Результат интеллектуальной деятельности: Способ и устройство определения коэффициента эллиптичности элементов фидера, формирующих поляризационные характеристики антенны

Заявляемые объекты относятся к антенным измерениям и могут быть использованы при разработке, производстве антенно-фидерных устройств (АФУ) и их эксплуатации, в том числе для контроля поляризационных характеристик облучателей зеркальных антенн.

Известны различные способы измерения поляризационных параметров (ПП) антенно-фидерных устройств, позволяющие определять часть или весь спектр этих параметров, в том числе, коэффициент эллиптичности. Широко распространен способ, описанные в книге Канарейкин Д.Б., Павлов Н.Ф., Потехин В.А. Поляризация радиолокационных сигналов. - М.: Сов. Радио, 1966. - 440 с. [С. 109-112]. Он заключается в измерении параметров поляризационной характеристики тестируемой антенны посредством использования линейно-поляризационного индикаторного антенного пробника. В этом способе определяются коэффициент эллиптичности (КЭ) поляризационного эллипса и его ориентация в пространстве. Для определения направления вращения вектора поля дополнительно применяют антенны-пробники с вращающейся поляризацией. Недостатком аналога является практическая невозможность измерений КЭ, близких к единице (>0,94), которые требуются от АФУ на современных линиях спутниковой связи с поляризационным уплотнением (см. Бобков В., Ефимов М., Киселев А., Нагорнов В. Поляризационная развязка: взгляд эксперта. Оценка требований по кросс-поляризационным характеристикам антенн земных станций спутниковой связи // «CONNECT! Мир связи». 2004. №2, стр. 85-89. URL: http://www.rc-tech.ru/content/62/Connect_Cross%20Pol.pdf (дата обращения: 10.06.2019).

Известен «компенсационный» способ определения ПП, описанный на стр. 112-118 в книге Канарейкин Д.Б., Павлов Н.Ф., Потехин В.А. Поляризация радиолокационных сигналов. -М.: Сов. Радио, 1966. - 440 с. Его суть заключается в приеме ортогонально-поляризационных компонентов поля с вращающейся поляризацией измерительными антеннами и дальнейшей обработкой сигналов в обособленных каналах. Путем компенсаций различий фаз и амплитуд сигналов в этих каналах соответствующими измерительными фазовращателями и аттенюаторами, получают числовые значения, характеризующие отношение комплексных амплитуд сигналов, что позволяет рассчитать ПП антенны. Способ-аналог также характеризуется сложностью реализации и недостаточными точностными характеристиками измерения КЭ АФУ в диапазонах частот спутниковых линий связи.

Известен способ определения поляризационных характеристик антенн (см. Пат. РФ №2509316, МПК G01R 29/10, опубл. 10.03.2014, бюл. №7), заключающийся в измерении параметров Стокса электромагнитной волны, создаваемой антенной. При реализации аналога также применяется комплект приемных измерительных антенн с ортогональными поляризационными характеристиками. Определяют спектры сигналов с их выходов и взаимнокорреляционную функцию, вычисляют параметры Стокса и на основе известных соотношений определяют ПП исследуемой антенны в требуемом диапазоне частот.

Известны и другие способы-аналоги (см., например, А. с. СССР №1631460, МКИ G01R 29/10. Способ измерения поляризационных характеристик антенны, опубл. 28.02.1991; Пат. РФ №2084909, МПК G01R 29/00. Способ определения поляризационных характеристик электромагнитного поля), которые являются той или иной модификацией описанных выше способов с практически теми же проблемами применения и сложностью реализации.

Во всех названных аналогах результаты получают косвенным способом по измерениям нескольких величин, пропорциональных интенсивностям ортогонально поляризованных составляющих поля. При эллиптичности, близкой к круговой, способами, базирующимися на таких измерениях, практически невозможно определить КЭ с необходимой точностью ввиду малой разницы между значениями измеряемых величин.

Ввиду того, что результирующая погрешность зависит от погрешности каждого измерения каждой из величин, увеличение количества подлежащих измерению величин, реализованных в аналогах, приводит понижению точности конечного результата.

Известен ГОСТ 8.463-82 Государственная система обеспечения единства измерений (ГСИ). Антенны и комплексы аппаратуры измерительные. Методы и средства поверки. Введен в действие 01.07.1983. Пункт 3.7. Он предполагает наличие передающей части из генератора контрольных сигналов и вспомогательной антенны и приемной части из поверяемой антенны азимутального поворотного устройства и измерительного приемника. В нем реализован рассмотренный выше способ с линейно поляризованной антенной-пробником. Его недостатки рассмотрены выше.

Наиболее близким по физической сущности к заявляемому является способ измерения коэффициента усиления на основе двух идентичных антенн антенно-фидерных устройств (см. Фрадин А.З., Рыжков Е.В. Измерение параметров антенно-фидерных устройств. - М.: Сов. Радио, 1962, стр. 280-282). Способ-прототип предполагает использование двух идентичных АФУ, расположенных на расстоянии r>r_min друг от друга по общей продольной оси симметрии и встречно ориентированных, возбуждение одного из АФУ сигналом S(t) заданной мощности Р_T в полосе частот ΔF, прием вторым АФУ контрольного сигнала S(t) и измерение его мощности P_R, вращение второго АФУ относительно общей оси симметрии до получения максимального значения max P_R, вычисление коэффициента усиления G в соответствии с выражением

где λ - длина волны контрольного сигнала.

В способе-прототипе определяют максимальное значение коэффициента передачи, на основе которого и рассчитывают коэффициент усиления G АФУ, что и является общим прототипа и заявляемого способа. Однако способ-прототип не позволяет измерять коэффициент эллиптичности е АФУ.

Существующие способы производства зеркальных антенн и контроля их геометрических размеров обеспечивают высокую (достаточную) степень симметрии параболоидов. В свою очередь рупорные антенны, изготовленные на современных обрабатывающих центрах с числовым программным управлением, используемые в качестве облучателей рефлекторных антенн, не вносят заметных изменений в поляризационные характеристики излучателей. Это гарантирует слабое влияние названных элементов на результирующие поляризационные свойства АФУ, о чем свидетельствуют и результаты практических измерений, представленные в табл. 2. Поляризационные параметры зеркальных антенн определяются свойствами специальных дополнительных элементов фидера: поляризатора и поляризационного селектора (см. ГОСТ 24375-80. Радиосвязь. Термины и определения). Поэтому измерение КЭ АФУ может быть осуществлено на основе элементов фидера, определяющих поляризационные характеристики антенны.

Целью заявляемого способа является повышение точности измерения коэффициента эллиптичности АФУ с поляризацией близкой к круговой, снижение трудозатрат и упрощение измерительных процедур.

Поставленная цель достигается тем, что в известном способе определения коэффициента эллиптичности, заключающемся в использовании идентичных поляризаторов двух антенно-фидерных устройств, расположенных на взаимном расстоянии r по общей продольной оси симметрии и ориентированных в направлении друг друга, возбуждении одного поляризатора контрольным сигналом S(t) заданной мощности Р_T в полосе частот ΔF, приеме вторым поляризатором контрольного сигнала S(t) и измерении его мощности P_R, вращении второго поляризатора АФУ относительно общей оси симметрии до получения максимального значения max P_R, выход возбужденного поляризатора первого АФУ через вращающееся сочленение соединяют со входом приемного поляризатора второго АФУ, r=0, на входы обеих поляризаторов подключают идентичные поляризационные селекторы, а вращение второй сборки из второго поляризатора и поляризационного селектора осуществляют до получения максимального значения коэффициента передачи k_п между ортогональными выходами поляризационных селекторов первой и второй сборки, по величине которого рассчитывают коэффициент эллиптичности е

Сущность предлагаемого способа состоит в использовании функциональной зависимости между КЭ е и измеренным коэффициентом согласования по поляризации k_п. В отличии от известных способов, в которых для определения КЭ требуется измерение не менее двух величин, предлагаемый способ осуществляет оценку лишь одного параметра k_п.

Известно устройство определения поляризационных характеристик антенн (см. Пат. РФ 2509316, МПК G01R 29/10. Способ определения поляризационных характеристик антенн, опубл. 10.03.2014, бюл. 7), реализующее способ определения поляризационных характеристик антенны. Оно содержит исследуемую антенну, две ортогонально поляризованные измерительные антенны, генератор импульсов, широкополосный стробоскопический осциллограф и ЭВМ. Устройство позволяет определить поляризационные характеристики антенны (коэффициент эллиптичности, угол наклона большой оси эллипса, направление вращения вектора напряженности электрического поля).

Однако устройству присущи недостатки, ограничивающие его применение. В аналоге результаты измерений получают косвенно по измерениям нескольких величин (коэффициентов Стокса), пропорциональных интенсивностям ортогонально поляризованных составляющих поля. При эллиптичности, близкой к круговой, точность измерения КЭ низка и не удовлетворяет потребителей, работающих в системах с поляризационным разделением каналов.

Наиболее близким по технической сущности к заявляемому является устройство определения поляризационных характеристик антенн (см. ГОСТ 8.463-82 Государственная система обеспечения единства измерений (ГСИ). Антенны и комплексы аппаратуры измерительные. Методы и средства поверки. Пункт 3.7). Устройство содержит последовательно соединенные генератор контрольных сигналов и первый поляризатор, последовательно соединенные вращающиеся сочленение, второй поляризатор и измерительный приемник. Прототип представляет собой измеритель с линейно поляризованной антенной-пробником. Устройство обеспечивает измерение КЭ в соответствии с выражением 2. Однако ему также присущи недостатки, связанные с недостаточной точностью измерения КЭ с поляризацией сигнала близкой к круговой, большими временными затратами.

Целью заявляемого устройства является повышение точности измерения коэффициента эллиптичности АФУ с поляризацией близкой к круговой, снижение трудозатрат и упрощение измерительных процедур.

Поставленная цель достигается тем, что в устройстве определения коэффициента эллиптичности элементов фидера, содержащем последовательно соединенные генератор контрольных сигналов и первый калиброванный коаксиально-волноводный переход, и первый поляризатор, последовательно соединенные вращающиеся сочленение и второй поляризатор, последовательно соединенные второй калиброванный коаксиально-волновой переход и измерительный приемник, дополнительно введены первый поляризационный селектор, первый вход которого соединен с выходом первой калиброванной согласованной нагрузки, второй вход подключен к выходу первого калиброванного коаксиально-волнового перехода, а выход соединен со входом первого поляризатора, второй поляризационный селектор, первый вход которого соединен с выходом второго поляризатора, выход соединен со входом второго калиброванного коаксиально-волнового перехода, а второй вход соединен с выходом второй калиброванной согласованной нагрузки, причем первый и второй поляризаторы, первый и второй поляризационные селекторы попарно идентичны, последовательно соединенные блок поиска максимума и вычислитель, предназначенный для расчета значения коэффициента эллиптичности, вход блока поиска максимума соединен с выходом измерительного приемника, а выход первого поляризатора соединен со вторым входом вращающегося сочленения.

Введение новых элементов и связей позволяет достичь цели изобретения: разработать устройство определения коэффициента эллиптичности элементов фидера, формирующих поляризационные характеристики антенны, позволяющие повысить точность измерения КЭ АФУ с поляризацией близкой к круговой, снизить трудозатраты, упростить измерительные процедуры.

Заявляемые объекты поясняются чертежами, на которых приведены:

на фиг. 1 - обобщенный алгоритм способа определения КЭ элементов фидера, формирующих поляризационные характеристики антенны;

на фиг. 2 - структурная схема устройства измерения КЭ;

на фиг. 3 - сборка тестируемых элементов фидера С-диапазона волн;

на фиг. 4 - результаты измерения модуля коэффициента передачи для сборки С-диапазона волн;

на фиг. 5 - зависимость производной коэффициента согласования по поляризации для различных значений КЭ;

на фиг. 6 - структурная схема устройства измерения КЭ с векторным анализатором цепей.

Задают характеристики контрольных сигналов S(t): полосу рабочих частот ΔF и его мощность Р_T.

Сущность предлагаемого способа состоит в следующем (см. фиг. 1 и 2). На подготовительном этапе собирают две идентичные сборки элементов фидера в составе поляризатора и поляризационный селектор каждая, формирующих поляризационные характеристики АФУ. Названные сборки располагают на общей продольной оси симметрии и ориентируют их в направлении друг друга. Соединяют сборки с помощью вращающегося сочленения.

В процессе измерений вращают одну (вторую) сборку элементов фидера вокруг продольной оси их симметрии. Фиксируют положение второй сборки элементов фидера, в котором величина коэффициента передачи k_п по поляризации максимальна. На завершающем этапе осуществляют расчет КЭ в соответствии с выражением

Выражение (1) получено на основе известного соотношения для коэффициента согласования по поляризации ξ_n (см. Защита от радиопомех / Под ред. Максимова М.В. - М.: Сов. радио, 1976. - С. 288)

где r_i - коэффициент эллиптичности поля радиоволны, приходящей к антенне; r_t - коэффициент эллиптичности антенны; ψ - угол между большими осями эллипсов поляризации радиоволны антенны. Знак «плюс» перед вторым слагаемым соответствует совпадающим значениям направлений вращения векторов поля радиоволны и антенны в режиме передачи. В противном случае перед этим слагаемым используют знак «минус».

Коэффициент согласования по поляризации ξ_п (2) характеризует потери электромагнитной энергии из-за несовпадения ПП падающей на элементы фидера радиоволны и самих элементов фидера. Он численно равен отношению мощности, принимаемой второй сборкой фидера при текущих ПП, к мощности, которая могла быть принята этой сборной при полном согласовании по поляризации (см. Антенны эллиптической поляризации: Теория и практика: Сборник стаей / Перевод В.А. Либина; Под ред. /А.И. Шпунтова. - М.: Изд-во иностран. лит., 1961, стр. 52). По своей физической сути - это коэффициент передачи мощности сигнала.

Максимальное значение k_п, равное единице, оказывается в случае, когда равны коэффициенты эллиптичности радиоволны и сборки элементов фидера (r_i=r_t), параллельны большой оси эллипсов поляризации (ψ=0), направления вращения векторов поля волны и сборки элементов фидера противоположны.

Полное рассогласование по поляризации соответствует минимальной, равной нулю, величине этого коэффициента. Эта ситуация возникает при равных КЭ приходящей радиоволны и сборки элементов фидера, взаимно перпендикулярных большим осям их эллипсов поляризации (ψ=90°) и соответствующих направлениях вращения векторов поля и сборки элементов фидера.

После подстановки в (2) е=r_i=r_t, ψ=0, тождественных преобразований и учету противоположного направлениях вращения векторов поля, последняя принимает вид

Из (3) получено выражение (1), позволяющее по измеренному коэффициенту передачи k_п, с учетом того, что k_п≡<ξ_п, рассчитать величину коэффициентов эллиптичности.

В Таблице 1 приведены результаты расчетов в соответствии с (3) величины коэффициента передачи k_п (третья и четвертая строки) при значениях КЭ, указанных в первых двух строках. Эти данные свидетельствуют о возможности определения коэффициента эллиптичности АФУ с поляризацией близкой к круговой.

Большие погрешности большинства используемых ныне способов (средств) измерений ПП, базирующихся на оценке интенсивностей ортогонально поляризованных составляющих поля при КЭ→1, делают применение последних практически невозможным. В то же время, разница между значениями в соседних графах четвертой строки Табл. 1 значительна, а, следовательно, определение КЭ предлагаемым способом возможно.

На фиг. 4 приведены результаты измерения коэффициента передачи k_п для сборки элементов фидера антенны С-диапазона волн. Здесь по оси абсцисс показан диапазон рабочих частот в ГГц, а по оси ординат - значения k_п в дБ. В полосе частот от 3,6 до 4 ГГц значение k_п сборки элементов фидера лежит в пределах 39…32 дБ. Результаты получены при тестировании реальной спутниковой радиолинии, которые совместно с данными моделирования с использованием (1) сведены в Табл. 2.

В строках 1-3 приведены результаты измерений коэффициента согласования ξ_п и КЭ для заданных частот. В следующих двух строках представлены (для сравнения) данные пересчета измеренного на радиолинии коэффициента развязки K_р в коэффициент эллиптичности АФУ, при условии, что коэффициент эллиптичности волны, «приходящей» от спутника на антенну, равен 0,999.

В последних двух строках Табл. 2 - сведения о моделировании характеристик сборки элементов фидера расчетным симулятором, использующим формулу (1).

Современные виды кодирования и модуляции сигналов, используемых в ССС, предъявляют высокие требования к отношению сигнал / шум, которые могут быть достигнуты при кросс-поляризационной развязке между стволами не менее 30 дБ. Такая развязка может быть обеспечена при КЭ антенны земной станции более 0,94.

Результаты сравнения данных в третьей и пятой строках свидетельствуют о возможности применения предлагаемого способа для тестирования пригодности АФУ к работе на радиолиниях с поляризационным уплотнением по параметру «поляризационная развязка» в производственных условиях (е>0,94). Неполное совпадение значений в 3 и 5 строках таблицы объясняется влиянием облучателя, контррефлектора и параболического отражателя (основного рефлектора антенны) на конечную величину КЭ антенны в целом. Разница же значений в 3 и 7 строках - следствие отклонений реального образца от модели, неизбежных при практической реализации устройства.

Приведенные в табл. 2 результаты могут быть объяснены следующим образом. Из выражения 2 видно, что значение коэффициента согласования ξ_п по поляризации, определяющее интенсивность принятого сигнала в аналогах, зависит от второй степени каждого из двух коэффициентов эллиптичности. В предлагаемом способе (выражение 1), эта зависимость усиливается до четвертой степени. Поэтому способ более чувствителен к вариациям КЭ (см. фиг. 5). Здесь показаны значения производных КЭ в представляющем интерес интервале его изменений вблизи е=1. Абсолютная величина производной функции (3) и ее наклон (обозначена 1) превышает соответствующие значения функций (2 и 3), описываемых выражением 2.

Повышение точности определения КЭ предлагаемым способом обусловлено уменьшением количества необходимых измерений (только одной величины - k_п). В аналогах требуется как минимум оценка двух величин (в способе с линейной антенной), а в других - четыре и более. Каждое следующее измерение вносит свой вклад в суммарную погрешность, что в конечном счете влияет (снижает) точность оценки КЭ. Снижение трудозатрат и упрощение измерительных процедур при контроле качества готовых изделий на производстве также является следствием уменьшения количества требуемых измерений.

Устройство определения коэффициента эллиптичности элементов фидера (см. фиг. 1-3) содержит последовательно соединенные генератор контрольных сигналов 10, первый калиброванный коаксиально-волноводный переход 7, первый поляризационный селектор 1, первый поляризатор 2, вращающееся сочленение 3, второй поляризатор 4, второй поляризационный селектор 5, второй калиброванный коаксиально-волновой переход 9, измерительный приемник 11, блок поиска максимума 12 и вычислитель 13, первый вход первого поляризационного селектора 1 соединен с выходом первой калиброванной согласованной нагрузки 6, а второй вход второго поляризационного селектора 5 соединен с выходом второй калиброванной согласованной нагрузки 8.

Работа устройства осуществляется следующим образом. На подготовительном этапе собирают две идентичных сборки элементов фидера (стенд) в составе поляризатора 2 (4), поляризационного фильтра 1 (5) с дополнительными элементами 6 (8) и 7 (9) каждая, формирующих поляризационные характеристики АФУ. Названные сборки располагают на общей продольной оси симметрии и ориентируют их в направлении друг друга. Соединяют сборки с помощью вращающегося сочленения 3 (см. фиг. 2). К первой сборке элементов фидера (1, 2, 6 и 7) через калиброванный коаксиально-волноводный переход 7 (на второй вход блока 1) подключают генератор контрольных сигналов 10. Первый вход первого поляризационного селектора 1 соединяют с выходом калиброванной согласованной нагрузки 6. В результате сформирована передающая часть устройства.

Приемная часть устройства состоит из последовательно соединенных второй сборки (элементы 4, 5, 8 и 9), измерительного приемника 11, подключенного ко второму поляризационному селектору 5 через второй калиброванный коаксиально-волновой переход 9. Измеренное значение коэффициента передачи K_р по поляризации с выхода блока 11 поступает на вход блока поиска максимума 12 и далее на вход вычислителя 13. При этом блоки 10 и 11 соединены с ортогональными выходами поляризационных селекторов 1 и 5 через блоки 7 и 9 соответственно.

В процессе измерений вращают вторую сборку элементов фидера 4, 5, 8 и 9 относительно оси симметрии до получения максимального значения на выходе измерительного приемника 11, которое фиксирует блок 12. Эта величина поступает на вход блока 13, где в соответствии с выражением 1 вычисляют значение КЭ е.

В качестве генератора 10 и измерительного приемника 11 может быть использован векторный анализатор цепей ZVA67 фирмы Rohde & Schwarz (см. фиг. 6). Динамический диапазон прибора составляет 140 дБ, а погрешность измерения коэффициента передачи около 0,15 дБ. В связи с тем, что импедансы входных и выходных цепей тестируемых устройств близки, численные значения коэффициентов передачи по мощности и напряжению, представленные в децибелах, совпадают.

Представленные способ и устройство позволяют выполнить тестирование серийно выпускаемых на предприятии облучателей с высокой эллиптичностью, предназначенных для работы в системах связи с поляризационным уплотнением каналов.