Устройство для измерения распределения поля в раскрыве антенны

 

Использование: в технике антенных измерений в миллиметровом диапазоне волн. Сущность изобретения: устройство содержит генератор, амплифазометр, блок обработки и выдачи данных, зонд, линию передачи, состоящую из тромбонного компенсатора вертикального движения зонда, содержащего первый волноводный тромбон и первый механизм изменения длины тракта, тромбонного компенсатора горизонтального движения зонда, содержащего второй волноводный тромбон и второй механизм компенсации изменения длины тракта. 5 ил.

Изобретение относится к технике измерений на миллиметровых волнах.

Известно устройство для измерения распределения поля, куда вводится подвижный зонд, перемещаемый с помощью сканера и соединенный с входом неподвижной измерительной волноводной схемы гибким диэлектрическим волноводом (Измерения на миллиметровых и субмиллиметровых волнах. Методы и техника. /Под ред.Р.А.Валитова и Б.И.Макаренко. М.: Радио и связь, 1984, с.167).

Однако в таком устройстве при перемещении зонда меняется радиус кривизны изгиба диэлектрического волновода, что вызывает искажения по фазе и амплитуде сигнала на входе измерительной схемы. Подобные искажения могут возникнуть также из-за наводок от внешнего поля и из-за изменения величины развязок между отдельными участками открытого диэлектрического волновода при изменении его конфигурации в процессе сканирования зонда.

Известно также устройство для определения параметров антенн, где в качестве линии передачи сигнала от неподвижного генератора к подвижному зонду используется волноводная линия, в которой необходимый сигнал на зонд снимается с помощью штыря связи, передвигающегося в щели, прорезанной вдоль оси волновода по середине его широкой стенки. Штырь связи является сильно отражающим так, что наряду с падающей волной в волноводе возбуждается интенсивная отраженная волна. При этом в индикаторе минимума стоячей волны, зонд которого расположен до этого волновода, вырабатывается сигнал управления, воздействующий на фазовращатель, установленный между зондом индикатора минимума стоячей волны и прорезанным волноводом так, что он меняет фазу проходящей волны на волновод таким образом, что фаза сигнала на выходе зонда остается постоянной (И.Е.Гольберг, Д.Б.Зимин, Г.Е.Корбуков, А.П.Курочкин, Е.Г.Седенков. Комплекс аппаратуры для определения параметров антенн голографическими методами. В кн. "Радио и акустическая голография"/Под ред. Г.Е.Корбукова и С.В.Кулакова. Л.: Наука, 1976).

В случае реализации этого устройства в диапазоне миллиметровых волн наличие волновода с прорезанной щелью посередине его стенки, перпендикулярной электрическому вектору распространяющейся волны, приведет к большим погрешностям измерения. Если волновод одномодовый, то, например, для диапазона волн порядка λ= 4-3 мм теоретическое затухание в таком волноводе из меди составляет величину от 2-4 дБ/м, а при наличии щели оно будет еще больше, и при движении зонда, а значит и при различных положениях штыря связи в этом волноводе, сигнал на выходе зонда будет нестабилен по мощности на величину, численно равную затуханию отрезка волновода величиной в длину зоны сканирования. Нестабильность фазы будет обусловлена чувствительностью индикатора минимума стоячей волны и точностью фазовращателя. Достаточная чувствительность индикатора минимума в 3- сантиметровом диапазоне длин волн обеспечивается в прототипе при уровне отраженного сигнала - 12 дБ относительно уровня падающей волны, а в миллиметровом диапазоне по-видимому потребуется больший уровень. Применение вместо одномодового волновода сверхразмерного, обладающего малым затуханием основной рабочей моды распространяющейся волны, с целью снижения значительной нестабильности по мощности не улучшает положения, так как штырь, являясь сильно отражающим, представляет из себя значительную неоднородность в сверхразмерном волноводе, которая будет являться источником возбуждения интенсивных паразитных мод. Распространяющиеся прямо интенсивные паразитные моды вследствие преобразования типов волн и взаимодействия с основной модой приведут к возрастанию нестабильности амплитуды и фазы сигнала, достигшего выхода зонда. Кроме того, отраженные интенсивные паразитные моды опять же вследствие преобразования и взаимодействия с отраженной основной модой в месте расположения зонда индикатора минимума стоячей волны создадут нерегулярные случайные биения, что приведет к вырабатыванию индикатором минимума стоячей волны случайного выходного сигнала управления фазовращателей, что еще больше увеличит нестабильность по фазе выходного сигнала зонда, тем самым увеличивая погрешность измерения электромагнитных характеристик антенны.

Цель изобретения - повышение точности измерений. Использование предлагаемого устройства обеспечит повышение качества и производительности аттестации антенн и уменьшение затрат на изготовление измерительных комплексов.

Для этого расположенный на механическом сканере тракт линии передачи сигнала от неподвижного генератора к подвижному зонду состоит из введенных сверхразмерных волноводов с подвижными сочленениями и фильтрами типов волн для подавления паразитных мод; тромбонного компенсатора вертикального движения зонда, состоящего из первого волноводного тромбона и механизма компенсации изменения длины тракта при вертикальном движении зонда, содержащего каретку для крепления волновода со скрепленным с ним через переход зондом, каретку крепления колена тромбона, на которой закреплены также оси двух роликов, связанных передачей с гибкой связью, осуществляемой стальным тросом, с двумя другими роликами, ось одного ролика закреплена на вертикальной стойке сканера, а другой ролик приводится во вращение двигателем вертикального привода сканера, причем один конец троса прикреплен жестко к вертикальной стойке сканера, а другой конец натянут пружиной, крепящейся также к вертикальной стойке, закрепленной на горизонтальной каретке.

Тракт тромбонного компенсатора вертикального движения зонда состоит из последовательно соединенных подвижными сочленениями волновода, прикрепленного к горизонтальной каретке, колена первого тромбона, волновода, прикрепленного также к горизонтальной каретке, и волновода, соединенного через переход с зондом. Каретка крепления волновода с зондом скреплена жестко со стальным тросом на самом длинном его свободном участке и так же, как и каретка крепления колена тромбона при движении зонда перемещается вдоль направляющего паза на стойке сканера, причем перемещениe каретки колена тромбона всегда в два раза меньше одновременного перемещения каретки крепления волновода с зондом, так как свободные участки стального троса параллельны. Благодаря такой конструкции механизма компенсации изменения длины тракта каретки перемещаются без люфта даже при реверсировании движения зонда.

Введенный тромбонный компенсатор горизонтального движения зонда состоит из второго волноводного тромбона и механизма компенсации изменения длины тракта при горизонтальном движении, отличающегося по конструкции от механизма компенсации изменения длины тракта при вертикальном движении зонда. Отличие в конструкции обусловлено необходимостью перемещения массивной горизонтальной каретки с расположенной на ней вертикальной стойкой сканера со всеми волноводами и механизмом, связанными с ней, и достаточностью движения зонда в горизонтальном направлении при измерениях только в одном направлении, что снимает проблему выбора люфтов при реверсировании движения.

Механизм компенсации изменения длины тракта при горизонтальном движении состоит из гайки, жестко скрепленной с горизонтальной кареткой сканера и находящейся в резьбовом зацеплении с одним концом винта, на другом конце которого находится в резьбовом зацеплении с винтом другая гайка, жестко связанная с коленом второго волноводного тромбона, причем шаг резьбы последней гайки в два раза меньше шага резьбы первой гайки. Винт приводится во вращение двигателем горизонтального привода сканера и при этом перемещение горизонтальной каретки сканера в два раза больше одновременного перемещения колена второго тромбона относительно неподвижного волновода, подключенного к генератору.

Тромбонные компенсаторы обеих видов движения соединены между собой через другой неподвижный волновод, в одном конце которого находится одно из плеч колена второго тромбона, а в другом конце - другой конец второго волновода, прикрепленного к горизонтальной каретке.

Сущность предложенного устройства состоит в том, что стабильность фазовой и амплитудной характеристик тракта линии передачи сигнала от неподвижного генератора к зонду при его сканировании осуществляется путем сохранения неизменности суммарной геометрической длины линии передачи с подвижными сочленениями на сверхразмерных волноводах и с расположенными в них фильтрами типов волн. Компенсация изменения длины тракта осуществляется тромбонными компенсаторами горизонтального и вертикального движений зонда. При этом снижаются искажения передаваемого сигнала как по фазе, так и по амплитуде, вследствие чего и повышается точность измерения.

На фиг.1 представлен механический сканер устройства с расположенной на нем линией передачи; на фиг.2 - кинематическая схема механизма компенсации изменения длины тракта при вертикальном движении зонда; на фиг.3 - конструкция подвижного сочленения на сверхразмерных волноводах; на фиг.4 и 5 - расположение и конструкция фильтров типа волн в сверхразмерном волноводе.

Устройство для измерения распределения поля в раскрыве антенны содержит направляющие 1; горизонтальную каретку 2; расположенную на ней вертикальную стойку 3 с направляющими пазами 4 и 5 соответственно для кареток 6 и 7; зонд 8, соединенный переходом с волноводом 9, который закреплен на каретке 6 и сочленен с волноводом 10, прикрепленным к горизонтальной каретке 2 и своим другим концом сочлененный с одним плечом волноводного колена 11 первого тромбона, который закреплен на каретке 7; волновод 12, также прикрепленный к горизонтальной каретке 2 и одним концом сочлененный с вторым плечом колена 11 тромбона, а другим концом - с неподвижным волноводом 13; волноводное колено 14 второго тромбона, сочлененного одним плечом с волноводом 13, а другим плечом - с неподвижным волноводом 15, который соединен с сигнальным выходом генератора; механизм компенсации изменения длины тракта при горизонтальном движении зонда, состоящий из гайки 16, скрепленной жестко с горизонтальной кареткой 2; гайки 17, скрепленной жестко с коленом 14 тромбона; винта 18 с возможностью вращения от двигателя горизонтального привода сканера и находящегося в резьбовом зацеплении с гайками 16 и 17, причем шаг резьбы гайки 16 в два раза больше шага резьбы гайки 17.

Механизм компенсации изменения длины тракта при вертикальном движении зонда (см.фиг.2) состоит из роликов 19 и 20, оси которых закреплены на каретке 7 крепления колена 11 первого тромбона; ролика 21, ось которого закреплена на стойке 3; ролика 22 с возможностью вращения от двигателя вертикального привода; стального троса 23 передачи с гибкой связью между роликами 19-22, свободные участки которого параллельны и один конец троса прикреплен к стойке 3, а другой конец натянут пружиной 24, прикрепленной к стойке 3, причем на участке между роликами 21 и 22 трос жестко скреплен с кареткой 6 крепления волноводов 9.

Все волноводы являются сверхразмерными, изгибы волноводов - квазиоптические уголки на 90^о, а сочленения между ними являются подвижными (см. фиг. 3) и содержат фторопластовые прокладки 24, установленные в пазах на внешней поверхности сверхразмерного волновода меньшего сечения либо припаянные к этой поверхности своими металлическими основаниями, если фторопласт односторонне фольгирован; фильтр типов волн 25, установленный за пирамидальным рупором 26 окончания сверхразмерного волновода меньшего сечения, причем между концом рупора и внутренней поверхностью сверхразмерного волновода большего сечения существует малый зазор размером 0,1-0,2 мм. Фильтр типов волн 25 (см.фиг.4 и 5) содержит пять тонких толщиной до 100 мкм прямоугольных слюдяных пластин 27, покрытых тонким слоем нихрома и установленных на разных расстояниях друг от друга по сечению волновода перпендикулярно вектору электрического поля Е рабочей моды Н₁₀, и двух таких же пластин формы ласточкина, установленных от стенок волновода, параллельных вектору Е, на расстоянии a/12 - a/6 и параллельно им (а - размер стенки волновода, перпендикулярный вектору Е); пунктиром на фиг.1 обозначена траектория зонда 8 в процессе сканирования.

Работа устройства состоит в следующем.

Сигнал от генератора поступает в волновод 15 и, пройдя тракт линии передачи, излучается зондом 8 на исследуемую антенну, в зоне раскрыва которой и сканирует зонд. С антенны сигнал поступает в амплифазометр, опорный сигнал которого поступает с опорного выхода генератора, а выходной сигнал амплифазометра поступает в систему обработки и выдачи данных.

Передача сигнала от неподвижного генератора к зонду в процессе его сканирования осуществляется следующим образом. При включении двигателя горизонтального привода винт 18 приходит во вращение в направлении, указанном стрелкой. Вначале выбирается люфт гаек 16 и 17, затем обе гайки приходят в поступательное движение, указанное стрелками. Начиная с момента совместного движения гаек 16 и 17, который будем считать началом отсчета первого горизонтального шага, до останова двигателя горизонтального привода, если гайка 16 пройдет расстояние l_г, то за то же самое время гайка 17 пройдет расстояние l_г/2, поскольку шаг резьбы гайки 16 в два раза больше шага резьбы гайки 17. Точность соотношений расстояний зависит от точности нарезки резьб и, например, при нулевом классе точности нарезки на длине резьбы 600 мм допускаемая накопленная ошибка шага винта не превышает 10 мкм. Вместе с гайкой 16 перемещается по направляющим 1 горизонтальная каретка 2, а вместе с ней - стойка 3 и неподвижный пока относительно нее зонд 8. При этом одновременно прикрепленный к горизонтальной каретке волновод 12 входит соосно благодаря направляющим фторопластовым прокладкам 24 в неподвижный волновод 13 и конец волновода 12 в виде рупора 26 переместится на расстояние l_г. Но за то же время колено 14 второго тромбона, увлекаемое скрепленной с ним гайкой 17, переместится в том же направлении на расстояние l_г/2 относительно неподвижных волноводов 13 и 15, причем перемещение плеч колена в этих волноводах происходит соосно благодаря аналогичным подвижным сочленениям. В результате общая длина тракта на такой квазиоптической линии передачи с рабочей волной Н₁₀, начиная от выхода генератора до выхода зонда 8, остается неизменной в процессе горизонтального движения зонда, а передаточные фазовая и амплитудная характеристики такой квазиоптической линии остаются достаточно стабильными. Хотя в тракте и имеются неоднородности в виде уголков и подвижных сочленений, являющиеся источниками возбуждения высших мод, и при сохранении общей длины тракта меняются расстояния между этими неоднородностями, но, во-первых, это слабые неоднородности в смысле возбуждения паразитных мод, во-вторых, возникшие моды эффективно подавляются введенными фильтрами типов волн. Горизонтальные пластины при таком расположении обеспечивают подавление типов волн H_mn, E_mn(m≠0, n≠0) и типов волн Н_оn, однако не действуют практически на типы волн Н_mo. Две вертикальные пластины в виде ласточкина хвоста при такой конструкции практически не вызывают отражений и вносят малое затухание основной моды Н₁₀, но значительно большее для паразитных мод Н₂₀, Н₃₀.

После останова двигателя горизонтального привода включается двигатель вертикального привода, который начинает вращать ролик 22 в направлении, указанном стрелкой. При этом каретка 6, жестко скрепленная с тросом 23, начинает перемещаться вниз по направляющему пазу 4. Это вызывает вертикальное движение зонда 8 совместно с волноводом 9, конец которого соосно насаживается на прикрепленный к горизонтальной каретке 2 волновод 10 на некоторое расстояние l_в. При этом за то же самое время из-за передачи посредством стального троса 23 между роликами 22,21,20 и 19 и условия параллельности свободных участков стального троса каретка 7 вдоль своего направляющего паза 5, а значит и закрепленное на ней колено 11 первого тромбона отходят от первоначальных положений на расстояние l_в/2, тем самым сохраняя неизменность длины тракта в процессе вертикального движения зонда 8. Далее происходит останов двигателя вертикального привода, вновь включается двигатель горизонтального привода и вновь начинает вращаться в прежнем направлении винт 18, причем гайки 16 и 17 сразу же приходят в одновременное движение, так как люфты уже были выбраны в начале предыдущего шага горизонтального движения, и происходит непрерывно одновременная компенсация изменения длины тракта. После останова двигателя горизонтального привода начинается реверсированное движение двигателя вертикального привода. При этом каретки 6 и 7 начинают одновременно двигаться с движением троса 23 в направлениях, противоположных первоначальным, и опять же происходит непреpывно одновременная компенсация изменения длины передающего тракта.

Таким образом, в процессе сканирования зонда геометрическая длина передающего сигнал тракта всегда остается неизменной по величине, и электрические характеристики, а именно фазовая и амплитудная передаточные характеристики тракта, поддерживаются благодаря этому и предложенной конструкции тракта стабильными, что способствует стабильности сигнала по фазе и амплитуде на выходе зонда, что и обеспечивает повышение точности измерений электромагнитных характеристик антенны.

Предложенное устройство имеет следующие преимущества: линия передачи не содержит электрически управляемых элементов и приборов, что повышает надежность его в работе.

Устройство более универсально, так как в отличии от прототипа, при работе которого требуется только режим приема антенны, с предложенным устройством можно проводить измерения антенн как пассивных, так и активных и вообще некоторого распределения поля на плоскости, для чего в последнем случае достаточно размещения в измеряемом поле неподвижного второго приемного зонда в качестве источника опорного сигнала.

Линия передачи сигнала, изготовленная на сверхразмерных волноводах, являясь квазиоптической линией, пригодна для работы в широком диапазоне длин волн. Например, такая линия, скомпанованная на волноводах, близких к сечению одномодового волновода 3-сантиметрового диапазона, будет работать в диапазоне миллиметровых волн с длинами волн 4 мм и ниже при наличии сменных зондов с соответствующими переходами, что создает возможность унификации сканеров при их изготовлении на различные длины волн в пределах указанного диапазона.

Формула изобретения

УСТРОЙСТВО ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЯ РАСПРЕДЕЛЕНИЯ ПОЛЯ В РАСКРЫВЕ АНТЕННЫ, содержащее генератор, линию передачи, выполненную в виде двух последовательно соединенных линий передачи, вход которой подключен к сигнальному выходу генератора, а выход соединен с зондом, амплифазометр, сигнальный вход которого соединен с антенной, опорный вход соединен с опорным выходом генератора, а выход соединен с входом блока обработки и выдачи данных, отличающееся тем, что, с целью повышения точности измерений, первая линия передачи состоит из первого волновода, тромбонного компенсатора вертикального движения зонда, содержащего первый волноводный тромбон и первый механизм компенсации изменения длины тракта, состоящий из первой и второй кареток, расположенных в направляющих пазах, выполненных на вертикальной стойке механического сканера, с другой стороны которой закреплены оси первого и второго роликов, которые соединены передачей с гибкой связью посредством стального троса с третьим и четвертым роликами, оси которых закреплены на второй каретке, при этом первый ролик закреплен с возможностью вращения от двигателя вертикального привода, один конец стального троса, свободные участки которого параллельны, закреплен к нижней части вертикальной стойки, к верхней части которой закреплен один конец пружины, второй конец которой соединен с вторым концом стального троса, участок между первым и вторым роликами которого жестко закреплен с первой кареткой, на другой стороне которой закреплен первый волновод, один конец которого через переход соединен с зондом, а второй конец сочленен с первым неподвижным водноводом первого волноводного тромбона, колено которого закреплено на второй каретке, вторая линия передачи состоит из тромбонного компенсатора горизонтального движения зонда, содержащего второй волноводный тромбон и второй механизм компенсации изменения длины тракта, состоящего из неподвижной и подвижной горизонтальных кареток механического сканера, первой и второй гаек, соединенных между собой при помощи винта с возможностью вращения от двигателя горизонтального движения, при этом шаг резьбы первой гайки выбран в два раза больше шага резьбы второй гайки, которая жестко закреплена с коленом второго волноводного тромбона, первый и второй неподвижный волноводы которого закреплены на неподвижной горизонтальной каретке механического сканера, первый неподвижный волновод второго волноводного тромбона сочленен с вторым волноводом первого волноводного тромбона, второй и первый неподвижный волноводы которого закреплены на горизонтальной каретке механического сканера, на другой стороне которой жестко закреплена первая гайка, причем второй конец второго неподвижного волновода второго волноводного тромбона является входом линии передачи, при этом размеры сечений отрезков волноводов первого волновода, первого и второго волноводных тромбонов выбраны сверхразмерными, а в отрезках волноводов меньшего поперечного сечения расположены фильтры типов волн.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3, Рисунок 4, Рисунок 5