Способ контроля работоспособности апертурных антенн и устройство, его реализующее

 

Изобретение относится к технике антенных измерений и может быть использовано для оценки работоспособности апертурных антенн с произвольными количеством апертур и поляризационной структурой излучаемого поля. Способ и устройство обеспечивают проверку структуры создаваемого исследуемой антенной поля без излучения в свободное пространство. Способ включает изготовление проходного резонатора с апертурой, идентичной апертуре исследуемой антенны, их совмещение, возбуждение исследуемой антенны с последующей обработкой принятого в проходном резонаторе сигнала и измерение его параметров. Устройство состоит из проходного резонатора, снабженного двумя парами ортогональных возбудителей, которые связаны с соответствующими входами делителей и фазовращателей, подключенных через детекторные секции к измерителям амплитуд. При такой схеме возможна оценка вида поляризации, коэффициента эллиптичности, наличия или отсутствия одной из ортогональных мод. 2 с. и 3 з.п. ф-лы, 4 ил.

Изобретение относится к области радиотехники, а именно к антенной технике и технике антенных измерений.

Предлагаемый способ контроля работоспособности апертурных антенн может быть использован при необходимости проверки работоспособности антенн с произвольным числом излучающих апертур, работающих с полем произвольной поляризации (вращающейся, линейной), когда в процессе контроля не допускается излучение электромагнитной энергии в свободное пространство.

Под работоспособностью антенн здесь и далее принимается факт излучения антенной электромагнитного поля (ЭМП) с требуемой поляризационной структурой. Под поляризацией антенны принимается поляризация излученного антенной в рассматриваемом направлении ЭМП.

Предлагаемое устройство контроля работоспособности апертурных антенн вращающейся поляризации может быть использовано для проверки антенн, работающих в общем случае с полем вращающейся поляризации, когда недопустимо излучение ЭМП в свободное пространство.

Известны способы контроля работоспособности антенн, в том числе апертурных с произвольной поляризацией (Фрадин А.З. Рыжков Е.В. Измерения параметров антенно-фидерных устройств. -М. Связь, 1972, с.185.271). Однако известные способы контроля работоспособности антенн на основе измерения характеристик направленности (ХН), коэффициента усиления или поляризационной структуры поля предполагают обязательное излучение ЭМП в свободное пространство, что в ряде случаев недопустимо.

Известны устройства, предназначенные для контроля работоспособности антенн (Фрадин А.З. Рыжков Е.В. Измерения параметров антенно-фидерных устройств. -М. Связь, 1972, с. 252, 253, рис. 9.8, с. 262.267, рис. 10.4.10.7). Однако с помощью известных устройств оказывается невозможным проверить работоспособность антенны, поляризационную структуру излучаемого ею ЭМП без излучения в свободное пространство. Указанное исключает их применение в случаях, когда проверка работоспособности антенн запрещает излучение ЭМП.

Наиболее близким по своей сущности к предлагаемому способу контроля работоспособности апертурных антенн, работающих с полем вращающейся поляризации, является известный способ прототип (Фрадин А.З. Рыжков Е.В. Измерения параметров антенно-фидерных устройств. -М. Связь, 1972, с. 230, 231). Способ-прототип включает возбуждение проверяемой антенны, установку приемной антенны в направлении прихода ЭМП, излучаемого проверяемой антенной, вращение приемной антенны относительно направления прихода ЭМП, измерение зависимости ЭДС, наводимой на зажимах приемной антенны, от угла ее поворота и анализ по полученной кривой угловой зависимости наведенной ЭДС поляризационной структуры сигнала. Если кривая имеет точки нулевых значений ЭДС, то исследуемое поле линейно поляризовано. Если кривая имеет точки минимума ЭДС ненулевого значения, то исследуемое поле имеет эллиптическую поляризацию. Круговой поляризации соответствует постоянная величина ЭДС независимо от угла поворота антенны.

Недостатком прототипа предлагаемого способа контроля работоспособности апертурных антенн является необходимость излучения ЭМП в свободное пространство, что в ряде случаев нарушает условия ЭМС объекта, на котором установлена контролируемая антенна.

Наиболее близким по технической сущности к заявленному устройству контроля работоспособности апертурных антенн вращающейся поляризации является устройство-прототип (Фрадин А.З. Рыжков Е.В. Измерения параметров антенно-фидерных устройств. -М. Связь, 1972, с. 265, рис. 10.5), включающее две антенны, одна из которых подключена к генератору и работает в режиме излучения, другая эталонная антенна, работающая в режиме приема, подключена через цепь детектора к измерителю амплитуды сигнала. Эталонная и контролируемая антенны с помощью коммутатора поочередно подключаются к измерителю сигнала. По показаниям прибора делается вывод о работоспособности антенны на уровне требуемого значения коэффициента усиления. Дополнительно, вращая контролируемую антенну относительно направления прихода ЭМП, оценивают поляризационные характеристики контролируемой антенны.

Недостатком прототипа предлагаемого устройства контроля работоспособности апертурных антенн вращающейся поляризации является необходимость излучения ЭМП в свободное пространство, что исключает возможность контроля антенны без усложнения условий ЭМС объекта, на котором размещена исследуемая антенна.

Целью изобретения способа контроля апертурных антенн является разработка способа, обеспечивающего контроль работоспособности апертурных антенн произвольной поляризации без излучения ЭМП в свободное пространство.

Поставленная цель достигается тем, что в известном способе контроля работоспособности апертурных антенн, включающем возбуждение контролируемой антенны и измерение уровня принимаемого сигнала, апертуру контролируемой антенны радиогерметично совмещают с идентичным раскрывом проходного резонатора, имеющего равные резонансные частоты по ортогонально поляризованным модам возбуждаемого контролируемой антенной ЭМП. Резонатор снабжен двумя группами элементов связи, каждая из которых согласована с соответствующей ортогонально поляризованной модой возбужденного поля. Возбуждают контролируемую антенну, суммируют сигналы, принятые элементами связи в каждой ортогонально поляризованной группе. Делят затем каждый из сигналов на две равноамплитудные части, одну из которых сдвигают по фазе на 90^o, после чего суммируют попарно сигналы с нулевыми и 90^o-ми фазовыми сдвигами и измеряют амплитуды этих суммарных сигналов. Затем по полученным данным оценивают работоспособность антенны.

Указанная новая совокупность существенных признаков позволяет оценить работоспособность антенны с заданной поляризационной структурой без излучения ЭМП в свободное пространство.

Целью изобретения устройства контроля апертурных антенн вращающейся поляризации является разработка устройства, обеспечивающего контроль работоспособности антенны с излучающей апертурой без излучения ЭМП в свободное пространство.

Поставленная цель достигается тем, что в известном устройстве контроля, включающем детекторную секцию и измеритель амплитуды сигнала, дополнительно введен короткозамкнутый коаксиальный резонатор длиной H = 0,25 λ(λ длина рабочей волны). Внутренний и внешний проводники резонатора электрически связаны с фланцами, снабженными элементами радиогерметизации и установленными перпендикулярно к поверхности проводников на расстоянии один от другого, равном ширине апертуры контролируемой антенны. Периметр фланца, подключенного к внутреннему проводнику резонатора выбран в пределах 1,2.1,5 от периметра апертуры контролируемой антенны. Симметрично относительно центра в фланцах выполнены отверстия, кромки которых конгруэнтны кромкам апертуры контролируемой антенны. Симметрично относительно центра в фланцах перпендикулярно к их плоскости установлены металлические планки, снабженные радиогерметизирующими пружинами. В полости коаксиального резонатора на расстоянии д (0,4.0,6)H от его короткозамкнутого конца на взаимно перпендикулярных осях симметрии его поперечного сечения установлены четыре элемента связи в виде металлических стержней, нормальных к стенкам короткозамкнутого резонатора, один конец каждого из которых замкнут на внутренний проводник, а другой через проходной изолятор, размещенный на внешнем проводнике короткозамкнутого коаксиального резонатора, связан отрезком кабеля с соответствующим входом сумматора, выход которого подключен к входу четвертьволнового квадратного моста. Выходы последнего через детекторные секции подключены к измерителям амплитуд сигнала. В частном случае короткозамкнутый коаксиальный резонатор может быть выполнен с круглым поперечным сечением.

Указанная новая совокупность признаков заявленного устройства контроля работоспособности апертурных антенн вращающейся поляризации обеспечивает проверку без излучения электромагнитного поля в свободное пространство.

На фиг. 1 изображена структурная схема, поясняющая сущность заявляемого способа контроля работоспособности антенн; на фиг.2 общая схема устройства контроля работоспособности антенн; на фиг.3 рисунки, поясняющие построение элементов схемы устройства контроля; на фиг.4 рисунок, поясняющий схему установки устройства контроля на проверяемую антенну.

Реализация заявленного способа заключается в следующем. При подключении контролируемой антенны 1 к генератору 2 (см. фиг.1) в проходном резонаторе 3, раскрыв которого совмещен радиогерметически с апертурой контролируемой антенны, будут возбуждаться электромагнитные колебания в общем случае с двумя ортогонально поляризованными модами. При этом на выходах сумматоров 4 и 5 от элементов связи первой и второй групп формируются суммарные сигналы соответственно: где действующие длины элементов связи первой и второй групп, под которыми понимаются комплексные коэффициенты пропорциональности, имеющие размерность метр и связывающие максимальные значения амплитуд напряженности ортогонально поляризованных мод поля E₁ и E₂ с напряжениями на выходах сумматоров 4 и 5; ϕ разность фаз между напряженностями полей ортогонально поляризованных мод.

На выходах делителей 6 и 7 при условии их согласования, напряжения будут соответственно . Сигналы на входах измерителей амплитуд 12 и 13 можно определить через матрицу рассеяния эквивалентного 8-полюсника, под которым будем понимать совокупность делителей сигналов 6 и 7, фазовращателей 8, 9 и сумматоров 10, 11 (на фиг.1 выделен пунктирной линией). Матрица рассеяния такого 8-полюсника при согласовании всех ее элементов и отсутствии потерь в элементах будет иметь вид Известно, что матрица рассеяния связывает комплексные амплитуды напряжений падающих и отраженных волн где матрицы-столбцы амплитуд напряжений отраженных и падающих волн соответственно.

При отсутствии отражений от измерителей амплитуд 12 и 13 матрица столбец напряжений падающих волн будет: Тогда напряжение на входах измерителей амплитуд 12 и 13 определяется выражениями

Комплексные напряжения можно представить в виде

Т. к. показания измерителей амплитуд 12 и 13 пропорциональны модулям комплексных напряжений, отношение показаний этих измерителей будет иметь вид

где отношение амплитуд напряжений на входах сумматоров 4 и 5.

Из анализа формулы (7) видно, что при K₁ 0 или K₁ _→ ∞, т.е. при отсутствии одной из ортогонально поляризованных мод, K₂ 1. Это свидетельствует о том, что одна из групп возбудителей контролируемой антенны не работает. Если K₂ ≠1, можно сделать вывод о том, что обе группы возбудителей контролируемой антенны работают. Отношение амплитуд напряженностей электрических полей ортогонально поляризованных мод

а разность фаз между ними

Поскольку конструкция и размещение элементов в каждой группе и конструкция элементов в трактах обработки сигналов от этих групп идентичны, можно с пренебрежимо малой погрешностью считать
E₁/E₂ = K₁; ϑ₁-ϑ₂ = 0 (10)
В этом случае потребуется качественная оценка работоспособности антенны, из анализа формулы (7) вытекают следующие возможности при известности показаний измерителей амплитуд, т.е. известности K₂:
при K₂=1 контролируемая антенна излучает поле с линейной поляризацией, что возможно либо при K₁=0, либо при K₁ _→ ∞, либо ϕ 0;
при K₂ > 1 антенна излучает поле с вращающейся поляризацией, причем, т.к. известно какая группа элементов связи подключена к сумматору 4 (или 5) можно сделать однозначный вывод о направлении вращения вектора E;
при K₂ < 1 антенна излучает поле с вращающейся поляризацией (противоположной по направлению для случая K₂ > 1);
при K₂ 0 или K₁ _→ ∞ антенна излучает поле с круговой поляризацией (при условии симметрии схемы по ортогонально поляризованным элементам связи и их идентичности, т.е. при выполнении условия (10).

В случае необходимости проверки коэффициента эллиптичности дополнительно измеряют величину K₁ E₁/E₂ (т.е. измеряют напряжения на выходах сумматоров 4 и 5, U₁ и U₂) и определяют коэффициент эллиптичности с использованием формул (8) и (9).

Таким образом, предлагаемый способ обеспечивает:
возможность проверки работоспособности апертурных антенн (с произвольным числом апертур) без излучения ЭМП в свободное пространство;
упрощение процесса измерений и связанных с ними временных и материальных затрат;
возможность контроля произвольной поляризационной структуры излучаемого антенной поля.

Устройство контроля работоспособности антенны с одной кольцеобразной излучающей апертурой показано на фиг.2. Устройство состоит из коаксиального короткозамкнутого резонатора, высотой H = 0,25 λ. Поперечные сечения внешнего 15 и внутреннего 16 проводников могут иметь различную форму: круглую, квадратную, эллиптическую и т.п. В частности, в данном устройстве у резонатора форма поперечного сечения проводников 15 и 16 круглая и устройство может использоваться, например, для проверки антенны с кольцевой излучающей щелью (Марков Г. Т. Сазонов Д.М. Антенны. -М. Энергия, 1975, с. 354, рис. 10.8). На открытом конце стенки резонатора электрически связаны по всему периметру с фланцами 17 (проводник 16) и 18 (проводник 15), установленными перпендикулярно к поверхности проводников на расстоянии "c" друг от друга, равном ширине апертуры контролируемой антенны. Симметрично относительно центра в фланцах выполнены отверстия 19. Кромки отверстий 19 конгруэнтны кромкам апертуры контролируемой антенны. В данном исполнении отверстия круглые с радиусом, равным радиусу "a" апертуры контролируемой антенны. Расстояние "к" между 15 и 16 проводниками проходного резонатора составляет к=(1,5.2)с. Радиус A фланца 17 выбран из условия A=(1,2.1,5)a. По периметру отверстий 19 фланцев установлены элементы радиогерметизации, включающие металлические планки 20, установленные перпендикулярно к поверхности фланцев, имеющие с ними по всему периметру кондуктивную связь, и электрически связанные с металлическими планками радиогерметизирующие пружины 21 (фиг.3,а), размещенные по всей длине металлических планок. Планки 20, установленные на фланцах 17 и 18, ориентированны противоположно друг другу в направлениях вне внутреннего объема резонатора. На расстоянии д=(0,3.0,7)H от короткозамкнутого конца резонатора во внутренней его полости установлены на взаимоперпендикулярных осях симметрии поперечного сечения четыре элемента связи 22. Каждый элемент выполнен в виде металлического стержня, ориентированного по нормали к стенкам резонатора, и одним концом электрически связан с его внутренним проводником, а другим через проходной изолятор 23 на внешнем проводнике резонатора подключен к кабелю 24. Другой конец каждого кабеля подключен к соответствующему входу сумматора 11, 11', выходы которых м, м' подключены ко входам квадратного четвертьволнового моста 12. К выходам квадратного четвертьволнового моста через детекторные секции 13 подключены измерители амплитуд сигналов 14, 14'. При необходимости работы устройства контроля в диапазоне частот и облегчения его согласования короткозамыкающая перемычка может быть выполнена в виде плунжера 25 (фиг.3,б) с возможностью его перемещения с помощью регулировочного винта 26.

Вариант построения схемы сумматоров (обведены пунктиром) и квадратного четвертьволнового моста на отрезках коаксиального кабеля, показан на фиг.3, в. Длина отрезков в плечах моста 1ʹ = 0,25 λ из кабеля РК-50, 1ʹ = 0,25 λ из двух включенных в параллель отрезков кабеля РК-75. Фазовращатель на 180^o в схемах сумматоров выполнен в виде U-образного колена, каждый из кабеля РК-50 длиной 0,5 λ. Согласование входного сопротивления резонатора со входами сумматоров достигается выбором размера "д", а также длиной кабелей 24 между выходами элементов связи 22 и входами сумматоров 11, 11'.

Устройство контроля работоспособности антенны работает следующим образом. Устройство, благодаря наличию отверстий в фланцах, устанавливается соосно с контролируемой антенной 27 (фиг.4), чем достигается радиогерметизация апертуры антенны. После этого подключают к антенне генератор. В коаксиальном резонаторе при этом будет возбуждаться электромагнитное поле, имеющее две ортогонально поляризованные моды. Каждая мода согласована по поляризации с парой противолежащих элементов связи (б, б' и г, г'), на которых наводятся сигналы, которые по кабелям поступают на входы сумматоров 11, 11', где их мощности суммируются. Суммарные сигналы по ортогональным модам поступают соответственно на входы м, м' квадратного четвертьволнового моста. Т.к. матрица рассеяния квадратного четвертьволнового моста с точностью до знака такая же, как и матрица (2) для эквивалентного 8-полюсника (фиг.1), описанного выше в заявленном способе (Будурис Ж. Шеневье П. Цепи сверхвысоких частот. -М. Сов. радио, 1979, с.193, формула 7.2.16), то в нем происходят аналогичные действия над сигналами, поступающими на его входы м и м'. А именно, суммарные сигналы от каждой ортогональной группы элементов связи делятся равноамплитудно на две части. Далее одна из частей сигнала от каждой из ортогонально поляризованных групп сдвигается на 90^o, после чего суммируются пары половин сигналов от ортогонально поляризованных групп, которые получили сдвиг по фазе на 90^o и пары половины сигналов, не имевших сдвига по фазе. Полученные таким образом два суммарных сигнала с выходов о, о' после детектирования в секциях 10, 10' измеряются по амплитуде измерителями 14, 14'. По результатам измеренных значений амплитуд сигнала делается вывод о работоспособности антенны в соответствии с методикой, описанной выше в предлагаемом способе.

Наличие на кромках отверстий элементов радиогерметизации (планки 20 и пружины 21) исключает просачивание ЭМП в свободное пространство. При использовании заявленного устройства контроля работоспособности апертурных антенн можно обеспечить:
возможность проверки работоспособности без излучения ЭМП в свободное пространство;
упрощение устройства и процесса проведения измерений;
возможность проведения проверки антенны, размещенной непосредственно на объекте.

Формула изобретения

1. Способ контроля работоспособности апертурных антенн, включающий возбуждение контролируемой антенны и измерение уровня принимаемого сигнала, отличающийся тем, что апертуру контролируемой антенны радиогерметично совмещают с идентичным раскрывом проходного резонатора, имеющего равные резонансные частоты по ортогонально поляризованным модам возбуждаемого контролируемой антенной электромагнитного поля и снабженного двумя группами элементов связи, каждая из которых согласована с соответствующей ортогонально поляризованной модой возбужденного поля, возбуждают контролируемую антенну, суммируют сигналы, принятые элементами связи в каждой ортогонально поляризованной группе, и делят каждый из них на две равноамплитудные части, одну из которых сдвигают по фазе на 90^o, после чего суммируют попарно сигналы с нулевыми и 90^o-ми фазовыми сдвигами и измеряют амплитуды этих сигналов, а по полученным результатам измерений оценивают работоспособность антенны.

2. Устройство контроля работоспособности апертурной антенны вращающейся поляризации, включающее детекторную секцию и измеритель амплитуды сигнала, отличающееся тем, что дополнительно введен проходной короткозамкнутый коаксиальный резонатор длиной H = 0,25 λ, где λ - длина рабочей волны, внешний и внутренний проводники которого электрически связаны с фланцами, снабженными элементами радиогерметизации и установленными перпендикулярно к поверхности проводников на расстоянии один от другого, равном ширине апертуры контролируемой антенны, периметр фланца, подключенного к внутреннему проводнику, выбран в пределах 1,2 1,5 от периметра апертуры контролирумой антенны, симметрично относительно центра во фланцах выполнены отверстия, кромки отверстий конгруэнтны кромкам апертуры антенны, в полости коаксиального резонатора на расстоянии (0,4 0,7)H от его короткозамкнутого конца на взаимоперпендикулярных осях симметрии его поперечного сечения установлены четыре элемента связи в виде металлических стержней, нормальных к стенкам короткозамкнутого коаксиального резонатора, один конец каждого из которых замкнут на внутренний проводник, а другой через проходной изолятор, размещенный на внешнем проводнике короткозамкнутого коаксиального резонатора, связан отрезком кабеля с соответствующим входом сумматора, выход которого подключен к входу квадратного четвертьволнового моста, а выходы последнего через детекторные секции подключены к измерителям амплитуды сигнала.

3. Устройство по п.2, отличающееся тем, что проводники короткозамкнутого коаксиального резонатора выполнены с круглым поперечным сечением, а расстояние между ними выбрано в пределах 1,5 2 от расстояния между фланцами.

4. Устройство по пп.2 и 3, отличающееся тем, что во внутренней полости короткозамкнутого коаксиального резонатора установлен с возможностью перемещения плунжер, снабженный регулировочным винтом.

5. Устройство по п.2, отличающееся тем, что элементы радиогерметизации выполнены в виде металлических планок, установленных и электрически связанных по всему периметру вдоль кромок отверстий в фланцах и перпендикулярно к их поверхности, а по всей длине металлических планок размещена радиогерметизирующая пружина.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3, Рисунок 4