Введение к работе
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
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
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:
-
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.
-
Создание модели измерительного комплекса для исследования особенностей его функционирования при проведении измерений характеристик излучения различных типов антенн в дальней зоне с использованием
принципов внутренних сравнительных калибровок.
-
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).
-
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:
-
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.
-
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.
-
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.
-
Разработан метод определения коэффициента отражения в свободном пространстве радиопоглощающих материалов в широком диапазоне частот на образцах малых геометрических размеров.
-
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
диссертации, были использованы в научно-исследовательских и опытно-конструкторских 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:
-
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.
-
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.
-
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.
-
Методика определения коэффициента отражения в свободном пространстве радиопоглощающих материалов в широком диапазоне частот, обеспечивающая исследование образцов малых геометрических размеров.
-
Результаты исследования отражательной способности пирамидальной рупорной антенны в широкой полосе частот, выявляющие причины формирования структурного и антенного рассеяния.
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.