Media-security

РЕШЕНИЕ НЕКОТОРЫХ ЗАДАЧ АНТЕННОЙ ТЕХНИКИ С ПРИВЛЕЧЕНИЕМ МЕТОДОВ ГОЛОГРАФИИ. МЕТОДЫ И АППАРАТУРА.

В.М.Гинзбург, В.М.Мещанкин

В докладе рассмотрены вопросы использования методов СВЧ-голографии для антенных измерений. Описаны измерительные голографические комплексы УИГ-3 и УИГ-6.

Впервые вопрос о возможности использования методов голографии для антенных измерений был поставлен в работе /1/. В этой работе предлагалось записывать предварительно измеренную каким-либо способом информацию об амплитудно-фазовом распределении в зоне Френеля исследуемой антенны на диапозитив (транспарант) в виде голограммы, т.е. представленной в некотором масштабе картины интерференции исследуемого поля с полем плоской опорной волны. Далее эта голограмма подвергалась обработке в когерентной оптической системе, где, используя свойство линз производить преобразование Фурье, при соблюдении определенных условий удавалось получить в выходной плоскости указанной системы распределение яркости, описывающее пространственную диаграмму направленности исследуемой антенны.

В многочисленных публикациях, последовавших за работой /1/, то же авторы и их последователи развивали этот перспективный метод /2-9/. Поскольку все эти работы хорошо известны, они не будут здесь больше обсуждаться. Мы рассмотрим кратко голографический

- 387 -

метод измерения самих амплитудно-фазовых распределений /10/, создаваемых антенными устройствами, и два типа голографических комплексов УИГ-3 и УИГ-6, которые могут использоваться как для получения СВЧ голограмм антенных устройств с целью последующего оптического или машинного восстановления диаграмм направленности (УИГ-3), так и для измерения амплитудно-фазовых распределений СВЧ полей (УИГ-3, УИГ-6).

Метод измерения амплитудно-фазовых распределений

Пусть имеется зарегистрированная тем или иным методом СВЧ голограмма анализируемого поля:

i’(x,y)=a(x,y)b·cos[j (x,y)-_y
0]+g (1)

где х,у - координаты плоскости регистрации СВЧ поля; a(х,у), j (х,у) - амплитудное и фазовое распределения анализируемого поля; b - постоянный коэффициент, зависящий от амплитуды опорной волны; y ₀ - постоянный начальный сдвиг фаз; i’(x,y) - выходной сигнал регистратора СВЧ голограмм; g - постоянное смещение, определяемое аппаратурными особенностями регистрирующей и обрабатывающей систем.

Задача заключается в определении функций А(х,у) и j (х,y) с точностью до постоянных амплитудных и фазовых коэффициентов.

Положим, что при помощи той же самой регистрирующей аппаратуры получена вторая СВЧ-голограмма i”(х,у), отличающаяся от первой тем, что в канал сигнальной или опорной волны введен дополнительный фазовый набег p /2, тогда

i”(x,y)=a(x,y)bsin[j (x,y)-_y
0]+g (2)

Из (1) и (2) при известном д получаем выражения для искомых А(х,у) и j (х,у):

(3)

- 388 -

(4)

Неоднозначность в определении j (x,y) устраняется с помощью простого правила знаков:

Таблица

	i”(x,y)³ 0	i”(x,y)£ 0
i’(х,у)³ 0	0 £ a £ p /2	p /2 £ a £ p
i’(x,y)³ 0	3p /2 £ a £ 2p	p £ a £ 3p /2

где

(5)

При большом количестве данных вычисления по (3) и (4) могут производиться на ЭВМ, при малом количестве - возможно решение более простыми средствами.

Положим, что регистрация СВЧ голограмм производится при помощи радиоприемных устройств, причем используются не непрерывные, а модулированные по синусоидальному закону с частотой W СВЧ-колебания. В этом случае сигналы a’ и a”, описывающие СВЧ голограммы, будут представляться выражениями типа (1) и (2), в которых амплитуда является функцией времени и постоянный уровень ”g” равен нулю, т.е.

(6)

(7)

- 389 -

где b - начальный фазовый угол низкочастотного модулирующего колебания.

Половим, что (6) и (7) поданы на горизонтальные и вертикальные отклоняющие пластины (катушка) электронно-лучевой трубки (ЭЛТ).

Очевидно, в этим случае на экране ЭЛТ будет наблюдаться фигура Лиссажу, которая получается при равных частотах w и фазах b сравниваемых колебаний, т.е. отрезок прямой. Угол наклона этого отрезка относительно горизонтальной оси определяется отношением амплитуд сравниваемых колебаний i’ и i”:

=_j(x,y)-_{y 0} (8)

т.е. (сравнивая (4) и (У)) угол наклона a с точностью до несущественной постоянной y ₀ равен измеряемому фазовому углу j (х,y). Однако, имеется неоднозначность, связанная с неоднозначностью функции arctg. Для того, чтобы устранить эту неоднозначность в соответствии правилам знаков табл.1, подадим на модулирующий электрод ЭЛТ низкочастотное колебание частоты модуляции b(t):

b(t)=d·cos(W t+_b)

При соответствующем выборе постоянного смещения на этом электроде можно добиться такого положения, при котором па экране ЭЛТ будет наблюдаться только та часть фигуры Лиссажу, которая соответствует мгновенным значениям b(t) > 0. Тогда, как легко видеть из рис.1, неоднозначность в определении угла a устраняется в соответствии с правилом знаков табл. При этом, как нетрудно заметить, длина отрезка линии па экране ЭЛТ определяет в некотором масштабе амплитуду СВЧ колебаний А(x,y). Кроме того, из-за непостоянства скорости движения пятна по экрану и непостоянства яркости свечения этого пятна, вызванных синусоидальным законом изменения модулирующего сигнала, ширина линии оказывается также непостоянной, так что в конечно. счете отрезки линий имеют вид узких равнобедренных треугольников (см.рис.1).

- 390 -

Рис.1. Такое наглядное представление позволяет производить измерение амплитудно-Фазовых распределений в исследуемых точках пространства или элементах антенных устройств даже малоподготовленному оператору.

- 391 -

Установка для регистрации СВЧ голограмм УИГ-3

Установка УИГ-3 предназначена для регистрации СВЧ голограмм, записанных в уменьшенном масштаба на фотопластинках, а также для записи в комплекте с установкой УОГ-4 сигналов, описывающих СВЧ голограммы типа (1) и (2) на магнитную ленту с целью последующего ввода в ЭВМ. Регистрация голограмм производится методом механического сканирования одиночным или двумя работающими параллельно приемниками-перемножителями /11/. Это позволяет работать в одном из двух режимов: в режиме записи одной голограммы типа (1) с уменьшенным временем записи или в режиме записи одновременно двух голограмм типа (1) и (2) с нормальным временем записи.

Поскольку принцип действия установки УИГ-3 хорошо известен (см., например,/12/), ограничимся лишь кратким перечислением входящих в нее узлов и ее техническими характеристиками.

Установка УИГ-3 представляем собой безэховую камеру, внутри которой установлен механический сканатор (см.рис.2). СВЧ часть установки содержит магнетронный генератор, двухканальный СВЧ

Рис.2.

1. Электродвигатель АОЛГ-11-4

2. Горизонтальная направляющая для датчиков голограмм

3. Датчики голограмм

4 Горизонтальная направляющая для приемников голограмм

5. Приемники излучения

- 392 -

приемник, перемножитель и тракт формирования искусственной опорной волны (см.рис.3). Электронная часть установки включает в себя блоки питания, местный генератор низкой частоты, усилители низкой частоты, синхронные детекторы и систему связи с выходными записывающими устройствами - сканирующими управляемыми источниками света и устройством УОГ-4 для записи данных на магнитной ленте. Кроме того, в УИГ-3 входит механический сканатор управляемым источником света (см.рис.2) и система фотографирования. Наконец, в состав УИГ-3 входит блок автоматического управления работой всего устройства.

Рис.3.

1. Смесительная секция

2. Щелевой мост

3. Ферритовый вентиль

4. Адаптер

5. Направленный ответвитедь

6. Регулировочный аттенюатор

7. Регулировочный фазовращатель

8. Управляемый фааовращатель

9. модулятор СВЧ

На входе УИГ-3 результаты получаются в двух видах. В виде СУЧ голограмм, записанных на фотопластинке (8 кадров на одной пластинке) для дальнейшей оптической обработки, и в виде электрических сигналов, описывающих эту голограмму, предназначенных для записи на магнитную ленту.

В УИГ-3 используется источник непрерывных СВЧ колебаний, однако, для улучшения характеристик приемной части установки на входе приемников установлены полупроводниковые СВЧ модуляторы, связанные с местный генератором низкой частоты (культи вибратором). В

- 393 -

связи с этим детектирование усиленных сигналов модуляции, получающихся после приемников-перемножителей, производится при помощи синхронных детекторов.

Для иллюстрации возможностей установки ,УКГ-3 на рис.4 и 5 приведены фотографии некоторых СЗЧ голограмм, полученных на этой установке, а на рис.6 фазовое распределение в раскрыве линзы Люнеберга, вычисленное по указанной выше методике после обработки голограммы, полученной на УИГ-3.


Рис.4	Рис.5.

Технические характеристики УИГ-3

Размер безэховой камеры, м. - 4х4х8

Площадь сканирования, м - 2,0х2,5

Рабочая длина волны, м - 3·10^-2

Мощность СВЧ генератора не менее, Вт – 10

Динамический диапазон:

при записи на фотопластинку, дб – 10

при записи на магнитную ленту, дб - 20

- 394 -•

Время регистрации голограммы, мин - 3-60

Дискрет сканирования, мм - 3, 6, 12, 24, 48, 96

Расчетная ошибка:

в измерении фазы, град. - 10

в измерении амплитуды, % - 10 .

Расчетная ошибка в измерениях амплитуды и фазы не учитывает влияния отражений от стенок камеры, а также искажений, которые вносит б исследуемое поле устройство сканирования.

Рис.6.

При исследовании многоэлементных антенн ошибки, вызванные искажением исследуемого поля сканирующим приемником могут быть устранены, если в качестве приемной антенны, с помощью которой регистрируется СВЧ голограмма, используется сама исследуемая антенная система. Такой принцип работы заложен в установке УИГ-6,

Установка УИГ-6 для регистрации СВЧ голограмм многоэлементных антенных устройств

Установка УИГ-6 (см.рис.7) предназначена для записи СВЧ

- 395 -

Рис.7.

голограмм многоэлементных (до 16 элементов) антенных устройств дециметрового диапазона методом электрического сканирования (коммутации приемных элементов). Результаты измерений могут быть использованы для вычисления амплитудно-фазовых распределений на ЭВМ. а также для непосредственного наблюдения картины распределения амплитуд и фаз в элементах в наглядном виде, доступном для неподготовленного оператора. Результаты предполагается также использовать для корреляционной оптической обработки с целью последующей отбраковки исследуемых изделий. Установка УИГ-6 менее универсальна, чем УИГ-3. Она предназначена для исследования систем с числом элементов не более 16-ти и из-за малой информативности не может применяться для регистрации СВЧ полей, создаваемых в ближней зоне антенн с целью последующего восстановления

- 396 -

голограмм направленности.

Основное назначение УИГ-6 - измерение амплитудно-фазовых распределений при различных углах падения сигнальной волны на исследуемую систему, при различных поляризациях и т.п. Кроме того, УИГ-6 может использоваться как удобный амплифазометр при настройке антенных устройств и проверках в период эксплуатации. УИГ-6 может рассматриваться как базовая разработка для измерения амплитудно-фазовых распределений в элементах много элементных антенных систем, с числом указанных элементов, не превышающим пятидесяти.

На входе УИГ-6 установлен антенный переключатель на 16 положений, который подключает поочередно элементы исследуемой антенной системы к двухканальноыу квадратурному приемнику-перемножителю. Чтобы повысить чувствительность приемника и получить наглядное представление об амплитудно-фазовом распределении на экране ЭЛТ, сигналы с выхода приемника-перемножителя модулируются низкочастотным колебанием при помощи модулятора на полевых транзисторах. Промодулированные сигналы, описываемые в (6) и (7),усиливаются в УНЧ и подаются на вертикальные и горизонтальные отклоняющие пластины ЭЛТ, на модулирующий электрод которой подан сигнал модуляции. Кроме того, усиленные сигналы (6) и (7) поступают на синхронные детекторы, выходы которых связаны с устройством записи сигналов на магнитную ленту УОГ-4. Для того, чтобы на магнитной ленте, кроме сигналов i’ и i” записывались также номера подключаемых элементов антенной системы, в УИГ-6 введена схема кодирования, выдающая в позиционном двоичном коде эти номера. Для того, чтобы положения сигналов на осциллографической трубке также соответствовали этим номерам, в УИГ-6 введена схема синхронной ступенчатой развертки.

В УИГ-6 предусмотрена система фотографирования картин с экрана ЭЛТ для ввода закодированных СВЧ голограмм в систему оптической корреляционной обработки для отбраковки антенных устройств.

На рис.8-10 приведены фотографии полученных на УИГ-6 кодированных СВЧ голограмм антенных устройств с линейно нараставши (с разной скоростью для каждой фотографии) фазовым сдвигом в элементах при равномерном распределении амплитуды. Как видно,

- 397 -

получающиеся при этом картины являются достаточно сложными и резко отличаются друг от друга, что позволяет надеяться на возможность достаточно простой отбраковки указанных антенных систем в устройствах когерентной оптической обработки.

Рис.8.

Рис.9.

- 398 -

Рис.10.

Литература

1. Л.Д.Бахрах, А.П.Курочкин. Об использовании оптических систем и метода голографии для восстановления диаграмм направленности антенны СВЧ по измерениям поля в зоне Френеля. Доклады АН СССР, т.171, № 6, стр.1309, 1966.

2. Л.Д.Бахрах, О.К.Владимирова, А.П.Курочкин, Г.А.Соболев, Г.Х.Фридман. Применение методов когерентной оптики и голографии к задачам антенной техники и обработки информации. Сб. статей "Антенны" под ред. А.А.Пистолькорса, вып.2, стр.33, 1967.

3. А.П.Курочкин. Оптическое моделирование антенн СВЧ, "Радиотехника и электроника", № 7, стр.1169, 1968.

4. Л.Д.Бахрах, А.П.Курочкин. Применение преобразования свертки при оптическом моделировании антенн СВЧ, восстановлении диаграмм направленности и характеристик рассеяния. "Радиотехника и электроника", № 6, стр.1102, 1969.

- 399 -

5. Л.Д.Бахрах, ,О.А.Колосов, А.П.Курочкин, В.И.Троицкий. Решение задачи синтеза антенн при помощи когерентной оптической системы. Сб. статей "Антенны" под ред. А.А.Пистолькорса, вып.5, стр. 47, 1969.

6. А.П.Курочкин. Методы оптического моделирования антенн СВЧ. "Радиотехника и электроника", № 8, стр.1347, 1968.

7. А.А.Арутюнян, Дж.С.Арутюнян, П.М.Геруни, Л.А.Татевосян, Б.Е.Хайкин, В.С.Хитрова. Измерение диаграмм направленности антенн на основе машинного восстановления радиоголограмм поля в их раскрыве. Изв. АН Арм.ССР, Физика, № 7, стр.373, 1972.

8. В.П.Турчин, Н.М.Цейтлин, А.К.Чандаев. Об измерении диаграмм направленности антенны по излучению источника в зоне Френеля при помощи голографии на СВЧ и обработки на ЭВМ. "Радиотехника и электроника", №4, стр.725, 1973.

9. Ю.А.Колосов, А.П.Курочкин, Об оптическом моделировании диаграмм направленности корреляционных антенн. "Радиотехника и электроника", № 7, стр.1347, 1973.

10. В.М.Гинзбург, В.М.Мещанкин. Измерение амплитудно-фазовых распределений радиополей методами голографии. "Радиотехника и электроника", № 2, стр.221, 1973.

11. В.М.Гинзбург, В.М.Мещанкин. Голографирование в СВЧ диапазоне с искусственным формированием опорной волны. "Радиотехника и электроника", №4, стр.778, 1970.

12. В.М.Гинзбург, В.М.Мещанкин, В.И.Михиенков, Б.М.Степанов, Г. И. Челышев. Измерительная голографическая установка УИГ-3 для СВЧ диапазона. Научные труды ВНИИИОФИ, Голография, серия Б, вып.2, стр.48, 1972.