CC BY
368
п Ч
пп □
Методы контроля качественных
азателеи активных жированных антенных решеток
Часть 1. Измерения в дальней и промежуточной зонах
А.М. ШИРЯЕВ,
независимый эксперт, доцент, к.т.н.
Г.В. СБИТНЕВ,
независимый эксперт, доцент, к.т.н.
В статье описываются традиционные и современные методы измерения параметров антенн СВЧ-диапазона, которые широко используются на различных этапах разработки и испытаний антенных систем. Отдельное внимание уделяется особенностям испытаний активных фазированных антенных решеток. В части 1 статьи представлен общий обзор методов тестирования. Далее детально анализируются преимущества и недостатки, а также аппаратурная реализация методов измерений в дальней и промежуточной зонах.
От вибратора Герца к сложной системе
Со времени первых опытов по распространению радиоволн прошло не более 130 лет. За этот относительно недолгий срок антенны сумели пройти непростой путь эволюции от обычного куска проволоки до сложнейших многофункциональных устройств, во многом определяющих облик и технические характеристики радиотехнических устройств, в состав которых они входят.
Наглядной иллюстрацией сказанного могут служить активные фазированные антенные решетки (АФАР). С их по-
□
пп
ппп
ппп
пп □
Ключевые слова:
активная фазированная антенная решетка, качественные показатели, методы контроля, дальняя зона, промежуточная зона.
Quality indicators monitoring of microwave active phased array antennas Part 1. Measurements in the far zone and in the wave zone
In this paper a number of traditional and modern microwave antenna testing methods are described. These methods are active engaged in different steps of design and manufacturing of the antenna systems. A special attention is given to active phased array antennas testing features. The Part 1 of the article contains a general survey of the mentioned methods. After then the detailed far zone and wave zone test procedures as well as their test benches are presented.
мощью решаются не только специфические антенные задачи - излучение и прием сигналов - но и их усиление, частотная селекция, пространственное сканирование луча и некоторые другие. Таким образом, антенная решетка может рассматриваться как сложно структурированный комплекс, который включает в себя излучающую апертуру, распределенные приемник и передатчик, устройство диаграм-мообразования, а подчас - и устройства наведения, слежения, управления и контроля [1]. Говоря иначе, современная АФАР все чаще представляет собой практически законченную радиотехническую систему за исключением разве что устройства выделения полезной информации.
Функциональная сложность и широкая номенклатура решаемых задач определяют высокие материальные и временные затраты, которые требуются для проведения всестороннего тестирования антенных решеток на различных этапах их производства и экспериментальной отработки. Значительную долю испытаний занимают измерения «классических» антенных характеристик, естественно, с учетом важных особенностей, присущих активным фазированным антенным решеткам с электронным сканированием луча. Рациональный выбор метода измерений и контрольно-испытательного оборудования
Keywords:
active phased array antenna, quality indicator, testing method, far zone, wave zone.
68
век! КАЧЕСТВА № 1 • 2015
КАЧЕСТВО ИНФРАСТРУКТУРЫ
АСПЕКТЫ КАЧЕСТВА
позволяет достичь существенной экономии сил и средств без ущерба для точности и полноты экспериментальных результатов.
Идеал недостижим, но стремиться надо
Типичный набор параметров антенн, подлежащих измерению на различных стадиях разработки, включает в себя характеристики, связанные с пространственным распределением элек- _
тромагнитного поля, а также энергетические характеристики и ряд других.
К первым относятся: амплитудная диаграмма направленности антенны (ДНА) в интересующем секторе углов; ширина главного лепестка ДНА по половинной мощности и по другим уровням, представляющим интерес для разработчика; положение и уровень боковых лепестков; фазовая диаграмма. Измерение этих параметров обычно проводится в двух ортогональных сечениях, реже - еще и в диагональных сечениях.
С этой группой тесно связаны энергетические характеристики антенны: коэффициенты усиления, направленного действия, рассеяния и т.д. Кроме того, в необходимых случаях измерению подлежат пеленгаци-онные и поляризационные характеристики.
Наличие в составе активных фазированных антенных решеток распределенных по апертуре усилителей мощности и малошумящих усилителей диктуют необходимость измерения эффективной изотропной излучаемой мощности (ЭИИМ) и параметра качества на прием (отношение коэффициента усиления антенны к шумовой температуре, приведенной к входу АФАР), которые ранее считались характеристиками, относящимися к радиотехнической системе в целом.
В связи с дискретностью установки луча АФАР, которая связана с конечной разрядностью фазовращателей приемных и передающих каналов, требуется проверка установки луча в каждое угловое положение, проверка точности установки и шага сканирования. Одновременно можно убедиться в отсутствии точек, где происходит «ослепление» антенны.
Строго говоря, все вышеперечисленные характеристики АФАР не являются постоянными величинами, а зависят от конкретного положения луча в пределах сектора сканирования. В этом заключается принципиальное отличие фазированных антенных решеток от обычных антенн. Отсюда следует, что процедура контроля качественных показателей АФАР в обязательном порядке должна включать измерения в различных точках установки луч (предельным случаем является измерение харак-
Основные методы контроля качественных показателей АФАГ
Измерение в промежуточной зоне (Френеля)
Рис. 1 . Основные методы контроля антенн
теристик в каждой позиции луча в пределах всего сектора сканирования, что далеко не всегда возможно на практике). При этом степень доверия к результатам возрастает с увеличением числа исследованных позиций.
Шорт-лист основных методов контроля антенн
Измерения перечисленных выше параметров можно проводить в дальней, промежуточной и в ближней зонах излучения. К группе методов тестирования в дальней зоне принадлежат: наземный полигонный (существуют различные варианты), облетный, радиоастрономический и радиометрический, но из них последние три представляют довольно узкий интерес. К методам ближней зоны относятся: голографический (стенд ближнего поля), коллиматорный и метод перефокусировки [2]. Классификация основных методов контроля представлена на рис. 1.
Перед тем как перейти к детальному анализу перечисленных методов, дадим краткую характеристику каждому из них.
Измерение в дальней зоне. Прямой метод, наиболее простой с точки зрения идеологии и не требующий сложных вычислений при обработке и интерпретации результатов. Необходимым условием применения метода является достаточное расстояние между вспомогательной и тестируемой антеннами, чтобы дать возможность сформировать диаграмму направленности последней. Измерения основаны на снятии диаграмм направленности испытуемой антенны и определении их абсолютных характеристик с помощью калиброванной вспомогательной антенны. Обычно такие измерения проводятся на антенном полигоне (на открытом воздухе или в безэховой камере). Нередко на точность и повторяемость результатов оказывают влияние погодные условия, отражения от земной поверхности и мешающих предметов. Различают «классический» метод вышки, полигон с падающим рельефом и сверхширокополосный полигон.
Измерение в промежуточной зоне (зоне Френеля). Данный метод идеологически примыкает к методу измере-
№ 1 • 2015 век КАЧЕСТВА
ния в дальней зоне и позволяет уменьшить расстояние между вспомогательной и тестируемой антеннами. Расплачиваться за это приходится усложнением схемы эксперимента, увеличением числа измерений и возрастающим объемом вычислений при обработке первичных результатов.
Измерение в ближней зоне - активно развивающееся направление. Оно особенно востребовано, когда речь идет о тестировании АФАР СВЧ-диапазона и позволяет радикально сократить расстояние между вспомогательной и тестируемой антеннами. Благодаря этому обстоятельству процесс измерения можно осуществлять в контролируемых условиях (в безэховой камере), что положительно сказывается на точности и повторяемости результатов.
Измерения в ближней зоне, как правило, требуют сложной математической обработки первичных экспериментальных результатов. Известно несколько разновидностей измерений такого рода, среди которых можно отметить метод перефокусировки, коллиматорный и голографический методы (стенд ближнего поля). С точки зрения методологии и используемых технических средств перечисленные способы довольно сильно отличаются друг от друга.
Метод перефокусировки. Его особенность: взаимное расположение облучателя и рефлектора зеркальной антенны или фазовая программа АФАР изменяются таким образом, чтобы луч был сфокусирован в ближней зоне излучения. Диаграммы направленности и другие характеристики испытуемой антенны измеряются на уменьшенном расстоянии. Полученные результаты позволяют судить о характеристиках антенны в дальней зоне (то есть при ее функционировании в штатном режиме).
Коллиматорный метод. Суть данного метода заключается в создании плоского волнового фронта с приблизительно постоянной амплитудой и фазой в зоне измерения с помощью специальной вспомогательной зеркальной антенны - коллиматора. Такой фронт формируется в непосредственной близости от испытуемой антенны, что позволяет многократно уменьшить размеры антенного полигона по сравнению с аналогичными измерениями в дальней зоне. По этой причине данный способ нередко называют методом компактного полигона. Размеры поперечного сечения и протяженность зоны, где возможно проведение корректных измерений, зависят от диаметра коллиматора. В процессе тестирования необходимо обеспечивать высокую температурную стабильность. Все это делает метод довольно затратным.
Голографический метод (стенд ближнего поля). Метод предполагает снятие амплитудно-фазового распределения электромагнитного поля в непосредственной близости антенны с помощью сканирующего зонда. На основании полученных первичных экспериментальных данных осуществляется восстановление ДНА программ-
век| КАЧЕСТВА № 1 • 2015
ными средствами. Шаг сканирования выбирается с учетом рабочей длины волны.
Голографический метод дает высокую точность измерений и хорошую повторяемость результатов. Однако при этом он требует больших разовых затрат на приобретение прецизионного оборудования, вычислительных и программных средств, обустройства помещения (без-эховая камера, средства поддержания температурной стабильности во время проведения измерений и пр.).
Что выбрать?
Решение задачи «в лоб». Метод измерений в дальней зоне с использованием вспомогательной антенны является традиционным и до сих пор наиболее распространенным. Суть его состоит в непосредственном измерении ДНА и других характеристик с помощью вспомогательной (обычно калиброванной) антенны. Испытуемая и вспомогательная антенны располагаются так, чтобы была обеспечена прямая видимость и отсутствие вблизи от линии связи мешающих объектов. Для измерения характеристик в секторе углов испытуемая антенна устанавливается на опорно-поворотном устройстве (ОПУ) с прецизионным приводом и угловыми датчиками.
Во избежание ошибок измерения расстояние между испытуемой и вспомогательной антеннами должно быть таким, чтобы падающая волна могла считаться плоской. Отсюда получается известное условие дальней зоны:
где Я - искомое расстояние между антеннами, й - максимальный размер апертуры антенны, Л - минимальная длина волны рабочего диапазона частот. Для антенн СВЧ-диапазона это расстояние может быть весьма значительным. Например, при Я = 6 м и Л = 3 см условие дальней зоны выполняется при 2400 м. Расстояние между антеннами растет с уменьшением длины волны и, особенно, с увеличением апертуры.
Взаимное расположение антенн выбирается с учетом уменьшения влияния отражений от земли. Одним из способов достижения поставленной цели является установка испытуемой и вспомогательной антенн (или хотя бы одной из них) на мачтах или вышках. Это дает основание именовать данный метод измерений методом вышки.
Метод вышки используется в широком диапазоне геометрических и электрических размеров антенн и находит применение как на открытых, так и на закрытых полигонах (в безэховых камерах). Достоинством измерений параметров антенн в дальней зоне являются методологическая простота процедуры тестирования, непосредственное измерение параметров антенны, которое
КАЧЕСТВО ИНФРАСТРУКТУРЫ
СП □ СП
АСПЕКТЫ КАЧЕСТВА
Преимущества
■ Простота
■ Измерения в реальном времени Не требуется преобразование данных
не требует сложных алгоритмов обработки или введение специальных тестовых режимов измеряемых антенн. К положительным сторонам метода вышки можно отнести доступность радиотехнических измерительных приборов, а также приемлемую стабильность получаемых результатов при неизменности погодных условий.
Серьезным недостатком обсуждаемого метода является необходимость организации и поддержания в рабочем состоянии антенного полигона, занимающего обширную территорию с дорогостоящей инфраструктурой (см. приведенный выше пример). При этом необходимо помнить, что достаточная точность измерений обеспечивается при низком уровне отраженных сигналов от поверхности земли и местных предметов. Данное обстоятельство вызывает необходимость размещения антенн на высоких мачтах и установки вдоль трассы распространения сигналов поглощающих экранов на поверхности земли. С учетом положения первого бокового лепестка ДНА в предыдущем примере под углом около 0.4° относительно максимума получим, что высота подъема над поверхностью земли тестируемой и вспомогательной антенн должна быть не менее 18 м.
Измерение методом вышки и связанные с ним достоинства и недостатки метода иллюстрирует рис. 2 [3].
Полигон с падающим рельефом. По мере увеличения расстояния между передающей и испытуемой антеннами все труднее становится поддерживать нежелательные отражения от земли и окружающих предметов на уровне ниже допустимого. В некоторых случаях выходом из положения может служить установка вышек на естественных возвышенностях с падающим рельефом между ними. Это позволяет добиться ослабления амплитуды отраженного сигнала от подстилающей поверхности.
2 ГУ
Л
Ф % Ф
Недостатки
Большая протяженность полигона Отражения от земли I интерференция Зависимость от погодных условии Слоч^ость компенсации гравитации
Рис. 12. Достоинства и недостатки антенных измерений методом дальней зоны
Еще одним методом уменьшения амплитуды отражений от посторонних предметов является организация сверхширокополосного полигона. Особенность применения метода состоит в том, что для тестирования используются широкополосные импульсные сигналы, а их регистрация на выходе измеряемой антенны осуществляется только на определенном, достаточно коротком отрезке времени, называемом временным окном. Разность моментов прихода тестового сигнала и сигналов, вызванных отражениями от посторонних предметов, позволяет осуществить временную селекцию помех. Измерения производятся во временной области при выполнении условия дальней зоны.
В качестве примера на рис. 3 приведен один из возможных вариантов реализации сверхширокополосного автоматизированного измерительного стенда для исследования характеристик антенн СВЧ-диапазона [3].
Контроллер устройства позиционирования
Рис. 3. Схема сверхширокополосного автоматизированного измерительного стенда для измерения параметров антенн СВЧ-диапазона во временной области
№ 1 • 2015 вею КАЧЕСТВА
71
п \ нн ппэ □ □2
ПП ..*
н
Основные технические характеристики сверхширокополосного автоматизированного измерительного стенда
Наименование параметра Значение параметра
Рабочая полоса частот, ГГц 0,05-18 (опции 30, 40)
Динамический диапазон измерения параметров антенн, не менее, дБ 76
Погрешность измерения ДНА и коэффициента усиления антенны, не более, дБ: - в диапазоне до -25 дБ - в диапазоне до -40 дБ 0,2 0,35
Погрешность измерения фазовой диаграммы направленности, не более, град: - в диапазоне до -25 дБ - в диапазоне до -40 дБ 2 3,6
Угловая разрешающая способность, угл. мин. 2
Нагрузка на опорно-поворотное устройство, кг До 500
Стенд позволяет определять: ^ амплитудные диаграммы направленности; ^ фазовые диаграммы направленности; ^ коэффициент усиления; ^ коэффициент направленного действия; ^ поляризационные характеристики.
Все перечисленные параметры измеряются одновременно в полной рабочей полосе частот за один оборот тестируемой антенны.
Положение и длительность временного окна выбирается таким образом, чтобы внутри него находился полезный сигнал, а за пределами окна - сигналы, отраженные от окружающих предметов (пол, потолок, стены и т.д.). Таким образом, временное окно определяет зону полного отсутствия мешающих отражений (абсолютной безэховости). Размер зоны безэховости зависит от расстояния между антеннами и от местоположения отражающих предметов относительно вспомогательной и тестируемой антенн.
Основные технические характеристики сверхширокополосного автоматизированного измерительного стенда приведены в таблице.
Когда полигон тесен. Стремление уменьшить размеры антенного полигона и связанные с этим материальные затраты, дало толчок развитию направления по измерению характеристик антенны в промежуточной зоне (зоне Френеля).
Методика измерений во многом напоминает описанную выше процедуру тестирования в дальней зоне. Это открывает возможность унификации измерительных стендов. Как и в предыдущем методе для испытаний требуется вспомогательная антенна, а аттестуемая антенна устанавливается на опорно-поворотном устройстве. Основное отличие сравниваемых методов заключается в том, что при измерениях в промежуточной зоне наряду с измерением амплитуды требуется измерять и фазу сиг-
ВеК КАЧЕСТВА № 1 • 2015
нала. По этой причине данный метод измерения относят к классу амплифазо-метрических.
Тестирование антенн в зоне Френеля требуют значительно большего объема измерений. Причина заключается в том, что для корректного восстановления характеристик антенны недостаточно данных по амплитуде и фазе в двух главных ортогональных сечениях. Их надо дополнить данными по амплитуде и фазе поля еще в нескольких вспомогательных сечениях, параллельных главным.
При этом возможен обмен объема измерений на расстояние между аттестуемой и вспомогательной антеннами. Например, при тестировании антенны с апертурой 3 м и рабочей длиной волны 30 см расстояние до вспомогательной антенны не превышает 10 м при условии, что амплифазометрические измерения проводятся в 5-7 сечениях. В то же время при увеличении числа сечений в 2-3 раза эту дистанцию можно сократить до 2.5-3 м. Для сравнения: измерение в дальней зоне требует разнос между антеннами 60 м, то есть в 6-24 раза больше.
Это обстоятельство дает возможность организации измерений относительно небольших антенн не только на открытых площадках с ограниченными размерами, но и в закрытых помещениях. Например, в [4] приводится описание стенда для измерений антенн в зоне Френеля с апертурой до 4 м в безэховой камере.
Экспериментально полученный массив амплифазоме-трических измерений требует специальной математической обработки, результатом которой является диаграмма направленности аттестуемой антенны в дальней зоне. При восстановлении ДНА в ограниченном секторе углов требуемый объем вычислений можно считать умеренным. ■
Литература
1. Активные фазированные антенные решетки /Под ред. Д.И. Воскресенского и А.И. Канащенкова. М.: Радиотехника, 2004. 488 с.
2. Методы измерений характеристик антенн СВЧ/ Под ред. Н.М. Цейтлина. М.: Радио и связь, 1985. 368 с.
3. www.trimcom.ru.
4. Денисенко В.В. и др. Радиоизмерения в специализированных безэховых камерах // Радиотехника. 2008. № 10. с. 8-15.
