответвителя, генератора прямоугольных импульсов, измеряемой ФАР с дискретно управляемыми фазовращателями из состава измеряемой ФАР, неподвижного зонда, измерителя-разности фаз и 45 ослаблений, причем выход генератора СБЧ через один выход направленного ответвителя соединен с входом ФАР, а через второй ...
-"с опорным входом измерителя разности фаз и ослаблений, измерительный вход ко- 50 торого соединен с выходом неподвижного зонда, введены три делителя частоты на р, q и r, два балэнсных смесителя, фазовращатель на 90, два полосовых фильтра, два синхронных детектора и два фильтра ниж- 55 нйх частот, причем выход генератора прямоугольных импульсов соединен с входами делителей частоты на р, q и r, выход делителя частоты на р соединен с входом управления ФАР по строкам, выход делителя частоты на ц соединен с входом управления ФАР по столбцам, выход делителя частоты нэ r соединен с вторым входом первого синхронного детектора и вторым входом второго синхронного детектора, выход измерительный измерителя разности фаз и ослаблений соединен с первыми входами первого и второго балансных смесителей, вторые входы которых соединены с опорным выходом измерителя разности фаз и ослаблений, второго балансного смесителя непосредственно, а первого балансного. смесителя через фазовращатель на 90 . выход первого балансного смесителя соединен с входом первого полосового фильтра, выход которого соединен с первым входом первого синхронного детектора, выход первого синхронного детектора соединен с входом первого ФНЧ, выход второго балансного смесителя соединен с входом второго полосового фильтра, выход которого соединен с первым входом второго синхронного детектора, выход второго синхронного детектора соединен с входом второго ФНЧ, На фиг.1 приведена структурная схема предлагаемого устройства; на фиг,2- графики его работы.
Устройство для измерения параметров
ФАР со строчно-столбцевым управлением содержит генератор 1 СВЧ, направленный ответвитель 2, генератор 3 прямоугольных импульсов, измеряемую ФАР 4 с дискретно управляемыми фазовращателями 5 из состава измеряемой ФАР, делитель 6 частоты на р, делитель 7 частоты на ц, делитель 8 частоты на r, причем коэффициенты деления
1 1 1 р, q u r связаны соотношением — =.— — —, Ч P неподвижный зонд 9, измеритель 10 разно- . сти фаэ и ослаблений, первый балансный смеситель11, фазовращатель12 на 90, второй балансный смеситель 13, первый паласовой фильтр 14, настроенный на частоту г —, где — — частота генератора прямой и
ИГЛ Г г К угольных импульсов 3, второй полосовой
Q фильтр 15; настроенный на частоту первый синхронный детектор 16, второй синхронный детектор 17, первый ФНЧ 18, второй ФНЧ 19. В части реализации: генератор СВЧ 1— стандартный {например Г4-80, Г4-81), направленный ответвитель 2 — стандартный, генератор 3 прямоугольных импульсов— кварцевый генератор; делитель 6-8 частоты — построены на базе интервального таймера
КР58ОВИ53, неподвижный зонд 9 — рупорнэя антенна, измеритель 10 разности фэз и
1756838
5 6 ослаблений — стандартный (например, новные параметры ФАР, ФазоманипулироФК-2-20 — 26), балансные смесители 11, 13 ванные сигналы от строки, столбца и элереализованы на стандартных микросхемах мента ФАР, на пересечении которых он
284 КН1А, фазовращатель 12 — фазосдвига- находится, а также немодулированный сигющая LC-цепочка, полосовые фильтры 14, 5 нал от остальных элементов ФАР поступают
15 — реализованы на LC-звеньях, синхрон- на измерительный вход стандартного изменые детекторы 16, 17 — стандартные микро- рителя 10 разности фаз и ослаблений, иссхемы 284 КН1А, ФНЧ 18,19 — фильтры пользуемого в качестве переносчика нижних частот реализованы на последова- опорного и измерйтельното сигналов на тельно соединенных LС-звеньях.: 10 промежуточную частоту измерителя Fpp, заУстройство работает следующим абра-. тем балансные смесйтели 11 и 13 производят перемножение измерительного сигнала
Гейератор 1 СВЧ, работающий на чаС- и опорного, причем для балансного смеситоте, возбуждает исследуемую антен- . телЯ 11 опоРный сигнал сдвинут на 90, В
15 результате на выходах балансных смеситеную решетку 4. На расстоянии порядка лей присутствуют сигналы, пропорциональразмеров ФАР расположен неподвижный ные квадратурным составляющим зонд 9, соединенный с измерительным вхо- измерительного сигнала, перенесенного на дом стандартного измерителя разности фаз низкую частоту. Полосовые фильтры 14 и 15 и ослаблений, на опорный вход которого 20 выделяют составляющие сигнала на разнопоступает опорный сигнал от генератора ЛQ
СВЧ 1. На вход управления строки, на кото- стной частоте -У, кОтоРые детектиРУютсЯ рой находится измеряемый элемент, посту- . синхронными детекторами 16 и 17 и через пает сигнал управления, представляющий фильтры 18 и 19 низких частот, которые от. собой меандр с частотой переключений 25 фильтровываютпеременныесоставляющие
Q Q
„от делителя 6 частоты на р где сигналов, посыпают на выход схемы. На
1 выходе ФНЧ 18 и 19 присутствуют сигналы, - частота генератора 3 прямоугольных постоЯнное напРЯжение которых пропорци Л онально sin- u cos-компонентам импульсов. При этом, если задействуется 30 спектральной составляющей фазоманипудискрет X фазовращателя, то осуществля- лированного сигнала выбранного элемента ется фазовая модуляция СВЧ-сигнала с йн.- Ио+АЙ дексом модуляции 7г/2, если задействуется АР на частоте 2 . Эти сигналы да.дискрет х /2 фазовРащателЯ вЂ” индекс мо лее постуйают на цифровые вольтметры и дуляции х /4 и т.д. На вход управления 35 считываются ЭВМ, осуществляющей дальстолбца, на котоРом находитсЯ измеРЯемый нейшую обработку элемент,поступаетсигналуправления-ме- Определим спектр фазоман и л а" а мани пули роандр с частотой = от делителя 7 ванного сигнала элемента; находящегося на пересечении строки, фазовращатели коточастоты на q. Если отношение частот сигна- 40 рой манипулированы по ф ловуправлениястолбцаистроки = )бы- . частотой следования . импУльсов
Я ц пп ражается простой неделимой т-" =у — и столбца; фазовращатели которациональной дробью, то спектр сйгнала poro манип р ан ф рого манипулированы по фазе меандром с манипуляции элемента, общего для строки 45 частотой следо а у следования импульсов и столбца, содержит компоненты на разно- Q" П
Q — = — —. Для этого необходимо опредеГ лить прямое преобоазование cbvnbe 4 азоследует заметит, что спектры фазоманипулированныхсигналовотстрокиистолбцане о пр дстави вв манипулированного сигнала изме яемого
50 элемента, который можно представить В ви- имеют составляющих йа разностной частоте, если QM Q" выбрать из условия с- Г II
ЬЯ<Гс Mh,Q< Q, Как будет показано (t) =gt) сов(о.с+в())=А() ав ю-д.(t)sin (0) = ниже, на основании измерений спектраль- . =А() ОБО(0) со ь® ®) s " () " "() ной составляющей сигнала от элемента 55
ФАР на разйостной частоте при разлйчных о . видах фазовой манипуляции можно полно- где — — несущая частота генеРатора СВЧ 1.
2л стью определить параметры каналов ФАР и зависимости амплитуды A(1) и фазы g(g) д Р ф СОстОЯ сигнала 1(т) от времени определяются сигнаний каналов, по которому определяются ос1756838 лами управления по строке и по столбцу.
Если при манипуляции оба сигнала управления задействуют только дискрет х фазовращателей строки и столбца, то измеряемый элемент, общий для строки и столбца, будет 5 проманипулирован по фазе результирующим сигналом управления, представля)ощим собой объединение управляющих сигналов строки и столбца операций ИСКЛЮЧА10ЩЕЕ ИЛИ (фиг.2). 10
1(t) = 1 (т)()1 "(t), (2) где 1 (t) — управляющие сигналы строки и столбца, принимающие два значения: О— дискрет л фазовращателей выключен, 1— в ключе н,.: 15
Комплексную амплитуду сигнала f(t) (1)
8(t) - Ac(t)+ JAs(t),, (3) где J — мнимая единйца,. при двух значениях сигнала управления 1{t)
О и 1 обозначим ао и àt соответственно 20
ap = Acp + )Азо, . (4)
àt = Ac>+ JAs>.
Используя (3) и(4), сигнал f(t) можно переписать в виде
f(t) = Act cos Cdp t — As) sin QJo t) 1(t) + 25
+ (Amp cos ep t — Asp sin ep t) (1-1(t)), (5) или
f (t) = Ао cos аз t — Ao зЬ ац t +
+ ((Аа1 — Аса) cos Иэ t — (А»1 - А»0) а)п иэ t) ° 1(t) (6) ()
Найдем преобразование Фурье функции
1(t), Для этого в выражение (2) операцйю . ИСКЛЮЧАЮЩЕЕ ИЛИ запишем в виде
1(t) = 1 (ф+)1 "(t) = ) (т) + 1" () — 2 1 () 3 "(т). (7) 35
Преобразования Фурье сигналов 1 (t) -- F< (à) и 1" (t) --+ F>"(cu) известны, оо Яав 6>tj — . 40
Щ-7,, е — а (и»tz ), У .. Од Yl H
F, (è)-Ig е —. l(co-mtt"), »,. з (т ) где д (в) — дельта-функция, Поэтому для преобразован Фурье БО сигнала 1(т) получим
1 (t) е- е Ft (te) = Ft (И) + Fe (й) — — Fg (ttt) Fg (в), (9) где+- операция свертки спектров. 55
Используя известные преобразования
Фурье для функций cos а t u siF) ep t я. --(4-М+с((о (.).), Б »и.t -Ю(и-и.)4(иФи.)), найдем преобразование Фурье сигнала от йзмеряемого элемента f(t) (6): ((tj г(и)= „ф(и-и,)4(и и ))
) . Р(() ->.)- (<+>.G >
<(It«-A«j - (3(и-и,) 3(ию,j)«F,(è)t
t (»! A„) —ð, (8(uáj-3(и ыц))»F (и).
Используя (4), выражение (11) можно переписать в виде )-(аЗ) =Яа„д"(сдавай„)+О,", 8(M+сЗ„))+
- — (j(a„- а а,) Г Ы)»В W - аА, ) е
+ (с, — а ) Р (ад) о (а7+сд)) где верхний индекс+обозначает операцию комплексного сопряжения.
Подставляя выражение для Ft(а) (9) в (12); окончательно получим общее выражение для спектра сигнала f(t):
Г(и).»(а,а(и-и,) а»,а (и и,))
"Ы(4 .)(,(-5).) аЛ - .) (tt -а".1(г, (и и.) Г,"(исаа,)Я вЂ”
- — ((а;а,)(»,(ajt F,"(Qjtg(g-à,))t;
t (а ",:-а»)(ф )» Р,"((аи)» а (и»и.)1).,: а а
Если частоты 2 — и —. выбрать таким обраа" зом, чтобы их отношение =) -- выражаМ Ц лось простой неделимой дробью, где р и q целые положительные числа р > q, а также их разность удовлетворяла условию
ЛЯ<Я (меньше самой меньшей из частот), то в выр»а»ажеййи (13) первые два слагае- . мых не имеют спектральных составляющих
ЛЙ на разностной частоте -2-- и, следовательно, подавляются полосовыми фильтрами l4 и 15, настроенными на частоту -2--. СпектЛй ральную компоненту на разностной частоте
ЛИ дает только третье слагаемое, которое с учетом (8) можно записать
»»», да (ОФФ\
Г(я)=--,(а,,--о,1 Q, е х
)t= ttt=
5th — Б1и (я "иц-а — mg ) .
1756838
° 3 а Vl+ IYl) (а,-а",) 0 . Г е
O:--оо И=-саса
» — 2 .в п ..- 5 и (6) И пр +гпр )
Из всей суммы необходимо выбрать толъко те слагаемые, которые дают вклад на частоЛИ. 10 те и И + т =ЛИ, (15)
Отсюда, используя выражение
g получим . -: .. 15
n = -1 — — (m — 1). (16) р
Ц
Суммирование в (14) ведется только по цвлым и и п1, поэтому очевидно, что уравнению (16) удовлетворяют только те из них, кото- 20 рые определяются выражениями
m=1+qK, n = -1 — рК, К = О, + 1, +2, ..., (17)
Следовательно, для спектральной составляющей сигнала f(t) на частоте 25 (во + Л И)б2 zc получим
F(@=M, üà) ° -- (о,-a,) а(рф ((co-и,-аа)+
)1 (о",-а,) 5 (аф(се+се,+са)), ЗО где
) а (. ) К соа (-",, ).сае 44 j (Р4 « (д)((с) " " 35
Для коэффициента экспоненциального ряда
Фурье функции f(t) на частоте
N = No + Л И получим 1 ° ° . 40
F à; — - — (а1 —.ао) S(p,ц). (20) г
Величина S(p,q) ABflsIBTcA функцией толькО частот управляющих сигналов манипуляцйи строки и столбца, задаваемых делителями 6 4 и 7 на р и на о соответственно и является пост6янсной для постоянных коэффициентов деления делителей.
На основании измерений гармоникси. фазоманипулированного сигнала отс йзмф- 50 ряЕМОГО ЭЛЕМЕНта ФАР На раЭНОСтН40й:ЧаСатоте (20) для различных видов манйпулсяций можно определить комплексные коэффициенты передачи каналов ФАР.
Для определения коэффициента передачи выбрайного канала (элемента) ФАР: для различных состояний фазовращателя необходимо произвести пять измерений гарМоники F, ñëåäóþùèx манипуляций:
Строка Столбец
1. 0 — 180 0-180О
2. 45-225 0-180
3, 90 — 270 0-180: (21)
4. 0-45 0-90
5. 180-225 0- 90
Обозначим измеренйысе.значения величины Fz „ роответс гвенно (o-
Если строка и столбец ианипуслаисреуются дискретом л фазовращателей и при этом все остальные дискреты отклюЧены (первая манипуляция), то для кОмплексных амплитуд а1 и ао получим
4 ,h еЛ;К ЕЛ О
iso а,=A е
3 где Аое — комплексная амплитуда Войны на входе неподвижного зонда при выключенных дискретах фазовращателя;
Кщое «o — комплексный коэффициент передачи дискрета " л фазовращателя, характеризующий измейсение комплексной амплитуды волны на входе неподвижного зонда при включении дискрета жфазовращателя..
Тогда на основайии выражения (20) можно записать
F(0 î1 (Р 9 g Я (3 8 (o Если строка и столбец манйпулируются дискретом ж фазовращателей и при этом дискрет л /4 постоянйо включен управляющим сигналом по стрбке (вторая манипуляция), то для комплексных амплитуд а1 и ао получим: ° Яф,) Ч 46 (3Ч480, a,==, 0Е 45 а ... 480.:, Ф „ е5, < 0 45. 3 j(q5 225) 5(0 «Д р e Чо Я45/К Я(ВО 1 (б (eo) Фг oe kqse Ф18.Е -!! Отсюда с учетом (23) Я4в (45-22Й f (o-1801 45 {О -1801 / 0-Ыо) 1756838 12 и т д .. 30 r По известному расстоянию от элемен-.. н тов ФАР до неподвижного зонда onðåäåëÿ- - в ются амплитуды возбуждения каналов ФАР у для различных состояний фазовращателей, с И исходя из этого рассчитываются основ- 35 в ные параметры ФАР. с Построенйе предлагаемого устройства з для измерения параметров ФАР со строчно- 9 столбцевым управлением лишено недостат- т ков,"присущих известному устройству, 40 r ввйду того, что здесь решена задача частот- и ного разделения фазоманипулированных е сигналов строки, столбца и элемента, на пе-: н ресечении которых он находится, Интересу- н ющий сигйал от измеряемого элемента 45 т выделяется из остальных сигналов при по- в мощи полосовых фильтров 14 и 15, настро- с енных на разностную частоту --(частоту ЛЯ и сигнала от измеряемого элемента). При 50 л этом точность измерения определяется величиной подавления частотных составляющих вне полосы пропускания полосовых Используя ту же схему рассуждений для других коэффициентов передач, получим )(Р90 (90-27о2 / (О (8О) 9о (о-18о) (О -16ь) ЗЧво (що- гь)у (о- 2 <8о (о — 90) (О -9о) ; Используя вычисленное значение К вое и 10 выражение (23), получим ° (О-1 801 j(p ll . F (o-48О) А,е ЧМ) (2 Е < -() -:.. 15 На основании определений (22) и (24) получим выражение для комплексных амплитуд волйы на входе зонда при различных состояниях фазовращателя: 20 йо 3Vqg, а =А,е . 2(е: . / Е2 рь, 2 р1 . 9о 9О ь 9о:: Э 1 (, д (о,) (во., - - 25 180 oe щ8 Е 6 а -А Е К е "К Е 9 135 о Е. 45 90 1 фильтров 14 и 15. Коэффициент подавления может достигать величин порядка 110-120 дБ, что вполне достаточно для того, чтобы погрешность измерения была не хуже 12%. Дополнительно также отпадает необходимость в предварительной расфаэировке ФАР, что приводит к уменьшению времени измерений;: Таким образом, предлагаемое устройство позволяет повысить точность и уменьшить время цикла измерений ФАР со строчно-столбцевым управлением. Формула изобретения Устройство для измерения параметров ФАР, включающее последовательно соединенные генератор СВЧ и направленный отнетвитель, первый выход которого является выходом для подключения входа исследуемой ФАР, последовательно соединенные неподвижный зонд, вентиль, смеситель, усилитель промежуточной частоты; первый фазовый детектор и первый фильтр нижних частот, выход которого является первым выходом устройства, последовательно соединенные второй фазовый детектор, первый вход которого подключен к выходу усилителя промежуточной частоты, и второй фильтр нижних частот, выход которого является вторым выходом устройства, последоваельно соединекные генератор прямоугольых импульсов и делитель частоты на р, ыход которого подключен к первому входу правления исследуемой ФАР, делитель чатоты на г, вход которого подсоединен к ыходу генератора прямоугольных импульов, а выход — к второму входу первого фаового детектора и через фаэовращатель на 0 — к второму входу второго фазового деектора, делитель частоты íà q, вход которо о подключен к выходу генератора рямоугольных импульсов; о тл и ч а ю ще с я тем, что, с целью обеспечения возможости измерения параметров ФАР со строчо-столбцевым управлением и повышения очности, второй выход направленного отетвителя подключен к второму входу сМе- . ителя, выход делителя частоты íà q одсоединен к второму входу управления АР, а коэффициенты деления делитеей частоты должны удовлетворять усло1 1 1. ию — =- — —; q< r,р Г Ц P 1756838 1 (t) — сигнал управления по с гроке 1 (1) Q+ 1 Ct) — rurt an управления элемента у :II Фиг. R Составитель . Техред М.Моргентал Корректор О.Кравцова Редактор Е,Папп Заказ 3086 Тираж " Подписное ВНИИПИ Государственного комитета по изобретейиям и открытиям при ГКНТ СССР 113035, Москва, Ж-;35, Рауаская наб.. 4/Б Производственно-издательский комбинат "Патент", г. У)кгород,:ул.Гагарина, 101
