RU130089U1

RU130089U1 - MIDDLE-HIGH-FREQUENCY CALIBRATION DEVICE FOR THE MIDDLE ZONE ANTENNA MEASURING COMPLEX

Info

Publication number: RU130089U1
Application number: RU2012131473/28U
Authority: RU
Inventors: Иван Михайлович Малай
Priority date: 2012-07-24
Filing date: 2012-07-24
Publication date: 2013-07-10

Abstract

1. Устройство калибровки сверхвысокочастотного антенного измерительного комплекса ближней зоны, содержащее первую антенну-зонд, установленную на плоском сканере, и вторую антенну, установленную в ближней зоне антенны-зонда в фиксированном положении так, что ее электрическая ось направлена по нормали к плоскости сканера, сканер снабжен приводами перемещения антенны-зонда по сканеру, управляемыми компьютером, который через приборный интерфейс сопряжен с векторным анализатором цепей, вход и выход которого через радиочастотные кабели соединены с антеннами, отличающееся тем, что второй антенной является калибровочная антенна с широкой диаграммой направленности, охватывающей всю плоскость сканера.2. Устройство калибровки по п.1, отличающееся тем, что в качестве калибровочной антенны используется открытый конец волновода.1. The calibration device of the microwave antenna measuring complex of the near field, containing the first antenna probe mounted on a flat scanner and a second antenna mounted in the near zone of the antenna probe in a fixed position so that its electrical axis is directed normal to the plane of the scanner, scanner equipped with drives for moving the antenna probe through the scanner, controlled by a computer, which is connected via the instrument interface to a vector network analyzer, the input and output of which through radio frequency cables with dineny with antennas, wherein the second antenna is an antenna calibration with a broad pattern that covers the entire plane skanera.2. The calibration device according to claim 1, characterized in that the open end of the waveguide is used as the calibration antenna.

Description

Полезная модель относится к устройствам для испытаний и калибровки сверхвысокочастотных (СВЧ) антенных измерительных комплексов ближней зоны. Заявляемая схема может быть использована при оценке метрологических характеристик измерительного комплекса ближней зоны, в частности, для определения погрешностей измерений амплитудного и фазового распределений поля ближней зоны. Знание указанных характеристик позволяет повысить точность измерений амплитудных и фазовых диаграмм направленности, коэффициента усиления и координат фазового центра измеряемых апертурных антенн. Особенно значимый эффект может быть достигнут в тех случаях, когда испытаниям подвергаются крупногабаритные антенны, размеры которых измеряются метрами, веса от сотен килограмм до тонн, а измерения проводятся в СВЧ диапазоне частот.The utility model relates to devices for testing and calibration of microwave (microwave) antenna measuring complexes of the near field. The inventive scheme can be used to assess the metrological characteristics of the measuring complex of the near field, in particular, to determine the measurement errors of the amplitude and phase distributions of the field of the near zone. Knowledge of these characteristics allows to increase the accuracy of measurements of amplitude and phase radiation patterns, gain and coordinates of the phase center of the measured aperture antennas. A particularly significant effect can be achieved in cases where large-sized antennas are tested, the dimensions of which are measured in meters, weights from hundreds of kilograms to tons, and measurements are carried out in the microwave frequency range.

При антенных измерениях, как правило, используются две антенны. Первая антенна-зонд является принадлежностью самого измерительного комплекса, а вторая может быть измеряемой или калибровочной. Измеряемая антенна имеет неизвестные характеристики, которые подлежат определению в процессе исследований. Однако при измерениях возникают неточности, связанные с недостатками измерительного комплекса и методики испытаний. Повышения точности измерений можно добиться, проведя предварительную калибровку измерительного комплекса, используя калибровочную антенну вместо измерительной. Калибровочная антенна имеет известные характеристики, которые позволяют оценить свойства самого измерительного комплекса. При этом состав оборудования (две антенны, сканер и т.п.) и методика исследований (излучение зондирующих сигналов, прием и обработка) при измерениях и калибровке оказываются одинаковыми. Различны лишь цели исследований и соответствующие алгоритмы обработки полученных результатов: в первом случае - определение амплитудно-фазового распределения поля измеряемой антенны, а во втором - определение погрешностей измерительного комплекса для последующего использования при работе с измеряемой антенной.For antenna measurements, as a rule, two antennas are used. The first antenna probe is an accessory of the measuring complex itself, and the second can be measured or calibration. The measured antenna has unknown characteristics that must be determined in the research process. However, when measuring, inaccuracies arise due to the shortcomings of the measuring complex and test methods. Improving the accuracy of measurements can be achieved by preliminary calibration of the measuring complex, using a calibration antenna instead of a measuring one. The calibration antenna has known characteristics that allow you to evaluate the properties of the measuring complex itself. At the same time, the composition of the equipment (two antennas, a scanner, etc.) and the research methodology (radiation of probing signals, reception and processing) during measurements and calibration turn out to be the same. Only the research objectives and the corresponding algorithms for processing the results are different: in the first case, determining the amplitude-phase distribution of the field of the measured antenna, and in the second, determining the errors of the measuring complex for subsequent use when working with the measured antenna.

При антенных измерениях одна из антенн излучает зондирующие сигналы, а другая их принимает, при этом, исходя из принципа взаимности в электродинамике, для пассивных антенн не имеет значения, какая из антенн является излучающей, а какая приемной. Для определенности будем считать, что излучающей является калибровочная антенна, а приемной-зонд, установленный на сканере.In antenna measurements, one of the antennas emits sounding signals, and the other receives them, while, based on the principle of reciprocity in electrodynamics, it does not matter for passive antennas which of the antennas is emitting and which is receiving. For definiteness, we assume that the calibration antenna is emitting, and the receiving probe is mounted on the scanner.

Для измерения характеристик больших антенн, в том числе в ближней зоне, создаются полигоны - дорогостоящие измерительные комплексы внушительных размеров. Для корректной калибровки таких измерительных комплексов необходимы антенны с эталонными характеристиками и сопоставимыми размерами, что в практике измерений труднореализуемо.To measure the characteristics of large antennas, including in the near zone, polygons are created - expensive measuring complexes of impressive size. For the correct calibration of such measuring complexes, antennas with reference characteristics and comparable sizes are necessary, which is difficult to implement in practice.

Измерения радиотехнических характеристик антенн выполняются в дальней или в ближней зонах. При измерениях в дальней зоне плотность потока энергии излучения обратно пропорциональна квадрату расстояния от антенны, а фазовый фронт волны является квазиплоским. Условие дальней зоны определяется из соотношения:Measurements of the radio characteristics of the antennas are carried out in the far or near zones. In measurements in the far zone, the radiation energy flux density is inversely proportional to the square of the distance from the antenna, and the phase front of the wave is quasiplane. The condition of the far zone is determined from the relation:

где:Where:

R - расстояние от антенны;R is the distance from the antenna;

d - размер апертуры антенны;d is the aperture size of the antenna;

λ - длина волны.λ is the wavelength.

Измерение параметров антенн в дальней зоне соответствуют реальным условиям применения антенны, однако такие измерения сопряжены со значительными материальными затратами на создание больших полигонов, на борьбу с мешающими отражениями от посторонних объектов и т.п.Measurement of the parameters of the antennas in the far zone correspond to the actual conditions for the use of the antenna, however, such measurements are associated with significant material costs for creating large polygons, to combat interfering reflections from foreign objects, etc.

При измерениях в ближней зоне расстояние между антеннами R обычно выбирают из соотношения:When measuring in the near field, the distance between the antennas R is usually chosen from the ratio:

Измерения в ближней зоне существенно дешевле, поскольку из-за малого расстояния R между измеряемой антенной и зондом могут проводиться на закрытых полигонах или в безэховых камерах ограниченных размеров.Measurements in the near zone are much cheaper, because due to the small distance R between the antenna being measured and the probe, they can be carried out in closed ranges or in anechoic chambers of limited size.

Важными преимуществами измерений в ближней зоне являются более высокие производительность и информативность. Техническими предпосылками широкого внедрения таких измерений является доступность векторных анализаторов цепей и наличие прецизионных механических автоматизированных сканеров.Important advantages of measurements in the near field are higher productivity and information content. The technical prerequisites for the widespread adoption of such measurements are the availability of vector network analyzers and the presence of precision mechanical automated scanners.

Антенный измерительный комплекс содержит множество источников погрешностей связанных: с точностью позиционирования сканера антенны-зонда, с взаимными отражениями между антеннами, с отражениями между конструктивными элементами сканера, перемещаемыми в процессе измерений, инструментальными погрешностями трактов излучения и приема и т.п. Известные подходы к калибровке предполагают раздельную оценку частных составляющих погрешности, обусловленных данными факторами, и последующее определение суммарной погрешности измерения амплитудно-фазового распределения как суперпозиции частных составляющих, что сопряжено с большими временными затратами. Одной из самых трудоемких операций при оценке точности измерения амплитудно-фазового распределения поля является определение погрешности позиционирования зонда, которая выполняется с помощью оптических приборов. Наиболее критичным является отклонение от плоскости сканирования по оси Y, обусловленная им погрешность фазы определяется как Δφ=k·ΔY, и поэтому с ростом частоты, при работе в СВЧ диапазонах, требования к точности позиционирования возрастают. Для контроля позиционирования зонда могут быть использованы лазерные трекеры, которые обеспечивают приемлемую точность для сантиметрового диапазона длин волн, но очень дороги.The antenna measuring complex contains many sources of errors associated with: the accuracy of the scanner antenna probe positioning, with mutual reflections between antennas, with reflections between scanner structural elements that are moved during the measurement, instrumental errors of the radiation and reception paths, etc. Known calibration approaches involve a separate assessment of the partial components of the error due to these factors, and the subsequent determination of the total error of the measurement of the amplitude-phase distribution as a superposition of the partial components, which is associated with large time costs. One of the most time-consuming operations in assessing the accuracy of measuring the amplitude-phase field distribution is to determine the positioning error of the probe, which is performed using optical instruments. The most critical is the deviation from the scan plane along the Y axis, the phase error due to it is defined as Δφ = k · ΔY, and therefore, with increasing frequency, when working in the microwave ranges, the requirements for positioning accuracy increase. Laser trackers can be used to control the positioning of the probe, which provide acceptable accuracy for the centimeter wavelength range, but are very expensive.

Метод ближней зоны предполагает проведение измерений амплитудно-фазового распределения поля излучения испытываемой антенны, по которому расчетным путем восстанавливается ее комплексная пространственная диаграмма направленности. Коэффициент усиления испытываемой антенны при этом может определяться методом сравнения амплитудных диаграмм направленности при использовании вспомогательной эталонной антенны с одинаковыми размерами и аналогичными электродинамическими свойствами, либо абсолютным методом, который предполагает проведение дополнительной калибровки для определения комплексного коэффициента передачи измерительного тракта, включая зонд.The near-field method involves measurements of the amplitude-phase distribution of the radiation field of the tested antenna, by which its complex spatial radiation pattern is reconstructed by calculation. The gain of the antenna under test can be determined by comparing the amplitude radiation patterns using an auxiliary reference antenna with the same dimensions and similar electrodynamic properties, or the absolute method, which involves additional calibration to determine the complex transmission coefficient of the measuring path, including the probe.

Погрешность измерения параметров апертурных антенн измерительными комплексами ближней зоны определяется инструментальной погрешностью измерения амплитудно-фазового распределения поля на поверхности сканирования

и методическими погрешностями, обусловленным некорректным выбором параметров сканирования.The error in measuring the parameters of aperture antennas by measuring complexes of the near field is determined by the instrumental error in measuring the amplitude-phase distribution of the field on the scanning surface

and methodological errors due to incorrect selection of scan parameters.

Погрешность измерения амплитудно-фазового распределения в плоскости сканирования, в свою очередь, определяется погрешностями позиционирования зонда, погрешностью используемого векторного анализатора цепей (приемопередающего устройства), переотражениями между зондом и испытываемой антенной, а также изменением комплексного коэффициента передачи тракта при перемещении зонда.The error in measuring the amplitude-phase distribution in the scanning plane, in turn, is determined by the errors in the positioning of the probe, the error of the used vector network analyzer (transceiver), the reflections between the probe and the antenna under test, as well as the change in the complex transmission coefficient of the path when moving the probe.

Известен антенный измерительный комплекс ближней зоны [1], предназначенный для измерений радиотехнических характеристик антенн. Комплекс содержит две антенны: зонд и измеряемую, систему углового позиционирования с соответствующими приводами, управляемую компьютером, который сопряжен с приемно-передающим устройством, к выходу и входу которого через радиочастотные кабели подключаются антенны.Known antenna measuring complex near zone [1], designed to measure the radio characteristics of the antennas. The complex contains two antennas: a probe and a measured one, an angular positioning system with corresponding drives, controlled by a computer that is interfaced with a receiving and transmitting device, to the output and input of which antennas are connected via radio-frequency cables.

Недостатком данного устройства является функциональная ограниченность - исследуется только угловая относительная диаграмма направленности.The disadvantage of this device is functional limitation - only the angular relative radiation pattern is studied.

Наиболее близким к заявляемой полезной модели является измерительный комплекс ближней зоны [2], который может использоваться для испытаний измерительных антенн, а также предусматривает калибровку комплекса. В последнем случае устройство калибровки сверхвысокочастотного антенного измерительного комплекса ближней зоны [2] содержит первую антенну-зонд, установленную на плоском сканере и вторую антенну, установленную в ближней зоне зонда в фиксированном положении, так, что ее электрическая ось направлена по нормали к плоскости сканера, сканер снабжен приводами перемещения антенны-зонда по сканеру, управляемыми компьютером, который через приборный интерфейс сопряжен с векторным анализатором цепей, вход и выход которого через радиочастотные кабели соединены с антеннами.Closest to the claimed utility model is the measuring complex of the near field [2], which can be used for testing measuring antennas, and also provides for the calibration of the complex. In the latter case, the calibration device of the microwave antenna measuring complex of the near zone [2] contains a first antenna probe mounted on a flat scanner and a second antenna mounted in the near zone of the probe in a fixed position, so that its electric axis is directed normal to the plane of the scanner, the scanner is equipped with drives for moving the antenna probe along the scanner, controlled by a computer, which is connected via the instrument interface to a vector network analyzer, the input and output of which through radio frequency to Abels are connected to antennas.

Автору заявляемой полезной модели не известны источники информации, в которых предлагаются способы и устройства, в частности антенны, пригодные для калибровки подобных измерительных комплексов. Таким образом, недостатком устройства [2] является сложность реализации, связанная с отсутствием способов и антенн, пригодных для решения задачи калибровки такого комплекса.The author of the claimed utility model does not know the sources of information that offer methods and devices, in particular antennas, suitable for calibrating such measuring complexes. Thus, the disadvantage of the device [2] is the implementation complexity associated with the lack of methods and antennas suitable for solving the calibration problem of such a complex.

Тем не менее, могут быть предложены два очевидных способа выбора калибровочной антенны:However, two obvious ways to select a calibration antenna can be proposed:

1. В качестве калибровочной может использоваться большая антенна аналогичная измеряемой, которую предварительно аттестовали на другом, более точном оборудовании. Однако, для рассматриваемых задач такого оборудования не существует. Каждый измерительный комплекс типа [2], особенно для больших антенн, уникален и дорог. Кроме того, манипуляции с большой калибровочной антенной затруднительны. Таким образом, данный способ оказывается дорогим и трудно реализуемым.1. A large antenna similar to the measured one, which was previously certified on other, more accurate equipment, can be used as a calibration antenna. However, such equipment does not exist for the tasks under consideration. Each measuring complex of the type [2], especially for large antennas, is unique and expensive. In addition, manipulations with a large calibration antenna are difficult. Thus, this method is expensive and difficult to implement.

2. В качестве калибровочной может использоваться сертифицированная узконаправленная антенна, например, АИК 1-40А [3]. Однако, такой способ предполагает проведение калибровки в дальней зоне, что требует существенного увеличения размера полигона ближней зоны и использования дорогостоящих безэховых камер.2. As a calibration one, a certified narrowly oriented antenna can be used, for example, AIK 1-40A [3]. However, this method involves calibration in the far zone, which requires a significant increase in the size of the near field polygon and the use of expensive anechoic chambers.

Известные производители оборудования антенных измерительных комплексов ближней зоны, например, Agilent Technologies [4], стр.6, не предлагают никаких вариантов калибровки своих комплексов. В результате чего при совершенстве функциональных возможностей такое оборудование обладает плохими метрологическими характеристиками.Well-known manufacturers of equipment for near-field antenna measuring complexes, for example, Agilent Technologies [4], p. 6, do not offer any calibration options for their complexes. As a result, with perfect functionality, such equipment has poor metrological characteristics.

В заявляемой полезной модели предлагается использовать для калибровки простые малогабаритные антенны, характеристики которых относительно легко измерить или рассчитать.The claimed utility model proposes to use simple small-sized antennas for calibration, the characteristics of which are relatively easy to measure or calculate.

Задачей, решаемой заявляемой полезной моделью, является обеспечение антенных измерительных СВЧ комплексов ближней зоны простыми и дешевыми антеннами для калибровки, что в свою очередь позволяет повысить точность измерений.The problem solved by the claimed utility model is to provide the antenna measuring microwave complexes of the near field with simple and cheap antennas for calibration, which in turn improves the accuracy of measurements.

Для решения поставленной задачи по п.1 формулы полезной модели в устройстве калибровки сверхвысокочастотного антенного измерительного комплекса ближней зоны, содержащем первую антенну-зонд, установленную на плоском сканере и вторую антенну, установленную в ближней зоне антенны-зонда в фиксированном положении, так, что ее электрическая ось направлена по нормали к плоскости сканера, сканер снабжен приводами перемещения антенны-зонда по сканеру, управляемыми компьютером, который через приборный интерфейс сопряжен с векторным анализатором цепей, вход и выход которого через радиочастотные кабели соединены с антеннами, второй антенной является калибровочная антенна с широкой диаграммой направленности, охватывающей всю плоскость сканера.To solve the problem according to claim 1 of the utility model formula in the calibration device of the microwave antenna measuring complex of the near field, containing the first antenna probe mounted on a flat scanner and the second antenna mounted in the near zone of the antenna probe in a fixed position, so that it the electric axis is directed normal to the plane of the scanner, the scanner is equipped with drives for moving the antenna probe along the scanner, controlled by a computer, which is connected to the vector analyzer through the instrument interface Ohm of circuits, the input and output of which is connected to the antennas via RF cables, the second antenna is a calibration antenna with a wide radiation pattern covering the entire plane of the scanner.

Для решения поставленной задачи в устройстве калибровки по п.2 формулы полезной модели, в качестве калибровочной антенны используется открытый конец волновода.To solve the problem in the calibration device according to claim 2 of the formula of the utility model, the open end of the waveguide is used as a calibration antenna.

Существенными отличиями заявляемого устройства по сравнению с прототипом являются:Significant differences of the claimed device compared to the prototype are:

По п.1 формулы полезной модели в качестве второй антенны используют калибровочную антенну с известными характеристиками, что позволяет оценить свойства измерительного комплекса и повысить точность последующих измерений. Кроме того, калибровочную антенну устанавливают там же, где впоследствии будет установлена измеряемая, при этом не меняются основные условия проведения измерений: взаимное положение всех элементов измерительного комплекса, электрические и электромагнитные характеристики, что также повышает точность калибровки и измерений.According to claim 1 of the utility model formula, a calibration antenna with known characteristics is used as the second antenna, which allows one to evaluate the properties of the measuring complex and improve the accuracy of subsequent measurements. In addition, the calibration antenna is installed in the same place where the measured one will be installed, while the basic conditions for the measurements are not changed: the relative position of all elements of the measuring complex, electrical and electromagnetic characteristics, which also increases the accuracy of calibration and measurements.

В прототипе в качестве второй антенны используют измеряемую антенну с неизвестными характеристиками. Повышение точности измерений в этом случае возможно лишь за счет улучшения характеристик отдельных компонент комплекса: повышения точности установки сканера, размещения дополнительных поглощающих покрытий и т.п. Такой путь оказывается более дорогим и принципиально не позволяет обнаружить и устранить все источники погрешностей.In the prototype, as a second antenna, a measurable antenna with unknown characteristics is used. In this case, increasing the accuracy of measurements is possible only by improving the characteristics of the individual components of the complex: improving the accuracy of the scanner installation, placing additional absorbing coatings, etc. Such a path is more expensive and fundamentally does not allow to detect and eliminate all sources of errors.

По п.1 формулы полезной модели использование калибровочной антенны с широкой диаграммой направленности, охватывающей всю плоскость сканера, позволяет выполнить калибровку в ближней зоне единым волновым фронтом главного лепестка диаграммы направленности. В этом случае рабочая зона сканера облучается от одного источника с известными характеристиками и погрешность измерения амплитудно-фазового распределения определяется за один цикл измерений, без перемещения калибровочной антенны.According to claim 1 of the utility model, the use of a calibration antenna with a wide radiation pattern covering the entire plane of the scanner allows calibration in the near field with a single wavefront of the main lobe of the radiation pattern. In this case, the working area of the scanner is irradiated from a single source with known characteristics and the error in measuring the amplitude-phase distribution is determined in one measurement cycle, without moving the calibration antenna.

В прототипе измеряемая антенна также неподвижна, но вся исследуемая часть диаграммы направленности должна попадать на рабочую область сканера, т.е. должна быть меньше сканера.In the prototype, the measured antenna is also stationary, but the entire investigated part of the radiation pattern should fall on the working area of the scanner, i.e. should be smaller than the scanner.

По п.2 формулы полезной модели в устройстве калибровки по п.1 в качестве калибровочной антенны используется открытый конец волновода. Характеристики излучения открытого конца волновода определяются с высокой точностью расчетным путем, что позволяет использовать его в качестве калибровочной антенны. Такое решение является простым, дешевым, но не очевидным.According to claim 2, the utility model in the calibration device according to claim 1, the open end of the waveguide is used as a calibration antenna. The radiation characteristics of the open end of the waveguide are determined with high accuracy by calculation, which allows it to be used as a calibration antenna. This solution is simple, cheap, but not obvious.

Заявляемую полезную модель иллюстрируют следующие графические материалы:The claimed utility model is illustrated by the following graphic materials:

Фиг.1 Схема измерительного комплекса, где:Figure 1 Scheme of the measuring complex, where:

1. Антенна-зонд.1. Antenna probe.

2. Калибровочная антенна.2. Calibration antenna.

3. Сканер.3. The scanner.

4. Горизонтальная направляющая.4. The horizontal guide.

5. Вертикальная направляющая.5. The vertical guide.

6. Привод оси X.6. X axis drive.

7. Привод оси Z.7. Drive axis Z.

8. Компьютер.8. The computer.

9. Приемно-передающее устройство.9. Transceiver.

10. Линии раскрыва калибровочной антенны 2.10. Aperture lines of calibration antenna 2.

Фиг.2 - Пирамидальный рупорFigure 2 - Pyramidal shout

Антенна-зонд 1 расположена на сканере 3, в рассматриваемом варианте применения является приемной и предназначена для измерения параметров поля в точке текущего положения. В качестве такой антенны может использоваться малогабаритная рупорная антенна с широкой диаграммой направленности.The antenna probe 1 is located on the scanner 3, in the considered application it is a receiving one and is designed to measure field parameters at the point of the current position. As such an antenna, a small-sized horn antenna with a wide radiation pattern can be used.

Калибровочная антенна 2 является измеряемой, излучающей сигнал с диаграммой направленности, охватывающей рабочую часть сканера и известными характеристиками, например диаграммой направленности и положением фазового центра. При калибровке она располагается неподвижно и направлена на сканер по нормали к его плоскости. Контроль взаимного положения зонда и калибровочной антенны при начальной установке осуществляется с использованием геодезического оборудования, например, теодолита. При измерениях текущее положение зонда определяется системой позиционирования.Calibration antenna 2 is a measurable, emitting signal with a radiation pattern covering the working part of the scanner and known characteristics, such as radiation patterns and the position of the phase center. During calibration, it is stationary and directed toward the scanner normal to its plane. Monitoring the relative position of the probe and the calibration antenna during initial installation is carried out using geodetic equipment, for example, a theodolite. During measurements, the current position of the probe is determined by the positioning system.

По п.1 формулы полезной модели в качестве калибровочной может использоваться антенна с широкой диаграммой направленности, которая позволяет охватить всю плоскость сканирования. В качестве такой антенны может использоваться, например, оптимальный пирамидальный рупор, как показано на Фиг.2.According to claim 1 of the formula of the utility model, an antenna with a wide radiation pattern can be used as a calibration one, which allows you to cover the entire scanning plane. As such an antenna, for example, an optimal pyramidal horn can be used, as shown in FIG. 2.

Диаграмма направленности пирамидального рупора для заданной длины волны определяется его длиной и размерами апертуры. Для пирамидального рупора диаграмма направленности F(θ, φ) может быть измерена на эталонном измерительном комплексе или рассчитана.The directional pattern of the pyramidal horn for a given wavelength is determined by its length and size of the aperture. For a pyramidal horn, the radiation pattern F (θ, φ) can be measured on a reference measuring complex or calculated.

Фазовая диаграмма такой антенны в пределах главного лепестка амплитудной диаграммы направленности остается постоянной и изменяется на я при переходе между соседними лепестками.The phase diagram of such an antenna within the main lobe of the amplitude radiation pattern remains constant and changes to π when passing between adjacent lobes.

В этом случае поле в плоскости сканирования относительное распределение комплексной амплитуды поля в зоне сканирования определяется выражениемIn this case, the field in the scanning plane, the relative distribution of the complex field amplitude in the scanning zone is determined by the expression

где

;Where

;

F(θ, φ) - диаграмма направленности антенны.F (θ, φ) is the antenna radiation pattern.

Ширина амплитудной диаграммы направленности по уровню 0,5 мощности для оптимального пирамидального рупора, который используется на практике в качестве эталонной антенны, будет определяться соотношениями:The width of the amplitude radiation pattern at the 0.5 power level for the optimal pyramidal horn, which is used in practice as a reference antenna, will be determined by the relations:

в Н-плоскостиin the H-plane

в Е-плоскостиin the E-plane

Для оптимального пирамидального рупора с типовыми размерами (10×10)λ ширина главного лепестка будет составлять 8° в Н-плоскости и 5,3° в Е-плоскости.For an optimal pyramidal horn with typical dimensions (10 × 10) λ, the width of the main lobe will be 8 ° in the H-plane and 5.3 ° in the E-plane.

Пусть измерительный комплекс имеет сканер с размерами (L_х×L_z). Для того, чтобы поле главного лепестка используемого рупора охватило всю плоскость сканирования, ее необходимо установить на расстоянии, определяемом соотношением RLet the measuring complex have a scanner with dimensions (L _x × L _z ). In order for the field of the main lobe of the horn used to cover the entire scanning plane, it must be installed at a distance determined by the relation R

Для плоскости сканирования 50λ, необходимое расстояние для создания эталонного поля потребуется 178А, в Н-плоскости и 270λ в Е-плоскости, что 3,5 и 5,5 раза, соответственно, больше размера области сканирования и, по сути, ни чем не отличается от метода дальней зоны. Поэтому использование обычных рупорных антенн представляется нерациональным, а для этого должны использоваться антенны с изотропной диаграммой направленности.For a 50λ scan plane, the required distance to create a reference field will require 178A in the H-plane and 270λ in the E-plane, which is 3.5 and 5.5 times, respectively, larger than the size of the scan area and, in fact, is no different from the far zone method. Therefore, the use of conventional horn antennas seems irrational, and for this, antennas with an isotropic radiation pattern should be used.

По п.2 формулы полезной модели калибровочная антенна может быть выполнена в виде открытого конца волновода, который является физическим приближением изотропного источника.According to claim 2 of the utility model formula, the calibration antenna can be made in the form of the open end of the waveguide, which is a physical approximation of an isotropic source.

Для открытого конца прямоугольного волновода с сечением a×b объемная диаграммы направленности в Е- и Н-плоскостях F_E(θ) и ·F_H(φ) определяются следующими выражениямиFor the open end of a rectangular waveguide with the cross section a × b, the bulk radiation patterns in the E and H planes F _E (θ) and · F _H (φ) are determined by the following expressions

где θ, φ - углы, отсчитываемые от нормали к раскрыву в плоскостях Е и Н, соответственно;where θ, φ are the angles measured from the normal to the opening in the planes E and H, respectively;

θ=arctg(x/R₀);θ = arctan (x / R ₀ );

φ=arctg(z/R₀).φ = arctan (z / R ₀ ).

Ширина главного лепестка диаграммы направленности по уровню 0,5 от максимума для открытого конца волновода в соответствии с выражениями (7), (8) будет составлять не менее 25°, что позволяет уменьшить расстояние между излучателем и плоскостью сканирования, которое в рассматриваемом случае будет равно 50λ.The width of the main lobe of the radiation pattern at a level of 0.5 from the maximum for the open end of the waveguide in accordance with expressions (7), (8) will be at least 25 °, which reduces the distance between the emitter and the scanning plane, which in this case will be equal to 50λ.

Сканер 3, фиг.1 предназначен для перемещения антенны-зонда 1 по плоскости XOZ. Размер сканера 3 определяются размерами и характеристиками поля антенн, подлежащими измерению, так, чтобы с выражения (6) сканер охватывал интересующую часть поля измеряемой антенны. Сканер выполнен в виде двух ортогональных направляющих - горизонтальной 4 и вертикальной 5. При больших размерах могут использоваться более сложные конструкции. Горизонтальная направляющая 4 жестко закреплена на фундаменте полигона. Вертикальная направляющая 5 может перемещаться в плоскости X0Y параллельно оси 0Х под управлением привода 6. На балке 5 установлена каретка (на фиг.1 не показана), на которой закреплена, антенна-зонд 1. Привод 7 обеспечивает перемещение антенны-зонда 1 параллельно оси 0Z. Управление приводами 6 и 7 осуществляет компьютер 8 через соответствующие контроллеры.The scanner 3, figure 1 is designed to move the antenna probe 1 along the XOZ plane. The size of the scanner 3 is determined by the size and characteristics of the antenna field to be measured, so that from expression (6) the scanner covers the part of the field of the antenna being measured. The scanner is made in the form of two orthogonal guides - horizontal 4 and vertical 5. With larger sizes, more complex structures can be used. The horizontal guide 4 is rigidly fixed to the foundation of the landfill. The vertical guide 5 can move in the X0Y plane parallel to the 0X axis under the control of the drive 6. A carriage (not shown in Fig. 1) is mounted on the beam 5, on which the antenna probe 1 is mounted. The drive 7 provides the movement of the antenna probe 1 parallel to the 0Z axis . Drives 6 and 7 are controlled by computer 8 through appropriate controllers.

Приемно-передающее устройство 9 предназначено для формирования зондирующих радио сигналов по команде от компьютера 8, усиления и передачи их в калибровочную антенну 2, а также для приема сигналов от антенны-зонда 1, преобразования их в цифровую форму и передачи в компьютер 8 для обработки.The transmitting and receiving device 9 is intended for generating sounding radio signals upon command from the computer 8, amplifying and transmitting them to the calibration antenna 2, as well as for receiving signals from the antenna probe 1, converting them into digital form and transmitting them to the computer 8 for processing.

Компьютер 8 обеспечивает синхронизацию работы комплекса и производит обработку результатов измерений.Computer 8 provides synchronization of the complex and performs the processing of measurement results.

Рассмотрим работу заявляемого устройства калибровки сверхвысокочастотного антенного измерительного комплекса ближней зоны.Consider the operation of the inventive device for calibrating a microwave antenna measuring complex of the near field.

Заявляемое устройство калибровки сверхвысокочастотного антенного измерительного комплекса ближней зоны работает следующим образом.The inventive device for calibrating a microwave antenna measuring complex of the near field operates as follows.

Перед началом измерений устанавливают сканер 3, используя геодезическое оборудование. Выбирают и устанавливают калибровочную антенну. Параметры калибровочной антенны выбирают из приведенных выше соотношений (7), (8). Излучатель устанавливается на расстояние, определяемое выражением (6).Before starting the measurements, a scanner 3 is installed using geodetic equipment. Select and install a calibration antenna. The parameters of the calibration antenna are selected from the above relations (7), (8). The emitter is installed at a distance determined by the expression (6).

Калибровка измерительного комплекса может производиться во временной или частотной областях. В первом варианте в качестве зондирующих сигналов используются широкополосные импульсы, а во втором СВЧ гармонические сигналы с частотой f. При широкополосном зондировании измеряется множество мгновенных значений поля с последующим расчетом характеристик поля на нужной частоте, используя преобразование Фурье. В любом варианте по команде от компьютера 8 приемно-передающее устройство 9 формирует, а калибровочная антенна 2 излучает зондирующие радиосигналы. Антенна-зонд 1 принимает их и передает на приемно-передающее устройство 9, которое усиливает, оцифровывает и передает в компьютер 8, где обрабатываются и сохраняются. Результатом измерений является значение поля

в точке на плоскости сканирования с координатами (x_i, z_j) текущего положения антенны-зонда 1. По командам от компьютера 8 приводы 6 и 7 перемещают антенну-зонд 1 по плоскости сканера 3 с заданным шагом. В результате измерений будет получен массив амплитудно-фазового распределения поля в плоскости сканирования. При известных характеристиках эталонного поля

, рассчитываемого по формулам (3), (7) и (8), с учетом параметров калибровочной антенны 2, определяется погрешность относительного фазового распределения в соответствии с выражениемCalibration of the measuring complex can be performed in the time or frequency domains. In the first embodiment, broadband pulses are used as probing signals, and in the second microwave harmonic signals with a frequency f. With broadband sensing, a multitude of instantaneous field values are measured, followed by calculation of the field characteristics at the desired frequency using the Fourier transform. In any case, at the command of computer 8, the transmitting and receiving device 9 generates, and the calibration antenna 2 emits sounding radio signals. The antenna probe 1 receives them and transmits them to a transmitting and receiving device 9, which amplifies, digitizes and transmits to a computer 8, where they are processed and stored. The result of the measurements is the value of the field

at a point on the scanning plane with coordinates (x _i , z _j ) of the current position of the antenna probe 1. By commands from computer 8, the

drives

6 and 7 move the antenna probe 1 along the plane of the scanner 3 with a given step. As a result of the measurements, an array of the amplitude-phase distribution of the field in the scanning plane will be obtained. With known characteristics of the reference field

calculated by formulas (3), (7) and (8), taking into account the parameters of calibration antenna 2, the error of the relative phase distribution is determined in accordance with the expression

Полученная в процессе калибровки погрешность Δφ_i,j является характеристикой точности позиционирования планарного сканера измерительного комплекса. Что позволяет сравнить полученные результаты с ожидаемыми, оценить погрешности измерительного комплекса и использовать результаты калибровки при последующих измерениях путем введения в измеренное амплитудно-фазовое распределение для измеряемой антенны фазовых поправок Δψ_i,j=-Δφ_i,j, которые компенсируют фазовые погрешности, обусловленных погрешностью позиционирования зонда.The error Δφ _{i, j} obtained during the calibration process is a characteristic of the accuracy of positioning the planar scanner of the measuring complex. This makes it possible to compare the obtained results with the expected ones, evaluate the errors of the measuring complex and use the calibration results for subsequent measurements by introducing phase corrections Δψ _{i, j} = -Δφ _{i, j} into the measured amplitude-phase distribution for the measured antenna, which compensate for the phase errors caused by the error probe positioning.

Таким образом, заявляемое устройство позволяет провести калибровку сверхвысокочастотного антенного измерительного комплекса ближней зоны с использованием простых, дешевых и малогабаритных антенн, характеристики которых определяются расчетным путем или экспериментально.Thus, the inventive device allows the calibration of microwave microwave measuring complex of the near field using simple, cheap and small antennas, the characteristics of which are determined by calculation or experimentally.

Источники информации:Information sources:

1. Патент US 2010073246 SYSTEM AND METHOD FOR MEASURING ANTENNA RADIATION PATTERN IN FRESNEL REGION BASED ON PHI-VARIATION METHOD.1. Patent US2010073246 SYSTEM AND METHOD FOR MEASURING ANTENNA RADIATION PATTERN IN FRESNEL REGION BASED ON PHI-VARIATION METHOD.

2. Патент RU 105466 АВТОМАТИЗИРОВАННЫЙ КОМПЛЕКС ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЙ РАДИОТЕХНИЧЕСКИХ ХАРАКТЕРИСТИК АПЕРТУРНЫХ АНТЕНН2. Patent RU 105466 AUTOMATED COMPLEX FOR MEASUREMENT OF RADIOTECHNICAL CHARACTERISTICS OF Aperture Antennas

3. http://www.priborelektro.ru/price/AIK%201-40A.php4?deviceid=33013. http://www.priborelektro.ru/price/AIK%201-40A.php4?deviceid=3301

4. http://www.dipaul.ru/pub/Agilent_antenn_1200296296.pdf.4.http: //www.dipaul.ru/pub/Agilent_antenn_1200296296.pdf.

Claims

1. The calibration device of the microwave antenna measuring complex of the near field, containing the first antenna probe mounted on a flat scanner and a second antenna mounted in the near zone of the antenna probe in a fixed position so that its electrical axis is directed normal to the plane of the scanner, scanner equipped with drives for moving the antenna probe through the scanner, controlled by a computer, which is connected via the instrument interface to a vector network analyzer, the input and output of which through radio frequency cables with dineny with antennas, wherein the second antenna is an antenna calibration with a broad pattern, covering the whole of the scanner plane.

2. The calibration device according to claim 1, characterized in that the open end of the waveguide is used as the calibration antenna.