М униципальное казённое образовательное учреж дение;pdf

Метрологія-2014
Харків
СТЕНД ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЯ КОМПЛЕКСНЫХ ДИАГРАММ
НАПРАВЛЕННОСТИ АНТЕНН С КРУГОВОЙ ПОЛЯРИЗАЦИЕЙ
В S/X/Ka ДИАПАЗОНАХ
В.Н. Скресанов, В.В. Гламаздин, В.А. Золотарев, М.П. Натаров, А.И. Шубный
ИРЭ им. А.Я. Усикова НАН Украины
61085, Харьков, ул. Ак. Проскуры, 12,
тел. (057) 7203-455,
e-mail: [email protected]
The results of development of an automated test setup for measuring of amplitude and phase
patterns of three-band horn of radio-telescope antenna for receiving radio signals simultaneously in
S (2.2-2.6 GHz), X (7.0-9.5 GHz ) and Ka (28-34 GHz) frequency bands with left and right circular
polarizations are presented. Measurements of S/X/Ka horn patterns were made by a rotating of the
antenna (three-band horn) in the field of the incident plane wave with the left or right circular
polarization. The plane wave is formed by axially symmetric conical antennas loaded on converters of
the signals with linear polarization to the signals with circular polarization. Measured axial ratio of
converters does not exceed 0.35 dB in the frequency sub-bands and corresponds satisfactorily with the
results of the synthesis.
Вступление
Стенд для измерения комплексных (амплитудных и фазовых) диаграмм
направленности (ДН) разработан с целью аттестации трехчастотного облучателя
зеркальных антенн радиотелескопов, входящих в состав российского радиоинтерферометра нового поколения со сверхдлинной базой (РСДБ). Наблюдения, выполненные на
этом интерферометре, позволят измерять 3D координаты радиотелескопов с
погрешностями порядка 1-2 миллиметра, а также оперативно определять всемирное
время в интересах ГЛОНАС. Российская РСДБ‒сеть совместима с радиотелескопами
‘Wettzell’ (Германия) и Испано-Португальской сетью RAEGE.
Радиотелескопы РСДБ‒сетей должны принимать сигналы одновременно в трех
диапазонах частот: в S-диапазоне (2.2 - 2.45 ГГц), в Х-диапазоне (7.0-9.5 ГГц) и в
Ка-диапазоне (28-34 ГГц). Отсюда следует необходимость определения местоположения единого для трех диапазонов фазового центра облучателя и измерения
фазовых диаграмм направленности относительно этого центра. Отклонение фазы не
должно превышать ±20° в пределах главного лепестка амплитудной ДН во всех
диапазонах. Повышение производительности фазовых измерений и снижение погрешности определения точки фазового центра достигнуто разработкой малогабаритных
S/Х/Ка приемников и передатчиков с когерентными гетеродинами.
Другая особенность аттестации облучателей – измерение малых уровней ДН на
круговой кросс поляризации и малых уровней коэффициентов эллиптичности вдоль
оси облучателя. Решить эти задачи оказалось возможным благодаря разработке серии
поляризаторов с коэффициентами эллиптичности (КЭ) не превышающими 0.2-0.3 дБ.
Измерительный стенд и метод измерения комплексных ДН
Измерение комплексных ДН S/Х/Ка облучателя осуществляется в поле
падающей плоской волны с правой (R) или с левой (L) круговой поляризацией, которое
создается в месте расположения облучателя осесимметричными вспомогательными
антеннами, нагруженными на поляризаторы, т.е. преобразователи волны с линейной
поляризацией в волну с круговой поляризацией (рис.1). S/Х/Ка облучатель,
178
Метрологія-2014
Харків
смонтированный на ОПУ 1, вращается в горизонтальной плоскости. В процессе
вращения сигналы с R или с L выходов облучателя и датчика угловых перемещений
ОПУ 1 записываются в ПЭВМ.
Рис. 1 Структурная схема стенда для измерения амплитудно-фазовых диаграмм
направленности: П-поляризаторы; ОГ- опорный генератор; КГ- кварцевый генератор; БУСЧблоки управления синтезаторами частот передатчика (ПРД) и приемника (ПРМ); ИФизмеритель разности фаз; МАЦП- многоканальный аналого-цифровой преобразователь; БУЭДблок управления электродвигателем; АС- анализатор спектра; ДУ- датчик угла; КД- концевые
датчики; ЭД- электродвигатель; ОПУ- опорно-поворотное устройство.
Специально разработанные S/Х/Ка приемник (рис. 2) и S/Х/Ка передатчик
(рис. 3) перестраиваются в заданных полосах частот с шагом 10 МГц посредством
управляемых от ПЭВМ синтезаторов частот. Когерентность и высокая стабильность
частоты гетеродинов передатчика и приемника обеспечиваются единым кварцевым
генератором 10 МГц.
Рис. 2- S/Х/Ка приемник на выходе
облучателя
Рис. 3- S/Х/Ка передатчик
Сигнал промежуточной частот S/Х/Ка приемника с частотой 10 МГц
детектируется по амплитуде или по фазе с помощью стандартных приборов
(анализатор спектра СК4-59 и измеритель разности фаз ФК2-12). Опорным сигналом
179
Метрологія-2014
Харків
для ФК2-12 служит сигнал того же кварцевого генератора. Сигналы с выходов
амплитудного детектора (А) и/или фазового детектора (Ф) после аналого-цифрового
преобразования поступают в ПЭВМ.
Co-pol
Cross-pol
Рис. 4- Пример записи амплитудных ДН для
пары идентичных вспомогательных антенн,
нагруженных на идентичные поляризаторы
SPX-1.1 и SPX-1.2 на частоте 7600 МГц.
Рис. 5- Пример записи фазовых ДН облучателя
относительно единого фазового центра в Ка, Х
и S диапазонах (сверху вниз). Штриховые
линии – расчет.
На рис. 4 и на рис. 5 представлены примеры записи амплитудных ДН
вспомогательной антенны Х диапазона на ортогональных круговых поляризациях и
пример записи фазовых ДН S/Х/Ка облучателя на центральных частотах диапазонов.
Результаты разработки S/Х/Ка поляризаторов
Коэффициент эллиптичности (КЭ) поляризаторов вспомогательных антенн
определяет нижний уровень динамического диапазона измерений кросс
поляризованной ДН облучателя и КЭ облучателя вдоль его оси. Очевидно, что чем уже
полоса рабочих частот – тем меньшие величины КЭ поляризаторов могут быть
обеспечены.
4
3
4
3
2
2
1
1
4
Рис. 6- Вспомогательная антенна (1),
septum поляризатор (2), 90 Н-поворот
(3) и два КВП (4) в S диапазоне
Рис.7 - Устройство septum поляризатора Х диапазона:
1- Пластина (septum), 2- Трансформатор, 3- Круглый
волновод; 4- 90° Н- поворот
Для S и Х диапазонов разработаны так называемые septum поляризаторы (рис. 6,
рис. 7). При этом уровень КЭ не более чем 0,35 дБ в S диапазоне перекрыт одним
поляризатором, тогда как в Х диапазоне понадобилось три поляризатора поддиапазонов
180
Метрологія-2014
Харків
частот. На рис. 8 представлены результаты синтеза и измеренные характеристики серии
из трех Х поляризаторов, которые удовлетворяют выдвинутым требованиям.
Рис.8 - Коэффициенты эллиптичности SPX-1.1, SPX-2.1, SPX-3.1 измерительных
поляризаторов Х диапазона: сплошные линии – результаты синтеза; точки – результаты
измерений методом поляризационной диаграммы; звездочки – результат измерений
методом диаграмм направленности на круговых поляризациях с двумя идентичными
поляризаторами
В Ка диапазоне разработаны поляризаторы на основе дифференциально-фазовой
секции в квадратном волноводе (рис. 9). Для перекрытия диапазона понадобилось две
дифференциально-фазовые секции поддиапазонов и пара волноводных переходов.
d
b
(c)
c
(a)
(b)
(d)
Рис. 9 – Поляризатор Ка диапазона (а) и его составные части: (b) - дифференциально-фазовая
секция в квадратном волноводе (полукорпус); (c) – пластины ступенчатого перехода на
прямоугольный волновод; (d) – пластины ступенчатого перехода на круглый волновод
Выводы
1. Разработан автоматизированный стенд для аттестации S/Х/Ка облучателей антенн
радиотелескопов для российского РСДБ комплекса нового поколения.
2. Требуемые характеристики стенда при измерениях на волнах с круговыми
поляризациями обеспечены разработкой серии преобразователей линейно
поляризованной волны прямоугольного волновода в волну круговой поляризацией
круглого волновода.
181