close

Вход

Забыли?

вход по аккаунту

?

Повышение точности экспериментальных исследований характеристик излучения и рассеяния антенн в широкой полосе частот

код для вставкиСкачать
На правах рукописи
Варенцов Евгений Леонтьевич
ПОВЫШЕНИЕ ТОЧНОСТИ ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫХ
ИССЛЕДОВАНИЙ ХАРАКТЕРИСТИК ИЗЛУЧЕНИЯ И РАССЕЯНИЯ
АНТЕНН В ШИРОКОЙ ПОЛОСЕ ЧАСТОТ
05.12.07 – Антенны, СВЧ-устройства и их технологии
Автореферат
диссертации на соискание ученой степени
кандидата технических наук
Нижний Новгород – 2018
Работа выполнена на предприятии: ФИЛИАЛ Федерального
государственного унитарного предприятия «Российский федеральный ядерный
центр
–
Всероссийский
научно-исследовательский
институт
экспериментальной
физики»
«Научно-исследовательский
институт
измерительных систем им. Ю.Е. Седакова».
Научный
руководитель:
Кашин Александр Васильевич,
доктор технических наук, старший научный сотрудник
Официальные
оппоненты:
Калинин Андрей Владимирович,
доктор технических наук, старший научный сотрудник,
доцент
кафедры
распространения
радиоволн
и
радиоастрономии
Федерального
государственного
автономного образовательного учреждения высшего
образования
«Национальный
исследовательский
Нижегородский
государственный
университет
им. Н.И. Лобачевского» (г. Нижний Новгород)
Стриковский Аскольд Витальевич,
кандидат технических наук, научный сотрудник
Федерального государственного бюджетного научного
учреждения «Федеральный исследовательский центр
Институт прикладной физики Российской академии
наук» (г. Нижний Новгород)
Ведущая
организация:
Федеральный научно-производственный центр АО
«Научно-производственное предприятие «Полет»
(г. Нижний Новгород)
Защита состоится «26» декабря 2018 г. в 1300 часов на заседании
диссертационного
совета
Д 212.165.01
на
базе
Нижегородского
государственного технического университета им. Р.Е. Алексеева по адресу:
603950, г. Нижний Новгород, ул. Минина, 24.
С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ФГБОУ ВО НГТУ
им. Р.Е. Алексеева и на сайте университета по адресу:
http://www.nntu.ru/content/aspirantura-i-doktorantura/dissertacii
Автореферат разослан «___» ___________ 201__ г.
Ученый секретарь
диссертационного совета
Белов Юрий Георгиевич
2
ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ
Актуальность темы исследования.
Экспериментальное исследование характеристик излучения и рассеяния
антенных систем – важнейший технологический процесс при их разработке,
изготовлении и эксплуатации. Результаты измерений характеристик излучения
антенн позволяют судить об адекватности расчета, моделирования,
правильности выбора конструкции и материалов, точности изготовления, а
исследование характеристик рассеяния антенн, располагаемых на различных
объектах, обеспечивает контроль их радиолокационной заметности. Поэтому
задачи совершенствования методов и методик измерения характеристик
излучения и рассеяния антенных систем являются актуальными. Эти задачи
становятся особенно актуальными при разработке широкополосных и
сверхширокополосных антенных систем, обеспечивающих повышение
помехозащищенности радиотехнических систем и уменьшения их
радиолокационной заметности.
Изучение механизмов рассеяния антенн, особенно экспериментальное,
необходимо в различных радиотехнических задачах. Проблема минимизации
рассеяния для повышения энергетических характеристик связных каналов в
локальных радиосетях, исследование диаграмм обратного рассеяния (ДОР) в
диапазоне частот для учета взаимодействия антенны с ее обтекателем,
минимизация погрешностей измерения характеристик антенн в их ближней
зоне – формируют актуальность изучения явления рассеяния антенн.
Необходимость определения характеристик обратного рассеяния антенн на
объектах в их ближней зоне требуется при разработке систем предупреждения
столкновений автомобилей, систем стыковки различных аппаратов и т.д.
Традиционные методы измерений характеристик антенн в дальней зоне, а
также и более современные типы измерений в ближней зоне нуждаются в
исследованиях влияния аппаратных и методических погрешностей при
размещении антенн на носителе. Так как создаваемая измерительная установка
является уникальной и, следовательно, дорогостоящей, при анализе
погрешностей измерений зачастую приходится применять специальные методы
и методики их оценки. Эти проблемы являются предметом исследования,
причем особенно проблематичными становятся измерения в широкой полосе
частот, где в поисках компромисса с универсальностью установки может
теряться ее точность.
Еще одной из актуальных проблем является реализация максимальной
эффективности существующих и вновь создаваемых измерительных
комплексов, возможность наращивания их функциональных возможностей при
минимуме затрат.
Анализ и разработка приемов полного или частичного устранения
составляющих погрешности измерения характеристик антенн вызывает
особенную трудность при работе в широкой полосе частот, что также является
актуальной задачей, решающейся в данной работе.
В диссертационной работе для повышения точности измерений
3
характеристик антенн применяется процедура внутренних сравнительных
калибровок [Л.1], которая означает оценивание и уменьшение различными
приемами,
включая
электромагнитное
моделирование,
отдельных
составляющих погрешности измерительных систем. Калибровки используют
априорную информацию о характеристиках калибровочного объекта и
обеспечивают превращение измерительной системы в прецизионную, когда
погрешность измерений характеристик любых объектов, практически, будет
соответствовать погрешности измерения сигналов от калибраторов. Подобные
решения направленны на обеспечение постоянства получаемых результатов,
что позволяет использовать промышленные узлы и приборы, к уровню
погрешности которых не предъявляются высокие требования [Л.2].
Степень разработанности проблемы
Традиционно, характеристики излучения антенных систем измеряют
одним из трех методов: в дальней зоне (на открытом полигоне или в безэховой
камере); с применением коллиматора (компактный полигон); в ближней зоне
испытуемых антенн (на плоскости, цилиндрической или сферической
поверхности) [Л.3].
По операциям, выполняемым в процессе измерений, «коллиматорный»
метод фактически не отличается от метода «дальней зоны», а процедура
повышения точности проводимых измерений обеспечивается выбором
соответствующего оборудования или схемотехническими решениями, о чем
свидетельствует значительное количество патентов, однако ограниченного
частотного диапазона.
Помимо совершенствования применяемого оборудования, повышения
точности при измерении в «ближней зоне» добиваются определенными
подходами, например, сканирование на нескольких плоскостях с последующим
усреднением результатов восстановления характеристик направленности
минимизирует апертурное взаимодействие антенн и влияние фона.
Выбор метода измерения обусловлен многими факторами, такими как:
частотный диапазон, направленность и массогабаритные параметры
тестируемой антенны, виды и требуемая точность измеряемых характеристик.
Каждый из данных методов измерения имеет как свои достоинства, так и
ограничения и недостатки, а точность получения характеристик излучения
антенн зависит не только от используемого измерительного оборудования, но и
от выбранного метода [Л.4].
Явление рассеяния приемной антенной излучения, падающего на нее,
является неотъемлемым свойством антенны [Л.5, Л.6], а оценка характеристик
рассеяния антенн, как и прочих объектов, производится радиолокационными
методами.
В измерительных системах «ближней зоны» не всегда уделяется
достаточное внимание такой важной проблеме, как взаимное влияние
испытуемой антенны и зонда. В таких системах излучающая и приемная
антенны находятся на близком расстоянии, что увеличивает абсолютную
интенсивность рассеянных антеннами сигналов и искажает результаты
4
измерений [Л.7]. В СВЧ и КВЧ диапазонах в качестве зондовых антенн часто
используют апертурные антенны малых электрических размеров – открытые
концы волноводов, а также небольшие рупоры, позволяющие фильтровать за
счет своей направленности отражения от позиционеров и предметов,
окружающих измерительную установку [Л.1].
Для определения взаимодействия исследуемой и зондовой антенн в
«ближней зоне» исторически использовались аналитические методы [Л.7, Л.8,
Л.9], а так же были сформированы эмпирические оценки [Л.10] для
определения необходимого расстояния между антеннами (порядка 5-6 длин
волн), обеспечивающего минимальное возмущение поля в ближней зоне
испытуемой антенны.
Аналитические решения для полей внутри испытуемой антенны,
например, бесконечного секториального рупора, которые необходимы для
оценки полей рассеяния, можно найти в [Л.11]. Их практическое
использование, а также применение решений, получаемых методами
электромагнитного моделирования для других типов антенн, затруднительно
или имеют качественный характер [Л.12]. Значительное развитие
вычислительных методов электромагнитного моделирования [Л.13] позволяет в
настоящее время рассчитывать поля рассеяния как структур, имеющих большие
волновые размеры и сложную геометрическую конфигурацию, так и сложных
антенн типа скалярного рупора [Л.14].
В известной литературе недостаточное внимание уделялось влиянию
поверхности носителя антенны на ее характеристики. Это влияние обычно
учитывалось эмпирическими методами, либо, в более позднее время,
оценивалось с помощью методов вычислительной электродинамики. Однако
использование упрощенных моделей поверхности носителей антенных систем,
ввиду сложности конструкций носителей, не давало удовлетворительных
результатов.
Все это создает известные трудности при комплексных испытаниях
радиотехнических систем, содержащих антенны.
Целью диссертации является повышение точности экспериментальных
исследований характеристик излучения и рассеяния антенн в условиях
безэховых камер в широкой полосе частот с применением к измерительным
системам методик внутренних сравнительных калибровок.
В соответствии с поставленной целью диссертационной работы решались
следующие задачи:
1. Развитие методов измерения основных характеристик излучения антенн
(коэффициент усиления, коэффициент эллиптичности, ширина диаграммы
направленности по уровню половины мощности) с повышенной точностью в
широкой полосе частот в дальней зоне в условиях безэховой камеры.
2. Создание модели измерительного комплекса для исследования
особенностей его функционирования при проведении измерений характеристик
излучения различных типов антенн в дальней зоне с использованием
5
принципов внутренних сравнительных калибровок.
3. Определение причин и факторов, влияющих на точность измерения, и
разработка алгоритмов внутренних сравнительных калибровок при
экспериментальном исследовании характеристик обратного рассеяния объектов
в ближней зоне методом инверсного апертурного синтеза (ИАС).
4. Исследование
радиоизображений
(отражательной
способности)
рупорных антенн, измеренных и экспериментально восстановленных с
использованием метода ИАС, установление связи их структур с
характеристиками обратного рассеяния в широкой полосе частот.
Научная новизна диссертации заключается в полученных оригинальных
результатах:
1. Разработана математическая модель измерительной системы, показаны
особенности функционирования и адаптации системы при проведении
исследований характеристик излучения различных типов антенн с повышенной
точностью в широкой полосе частот в дальней зоне в безэховой камере.
2. Достигнуто снижение погрешности измерения основных характеристик
излучения антенн в широкой полосе частот в дальней зоне в безэховой камере,
доказанное математическим моделированием, аналитическими вычислениями и
результатами проведенного эксперимента.
3. Определены
методические
и
инструментальные
причины,
формирующие ограничения на точность восстановления отражательной
способности, ДОР и эффективной площади рассеяния (ЭПР) калибровочных
объектов методом ИАС, разработаны рекомендации для повышения точности
измерения характеристик обратного рассеяния объектов.
4. Разработан метод определения коэффициента отражения в свободном
пространстве радиопоглощающих материалов в широком диапазоне частот на
образцах малых геометрических размеров.
5. Определена отражательная способность пирамидальной рупорной
антенны в широкой полосе частот КВЧ диапазона, выявлены источники,
формирующие структурную и антенную составляющие рассеяния.
Теоретическая значимость работы состоит в получении результатов,
вносящих вклад в методы экспериментального исследования излучения и
рассеяния антенных систем с повышенной точностью в широкой полосе частот
в условиях безэховой камеры. Анализ структур радиоизображений рупорных
антенн, полученных в результате измерения полей обратного рассеяния в
ближней зоне в широком диапазоне частот, обеспечивает интерпретацию
источников рассеяния и расширяет возможности изучения взаимодействия
антенн в ближней зоне.
Практическая значимость работы состоит в создании методических
подходов, обеспечивающих значительное повышение точности при
экспериментальном исследовании характеристик излучения и рассеяния антенн
и других объектов в широкой полосе частот в условиях безэховой камеры.
Технические решения, методики и алгоритмы, представленные в
6
диссертации, были использованы в научно-исследовательских и опытноконструкторских работах, проводившихся в филиале ФГУП «РФЯЦ-ВНИИЭФ»
«НИИИС им. Ю.Е. Седакова», в том числе:
− модернизирован существующий измерительный комплекс ИК АФС,
повышение точности при аттестации зондовых (технологических) антенн в
диапазоне частот от 100 МГц до 178 ГГц составило для коэффициента усиления
в 6-8 раз, коэффициента эллиптичности, в среднем, в 2 раза, ширины
диаграммы направленности по половине мощности - порядка 4 раз, а
разработанная математическая модель измерительной системы позволила
сократить продолжительность и стоимость испытаний;
− разработан автоматизированный измерительный комплекс «Экран-М» с
погрешностью измерения характеристик излучения антенн в пределах ±1 дБ в
диапазоне частот от 100 МГЦ до 13.5 ГГц;
− разработан автоматизированный измерительный комплекс «Каустика» с
погрешностью измерения характеристик рассеяния объектов в пределах ±20% в
ближней зоне в диапазоне частот до 75 ГГц.
Практическая значимость работы подтверждена актом внедрения.
Методы исследования. В диссертационной работе использовались
математическое и электромагнитное моделирование, метод физической оптики,
статистический анализ, а также принципы метрологии измерений.
Теоретические и численные результаты получены с помощью вычислительных
алгоритмов, реализованных на ЭВМ с применением MathCad и среды
программирования
National
Instrument
LabView.
Электромагнитное
моделирование проводилось в пакете Microwave CST Studio Suite.
Положения, выносимые на защиту:
1. Методика и схема измерения основных характеристик излучения антенн
с повышенной точностью в дальней зоне в широком диапазоне частот,
обеспечившие модернизацию аппаратно-программного комплекса для
исследования антенн в безэховой камере.
2. Математическая модель измерительной системы, позволяющая
оперативно варьировать условия измерений при определении основных
характеристик излучения различных типов антенн с повышенной точностью в
дальней зоне в широком диапазоне частот.
3. Алгоритмы внутренних сравнительных калибровок и рекомендации,
представляющие возможность повышения точности при восстановлении
отражательной способности объектов методом инверсного апертурного синтеза
в ближней зоне в широком диапазоне частот.
4. Методика определения коэффициента отражения в свободном
пространстве радиопоглощающих материалов в широком диапазоне частот,
обеспечивающая исследование образцов малых геометрических размеров.
5. Результаты исследования отражательной способности пирамидальной
рупорной антенны в широкой полосе частот, выявляющие причины
формирования структурного и антенного рассеяния.
7
Достоверность и обоснованность результатов и выводов определяется
соответствием данных, полученных в ходе экспериментальных исследований,
электромагнитного
моделирования
и
аналитических
вычислений.
Разработанные методики и измерительные схемы подтверждены независимой
метрологической аттестацией.
Публикации и апробация работы. Материалы диссертации отражены в
15 научных работах, в том числе в 4 статьях в журналах, включенных ВАК в
перечень российских рецензируемых научных журналов, в которых должны
быть опубликованы основные научные результаты диссертаций.
Материалы диссертации обсуждались на XIII, XIV, XVI, XIX, XX, XXI,
XXIV международных научно-технических конференциях «Информационные
системы и технологии» (Нижний Новгород 2007, 2008, 2010, 2013, 2014, 2015,
2018 гг.), XVIII и XXI научных конференциях по радиофизике (Нижний
Новгород 2014 и 2017 гг.), VII и XII международных научно-технических
конференциях «Физика и технические приложения волновых процессов»
(Самара 2008 г, Нижний Новгород 2014 г).
Личный вклад автора состоит в постановке цели и задач исследования,
разработке методик и алгоритмов, создании математических моделей и их
программной реализации, проведении экспериментальных исследований и
интерпретации
полученных
результатов.
В
большинстве
работ,
опубликованных в соавторстве, соискателю принадлежит значительная роль в
исследовании и получении результатов.
Структура и объем работы. Диссертация объемом 176 страниц состоит из
введения, четырех глав, заключения, списка литературы из 64 наименований и
содержит 115 рисунков, 4 таблицы и 2 приложения.
ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ
Во введении обосновывается актуальность выбранного научного
направления исследований, описывается степень ее разработанности, ставится
цель, формулируются задачи, определяется научная новизна полученных
результатов и их практическая значимость. Приведены основные положения,
выносимые на защиту. Представлено краткое содержание работы.
В первой главе рассматривается развитие методов измерения основных
характеристик излучения антенн – приведены измерительная схема и методика
экспериментальных исследований в дальней зоне в широкой полосе частот в
условиях безэховой камеры, разработанные с использованием принципов
внутренних сравнительных калибровок, даны аналитическое и метрологическое
обоснования повышения точности измерений.
Данное направление работ связано с требованиями по улучшению
метрологических характеристик измерительного комплекса антенно-фидерных
систем (ИК АФС) [Л.15], который разработан и функционирует в филиале
ФГУП «РФЯЦ-ВНИИЭФ» «НИИИС им. Ю.Е. Седакова». ИК АФС
предназначен для проведения автоматизированных измерений характеристик
8
антенн с максимальным габаритным размером не более 2.5 м, общей массой не
более 200 кг в дальней зоне в диапазоне частот от 100 МГц до 178 ГГц.
Показатели
точности
измерений
характеристик
излучения
антенн
регламентированы стандартизированной методикой измерений, аттестованной
аккредитованной метрологической службой. Одной из преобладающих
составляющих суммарной погрешности измерения характеристик излучения
антенн на ИК АФС является погрешность аттестации зондовых антенн и
погрешность приемно-передающего оборудования.
Предлагаемый способ исследования основных характеристик излучения
антенн, к которым относятся коэффициента усиления (КУ), коэффициента
эллиптичности (КЭ), положения максимума и ширины диаграммы
направленности (ДН), максимально использует аппаратуру комплекса ИК АФС,
без значительного изменения функционально-структурной схемы и внедрения
дорогостоящего дополнительного оборудования. Способ измерения параметров
антенн с повышенной точностью основан на методах сравнения с эталонным
ослаблением и замещения [Л.16], объединенных и адаптированных под задачи
диссертационной работы. В качестве эталона ослабления, на базе принципов
внутренних сравнительных калибровок, принимается плавный аттенюатор,
внесенный в тракт приемной подсистемы. Именно этот аттенюатор является
единственным дополнительным оборудованием к существующему аппаратному
обеспечению комплекса, необходимым для обеспечения измерений данным
методом.
Измерение характеристик антенн происходит в соответствии со схемой,
представленной на рисунке 1(А1, А1, А3 – порядковые номера антенн, ИПС –
излучающая
Вентили
Вентили
Фидер
(2.00-17.44ГГц)
(2.00-17.44ГГц)
подсистема, ППС –
Фидер
приемная подсистема,
ППС
СГС – синтезированный
БУПП
генератор сигнала, АС –
1) А2
1) А1
анализатор
спектра).
СГС
2) А3
2) А1
3) А3
3) А2
ИПС
Примененная
Преобразователи частоты
измерительная
схема
«вниз» (17.44-178.00ГГц)
уникальна
–
Плавный
единственный плавный
Преобразователи частоты
АС
аттенюатор
«вверх» (17.44-178.00ГГц)
коаксиальный
аттенюатор с частотным
Рисунок 1.
диапазоном от 20 МГц
до 2 ГГц позволяет
проводить измерения во всем диапазоне частот комплекса, т.к. АС
обеспечивает измерение принимаемой мощности сигнала в диапазоне частот до
2 ГГц на несущей, а выше 2 ГГц – на промежуточной частотах.
Алгоритм процедуры экспериментального исследования характеристик
излучения состоит в попарном подключении трех однотипных антенн к трактам
ППС и ИПС. Ослабление аттенюатора устанавливается таким образом, чтобы
9
индикатор, в качестве которого выступает ППС, показывал одинаковое
значение принимаемой мощности для каждой из пар антенн.
Основным достоинством предлагаемого подхода, по сравнению со
стандартизованной методикой, является отсутствие необходимости измерения
абсолютных значений мощности. Из бюджета суммарной погрешности
исключается бо́льшая часть аппаратной погрешности приемно-передающего
оборудования, т.к. процедура измерения сводится к установке значения
ослабления плавного аттенюатора, а приемник используется в качестве
индикатора.
Оставшиеся источники погрешности приемно-передающего оборудования
имеют достаточно низкие значения и не играют существенной роли:
флюктуационная погрешность выходной мощности ИПС, погрешность
нестабильности принимаемой мощности ППС, погрешность установки частоты.
Погрешность, вызванная ошибками лабораторной системы координат, и
погрешность, обусловленная переотражением в безэховой камере, также входят
в номенклатуру составляющих погрешности предлагаемого способа, но
составляют незначительную часть.
Погрешность аттенюатора, градуированного на заданных частотах,
значительно ниже погрешности ППС, что обеспечивает повышение точности
измерений.
Вторая глава посвящена разработке математической модели комплекса
для исследования основных характеристик излучения антенных систем в
дальней зоне в широкой полосе частот в условиях безэховой камеры и
проведению экспериментальных исследований.
Модель позволяет сократить стоимость и продолжительность испытаний,
дает возможность исследовать особенности функционирования реальной
системы в разнообразных условиях, обеспечивает исследование различных
типов антенн с характеристиками, варьируемыми в широких пределах, что
недоступно при эксперименте ввиду ограниченной номенклатуры антенн. Все
параметры, входящие в модель, являются случайными величинами или
функциями, запрограммированными согласно эксплуатационной документации
на каждую составную часть системы со своими пределами и законами
распределения. Таким образом, производится вероятностная оценка
результирующей функции измерения.
Алгоритм модели построен, в том числе, по аналитическим выражениям
главы 1: входными данными являются действительные значения КУ, КЭ,
ширины ДН антенн, частота и расстояние между антеннами. Далее по входным
данным определяется отклик приемной подсистемы, моделируются отклонения
мощности источника и приемника, отклонения КУ и коэффициента
поляризационных потерь, вызванные ошибками лабораторной системы
координат, определяются значения вводимого ослабления аттенюатора для
обеспечения одинакового отклика индикатора, моделируются отклонения
значений ослабления в зависимости от его градуировки, рассчитываются
математические ожидания КУ, КЭ и ширины ДН, проводится статистический
10
анализ.
Анализ результатов моделирования показал, что с применением
существующего оборудования невозможно проводить измерения значения КЭ
ниже минус 60 дБ. Данное ограничение обусловлено, в основном, ошибками
лабораторной системы координат. При значениях КЭ ниже уровня минус 45 дБ
погрешность измерения возрастает. Для антенн с поляризацией, близкой к
круговой, погрешность измерения также взрастает, что объясняется
недостаточной характерной разницей между основной и кроссовой
компонентами поляризационной диаграммы и дискретностью приемника. При
значительном различии КЭ антенн, участвующих в измерении, погрешность
возрастает тем больше, чем меньше КЭ.
Погрешность измерения КУ составляет около ±4.5% и, в общем случае, не
зависит от характеристик используемых антенн. Ограничение применяемый
метод накладывает на измерение антенн с шириной ДН менее чем 1°, данное
обстоятельство обусловлено ошибками лабораторной системы координат.
Результаты
сравнения
Таблица 1
экспериментальных исследований,
математического моделирования и
аналитических вычислений по
сравнению со стандартизованной
методикой показали (таблица 1),
что
границы
погрешности
предлагаемой
методики,
полученные
аналитически,
значительно меньше, чем при
измерении по стандартизованной
методике,
а
результаты
экспериментальных
работ
и
математической модели лежат в
границах
аналитической
погрешности.
Таким образом, предложенная методика позволяет значительно сократить
погрешность измерения антенн, что особенно актуально при аттестации
зондовых антенн. Например, погрешность измерения КУ снизилась в 6-8 раз,
КЭ – в среднем, в 2 раза, ширины диаграммы направленности по половине
мощности – более чем в 5 раз.
В третьей главе диссертационной работы описаны схема и методика
измерения полей обратного рассеяния объектов в их ближней зоне в широкой
полосе частот, разработанные на базе принципов внутренних сравнительных
калибровок, позволяющие рассчитывать ЭПР и ДОР объектов с помощью
алгоритма обработки – инверсного апертурного синтеза.
В классической радиолокации измерения проводят в дальней зоне объекта,
при этом интенсивность измеряемого сигнала падает пропорционально 4-ой
степени расстояния до объекта, что обуславливает ряд трудностей:
11
необходимости создания измерительного полигона значительных размеров,
обеспечивающего плоский волновой фронт, применения передатчика с
большой мощностью и приемника высокой чувствительности и т.д.
Использование масштабных моделей в экспериментальных исследованиях не
всегда позволяет адекватно оценить ЭПР из-за особенностей характеристик
материалов объектов в разных частотных диапазонах. Для преодоления
описанных ограничений был использован метод ИАС [Л.17], существенно
доработанный в рамках диссертационной работы.
В методе ИАС используется следующее приближение: объект
представляется как набор независимых и ненаправленных точечных
рассеивателей с полярными координатами ρ , φ , расположенными на
расстояниях d1 и d 2 от фазовых центров излучающей и приемной антенн,
соответственно (рисунок 2). Объект вращается относительно центра полярной
системы координат по углу θ . Излучающая антенна (E), расположенная на
расстоянии R1 от центра вращения
Y
R
объекта,
формирует
электромагнитное
поле
с
d2
GE (α 1 )
в
распределением
α2
R2
направлении
на
точечный
d1
E
ϕ
ρ
β
рассеиватель.
Рассеянное
поле
α1
R1
ES ( f ,θ )
измеряется
приемной
θ
D/2
GR (α 2 ) ,
антенной (R) с ДН
расположенной на расстоянии R2
X
под бистатическим углом β к
Рисунок 2
излучающей антенне.
Характеристики амплитуды и фазы рассеянного поля в совокупности
определяют
двухмерную
функцию
отражательной
способности
(радиоизображения) объекта Ψ ( ρ ,φ ) в плоскости сканирования:
∞ 2π
Ψ ( ρ ,φ ) = ∫ ∫ ES ( f ,θ ) ξ ( f ,θ , ρ ,φ ) df dθ , где ξ ( f , θ , ρ , φ ) = e
0 0
i
2π
λ
(d1 + d 2 )
(d1d 2 ) f
.
G E (α1 ) G R (α 2 )
Распределение ЭПР объекта, как функция углов ракурса и частот
облучения, определяется выражением:
ЭПР ( f , θ ) = σ ( f ,θ ) , где σ ( f ,θ ) = e
2
−i 2
2π
λ
R
∞ ∞
∫
∫ Ψ( x, y) e
i2
2π
λ
( x cos θ + y sin θ )
dxdy .
−∞− ∞
Обязательной и важной процедурой радиолокационных измерений
является нормировка: приведение измеренных данных к размерности эталона
ЭПР, т.е. калибратора, в качестве которого используют сферу, диск или
вертикальный цилиндр, ЭПР которых рассчитываются достаточно точно.
Разработана лабораторная измерительная система, которая состоит из
поворотного устройства с диэлектрической колонной (εотн~1), вращающего
исследуемый объект вокруг вертикальной оси, приемной и передающей антенн
и подключенного к ним векторного анализатора цепей (рисунок 3).
12
На основе математических моделей,
электромагнитного моделирования и
экспериментальных
работ
проведен
анализ основных факторов, влияющих на
восстановление
отражательной
способности (по критерию совпадения
радиоизображения с геометрическим
образом) калибровочных объектов и, как
следствие, точности расчета ЭПР и
определены пути повышения точности
измерений методом ИАС:
Рисунок 3
− неопределенность
дисперсионных характеристик адаптеров, переходов
и антенн, в том числе частотная эволюция фазового центра антенн приводит к
эффекту размытия границ и изменению масштаба отражательной способности,
поэтому важен учет дисперсионных характеристик;
− искажения, присутствующие в измеренном поле, связанные с влиянием
фона (качество безэховой зоны, опорно-поворотное устройство, наличие
элементов креплений), конечная развязка излучающей и приемной антенн
исключаются
или
минимизируются
применением
пространственной
фильтрации;
− выбор
расстояния от оси вращения объекта (окружность измерения) в
два характерных линейных размера объекта обеспечивает увеличение
отношения сигнал/шум, при этом исследуемый объект, в случае применения
слабонаправленных антенн, будет освещен целиком;
− линейный
пространственный шаг на периметре окружности измерения
менее половины дины волны обеспечивает отсутствие ложных источников
рассеяния в распределении отражательной способности;
− направленные
свойства
применяемых
зондов
формируют
неравномерную засветку объекта, однако коррекцию на ДН зондов можно не
проводить в случае применения слабонаправленных антенн, таких как ОКВ.
При этом изменения отражательной способности и ЭПР незначительны (менее
10%) по сравнению с равномерной засветкой;
− диапазон
координате
частот определяет разрешающую способность по радиальной
∆ρ res = c
( f − f ) , которая, обычно, ограничивается рабочей
max
min
полосой антенн. При этом минимальный дискрет по дальности составляет
;
∆ρ = 4λ mean
(2π )2
− шага
по частоте менее ∆f = c (2 ⋅ 2R ) обеспечивает отсутствие ложных
откликов в области восстановления отражательной способности.
13
На рисунке 4 представлены результаты восстановления амплитуды
отражательной способности для калибровочных объектов (сфера, диск,
цилиндр) и иглы ∅3 мм. Измерения проведены в 8-мм диапазоне длин волн.
Сфера ∅100мм
Диск ∅100мм
Цилиндр ∅58мм
Игла ∅3мм
Рисунок 4
Результаты расчета ДОР и ЭПР демонстрируют незначительные (не более
20%) отклонения от известных теоретических значений для калибровочных
объектов.
В рамках данной главы предложена методика определения коэффициента
отражения радиопоглощающих материалов в широком диапазоне частот на
образцах малых геометрических размеров, построенная с использованием
метода ИАС. Основным преимуществом данной методики, по сравнению с
классическими методами при измерении коэффициента отражения в свободном
пространстве, является отсутствие требований к размерам образцов
исследуемых материалов.
В четвертой главе приведены результаты исследования характеристик
обратного рассеяния рупорных антенн методом ИАС в ближней зоне в
широком диапазоне частот на примере пирамидального рупора 8-мм диапазона
длин волн (рисунок 5), формируется общий подход к интерпретации
источников рассеяния и причин их возникновения, выявлены причины,
формирующие структурную и
антенную составляющие рассеяния
антенн.
Рассеяние приемной антенной
излучения, падающего не нее,
является
ее
неотъемлемым
свойством,
а
характеристики
рассеяния антенны определяются
Рисунок 5
ее конструкцией [Л.5, Л.6]. В
14
работе принято, что поле рассеяния антенны, идеально согласованной с
приемником, формирует только структурную составляющую рассеяния.
Антенная составляющая это энергия, собранная антенной, направленная на
нагрузку, возбуждающая токи на нагрузке, формирующие отраженную от
нагрузки волну, обратно в апертуру, и излученная ею.
Изображения амплитуды
отражательной
способности
(рисунок 6), полученного с
применением метода ИАС, с
различными типами нагрузки:
открытый конец волновода (а),
короткозамкнутый
конец
волновода
(б),
отрезок
волновода с согласованной
нагрузкой
(в),
содержат
а)
масштабную проекцию рупора,
и представляют собой не
только
оконтуренные
поверхности антенны, но и
достаточно
интенсивные
области, расположенные вне
проводящих поверхностей.
Области
интенсивности,
расположенные
вне
проводящих
поверхностей,
б)
вызваны
многократным
отражением от внутренних
стенок
рупора,
что
подтверждено процедурой (raytracing) построения падающих,
отраженных и преломленных
пучков лучей по законам
геометрической оптики.
Пространственная
фильтрация
распределения
в)
отражательной
способности
позволяет разделить центры
рассеяния,
отвечающие
за
структурную
и
антенную
Рисунок 6
составляющие,
для
трех
примененных типов нагрузки рупора.
Структурная составляющая рассеяния рупора обусловлена источниками на
внешней стенке рупора и многократным переотражением от внутренних
стенок. ДОР структурной составляющей (рисунок 7) не зависит от типа
15
нагрузки, а определяется конструкцией антенны.
Антенная составляющая формируется источниками рассеяния в нагрузке и
в переходе волноводной части антенны в рупорную. Интенсивность ДОР
антенной составляющей в случае короткого замыкания антенной значительно
выше. Совпадение антенной составляющей рассеяния при короткозамкнутой
антенне с ДН излучения (рисунок 8) подтверждает правильность выбранных
источников рассеяния.
Рисунок 7
Рисунок 8
Результаты расчета моностатической ЭПР антенны при различных типах
нагрузки в программе CST MS дают хорошее качественное и количественное
совпадение угловых зависимостей с экспериментальной ЭПР, полученной
методом ИАС. На рисунке 9, в качестве примера, приведены результаты
сравнения для короткозамкнутой антенны.
Таким образом, в результате
измерения
полей
обратного
рассеяния в ближней зоне и
получения
радиоизображения
апертурных
антенн
(рупоров)
методом ИАС наглядно выявлены
источники рассеяния в широкой
полосе частот. Это позволяет
использовать
полученную
информацию для оценки влияния
структурного рассеяния в антенных
измерительных установках, учета
Рисунок 9
взаимодействия антенны с ее
обтекателем, снижения радиолокационной заметности, а также при решении
других прикладных задач, где важны характеристики рассеяния антенн.
В заключении к работе перечислены основные результаты, полученные в
ходе ее выполнения.
16
ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ
− Развит метод экспериментального исследования основных
характеристик излучения антенн с повышенной точностью в широком
диапазоне частот в дальней зоне в условиях безэховой камеры, что обеспечило
простоту и дешевизну модернизации существующего измерительного
программно-аппаратного комплекса.
− Создана
математическая модель измерительной системы для
определения основных характеристик излучения антенн с повышенной
точностью в дальней зоне в широком диапазоне частот, позволяющая
оперативно варьировать условия измерений.
− Приведено
аналитическое и метрологическое обоснование снижения
погрешности измерения основных характеристик излучения антенн,
подтвержденные экспериментальными исследованиями и математическим
моделированием.
− Выявлены
основные факторы, влияющие на точность восстановления
отражательной способности, ДОР и ЭПР при измерении рассеянных полей
объектами в ближней зоне в широкой полосе частот методом ИАС.
− Разработаны алгоритмы внутренних сравнительных калибровок
измерительной системы при исследовании характеристик обратного рассеяния
объектов в ближней зоне в широкой полосе частот методом ИАС, определены
требования по выбору параметров измерительной системы.
− Разработана
методика
определения
коэффициента отражения
радиопоглощающих материалов в свободном пространстве в широком
диапазоне частот для образцов малых геометрических размеров, для которых в
силу технологических или экономических причин невозможно проведение
измерений с использованием классических методов.
− Проведены исследования структур радиоизображений рупорных антенн
КВЧ диапазона с различными типами нагрузки, восстановленных с
использованием метода ИАС из экспериментально измеренных комплексных
полей обратного рассеяния.
− Выявлены
источники, формирующие структурную и антенную
составляющие обратного рассеяния пирамидальной рупорной антенны в
широкой полосе частот.
ОСНОВНЫЕ ПУБЛИКАЦИИ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ
В изданиях, рекомендованных ВАК
1. Белов, Ю.И. Экспериментальное исследование излучающих свойств
открытого конца прямоугольного волновода вблизи проводящих предметов. /
Ю.И. Белов, Е.Л. Варенцов, И.А. Илларионов. // Антенны. – 2009. – Вып.12
(151). – С. 18.
2. Варенцов, Е.Л. Методика экспериментального исследования
17
характеристик антенных систем в дальней зоне с повышенной точностью. /
Е.Л. Варенцов, А.В. Кашин. // Антенны. – 2016. – Вып.1 (221). – С. 96.
3. Белов, Ю.И. Внутренняя сравнительная калибровка измерительной
системы при экспериментальном исследовании характеристик обратного
рассеяния объектов методом инверсного апертурного синтеза. / Ю.И. Белов,
Е.Л. Варенцов, М.И. Дудкин, И.А. Илларионов, А.Е. Шулындин // Антенны. –
2016. – Вып.1 (221). – С. 85.
4. Белов, Ю.И. Экспериментальные исследования рассеивающих свойств
рупорных антенн СВЧ – КВЧ диапазонов с помощью метода инверсного
апертурного синтеза. / Ю.И. Белов, Е.Л. Варенцов, И.А. Илларионов // Известия
высших учебных заведений. Радиофизика. – 2018. – № 1 (том 61). – С. 64.
Другие публикации по теме работы:
1. Белов, Ю.И. Экспериментальное исследование коэффициента усиления
пирамидального рупора в широкой полосе частот. / Ю.И. Белов, Е.Л. Варенцов,
И.А. Илларионов. // Тезисы докладов XIII Международной научно-технической
конференции «Информационные системы и технологии» ИСТ-2007. –
Н.Новгород. – 2007. – С. 74.
2. Белов, Ю.И. Экспериментальное и теоретическое исследование
излучающих свойств открытого конца прямоугольного волновода. /
Ю.И. Белов, Е.Л. Варенцов, И.А. Илларионов. // Тезисы докладов XIV
Международной научно-технической конференции «Информационные системы
и технологии» ИСТ-2008. – Н.Новгород. – 2008. – С. 69.
3. Варенцов, Е.Л. Методика повышения точности экспериментального
исследования характеристик антенн в дальней зоне. / Е.Л. Варенцов // Тезисы
докладов
XXI
Международной
научно-технической
конференции
«Информационные системы и технологии» ИСТ-2015. – Н.Новгород. – 2015. –
С. 85.
4. Белов, Ю.И. Анализ ошибок измерений отражательной способности и
ЭПР объектов методом инверсного апертурного синтеза. / Ю.И. Белов,
Е.Л. Варенцов, М.И. Дудкин, И.А. Илларионов // Тезисы докладов XIX
Международной научно-технической конференции «Информационные системы
и технологии» ИСТ-2013. – Н.Новгород. – 2013. – С. 79.
5. Белов, Ю.И. Измерительная система для определения отражательной
способности и ЭПР объектов методом инверсного апертурного синтеза. /
Ю.И. Белов, Е.Л. Варенцов, М.И. Дудкин, И.А. Илларионов // Тезисы докладов
XX Международной научно-технической конференции «Информационные
системы и технологии» ИСТ-2014. – Н.Новгород. – 2014. – С. 88.
6. Белов, Ю.И. Внутренняя сравнительная калибровка измерительной
системы для определения отражательной способности и ЭПР объектов в их
ближней зоне. / Ю.И. Белов, Е.Л. Варенцов, М.И. Дудкин, И.А. Илларионов,
А.Е. Шулындин // Труды XVIII научной конференции по радиофизике. –
Н.Новгород. – 2014. – С. 125.
7. Белов, Ю.И. Экспериментальные исследования точности измерений
ЭПР объектов методом инверсного аппертурного синтеза. / / Ю.И. Белов,
18
Е.Л. Варенцов, М.И. Дудкин, И.А. Илларионов, А.Е. Шулындин // Тезисы
докладов XII Международной научно-технической конференция «Физика и
технические приложения волновых процессов». – Н.Новгород – 2014. – С. 30.
8. Белов, Ю.И. Выбор конфигурации и параметров измерительных
установок, использующих метод инверсного синтеза для определения
характеристик обратного рассеяния объектов в их ближней зоне. / Ю.И. Белов,
Е.Л. Варенцов, М.И. Дудкин, И.А. Илларионов, А.Е. Шулындин // Тезисы
докладов
XXI
Международной
научно-технической
конференции
«Информационные системы и технологии» ИСТ-2015. – Н.Новгород. – 2015. –
С. 65.
9. Варенцов,
Е.Л.
Измерение
коэффициента
отражения
радиопоглощающих материалов в широком диапазоне частот методом
инверсного апертурного синтеза. / Е.Л. Варенцов, М.И. Дудкин,
И.А. Илларионов. // Тезисы докладов XXIV Международной научнотехнической конференции «Информационные системы и технологии» ИСТ2018. – Н.Новгород. – 2018. – С. 27.
10. Белов, Ю.И. Исследование излучающих свойств открытого конца
прямоугольного волновода в присутствии посторонних предметов. /
Ю.И. Белов, Е.Л. Варенцов, И.А. Илларионов //Тезисы докладов VII
Международной научно-технической конференция «Физика и технические
приложения волновых процессов». – Самара– 2008. – С. 181.
11. Белов,
Ю.И.
Экспериментальные
исследования
структур
радиоизображений апертурных антенн в их рабочих диапазонах с помощью
метода фокусировки. / Ю.И. Белов, Е.Л. Варенцов, М.И. Дудкин,
И.А. Илларионов, А.Е. Шулындин // Труды XXI научной конференции по
радиофизике. – Н.Новгород. – 2017. – С. 94.
ЛИТЕРАТУРА
Л.1. Slater, D. Near-field antenna measurements. / D. Slater. // Artech House
Inc. – 1991. – P. 310.
Л.2. Научные и учебно-методические труды д.т.н., профессора
А.В. Зеньковича: библиографический указатель / НГТУ им Р.Е. Алексеева;
сост. Н.Г. Морозова; под ред. Е.Ю. Талызиной. – Н. Новгород, 2013. – 98 с.
Л.3. Fordham, J.A. An introduction to antenna test ranges, measurements and
instrumentation (Microwave Instrumentation Technologies, LLC) / [Электронный
ресурс]
//
Режим
доступа:
https://pdfs.semanticscholar.org
/ae6a/eb120f1088c0d80dcd49c71c23dc4e527ae9.pdf.
Л.4. Near-field vs Far-field. (Reprinted with the permission of Nearfield
Systems
Inc.)
[Электронный
ресурс]
//
Режим
доступа:
http://educypedia.karadimov.info/library/NSI-near-far.pdf.
Л.5. Бененсон, Л.С. Рассеяние электромагнитных волн антеннами (обзор)
/ Л.С. Бененсон, Я.Н. Фельд // Радиотехника и электроника. – 1988. – Т.33,
вып.8. – С. 225.
Л.6. Хансен, Р.С. Соотношения между антеннами как расеивателями и
как излучателями. / Р.С. Хансен // ТИИЭР. – 1989. – том 77, №5. – С. 30.
19
Л.7. Kerns, D.M. Plane-wave scattering-matrix theory of antennas and
antenna-antenna interactions. / D.M. Kerns. // NBS monograph. – 1981. – P. 162.
Л.8. Yaghjian, A.D. Efficient computation of antenna coupling and fields
within the near-field region. / A.D. Yaghjian. // IEEE Transaction on Antennas and
Propagation. – 1982. – Vol. AP-30, № 1. – P. 113.
Л.9. Stubenrauch, C.F. Comparison of measured and calculated mutual
coupling in the near field between microwave antennas. / C.F. Stubenrauch, M.H.
Francis. // IEEE Transaction on Antennas and Propagation. – 1986. –Vol. AP-34, №
7. – P. 952.
Л.10. Lee, J.J. Near-field probe used as a diagnostic tool to locate defective
elements in an array antenna / J.J. Lee, E. M. Ferren, D. P. Woollen, and Kuan M.
Lee. // IEEE Transaction on Antennas and Propagation. – 1988 – Vol.36, № 6 – P.
884.
Л.11. Машковцев, Б.М. Теория волноводов. / Б.М. Машковцев, К.Н.
Цибизов, Б.Ф. Емелин – М.: Наука, 1966. – 276 с.
Л.12. Knott, E.F. Radar cross sections. / E.F. Knott, J.F. Shaeffer, M.T. Tullog.
– SciTech Publishing, 2004. – 611 p.
Л.13. Ling, Hao. Shooting and bouncing rays: calculating the RCS of an
arbitrarily shaped cavity. / Hao Ling, Ri-Chee Chou, and Shung-Wu Lee. // IEEE
Transaction on Antennas and Propagation. – 1989. – Vol. 37, № 2. – P. 194.
Л.14. Zhao, K. A domain decomposition method for electromagnetic radiation
and scattering analysis of multi-target problems / Kezhong Zhao, Vineet Rawat, and
Jin-Fa Lee. // IEEE Transaction on Antennas and Propagation. – 2008. – Vol. 56, №
8. – P. 2211.
Л.15. Измерительный
комплекс
антенно-фидерных
систем.
ГВАТ.410171.003.
Л.16. Фрадин, А.З. Измерение параметров антенно-фидерных устройств /
А.З. Фрадин, Е.В. Рыжков. – М.: Типография Связьиздата, 1962. – 317 с.
Л.17. Broquetas, A. Spherical wave near-field imaging and radar cross-section
measurement. / A. Broquetas, J. Palau, L. Jofre, A. Cardama // IEEE Transactions on
Antennas and Propagation. – 1998. – Vol. 46, № 5. – P. 730.
Подписано в печать
.
.201___. Формат 60х84 1/ 16. Бумага офсетная.
Печать офсетная. Уч.-изд. л.1,0. Тираж 100 экз. Заказ
.
_____________________________________________________
Нижегородский государственный технический университет им. Р.Е. Алексеева
Типография НГТУ. 603950, Нижний Новгород, ул. Минина, 24.
20
1/--страниц
Пожаловаться на содержимое документа