Анотація до роботи:

Усіна Г.В. Розвиток ближньозонних методів визначення характеристик випромінюючих систем при використанні широкосмугових сигналів. – Рукопис.

Дисертація на здобуття наукового ступеня кандидата фізико-математичних наук за спеціальністю 01.04.03 – радіофізика. – Харківський національний університет радіоелектроніки, м. Харків, 2002.

Дисертація присвячена аналізу точності визначення характеристик випромінюючих систем у діапазоні частот за вимірами їх ближнього поля. Розроблена математична модель розрахунків методичних похибок (похибок обмеження та дискретизації) та випадкових похибок відновлення діаграми спрямованості (ДС) антени та її інших параметрів за вимірами багаточастотних та імпульсних сигналів у ближній зоні. Досліджені статистичні характеристики передатної функції антени та статистика амплітудно-фазового розподілу ближнього поля у діапазоні частот. Проведено оцінки потенційних можливостей методів ближнього поля, сформульовані вимоги до умов вимірювань і їх точності, виконання яких гарантує високу точність відновлення ДС у відповідності до вибраного критерію. Розроблена методика і визначена точність амплітудних методів відновлення ДС антен за вимірами параметрів багаточастотних та імпульсних сигналів. Запропоновано метод визначення АФР у розкриві фазованої антенної решітки за вимірами амплітуди динамічного ближнього поля при роботі решітки у режимі сканування і визначена точність метода.

1. Розроблена математична модель для розрахунку і всебічного аналізу методичних погрішностей визначення просторових характеристик випромінюючих систем за вимірами широкосмугових сигналів на плоских або циліндричних поверхнях. Погрішності обмеження на плоскій поверхні вимірювань розраховані на основі асимптотичного методу, запропонованого Л.Д. Бахрахом і О.П. Курочкіним. Одержані співвідношення, по яких побудовані графіки в узагальнених координатах, які дозволяють вибрати умови вимірювань, при виконанні яких забезпечується необхідна точність відновлення ДС в заданому секторі кутів і в заданій смузі частот. Одержані співвідношення для вибору кроку вимірювань на плоскій поверхні, що забезпечують визначення просторових характеристик спрямованості із заданою точністю. Проаналізовані вимоги до умов вимірювань ближнього поля на циліндричній поверхні. Досліджений спектральний склад ДС і ближнього поля антени і показано, що в загальному випадку ширина спектра ближнього поля антени перевищує ширину спектра ДС, однак якщо радіус вимірювальної поверхні перевищує половину розміру розкриву антени на 1…3 довжини хвилі, то ширина спектра ближнього поля і ДС досить близькі і в цьому випадку кутовий крок вимірювань повинен бути порядку . Показано, що при вимірюваннях ближнього поля на циліндричній поверхні необхідно враховувати розміщення антени відносно центра поверхні вимірювань. У випадку винесення антени з центра ширина спектра ДС і ближнього поля зростає і для відновлення ДС з необхідною точністю кутовий крок вимірювань повинен бути меншим . При цьому необхідно враховувати величину винесення антени.

2. Детально розглянуті характеристики симетричного вібратора, який частіше за все використовується як зонд. Для оцінки ефективності випромінювання і прийому електромагнітних хвиль в будь-якому заданому напрямі на будь-якій частоті проаналізована передатна функція зонда, знання аналітичних співвідношень для якої дозволяє провести калібрування ближньозонних вимірювань на всіх частотах в необхідному діапазоні. Чисельним моделюванням оцінена точність відновлення діаграми спрямованості при використанні протяжного зонда. Показано, що коли розміри зонда 2l_з<с/f_В (f_В - максимальна частота в спектрі імпульсних сигналів, що використовуються ), то обробку вимірювань можна провести по алгоритмах, справедливих для ізотропного зонда. Показано, що протяжний зонд можна застосовувати при відновленні рівнів бічного випромінювання біля -30…-40 дБ з погрішністю не більше за 0,3…1 дБ.

3. Розроблена математична модель розрахунку статистичних характеристик відновленої в широкому діапазоні частот ДС випромінюючих систем за вимірами амплітуди і фази багаточастотного сигналу і за вимірами часового імпульсного відгуку антени в ближній зоні, в основі якої лежить статистична теорія антенних вимірювань. У розробленій моделі враховуються мультиплікативні і адитивні похибки вимірювань і похибки фіксації моментів реєстрації імпульсного сигналу в кожному вимірюванні. За умов незалежності похибок одержані аналітичні вирази для статистичних характеристик комплексної передатної функції. Показано, що складова дисперсії частотної характеристики антени, зумовлена адитивними похибками, залежить від виду кореляційної функції похибок. Зокрема, при великих відносних часових радіусах кореляції похибок вимірювань с_е>>1 дисперсія частотної характеристики антени максимальна в області нульових частот і істотно залежить від частоти. У випадку малих радіусів кореляції залежність дисперсії від частоти виражена менше. На частотах, близьких до меж спектра, існують певні значення радіусів кореляції мультиплікативних похибок вимірювань часового імпульсного відгуку, при яких ця складова дисперсії досягає максимуму. При малих часових радіусах кореляції, що фізично відповідає незалежним похибкам в сусідніх відліках часового імпульсного відгуку антен, складова дисперсії, зумовлена мультиплікативними похибками, постійна. Дисперсія комплексної передатної функції за рахунок похибок фіксації моментів реєстрації вимірювань визначається їх дисперсією, числом вимірювань і залежить від швидкості зміни часового імпульсного відгуку антени. Накопичення сигналів у часі призводить до обмеження смуги відновлення спектра, яке залежить від дисперсії похибок фіксації моментів реєстрації сигналу. Одержані співвідношення для статистичних характеристик амплітуди і фази ближнього поля антени на кожній спектральній складовій за вимірами часового імпульсного відгуку антени, які є основою для оцінки точності визначення параметрів антен на різних частотах. Запропонована методика визначення результуючої погрішності відновлення просторових характеристик антен за вимірами багатогочастотних та імпульсних сигналів, яка враховує як методичні, так і випадкові похибки вимірювань. Методика дозволяє визначити вимоги до умов вимірювань і їх точності, виконання яких гарантує необхідну точність відновлення ДС в заданому діапазоні частот.

4. Досліджені амплітудні методи відновлення діаграм спрямованості антен за вимірами параметрів багаточастотних і імпульсних сигналів. Початковою інформацією в цих методах є виміряні масиви амплітуд багаточастотного сигналу в кожній точці поверхні вимірювань або модуль частотної характеристики часового імпульсного відгуку антен. Найбільш прийнятними алгоритмами обробки амплітудних вимірювань є ітераційні, що дозволяють враховувати апріорну інформацію про антену. Внаслідок математичного моделювання досліджені методичні і випадкові погрішності амплітудних методів відновлення характеристик антен за вимірами ближнього поля. Дослідження дозволяють визначити точність амплітудних методів і вибрати умови вимірювань, зокрема, положення поверхонь вимірювань амплітуд ближнього поля і крок вимірювань, при яких забезпечується мінімальне число ітерацій для заданого значення нев’язки.

5. Вперше одержані аналітичні вирази для статистичної оцінки точності відновлення амплітудного і фазового розподілу джерел поля в розкриві антени за амплітудними вимірами для одного з алгоритмів амплітудних методів – алгоритму Майселла. Показано, що мультиплікативні похибки призводять до похибок відновлення АФР, величина яких має такий же порядок, як і точність вимірювань амплітуди ближнього поля. Адитивні похибки призводять до погіршення точності відновлення АФР, причому при вимірюванні потужності (при використанні квадратичного детектора) точність відновлення АФР зменшується. Показано, що точність вимірювання амплітуд ближнього поля має такий же порядок, як і в голографічному методі.

6. Запропоновано метод визначення АФР джерел поля в розкриві фазованої антенної решітки за вимірами амплітуди ближнього поля при роботі решітки в режимі сканування і використанні двох зондів (при поелементному режимі фазування зонд може бути один). На основі розробленої математичної моделі визначена точність методу і показано, що точність відновлення АФР в розкриві фазованої антенної решітки залежить від взаємного розташування вимірювальних зондів, вибору початкового фазового розподілу, точності вимірювання амплітуди динамічного ближнього поля. Запропоновані ефективні чисельні алгоритми відновлення АФР поля (струму) в розкриві антен за амплітудними вимірами з використанням алгоритму швидкого перетворення Фур’є, внаслідок чого можна відновити АФР в елементах фазованої антенної решітки і надійно ідентифікувати несправні випромінювачі в антені.

Публікації автора:

1. Анохина О.Д., Нечеса (Усина) А.В., Усин В.А. Определение АФР в элементах антенных решеток по измерениям амплитуды ближнего поля//Изв. вузов. Сер. Радиоэлектроника.-1996.-№ 10.-С. 64-68.

2. Горобец Н.Н., Нечеса (Усина) А.В. Искажение сверхширокополосного сигнала линейными вибраторными антеннами//Вісник Харківського університету № 427. Сер. Радіофізика та електроніка.-1999.-№ 1.-С. 147-152.

Gorobets N.N., Nechesa (Usina) A.V. Superwide-Band Signals Distortions Caused by Linear Dipole Antennas//Telecommunication and Radio Radio Engineering.-1999.-V. 53(3).-P. 36-41.

3. Нечеса (Усина) А.В. Методика оценки точности определения характеристик антенн при использовании сверхширокополосных сигналов//Радиотехника. Всеукр. межвед. научн.-техн. сб. -2000.-Вып. 115.-С. 7-11.

4. Нечеса (Усина) А.В. Выбор области измерений ближнего поля при определении характеристик антенн амплитудными методами//Вісник Харківського національного університету.-№ 513. Сер. Радіофізика та електроніка.-2000.-Вип.1.-С. 140-146.

5. Усина А.В., Анохина О.Д. Случайные погрешности восстановления АФР по измерениям амплитудного распределения поля антенн//Радиотехника.-Всеукр. межвед. научн.-техн. сб.-2001.-№ 122.-С. 35-37.

Результати дисертації додатково відображені у таких роботах:

6. Gorobets N.N., Shavorykina I.Yu., Nechosa (Usina) A.V. Radiation of Fast Videopuise by Finite Length Dipole Antenna//Conf. Proc.”Mathematical Method in Electromagnetic Theory”.-Kharkov(Ukraine).-1994.-P. 123-125.

7. Anohina O.D.,Usin V.A., Nechosa (Usina) A.V. Accuracy Requirement of Antenna Near-field Amplitude//Int. Symp. “Physics and Engineering of Millimeter and Submillimeter Waves”.- Kharkov(Ukraine).-1995.-Vol.5.-P. 123-125.

8. Anohina O.D.,Gubar V.A., Nechosa (Usina) A.V., Usin V.A. Determination of Characteristics of Phase Antenna Array of Millimeter Wave Range by Amplitude Methods//Int. Symp. “Physics and Engineering of Millimeter and Submillimeter Waves”.- Kharkov(Ukraine).-1995.-Vol.5.-P. 494-495.

9. Анохина О.Д., Усин В.А., Нечеса (Усина) А.В. Статистическая оценка требуемой точности измерений амплитуды ближнего поля ФАР//3-я Всерос. научн.-техн. конф.”ФАР и перспективные средства связи”.-Казань.-1994.- С. 152.

10. Анохина О.Д., Губарь В.А., Нечеса (Усина) А.В., Усин В.А. Амплитудный метод восстановления АФР в апертуре ФАР//3-я Всерос. научн.-техн. конф.”ФАР и перспективные средства связи”.-Казань.-1994.- С. 138.

11. Горобец Н.Н., Нечеса (Усина) А.В., Шаворыкина И.Ю. Анализ излучения диполя Герца, возбуждаемого коротким видеоимпульсом//Материалы 5-й Крымской конф. и выставки “СВЧ-техника и спутниковые телекоммуникационные технологии”.-Севастополь (Крым).-1995.- С. 231-234.

12. Usin V.A., Anohina O.D., Nechosa (Usina) A.V. Amlitude Methods of Antenna Characteristics Determination//Proc. Int. Conf. on Antenna Theory and Techniques. ICATT’95.-Kharkov(Ukraine).-1995.-P. 80.

13. Nechosa (Usina) A.V. Investigations of Radiation Characteristics of Hertz Dipole Excide by Superwide Signal//Proc. Int. Conf. on Antenna Theory and Techniques. ICATT’95.-Kharkov(Ukraine).-1995.-P. 26.

14. Anohina O.D., Antonov G.S., Zuber R.M., Nechosa (Usina) A.V., Usin V.A. Statistical Estimations of Accuracy of Antenna Perfomanse Determination by Amplitude Methods//Proc. of the Sec. Int. Conf. on Antenna Theory and Techniques.- Kiev(Ukraine).-1997.-P. 213-215.

15. Горобец Н.Н., Нечеса (Усина) А.В. Искажение формы и спектра сверхширокополосного сигнала вибраторной антенны конечной длины//7-я Крымская конф. “СВЧ-техника и телекоммуникационные технологии”.-Севастополь (Крым).-1997.-Т.2.-С. 564-565.

16. Усин В.А., Анохина О.Д., Нечеса (Усина) А.В. Точностные характеристики амплитудных методов определения параметров антенн//Сб. тр. ІІІ Междунар. научн.-техн. конф.”Антенно-фидерные устройства, системы и средства связи”.-Воронеж.-1997.-Т.1.-С. 289-293.

17. Markov V.B., Filonenko.A.B., Usin V.A., Anohina O.D., Nechosa (Usina) A.V. Computer Simulation in Antenna Design and Measurements//Conf. Proc.”Mathematical Methods in Electromagnetic Theory”.- Kharkov(Ukraine).-1998-Vol. 2.-P. 589-590.

18. Usin V.A., Anohina O.D., Nechosa (Usina) A.V., Markov V.B., Filonenko A.B. Automatic Diagnostic and Alignment in Phased Array Antennas//Conf. Proc. “Mathematical Methods in Electromagnetic Theory”.- Kharkov(Ukraine).-1998-Vol. 2.-P. 591-593.

19. Горобец Н.Н., Нечеса (Усина) А.В. Анализ передаточной функции линейной вибраторной антенны конечной длины в широком диапазоне частот//Материалы 8-й Междунар. Крымской конф. “СВЧ-техника и телекоммуникационные технологии”.-Севастополь (Украина).-1998.-Т.2.-С. 504-505.

20. Anohina O.D., Nechosa (Usina) A.V. Method of Estimation of Requirements to the Input Information when Determining Antennas Characteristics with Near-zone Methods//Proc. of the Third Int. Conf. on Antenna Theory and Techniques. ICATT’99.-Sevastopil(Ukraine).-1999.-P. 445-446.