Устройство для измерения относительных уровней побочных излучений передающей системы

 

Изобретение относится к радиотехнике. Технический результат заключается в расширении пределов измерения, повышении точности и быстродействия. Передающая система состоит из передатчика и антенны. Генератор модулирующего сигнала соединен с передатчиком. От антенны передающей системы вынесены измерительная антенна и экранированная кабина. В нее помещены первый переключатель, один вход которого подключен к измерительной антенне, другой вход - к калибровочному генератору, а выход ко входу второго переключателя, у него первый выход подключен ко входу системы фильтров, третий переключатель, аттенюатор и измерительный приемник. Входы четвертого переключателя соединены с выходом передатчика и вспомогательного источника, а выход - с антенной передающей системы. Последовательно соединены режекторный фильтр, вход которого соединен с первым выходом третьего переключателя, и полосовой фильтр, выход которого соединен со входом аттенюатора. Один вход регистратора подключен к сигнальному выходу измерительного приемника, другой через частотомер - к его частотному выходу. Первые четыре выхода многоканального блока управления связаны с управляющими входами соответствующего номера переключателя, пятый и шестой выходы - с механизмами поворота в плоскости горизонта антенны передающей системы и измерительной антенны, седьмой, восьмой и девятый соответственно с механизмом подъема и механизмами изменения наклона измерительной антенны в плоскости угла места и поляризации. Второй выход второго переключателя соединен со входом третьего переключателя, выход системы фильтров и второй выход третьего переключателя - со входом аттенюатора, выход которого подключен ко входу измерительного приемника. 1 ил.

Изобретение относится к области радиотехники. Оно может использоваться для измерения относительных уровней (N₁) побочных излучений (ПИ) передающих систем радиоэлектронных средств (РЭС), особенно для таких видов измерений, которые выполняются в интересах контроля норм (N_н), установленных на относительные уровни ПИ РЭС военного назначения.

Способ применим в диапазонах ОВЧ, УВЧ, СВЧ и КВЧ.

Известны способы измерения относительных уровней ПИ РЭС в этих диапазонах (см., например, военный стандарт США "Mil. std - 449A", 1961. Waschington p.p. 5.2.3.5), по которым на частоте f_o основного и частоте f ₁ побочного излучений путем прямых измерений (непосредственно в дальней зоне антенны РЭС) определяют два абсолютных значения амплитуд сигналов Е_д0 и Е_д1, а искомую величину N₁ получают делением второго значения на первое. При контроле полученное отношение N₁ сравнивают с нормой N_н.

Кроме того, известен способ измерения диаграммы направленности антенны (ДНА) в ближней зоне по патенту США №3879738, опубликованному в томе 933 №4 от 22.04.1975 г. Этот способ, как наиболее близкий к заявленному, взят за прототип. В способе-прототипе для определения ДНА, соответствующей ее дальней зоне, производят на каждой измеряемой частоте, которая может быть равна частоте основного излучения f₀ (или частоте ПИ f₁), ряд последовательных прямых измерений в ближней зоне n значений фаз ϕ₀₁, ϕ₀₂, ϕ₀₃,..., ϕ_0n (или ϕ₁₁, ϕ₁₂, ϕ₁₃,..., ϕ_1n) и n значений амплитуд E₀₁, E ₀₂, E₀₃, E₀₄,..., E₀₁₂ (или E₁₁, E₁₂, E₁₃,..., E _1n) при n≥20, после чего, путем математической обработки (и пересчета) полученных результатов, вычисляют матрицу сопротивлений и законы распределений токов на поверхности антенны, с помощью которых затем рассчитывают коэффициент пересчета в дальнюю зону.

Способ-прототип реализуется устройством, содержащим последовательно соединенные передатчик, делитель мощности и антенну РЭС, а также установленные в ближней зоне этой антенны фазочувствительный датчик, соединенный через приемник с цифровым вычислителем, при этом второй выход делителя подключен ко второму входу приемника.

Известны также устройства для измерения относительных уровней ПИ передающих систем в дальней зоне, где эти относительные уровни мало зависят от увеличения расстояния, но их абсолютные значения с ростом расстояния падают, а при изменении высот наблюдений могут изменяться в значительных пределах, вплоть до значений ±6 дБ.

Варианты этих устройств описаны в справочнике "Электромагнитная совместимость РЭС и непреднамеренные помехи", вып.3, перевод с англ. под ред. Князева А.Д., М.: Сов. радио, 1979, стр.318-386.

Отмеченные прототип способа и прототип устройства позволяют в отдельных случаях определять искомые величины N₁ в ограниченных пределах, например, если эти уровни незначительны или если проверяемые передающие системы высокопотенциальны. Однако данным прототипам присущ и целый ряд недостатков.

Способ-прототип не позволяет определять малые значения амплитуд сигналов и уровней ПИ, т.е. проводить измерения в требуемых относительных пределах, если они достигают значений минус 70-80 дБ (или еще меньших уровней).

Это происходит из-за невозможности регистрации некоторых значений фаз у слабого сигнала, а также из-за нечувствительности способа к сигналам E_{1 min}=0,1-1,0 мкВ/м, которые еще необходимы для целей электромагнитной совместимости (ЭМС).

Кроме того, способ-прототип характеризуют невысокая точность и малое быстродействие. Первый из этих недостатков обусловлен отсутствием в способе учета тех данных, которые реально характеризуют из дальней зоны измеряемый уровень излучения в условиях неодинаковых затуханий среды по радиотрассе на частотах ПИ и частоте основного излучения, а также имеющимися разбросами энергий по высоте наблюдения из-за отражений от земли, значения которой влияют на результаты измерений уровней излучений в наземных условиях при повторении испытаний на различных полигонах или при неодинаковых климатических факторах.

Второй недостаток характеризуется длительным по времени процессом измерения требуемого числа параметров сигналов на частоте f₀, f₁, f₂... и сложностью процедуры преобразования измеренных величин в коэффициенты пересчета (из-за ее многоступенчатости).

Упрощение же процесса измерения или самой процедуры преобразования за счет уменьшения в прототипе способа числа определяемых и применяемых для пересчета амплитуда сигналов ведет к недопустимо большому росту погрешности способа. А не учет (частичный или полный) требуемого числа фаз делает данный способ нереализуемым.

Устройству, взятому за прототип, по-существу свойственен тот же перечень недостатков, что и способу-прототипу. Во-первых, оно не позволяет в дальней зоне измерять относительные уровни ПИ в отмеченных выше энергетических пределах. Однако причинами здесь являются следующие:

а) невозможность определения малых уровней ПИ с помощью самых современных типов АИ и ИП, ибо геометрические размеры первых остаются все же незначительными, так как их эффективная площадь не превышает значений 0,03-0,005 м² (хотя эти размеры много больше размеров фазочувствительных датчиков), а чувствительности вторых не бывают лучше 10^-12 ÷5·10^-13 Вт, для целей ЭМС требуется, чтобы эти чувствительности были выше указанных на два-три порядка и, таким образом, достигали значений 10^-14÷5·10 ^-16 Вт;

б) невозможность определения уровней основного излучения (при переносе измерений в ближнюю зону), когда эти уровни достигают единиц и десятков киловатт, отчего на входе аттенюатора, подключенного к АИ, создается мощность, во много раз превышающая ее допустимое значение.

Кроме того, действительные значения уровней ПИ в ближней зоне и измеренные уровни в этой зоне отличны на 8-15 дБ от тех, что имеют место в дальней зоне. По этой причине они не находят широкого применения в практике измерений, ибо требуют обязательной коррекции.

Во-вторых, и устройство-прототип не позволяет с высокой точностью и приемлемым быстродействием определять относительные уровни ПИ. Эти недостатки обусловлены полным отсутствием учета эффектов отражения от земли, а также недостаточно высокими технико-точностными характеристиками аппаратуры (в частности, типовых ИП) и отсутствием (в этом устройстве) каких-либо элементов автоматизации, а также применением механизмов, которые требуют трудоемких ручных процессов управления.

Целью создания заявляемого способа является расширение пределов измерения относительных уровней ПИ, повышение его точности и быстродействия.

Ту же совокупность целей, но с еще более высокими результатами и качеством, позволяет получить создание и применение заявляемого устройства по этому способу. При этом следует подчеркнуть, что все цели для первого объекта изобретения (способа) являются определяющими для выполнения аналогичных целей вторым объектом (устройством).

Заявляемые способ и устройство, взятые раздельно, на момент их подачи отмеченной суммы эффектов для общества дать не могут - их полезность проявляется в наибольшей мере только при совместном использовании, т.е. когда выполняется последовательность операций согласно заявленному способу и применяется то устройство, что необходимо для полной реализации предлагаемого способа.

В связи с этим оба заявленных технических решения являются неразрывными и могут быть реализованы только совместно в виде комплексного изобретения, состоящего из двух разнообъектных технических решений.

Отмеченная совокупность целей для предлагаемого способа измерения относительных уровней ПИ передающей системы РЭС достигается тем, что в известном способе, основанном, во-первых, на измерении в ближней зоне амплитуд сигналов, излученных этой передающей системой, и, во-вторых, на определении коэффициентов пересчета в дальнюю зону, для которых измеряют (на каждой частоте основного излучения или частоте ПИ) только одно значение амплитуды сигнала, излученного этой системой в ближнюю зону, а коэффициент пересчета определяют как отношение измеренных в ближней (б) и дальней (д) зонах соответственно текущего (е_б) и среднего (е_д.ср) значений амплитуд сигнала, излученного через антенну РЭС вспомогательным источником (ВИ), настроенным на измеряемую частоту.

При этом в дальней зоне как на частоте ПИ, так и на частоте основного излучения каждое среднее значение амплитуды сигнала (как е_{д1 ср}, так и е_{д0 ср}) определяют на соответствующей ему высоте, взятой относительно уровня земли, с помощью предварительно полученных на той же частоте, но других высотах максимального и минимального значений амплитуд.

Искомый относительный уровень ПИ определяют по формуле

где аргументы в правой части (1) взяты в значениях плотности потока мощности или напряженности электромагнитного поля.

Отмеченные цели для устройства, реализующего заявленный способ, достигнуты за счет того, что в это устройство, содержащее ГМС, подключенный к передатчику; антенну РЭС, изменяющую свое положение в горизонтальной плоскости, вынесенные от нее АИ и экранированную кабину (где установлены КГ, аттенюатор, СФ, ИП и три переключателя, из которых первый одним своим входом соединен с АИ, другим - с КГ, а выходом - со входом второго переключателя, имеющего два выхода, из которых один подключен к СФ), дополнительно введены вспомогательный источник (ВИ) и четвертый переключатель, через который попеременно выход передатчика или ВИ подключается ко входу антенны РЭС; последовательно соединенные режекторный фильтр, вход которого соединен с первым выходом третьего переключателя и полосовой фильтр, выход которого соединен со входом аттенюатора; регистратор, один вход которого подключен к сигнальному выходу ИП, другой вход - через частотомер к его частотному выходу; пять исполнительных механизмов (МИ) и многоканальный блок управления (БУ), у которого первый выход связан с управляющим входом первого переключателя, второй выход - с управляющим входом второго переключателя; третий и четвертый - с управляющим входом третьего и четвертого переключателя, пятый и шестой - с МИ поворота антенны РЭС (МИ1) и АИ в горизонтальной плоскости (МИ2), седьмой - с МИ3, применяемым для подъема АИ, восьмой и девятой - с МИ4 и МИ5, изменяющими наклон АИ соответственно в плоскости угла места и плоскости поляризации; при этом управление изменением положений АИ - в пространстве и направления антенны РЭС - в плоскости горизонта осуществляют дистанционно с помощью БУ из экранированной кабины, где укрыты от мощного радиоизлучения операторы (и установлен БУ) и где второй выход второго переключателя соединен со входом третьего переключателя, а выход СФ и второй выход третьего переключателя - со входом аттенюатора, выход которого подключен к ИП, кроме того, применяемая экранированная кабина выполнена подвижной, например поставленной на шасси автомобиля повышенной проходимости или на вездеход.

На чертеже изображена структурная схема предлагаемого устройства.

Устройство для измерения относительных уровней ПИ передающей системы 1, состоящей из передатчика 2 и антенны РЭС 3, содержит вынесенную от этой антенны сначала на расстояние r_1, затем на расстояние r₂ (при r₁<r ₂) АИ 4, которая установлена рядом с экранированной кабиной 5 (или на этой кабине) и подключена к первому входу переключателя П1 (1/-), второй вход которого (2/-) соединен с КГ 6, а выход (-/0) - со входом переключателя П2 (0/-), у которого первый выход (-/1) соединен с СФ 7 (состоящей из элементов 7' и 7",..., совокупность которых предназначена для ослабления основного излучения передающей системы 1 при измерении без ослабления уровней ПИ, ее другой выход (-/2) - со входом (0/-) третьего переключателя П3, первый выход которого (-/1) соединен с последовательно включенными режекторным фильтром 8 и полосовым фильтром 9 (необходимыми для защиты аппаратуры от перегрузок при измерении основного излучения передающей системы в ближней зоне ее антенны, определяемой расстоянием r₁), аттенюатором 10 и ИП 11, к первому сигнальному выходу которого подключен регистратор 12; второй выход (-/2) переключателя П3 и выход СФ также подключаются ко входу аттенюатора 10, а второй (частотный) выход ИП через частотомер 13 - ко второму входу регистратора 12; ГМС 14, подключенный к передатчику 2, выход которого соединен с первым входом (1/-) переключателя П4; ВИ 15, выход которого соединен со вторым входом (2/-) переключателя П4, у которого выход (-/0) соединен с антенной РЭС 3; многоканальный БУ 16, первый - четвертый выход которого связан с управляющим входом соответствующего номера переключателя (П1÷П4), пятый и шестой - с МИ1 и МИ2, осуществляющими поворот антенны РЭС 3 и АИ4 в плоскости горизонта, седьмой с МИ3, устанавливающим необходимую высоту подъема АИ и изменяющим эту высоту при проведении измерений сигналов в дальней зоне (т.е. на удалении, равном r₂ ), восьмой и девятый - с МИ4 и МИ5, предназначенными для изменения наклона АИ4 в плоскости угла места и плоскости поляризации.

Устройство работает по заявленному способу следующим образом.

Сначала, после размещения АИ4 на расстоянии r₁ от антенны 3 и прогрева передатчика 2, ИП11; регистратора 12, частотомера 13, ГМС 14 и ВИ15, устанавливают переключатели П1÷П4 соответственно в положения 1/0, 0/2, 0/1, 1/0.

На передатчике 2 включают ВЧ излучение и, настроив ИП11 на частоту этого излучения f₀, получают на входе ИП максимально возможный сигнал (А), последовательно подавая команды с БУ 16 на МИ1÷МИ5 и взаимно ориентируя антенну 3 с АИ4.

Определяют величину Е₀, фиксируя на регистраторе 12 частоту f₀ и уровень A₀, отличный от E₀ на значение эффективной площади АИ на этой частоте (S₀). Записывают в регистратор 12 уровень A₀ и частоту f₀ .

С помощью БУ 16 переводят переключатель П2 в положение 0/1 и, настроив ИП на частоту ПИ f₁ передатчика, измеряют уровень сигнала A₁, который (вместе с частотой f ₁) записывают в регистратор, но который отличен от величины E₁ на значение эффективной площади АИ S₁ на частоте f₁. Тогда

Выключают передатчик 2. Переключатель П4 устанавливают в положение 2/0, настроив ВИ15 на частоту f₁, получают на его выходе наибольшую мощность и измеряют с помощью ИП11 значение сигнала А₂˜e_б1, которое также записывают в регистратор 12.

Переключатель П2 вновь переводят в положение 0/2. Настроив с помощью частотомера 13 ВИ15 и ИП11 на частоту f₀, измеряют уровень сигнала А₃˜e _б0. После этого выключают питание с измерительных приборов, расположенных в экранированной кабине 5.

Затем перемещают АИ4 (и экранированную кабину 5) с расстояния r₁ на расстояние r₂, отсчитанных от антенны 3.

Включают приборы в экранированной кабине на прогрев. Переводят переключатель П3 в положение 0/2. С помощью БУ 16 последовательно подают питание на МИ1 (для поворота антенны 3 в сторону АИ), на МИ2, МИ4 и МИ5 (для ориентации АИ с антенной 3) и получения наибольшего значения сигнала А4 на шкале ИП 11.

С помощью МИ3 осуществляют подъем АИ4, фиксируя при этом минимальное и максимальное значения сигнала А_{4 min}, A_{4 max}, которые пропорциональны е_{д0 min}, ед_{0 max}. С помощью полученных результатов вычисляют среднее значение A_{4ср ˜AD ср} .

Настраивают с помощью частотомера ВИ15 и ИП11 на частоту f₁ и, повторив операции по подъему АИ, управляя работой МИ3, фиксируют минимальное и максимальное значения сигнала А5 (на этой частоте), т.е. А_{5 min}˜е_{д1 min} , А_{5 max}˜е_{д1 max}, и с помощью их вычисляют среднее значение А_{5 ср}˜е_{д1 ср.}

Переключатель П1 переводят в положение 2/0. На КГ 6, настроенным на частоту f₁, устанавливают опорный уровень сигнала, например, равный 100 мкВт, и с помощью аттенюатора 10 вносят такое затухание α₁ в измерительную линию, при котором на входе ИП получают уровень сигнала А₆<А_{5 max} . Настраивают КГ6 на частоту f₀ и устанавливают на его выходе такой же опорный уровень сигнала, что был взят ранее на частоте f₁; изменяя вносимое аттенюатором затухание от значения α₁ до значения α₀, получают при этом на входе ИП11 уровень сигнала А₇=А₆.

Определяют искомые относительные уровни ПИ по формуле

которая в случае определения сигналов в значениях плотности потока мощности или напряженности электромагнитного поля преобразуется в выражение (1).

Рассчитанные по формулам (2) и (1) относительные уровни ПИ в пределе могут достигать значений минус 80-110 дБ, определить такие уровни традиционными методами и перспективными отечественными средствами измерений было невозможно.

Применение описанного устройства по заявленному способу позволит определять более низкие значения Е₁ (и А₁ ) и более высокие значения Е₀, e_б1, е _д0 (или А₀, A₂, A₄), чем они получались ранее с помощью известных способов и устройств.

Применение же в предлагаемом в устройстве средств измерений, БУ и МИ (в рекомендуемой последовательности), а также участков измерительных линий от выхода П2 до выхода аттенюатора, существенно уменьшает как составляющие аппаратурных погрешностей, так и методических. Ибо здесь предложено определять уровни сигналов A₀ , A_5max и А₆, а в формуле измерения берутся их отношения и при этом автоматически учитываются затухание СФ на частоте f₁, затухание фильтров 8, 9 на частоте f₀ и определяющие их погрешности, так как эти затухания характеризуют измеряемые сигналы A₀, A₃ (или Е₀, e_бо) и А₁, А₂ (или Е₁, е_б1) соответственно, а в формулах отмеченные затухания (и выше сгруппированные сигналы) находятся один раз в числителе, другой - в знаменателе и поэтому они могут не учитываться, а погрешности определения отношений и почти в 2,5 раза меньше, чем погрешности определения абсолютных величин [см., например, Радиоизмерительные приборы. Каталог-проспект 7-ое издание, исправленное и дополненное. НИИЭИР, 1970, стр.113].

Проведение измерений сигналов в дальней зоне на неодинаковых высотах (с их усреднением) позволяет довести разбросы величин N₁ до значений, которые меньше одного децибела, против ±(4-6) децибел, полученных при повторении измерений в различных условиях и при неодинаковых характеристиках подстилающей поверхности.

В заключение следует подчеркнуть, что рассмотренное устройство, работающее по предложенному способу, позволяет получить максимальный суммарный эффект в рамках его трех составляющих, которые требовалось достичь от применения данного технического решения.

Разработка же для аналогичных целей перспективного измерительного устройства (комплекса) в опытной конструкторской работе и необходимость его использования по предложенному способу делают заявляемое комплексное изобретение полезным, актуальным и целесообразным для реализации.

Формула изобретения

Устройство для измерения относительных уровней побочных излучений передающей системы, содержащее генератор модулирующего сигнала, выход которого является управляющим входом передатчика исследуемой передающей системы, измерительную антенну и размещенные в экранированной камере первый переключатель, первый вход которого соединен с измерительной антенной, а второй - с выходом калибровочного генератора, к выходу первого переключателя подсоединен вход второго переключателя, к первому выходу которого подключен фильтр, а к второму - вход третьего переключателя, а также аттенюатор и приемник, подключенный к регистратору, отличающееся тем, что, с целью повышения точности и расширения пределов измерений, введены последовательно соединенные вспомогательный источник сигнала и четвертый переключатель, второй вход которого является входом для подключения выхода передатчика исследуемой передающей системы, выход является входом для подсоединения антенны передающей системы, между первым выходом третьего переключателя и входом аттенюатора последовательно включены режекторный фильтр и полосовой фильтр, выход которого соединен с выходом фильтра и вторым выходом третьего переключателя, выход аттенюатора подключен к входу приемника, частотный выход которого через введенный частотомер соединен с вторым входом регистратора, при этом измерительная антенна установлена с возможностью ее осевого вращения, изменения наклона, угла места и высоты.

РИСУНКИ