Результат интеллектуальной деятельности: УСТРОЙСТВО ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЯ АМПЛИТУДНО-ФАЗОВОГО РАСПРЕДЕЛЕНИЯ ПОЛЯ АНТЕННЫ

Настоящее изобретение относится к области радиоизмерений и предназначено для автоматизированного съема пространственных параметров направленности зеркально-линзовых антенн с кольцевыми облучателями, используемых в РЛС сопровождения целей в ближней зоне излучения.

Известно устройство, предназначенное для измерения амплитудно-фазовых распределений антенн с коническим сканируемым лучом, осуществляемого с помощью облучателя, механически сочлененным с приводом.

Технические решения устройства основаны на временной синхронизации процессов отсчетов матрицы поля, осуществляемой путем приведения к единой временной шкале процессов несинхронного перемещения измерительного зонда и непрерывно-сканируемого в плоскости раскрыва облучателя антенного устройства.

С этой целью в устройство дополнительно введены два тахогенератора, две схемы поразрядного сравнения, датчик угловых координат облучателя, схема совпадений ″И″, накопители кодов угловых координат облучателя, регистр схем ″И″ (клапанов), дифференциальный усилитель и накопитель кодов координат смещенных матриц, при этом первый и второй тахогенераторы, электрически связанные с первым и вторым входом дифференциального усилителя, механически сочленены соответственно с приводом облучателя и следящим приводом сканера, второй вход которого подключен к выходу дифференциального усилителя, первый и второй входы первой схемы поразрядного сравнения подключены соответственно к выходу датчика угловых координат, механически сочлененного с облучателем зеркальной антенны, и к выходу накопителя кодов угловых координат облучателя, по входу подключенного к выходу регистра результатов измерений, первый и второй входы второй схемы поразрядного сравнения связаны соответственно с выходом накопителя кодов координат смещенных матриц и датчиком текущих координат зонда, параллельно подключенного ко второму информационному входу регистра клапанов схем ″И″, выход которого соединен со входом накопителя кодов координат смещенных матриц, первый и второй входы схемы совпадения ″И″ подключены соответственно к выходу второй и первой схемы поразрядного сравнения, параллельно подключенной к управляющему входу регистра клапанов схем ″И″, а выход схемы совпадения ″И″ соединен со входом генератора СВЧ сигнала и вторым входом регистратора измерений.

Именно это устройство может быть выбрано в качестве прототипа, недостатки которого наиболее очевидны применительно к проблеме синтеза автоматизированных комплексов антенных измерений для АУ с кольцевыми облучателями.

Этот специфический класс антенных устройств характерен тем, что в процессе углового сканирования принимает участие лишь отражатель антенны, регулярно вращающийся с заданной скоростью относительно стационарно установленного кольцевого облучателя. Число таких независимых облучателей, установленных по окружности, может быть различным и зависит от геометрических размеров зеркала и частотного диапазона антенны. В общем случае рабочий сектор сканирования такой антенны для одного облучателя составляет величину , где N - общее число облучателей. Каждый из облучателей возбуждается последовательно генератором зондирующих сигналов по мере того, как зона обзора антенного поста задаваемого угловым положением зеркала отражателя, совпадает с рабочим сектором данного облучателя.

Преимущества такой компоновки антенного устройства связаны именно со стационарным характером установки кольцевых облучателей, исключающих необходимость использования вращающихся переходов для канализации СВЧ мощности. Известно, что использование вращающихся переходов ограничивает уровень мощности зондирующего сигнала из-за возникающих эффектов электрического пробоя.

В данном случае тракт разводки и коммутации СВЧ сигналов может быть выполнен цельным без использования сложных, дорогостоящих и малонадежных многочастотных вращающихся переходов, традиционно используемых в антенных постах РЛС. Проблемы кругового обзора, формирования пеленгационных характеристик решаются путем подбора и рационального размещения облучателей сложной формы с учетом перекрываемых частотных диапазонов. Компенсация эффектов углового смещения зеркала относительно неподвижного облучателя может быть осуществлена с использованием расчетных методов, путем определения реальной пространственной ДН каждого из облучателей, а также использованием электрически сканируемых линейных ФАР. Сдаточными параметрами антенны с кольцевым облучателем является совокупность пространственных диаграмм направленности антенного поста для фиксированных положений зеркала отражателя, в том случае, когда геометрическая ось отражателя и электрическая ось облучателя совмещены в одной плоскости. Т.е. последовательно во времени необходимо обмерить N-объемных ДН АУ, соблюдая условия совмещения.

Очевидны и ограничения традиционных амплифазометрических комплексов на базе планарных сканеров для последовательных измерений АФР и состояний отражателя, характерных также и для прототипа.

И связаны они с тем фактором, что отражатель последовательно затеняет сектор обзора не работающих облучателей.

Таким образом, круговое смещение электрической оси АУ за счет механического вращения зеркала, отражателя антенны приводит к состоянию, при котором отсчет поля измерительным зондом относится к диаграмме обратного или бокового рассеяния.

Известны также комплексы измерений, описанные в монографии ″Методы измерений параметров излучающих систем в ближней зоне″, под редакцией Л.Д. Бахраха, Ленинград, ″Наука″, 1985 г., рис. 8.8, стр. 252÷253, обладающие теми же недостатками. Для исключения эффектов затенения и повышения оперативности измерения всей совокупности N-матриц АФР по каждому лучу авторами и предложено заявляемое устройство.

Цель заявляемого устройства: повышение оперативности и точности измерений совокупности матриц параметров фазовых распределений, последовательно формируемых стационарными кольцевыми облучателями, за один цикл сканирования измерительного зонда в ближней зоне излучения.

Поставленная цель достигается тем, что в устройство измерения амплитудно-фазовых распределений антенных устройств с кольцевыми облучателями, выполненных в виде аксиально сканируемого зеркала отражателя, механически сочлененного при помощи выносной фермы с поворотной платформой, сбалансированной относительно оси вращения противовесом, приводимого во вращение осевым двигателем через планетарный редуктор, содержащие поворотную платформу, которая при помощи опор качения перекатывается по неподвижному горизонтальному основанию, установленному на опорной металлоконструкции, на которой закреплен стационарный кольцевой облучатель, соединенный с помощью волноводного тракта зондирующего сигнала с СВЧ коммутатором облучателей, подключенного к выходу генератора зондирующего сигнала, в ближней зоне излучения антенного устройства параллельно привалочным плоскостям размещен планарный сканер, состоящий из горизонтальной тележки, смещающейся относительно горизонтальных направляющих, на которой закреплена вертикальная направляющая, относительно которой перемещается вертикальная каретка с измерительным зондом, подключенным с помощью подвижного тракта передачи СВЧ сигнала к измерительному входу амплифазометра, по выходу связанного со входом регистратора амплитудно-фазовых распределений, при этом вертикальная каретка оптически связана с датчиком текущих координат, а вертикальная каретка и горизонтальная тележка планарного сканера механически сочленены с координатным приводом, дополнительно введены второе опорное вращающееся основание, на котором установлена опорная металлоконструкция, приводимая в синхронное вращение от осевого приводного двигателя антенного поста через реверсивный редуктор, изменяющий направление вращения второго опорного основания на обратное по отношению к направлению вращения зеркала отражателя, на оси приводного вала вращающегося опорного основания закреплены вращающийся переход, с помощью которого выход генератора зондирующих сигналов подключен ко входу опорного сигнала амплифазометра, и преобразователь ″вал-код″, по выходу подключенный ко входу счетчика разметки облучателей, связанного своим выходом сигнала переполнения со входом регистра клапанов, а кодовым выходом - с параллельно-объединенными входами регистратора амплитудно-фазовых распределений и СВЧ коммутатора облучателей, первый и второй входы схемы поразрядного сравнения соединены соответственно с выходами датчиков текущих координат зонда и кодов разметки матрицы сканирования, параллельно подключенного ко входам координатного привода сканера и регистратора амплитудно-фазовых распределений, при этом выход схемы поразрядного сравнения через последовательно включенный регистр клапанов соединен с управляющим входом датчика кодов разметки матрицы сканирования.

Заявляемое устройство включает в себя: зеркало отражателя - 1 антенного поста, механически сочлененного с помощью выносной фермы - 3 с поворотной платформой зеркала - 4, сбалансированного с помощью противовеса - 6 относительно оси вращения. Поворотная платформа - 4 с помощью опор качения перекатывается по неподвижному основанию - 7, установленному на опорной металлоконструкции - 12. N-облучателей антенного устройства, равномерно установленных по образующей кольца - 2, стационарно закреплены в держателе облучателя - 3, установленного неподвижно, относительно равномерно вращающегося зеркала отражателя - 1. Каждый из облучателей - 8 подключен соответственно к N-входам коммутатора облучателей, соединенного с выходом генератора зондирующих сигналов - 25. Осевой приводной двигатель - 10 с помощью планетарного редуктора - 5 приводит во вращение поворотную платформу зеркала антенны - 4.

Вал осевого приводного двигателя с помощью реверсивного редуктора - 11 синхронно вращает второе опорное основание - 16 в направлении, противоположном направлению вращения зеркала отражателя - 1. По оси второго вращающегося опорного основания установлены преобразователь вал-код - 15 и вращающийся переход - 14, обеспечивающий передачу сигнала с выхода генератора зондирующих сигналов - 25 на вход опорного сигнала амплифазометра - 26, измерительный вход которого с помощью подвижного тракта передачи СВЧ сигнала - 21 подключен к выходу измерительного зонда - 20 планетарного сканера. В ближней зоне излучения антенного устройства со стационарным кольцевым облучателем - 2, параллельно ее привалочным плоскостям размещена область сканирования измерительного зонда - 20, координатно перемещаемого с помощью планарного сканера, выполненного в виде пары горизонтальных направляющих - 18, установленных на горизонтальных опорах - 17, относительно которых перемещается горизонтальная тележка (каретка) - 19. Вертикальная направляющая - 25, механически сочлененная с силовой фермой - 24 по всей длине, установлена на горизонтальной тележке - 19. Относительно вертикальной направляющей - 23 перемещается вертикальная каретка - 22, на которой закреплен измерительный зонд - 20, подключенный с помощью подвижного тракта передачи СВЧ сигнала - 2 к сигнальному входу амплифазометра - 26. Координатные перемещения измерительного зонда - 20 осуществляются с помощью координатного привода - 31, механически сочлененного с горизонтальной тележкой - 19 и вертикальной кареткой - 22 планарного сканера, оптически связанной с датчиком текущих координат измерительного зонда - 27. Первый и второй кодовые входы регистратора амплитудно-фазовых распределений - 33 соединены соответственно с выходами амплифазометра - 26 и датчика кодов разметки матрицы отсчетов параметров поля - 29. Выход преобразователя ″вал-код″ - 15 связан со входом заполнения счетчика разметки облучателей - 32, выход переполнения которого подключен к управляющему входу регистра клапанов - 30. Кодовый выход счетчика разметки облучателей - 32 параллельно подключен ко входу регистратора АФР-33 и управляющему входу коммутатора облучателей - 8. Первый и второй входы схемы поразрядного сравнения - 28 соответственно связаны с выходами датчика текущих координат зонда - 27 и датчика кодов разметки матрицы - 29, параллельно подключенного ко входу координатного привода - 31 и регистратора-АФР - 33. Выход схемы поразрядного сравнения - 28 подключен ко входу регистра клапанов - 30, управляющий вход которого связан с выходом сигнала переполнения счетчика разметки облучателей - 32. При этом выход регистра клапанов - 30 подключен к управляющему входу датчика кодов разметки матрицы - 29.

Заявляемое устройство содержит ряд новых узлов, а именно: реверсивный редуктор, механически сочлененный с опорным вращающимся основанием, вращающийся переход и преобразователь вал-код, установленные на валу осевого приводного двигателя, счетчик разметки облучателей, подключенный к управляющему входу регистра клапанов, схема поразрядного сравнения, подключенная к выходу датчика кодов разметки матрицы и т.д.

Причем их введение в состав устройства в данном конструктивном сочетании и функциональном построении взаимных связей обеспечивает возможность измерений параметров многолучевых матриц амплитудно-фазовых распределений антенных устройств с кольцевыми облучателями в ближней зоне излучения, которые осуществляются в едином законченном цикле измерений. Что, в свою очередь, позволяет существенно повысить оперативность и точность измерений пространственных параметров направленности АУ.

Положительный эффект заявляемого устройства обусловлен также весьма высокими технико-экономическими параметрами и доступностью практической реализации основных конструктивных узлов.

Указанная совокупность признаков авторам ранее не была известна. Все признаки во взаимосвязи являются существенными для достижения положительного эффекта в заявляемом устройстве и соответствуют критерию ″существенные отличия″.

Работает заявляемое устройство, изображенное на фиг. 1, следующим образом: опорная металлоконструкция - 12, на котором смонтировано антенное устройство, с кольцевым облучателем монтируется на втором опорном поворотном основании - 16, выполненным в виде неподвижного основания, установленного на опорах - 17, относительно которого может вращаться несущая поворотная платформа, благодаря перемещению тел качения, выполненных в виде шаров, движущихся в двух кольцевых пазах (т.е. практически реализованная идея многометрового разъемного подшипника, передающего осевые усилия). Неподвижное основание - 7 антенного устройства с концевым облучателем горизонтируется с помощью оптико-геодезических средств. Все узлы, размещенные на опорном поворотном основании, монтируются в соответствии с чертежом, при этом добиваются жесткого синхронизма во вращении в двух взаимно противоположных направлениях зеркала отражателя - 1 и второго опорного поворотного основания.

Параллельно привалочным плоскостям антенного устройства в ближней воне излучения монтируется планарный сканер таким образом, чтобы плоскость сканирования измерительного зонда была перпендикулярна электрической оси, например, первого из облучателей, установленных по кольцу - 2.

После завершения всех последовательных операций и юстировки приборов может быть реализована основная процедура измерения всей совокупности матриц отсчетов параметров поля для каждого из облучателей. Суть основного алгоритма измерений, реализованного в заявляемом устройстве, состоит в том, чтобы в течение одного полного оборота зеркала отражателя - 1 в моменты последовательного позиционирования каждого из облучателей в плоскости, нормальной области сканирования, обеспечить отсчет матрицы параметров поля в очередной точке. С тем чтобы исключить непроизводительные потери времени, связанные с переездами зонда из очередной точки матрицы в последующую, скорость вертикального перемещения должна быть выбрана из соотношения

где λ - длина волны, а ω - угловая скорость вращения зеркала отражателя - 1. В результате N отсчетов смещенных матриц АФР гарантированно будут выполнены за время перемещения - . Возможность физической реализации режима квазинеподвижного зеркала АУ относительно области сканирования достигается благодаря использованию реверсивного вращения облучателей по отношению к зеркалу отражателя.

При этом вариации скорости вращения зеркала практически не сказываются на точности момента отсчетов, поскольку с помощью преобразователя ″вал-код″ - 15 осуществляется реальное и точное измерение текущих координат положения каждого из N-облучателей антенного устройства. Осуществляется эта процедура следующим образом: единичные перемещения на шаг по угловым координатам в виде импульсов с выхода ПВК - 15 поступают на вход заполнения счетчика разметки апертуры - 32, осуществляющего накопление по основанию числа шага установки облучателей по кольцу антенны. В момент изменения состояния счетчика - 32, фиксирующего момент совпадения направления положения электрической оси данного облучателя с нормалью к области сканирования, сигнал с кодового выхода его параллельно поступит на вход регистратора АФР - 33 и управляющий вход коммутатора облучателей - 8. Код номера облучателя, поступивший с выхода счетчика разметки облучателя - 32 в регистраторе АФР - 33 используется для выбора зоны памяти, в которую заносится код соответствующего отсчета матрицы параметров поля. Коммутатор облучателей - 8 по соответствующему коду обеспечит прохождение сигнала с выхода к тому облучателю - 2 антенного устройства, который излучает в направление плоскости сканирования измерительного зонда - 20. Интегральный алгоритм функционирования заявляемого устройства следующий: датчик кода разметки матрицы - 28 в соответствии с заложенной программой генерирует последовательность кодов координат матрицы отсчетов параметров поля, поступающих на вход координатного привода планарного сканера - 31, последовательно перемещающего измерительный зонд - 20 в первую расчетную точку матрицы. По завершении выхода в эту точку датчик текущих координат - 27, формирующий код текущих координат измерительного зонда - 20, передает код на первый вход схемы поразрядного сравнения - 28, второй вход которой соединен с выходом датчика кодов разметки матрицы - 29. В момент сравнения заданного и текущего кода координат измерительного зонда - 30 сигнал с выхода схемы поразрядного сравнения - 28 поступит на один из входов регистра клапанов - 30, второй вход которого соединен с выходом сигнала переполнения счетчика разметки облучателя - 32. По сути своей этот сигнал является признаком полного оборота зеркала отражателя - 1. Т.е. каждый очередной шаг перехода в очередную точку матрицы сканирования поля начинается всегда с одной и той же угловой позиции, соответствующей началу (концу) целого оборота, совершаемого вторым полноповоротным опорным основанием - 16. Сигнал с выхода регистра клапанов - 30, поступив на вход датчика кодов разметки матрицы - 29, стимулирует считывание очередного кода координат последующей точки матрицы, до которой равномерно вращающееся дополнительное опорное основание по очереди совместит каждый из N-облучателей в фиксированный момент времени с направлением нормали к области сканирования планарного сканера. Именно в каждый из этих моментов времени по сигналу с выхода счетчика разметки облучателей - 32 будут осуществлены: коммутация зондирующего сигнала с выхода генератора - 25 к каждому из очередных облучателей и измерение сигнала, зафиксированного измерительным зондом - 20, осуществленного с помощью амплифазометра - 26, код с выхода которого будет занесен на вход регистратора амплитудно-фазовых распределений - 33 по адресу кода номера матрицы облучателя, сформированного в синхронный момент времени, поступающего с выхода счетчика разметки облучателя - 32. По завершении одного полного оборота зеркала отражателя антенного устройства и соответственно одного цикла реверсивного вращения стационарных облучателей совместно с генератором зондирующих сигналов - 25 будет осуществлено соответственно N-отсчетов параметров поля, занесенных в регистратор АФР - 33. Синхронно с законченным циклом вращения будет осуществлено перемещение измерительного зонда из предыдущей точки матрицы параметров поля в очередную текущую, заданную датчиком кодов разметки матрицы - 29. За время измерения матрицы поля размерностью R×M точек соответственно по вертикали и горизонтали зеркало отражателя сделает RM оборотов, в результате чего за один проход будут измерены все N-матриц АФР кольцевого облучателя.

Именно этим и обусловлены все технико-экономические и иные преимущества заявляемого устройства, обеспечивающие возможность оперативного и точного измерения пространственных параметров направленности АУ с кольцевыми облучателями за минимальный временной интервал времени, гарантируя при этом сокращение вероятности ухода амплитуды и частоты зондирующего сигнала, а также параметров точности амплитудно-фазовых погрешностей. Однако основным преимуществом заявляемого устройства является возможность реализации амплифазометрических измерений параметров объемных ДН каждого из облучателей в БЗ излучения с использованием планарного сканера путем традиционного пересчета матрицы отсчетов параметров поля в ДЗ излучения с использованием БПФ, т.е. фактически, не прибегая к измерениям в ДЗ излучения, естественно менее точным, гораздо более трудоемким и дорогостоящим способом.

Физическая реализация заявляемого устройства - однозначна и возможна на существующей и освоенной отечественной промышленностью элементной и приборной базе и не вызывает никаких трудностей, равно как и конструктивная реализация элементов и узлов, изображенных на чертеже.