отправка...Снижение продолжительности тестирования электрических параметров и ЭПР антенн
Введение
В создавшейся ситуации возникает необходимость в новых средствах тестирования,
технические возможности которых способны
принести существенный экономический эффект. Одним из таких средств нового поколения является автономный СВЧ-приемник,
сконструированный на основе высокопроизводительного анализатора цепей. С технической точки зрения он способен сократить
время измерения, расширить номенклатуру
тестируемого оборудования, резко увеличить
пропускную способность производственной линии и повысить качество продукции.
С экономической точки зрения ускорение тестирования способствует снижению затрат
на его проведение и ускоряет выпуск продукции, что способствует повышению конкурентоспособности как в текущий момент,
так и на перспективу.
Исходя из этих соображений, в статье проведен обзор технических требований к современным антеннам, описан новый СВЧ-приемник и рассмотрены примеры ускорения
выполнения сценариев измерений эффективной площади рассеяния (ЭПР) и параметров
антенн в ближней и дальней зоне.
Обзор технических требований
Повышение требований к измерениям вызвано тем, что в распоряжении конструкторов появились новые технологии, позволяющие им разрабатывать более эффективные
антенны. Например, появление активных
приемопередающих модулей предоставляет новые возможности по формированию
амплитудно-фазового распределения составляющих электромагнитного поля по апертуре антенны. Это позволило не только улучшить целевые характеристики антенных систем, но и динамически управлять ими путем
изменения состояния приемопередающих
модулей.
Использование подобных технологий значительно усложняет конструкцию антенн.
Для того чтобы полностью оценить характеристики такой антенны, необходимо располагать очень большим объемом данных.
Например, для полного измерения характеристик антенны в ближней зоне требуется
огромное количество тестовых точек:
- Простой случай: три измерительных порта, одна поляризация, 64 положения луча
и пять частот в матрице 100×100 элементов — 9,6 млн тестовых точек. - Сложный случай: три измерительных порта, одна поляризация, 256 положений луча
и 62 частоты в матрице 100×100 элементов — 476,16 млн тестовых точек.
Цифры для измерений ЭПР и параметров
в дальней зоне почти такие же впечатляющие. В любом случае понятно, что ускорение
измерений значительно сокращает общую
продолжительность испытаний. Естественно,
что в простых случаях возможности по ускорению могут ограничиваться такими факторами, как скорость перемещения датчика
и частота вращения опорно-поворотного
устройства. В сложных случаях, которые становятся наиболее распространенными, преимущества над существующими решениями
впечатляют сильнее. Данный вопрос будет
более подробно рассмотрен на примерах.
Эволюция
измерительного приемника
Начиная с 1980-х гг. инженеры-испытатели
используют для тестирования антенн специализированные СВЧ-приемники. В 1985 г.
в качестве приемника был впервые использован анализатор электрических цепей — прибор нового поколения, применение которого повысило точность, воспроизводимость
и достоверность результатов. То, что было
новинкой в 1980-х, стало общепринятой
практикой в современных антенных измерениях. А недавно круг замкнулся: высокоэффективные анализаторы цепей вновь
превратились в специализированные СВЧ-приемники, предназначенные для измерений
параметров антенн и ЭПР.
Одним из примеров является СВЧ-приемник Agilent N5264A, разработанный
на базе нового векторного анализатора цепей Agilent серии PNA-X. Новый приемник
не имеет встроенных генераторов, ответвителей и измерительных портов анализатора,
однако располагает пятью каналами одновременного приема и возможностью сбора
данных со скоростью 400 000 выб/с в каждом канале, а также буфером на 500 Мвыб.
Помимо быстрого сбора данных, новый
приемник отличается высокой чувствительностью и скоростью перестройки частоты.
Благодаря этим преимуществам обеспечивается выигрыш в производительности, позволяющий получить такое впечатляющее
число выборок.
Оценивая измерительные СВЧ-приемники, следует учитывать ряд дополнительных возможностей, полезных при измерении
параметров антенн и ЭПР. Например, возможность одновременного многоканального
приема, благодаря которой отпадает необходимость pin-диодного переключения каналов (а следовательно, сокращается время
измерений) при тестировании многоканальных устройств, таких как моноимпульсная
антенна. Другим примером служит применение различных алгоритмов свипирования:
с повышением и понижением частоты, произвольного или случайного. Возможность
свипирования с повышением и понижением
частоты позволяет выполнять двунаправленное сканирование, за счет чего минимизируется объем данных и сокращается время измерений параметров поля в ближней
зоне антенны. Выбор полосы пользователем
дает возможность достигнуть компромисса
между чувствительностью и временем сбора
данных (например, при низкой чувствительности измерения выполняются быстрее), что
особенно полезно при измерениях параметров поля в ближней зоне антенны. Режимы
импульсных измерений важны при исследовании характеристик активных антенных
решеток и других импульсных устройств.
Оценка выигрыша
в скорости измерений
Результаты выполнения различных сцещество в быстродействии измерительного
приемника нового поколения над предшественниками. Было проведено сравнение
результатов измерений, выполненных с помощью N5264A и HP/Agilent 8530A, разработанного на базе широко используемого
анализатора электрических цепей 8510A.
Представлены три примера: измерение параметров антенны в ближней и дальней
зоне и измерение ЭПР.
Измерения параметров антенны
в ближней зоне
Использовался следующий сценарий: тестирование моноимпульсной активной антенной решетки с помощью трех измерительных портов (суммарный, разностный
азимутальный и разностный угломестный);
измерение поляризационной характеристики
на нескольких частотах X-диапазона антенной решетки размером 100×100 элементов
для типового количества частот и положений
луча. Общее время измерения включает время сбора данных плюс продолжительность
переключения частот, время обратного хода
и обработки результатов приемником.
В таблице 1 сравниваются результаты работы приборов предшествующего и нового
поколений. Для того чтобы эти данные можно было использовать для других тестовых
конфигураций, в колонках указано среднее
время выборки (общее время, разделенное
на количество выборок).
Таблица 1. Сценарии измерений параметров поля в ближней зоне антенны
с указанием общего времени измерения и среднего времени выборки
| Количество измерительных портов | 3 | 3 | 3 | 3 | 3 | 3 |
| Поляризация | 1 | 1 | 1 | 1 | 1 | 1 |
| Число положений луча | 64 | 256 | 256 | 256 | 256 | 256 |
| Количество частот | 5 | 5 | 10 | 20 | 40 | 62 |
| Матрица элементов | 100×100 | 100×100 | 100×100 | 100×100 | 100×100 | 100×100 |
| Общее количество тестовых точек, млн | 9,6 | 38,4 | 76,8 | 153,6 | 308,2 | 476,16 |
| Новое время измерения при чувствительности –81 дБм, мин. | 0,95 | 1,33 | 2,67 | 5,35 | 10,7 | 16,6 |
| Новое время измерения при чувствительности –89 дБм, мин. | 1,4 | 3,1 | 6,2 | 12,4 | 24,9 | 38,5 |
| Среднее время выборки, мкс | 8,8 | 4,84 | 4,84 | 4,84 | 4,85 | 4,85 |
| Скорость датчика, см/с | 11,6 | 4,2 | 2 | 1 | 0,5 | 0,35 |
| Старое время измерения при чувствительности –89 дБм, мин. | 44 | 150 | 294 | 588 | 1518 | 2160 |
| Среднее время выборки, мкс | 275 | 234 | 230 | 230 | 296 | 272 |
| Скорость датчика, см/с | 4,2 | 1,2 | 0,6 | 0,3 | шаговая | шаговая |
Анализируя таблицу, можно сделать несколько важных наблюдений. Как ожидалось, общее
время измерений увеличивается при усложнении конфигурации. Однако приемник нового поколения по сравнению со своим предшественником обеспечивает сокращение общего
времени тестирования в 46–142 раза. Одним
из объяснений является более широкая полоса
пропускания нового прибора. Его чувствительности — –89 дБм при полосе 100 кГц и –81 дБм
при полосе 600 кГц на промежуточной частоте — достаточно для измерений параметров
поля в ближней зоне антенны благодаря близкому расположению датчика и высокой скорости обработки.
Одно замечание: во всех указанных ниже
сценариях быстродействие нового приемника ограничивается скоростью перемещения
датчика. Это не касается старого, более медленного приемника.
В настоящее время сложность измерений
параметров поля в ближней зоне активной антенны возрастает: типовой задачей
стало исследование 1024 положений луча
на 60–100 частотах. Если такая тенденция
сохранится, то увеличение скорости сбора
данных обеспечит рост экономического эффекта.
Измерения параметров поля
в дальней зоне антенны
Скорость измерения параметров поля
в дальней зоне антенны ограничивается двумя факторами: скоростью перестройки удаленных генераторов сигнала и максимальной частотой вращения опорно-поворотного
устройства (ОПУ). Для простых сценариев
тестирования в дальней зоне определяющим фактором является частота вращения
ОПУ (обычно 3 об./мин.), а не быстродействие любых приемников и источников
сигналов. В результате использование более
быстродействующего приемника приведет
лишь к частичному сокращению общего времени измерения.
Таблица 2. Сценарии измерений параметров поля в дальней зоне антенны
с указанием общего времени измерения и среднего времени выборки
| Количество измерительных портов | 3 | 3 | 3 | 3 | 3 | 3 |
| Поляризация | 1 | 1 | 1 | 1 | 1 | 2 |
| Число положений луча | 1 | 64 | 64 | 128 | 256 | 256 |
| Количество частот | 5 | 1 | 5 | 5 | 10 | 20 |
| Перемещение по азимуту (±30° с шагом 1°), шаг | 61 | 61 | 61 | 61 | 61 | 61 |
| Перемещение по углу места (±30° с шагом 1°), шаг | 61 | 61 | 61 | 61 | 61 | 61 |
| Общее количество тестовых точек | 55,8 тыс. | 714 тыс. | 3,57 млн | 7,14 млн | 28,58 млн | 114,31 млн |
| Новое время измерения при чувствительности –113 дБм, мин. | 0,36 | 1,4 | 7,21 | 14,2 | 56,1 | 223,8 |
| Среднее время выборки, мкс | 394 | 119 | 121 | 119 | 118 | 118 |
| Частота вращения ОПУ, об./мин. | 3 | 3 | 1,4 | 0,72 | 0,18 | шаговая |
| Старое время измерения при чувствительности –113 дБм, мин. | 12 | 12 | 23 | 35 | 109 | 396 |
| Среднее время выборки, мс | 120,4 | 1,01 | 0,386 | 0,293 | 0,229 | 0,208 |
| Частота вращения ОПУ, об./мин. | 3 | 3 | 0,7 | 0,4 | шаговая | шаговая |
В таблице 2 показаны сценарии измерений параметров поля в дальней зоне антенны. В измерениях по несложным сценариям
общее время измерений, выполненных с помощью старых и новых систем, практически
одинаково. При возрастании сложности сценария новая система демонстрирует сокращение общего времени измерений. Однако
это вызвано главным образом скоростью
перестройки (600 мкс) усовершенствованного генератора сигнала (хотя для расчетов значений в таблице использовалось наихудшее
значение — 1 мс). При использовании нового СВЧ-приемника и высокостабильного генератора сигналов обеспечивается сокращение общего времени тестирования в 2–3 раза.
Для сложных измерений в дальней зоне, требующих более 10 тестовых частот, использование более совершенного источника сигнала приводит к резкому сокращению общего
времени тестирования, что обеспечивает значительное повышение производительности.
Измерения ЭПР
Примером сценария служит построение
изображения ЭПР, в ходе которого определяется матрица полной поляризации.
Угол обзора: ±30° с шагом 0,1° или 0,25°.
Разрешающая способность по глубине изображения ЭПР: от 801 до 16 001 точки.
Как и раньше, новая и старая системы
сравниваются при двух уровнях чувствительности: –89 и –113 дБм. Важно отметить,
что при использовании старых приемников
инженеры-испытатели были вынуждены сознательно идти на компромисс между чувствительностью и скоростью перестройки
частоты (то есть свипирования). В новом
приемнике используется технология понижения частоты, обеспечивающая высокую
чувствительность измерений.
Таблица 3. Сценарии измерений ЭПР (матрица полной поляризации)
с указанием общего времени измерения и среднего времени выборки
| Разрешающая способность по глубине изображения ЭПР | 801 точка | 801 точка | 1601 точка | 1601 точка | 4000 точек | 16 001 точка |
| Угловое разрешение | 0,25° | 0,1° | 0,25° | 0,1° | 0,1° | 0,1° |
| Количество сканирований | 241 | 601 | 241 | 601 | 601 | 601 |
| Общее количество тестовых точек, млн | 0,77 | 1,93 | 1,54 | 3,85 | 9,62 | 38,47 |
| Новое время измерения при чувствительности –89 дБм, мин. | 3,2 | 8,1 | 5,3 | 13,1 | 27,7 | 96 |
| Среднее время выборки, мкс | 248,7 | 252,4 | 206 | 204,2 | 172,8 | 149,4 |
| Старое время измерения при чувствительности –89 дБм, мин. | 9,5 | 24 | – | – | – | – |
| Среднее время выборки, мкс | 738 | 745 | – | – | – | – |
| Новое время измерения при чувствительности –113 дБм, мин. | 21 | 54 | 42 | 105 | 258 | 1014 |
| Среднее время выборки, мс | 1,63 | 1,68 | 1,63 | 1,64 | 1,61 | 1,58 |
| Старое время измерения при чувствительности –113 дБм, мин. | 72 | 180 | – | – | – | – |
| Среднее время выборки, мс | 5,59 | 5,61 | – | – | – | – |
В таблице 3 показана разница между результатами измерений с помощью старых
и новых приемников. При чувствительности
–89 дБм новый приемник в 35 раз быстрее
старого, а при чувствительности –113 дБм —
в 40 раз. Таким образом, при измерениях
ЭПР это приводит к резкому сокращению
времени сбора данных, а следовательно —
к повышению производительности.
Заключение
Цифры ясно показывают, что измерительный приемник нового поколения обеспечивает более высокую скорость измерения
и сокращает общее время тестирования. Это
позволяет разрешить противоречие между
потребностью в сборе большего количества данных и необходимостью сокращения
общего времени тестирования. В результате
можно уменьшить время от начала разработки изделия до его выхода на рынок, повысить качество и снизить стоимость испытаний даже при продолжающемся усложнении
конструкций антенн и используемых технологий. В конечном счете подобное сочетание
технических и экономических преимуществ
усилит конкурентоспособность на динамично развивающемся рынке.