CC BY
59
2007
НАУЧНЫЙ ВЕСТНИК МГТУ ГА Серия Радиофизика и радиотехника
№ 112
УДК 621.317.023: 621.396.6
ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ ПО ВОССТАНОВЛЕНИЮ ФАЗОВОГО РАСПРЕДЕЛЕНИЯ ПОЛЯ В РАСКРЫВЕ АНТЕННЫ ПО ДАННЫМ АМПЛИТУДНЫХ ИЗМЕРЕНИЙ
Е.Е. НЕЧАЕВ, И.Н. РОЖДЕСТВЕНСКИЙ
Приведены экспериментальные исследования по восстановлению фазового распределения поля в раскрыве антенны по данным только амплитудных измерений.
1. Введение
Реконструкция диаграммы направленности антенны (ДНА) по измеренным данным ее ближнего электромагнитного поля является основным методом современных антенных измерений. Стандартные способы преобразования требуют наличия комплексных значений амплитудно-фазового распределения ближнего поля на заранее выбранной поверхности сканирования измерительного зонда, которые измеряются с помощью прецизионного оборудования, а затем используются для численного расчёта ДНА. Результат реконструкции зависит от точности измерений, что при диагностике больших антенных систем усложняет оборудование и увеличивает его стоимость. Известно и то, что точные измерения фазы на высоких частотах представляют собой довольно сложную процедуру.
В работах [1], [2] приведено теоретическое обоснование бесфазовых методов антенных измерений, и представлен алгоритм численного моделирования. В данной статье описывается эксперимент, призванный практически проверить предлагаемый алгоритм.
Суть эксперимента заключалась в следующем: при измерениях одной лишь амплитуды поля антенной системы в ее ближней зоне подтвердить возможность восстановления фазового распределения в раскрыве антенны.
2. Экспериментальная установка
Для проведения эксперимента была собрана установка, состоящая из передающей и приёмной частей. Схема передающей части приведена на рис. 1, а приёмной - на рис. 2.
А1 &<
А2 &<
Рис. 1. Схема передающей части установки
Рассмотрим схемы подробнее. Передающая часть представляет собой двухэлементную антенную решетку. Генератор Г1 настроен на частоту 9375 МГц, что позволило использовать стандартные волноводы прямоугольного сечения размером 10 х 23 и 14 х 28 мм. В цепь между генератором и излучающими рупорами помещён аналоговый фазовращатель Ф1, который слу-
Ф1
Г1 П1 9
С п ' М1
А и V
жит для изменения фазового распределения в раскрыве антенной системы. В качестве излучателей использовались рупорные антенны А1 и А2. Для исключения влияния передающих рупоров друг на друга расстояние между фазовыми центрами было выбрано 14,5 см, что больше значения 4Х (для данной частоты длина волны X равняется 3,2 см). Таким образом, изменяя набег фазы в передающем тракте с помощью фазовращателя Ф1, можно изменять фазовое распределение излучаемого электромагнитного поля (ЭМП). Перед проведением эксперимента все фазовращатели были откалиброваны. Для предварительной калибровки аналоговых фазовращателей использовалась измерительная линия Р1-27 и высокочастотный широкополосный усилитель У3-29.
В качестве приёмных антенн (рис. 2) также использовались рупорные антенны, которые были разнесены на расстояние 20, 5 см. Расстояние между излучающими и приёмными рупора-
2 • В2
ми составило 55 см (ближняя граница дальней зоны г =--------, что для Б=13,5 см и X =3,2 см
1
составляет величину 114 см) это позволило считать, что измерения производились в ближней зоне излучающей системы. Направленные ответвители (НО) НО1, НО2 и НО3 служат для подвода СВЧ сигнала к измерительному прибору. Измерительный тракт состоит из волноводнокоаксиального перехода и ВЧ усилителя У1. В качестве измерительного прибора использовался радиолокационный измерительный прибор РИП-3. С направленного ответвителя НО3 снимается суммарный сигнал, а с ответвителей НО1 и НО2 - сигнал, принимаемый каждым рупором. Фазовращатель Ф1 приёмного тракта служит для получения фазового сдвига, равного ж 12, в сигнале, снимаемом с НО3. Наличие данного фазового сдвига необходимо для реализации алгоритма измерений. Суммирование принятых сигналов производится мостом М1. Измерения уровня сигнала производились последовательно с каждого НО (выходы 1,2,3), при этом на остальные выходы НО во время измерений ставились согласованные нагрузки.
Рис. 2. Схема приёмной части установки
На рис. 3 и 4 приведены фотографии передающего и приёмного трактов экспериментальной установки.
Рис. 3. Передающий тракт экспериментальной установки
3. Результаты эксперимента
Итак, с помощью данной установки были получены и измерены следующие данные:
І |2 і |2 і |2 і |2 її' II'
у , У2 ,у + У2| ,у + ]У2\ , где У1 = у • еж,У2 = V, • е;^2 являются комплексными сигналами.
І |2 І |2 і 12 Значения у | , У2 измерялись на плечах 1 и 2 приёмного тракта, суммарный сигнал у + У2
2
снимался с НО3 без ввода какого-либо фазового сдвига в приёмный тракт, а сигнал у + у'У2
измерялся также на НО3, но после ввода во второе плечо приёмного тракта фазового сдвига р/2 с помощью фазовращателя Ф1.
Рис. 4. Приёмный тракт экспериментальной установки
По этим измеренным данным для получения относительного фазового сдвига Dj = j - j2 между двумя фазовыми центрами рупоров в раскрыве приемной системы использовалось следующее выражение [3]:
Dj = tan-1
Таким образом, изменяя с помощью фазовращателя фазу в одном из плеч передающей системы (что соответствует изменению фазового распределения в процессе эксплуатации антенной решетки), можно отслеживать изменение фазового распределения в ближней зоне передающей системы, измеряя только лишь амплитуды ЭМП в ближней зоне контролируемой антенны. На рис. 5. приведёны результаты эксперимента. Измерения производились по приведённой выше методике для фазового сдвига в передающем тракте 00, 300, 600 и 900. Зависимость между изменением фазы на передающей стороне и изменением фазы на приёмной стороне показана на рис. 5.
і 12 і 12 і і
\К+ jV\ -VW -\v2\
\К+ r2f - VW2 - Kf
(1)
2
и
1
! ! i i ! i
; ; I I i i
] [ i [ /i / i i j
! ! : : ' i : i
: : i i : i : i
] i ; j | / ! j 1 j
! ! / ; j/ ! ; ! \
! !
■ i i i ; 1 j
60 70 80 90
Приращение фазы на передающей стороне, град
Рис. 5. Зависимость изменения фазы на приёмной стороне от приращения фазы на передающей стороне
4. Заключение
Проведённый эксперимент показал возможность восстановления фазового распределения поля в ближней зоне излучающей системы по измеренным только амплитудным значениям этого поля.
ЛИТЕРАТУРА
1. Нечаев Е.Е. Рождественский И.Н. Наземный контроль токов антенны КРМ СП-90 бесфазовым методом. // Научный Вестник МГТУ ГА, серия Радиофизика и радиотехника, № 98 (2), 2006. С. 138-143.
2. Нечаев Е.Е., Рождественский И.Н. К вопросу наземного контроля токов антенны курсового радиомаяка системы посадки СП-90. // Научный Вестник МГТУ ГА, серия Радиофизика и радиотехника, № 62, 2003. С. 94-100.
3. Sandra Constanzo, Giuseppe Di Massa, Marco Donald Migliore. A novel hybrid approach for far field characterization from near-field amplitude-only measurements on arbitrary scanning surfaces. IEEE Trans. on Antennas and Propagation, v. 53, N 6, June 2005, pp. 1866-1871.
Nechaev E.E., Rozhdestvenskij I.N.
The problem of the phase distribution reconstruction algorithm is discussed. This reconstruction is based on using only amplitude measured data of the antenna’s near-field.
Сведения об авторах
Нечаев Евгений Евгеньевич, 1952 г.р., окончил НГТУ (1974), доктор технических наук, профессор МГТУ ГА, автор более 100 научных работ и изобретений, область научных интересов - антенные измерения, техника СВЧ.
Рождественский Илья Николаевич, 1981 г.р., окончил МГТУ ГА (2005), аспирант МГТУ ГА, область научных интересов - математическое моделирование радиотехнических процессов.
