Перспективы реконструктивных антенных измерений как основного метода приёма-сдаточных испытаний

1. Внешняя задача теории антенн: измере­ния в дальнем и ближнем поле

Аналогично различию между волновым и гео­метрическим описаниями электромагнитных волн в оптическом диапазоне спектра в ан­тенных измерениях пространство вне источ­ника излучения принято делить на ближнюю (Френеля) и дальнюю (Фраунгофера) зоны. В дальней зоне вектор Пойтинга направлен ра­диально, угловое распределение поля незави­симо от расстояния характеризуется диаграм­мами направленности (ДН). По ряду причин антенные измерения традиционными мето­дами в дальнем поле в последнее время вы­тесняются из мировой практики реконструк­тивными измерениями, базирующимися на возможности вычисления поля в дальней зоне по полю, измеренному в ближней зоне (NF2FF Transformation) [1, 2]. Измерения в ближней зоне обычно выполняются методами плоско­го, цилиндрического или сферического скани­рования, что обусловлено как простотой ре­ализации соответствующих кинематических схем сканирования, так и разработанностью методов восстановления поля в дальней зоне по измерениям геометрии поля в ближней зоне на этих поверхностях. При измерениях на пло­скости составляющие поля антенны в дальней зоне E_a и E_β (α - азимутальный угол, β - угол места) при этом представимы в виде линейной комбинации преобразований Фурье от ампли­туд и фаз компонент E_x, E_y тангенциальной составляющей вектора E на этой плоскости [1], что требует высокостабильного опорного сигнала и фазостабильных СВЧ либо оптиче­ских трактов передачи сигналов. В России идея ближнепольных измерений не получила долж­ного развития (после ГОСТ 8.309-78 «Мето­дика выполнения измерений для определения параметров антенн по полю в раскрыве» более новых отечественных стандартов в этой об­ласти не появлялось. Авторам известны лишь ОСТы 4Г0.209.204-77 и 4Г0.209.213-84), в то время как международные стандарты в этой области постоянно обновляются (например, IEEE 1720:2012 «IEEE Recommended Practice for Near-Field Antenna Measurements»).

Поскольку тактико-технические харак­теристики радиоэлектронных средств воздуш­но-космической обороны в значительной мере определяются характеристиками их антенных систем, для Концерна вопросы технической реализации и метрологической корректности организации измерения характеристик ан­тенн в ближней зоне являются актуальными. При измерениях в ближней зоне появляется ряд технических преимуществ: гарантируется выполнение требований по противодействию иностранным техническим разведкам и техни­ческой защите информации (ПД ИТР и ТЗИ); измерение ДН реализуется не только в главных сечениях; повышается метрологическая досто­верность измерений; возрастают возможности для настройки активных фазированных решё­ток и дефектоскопии их приёмо-передающих модулей за счёт возможности характеризации локальных особенностей в структуре излуча­емого электромагнитного поля, причины ко­торых невозможно определить по интеграль­ным результатам измерений в дальней зоне. Потенциально представляются более значи­мыми фундаментальные преимущества: хотя измерения в дальней зоне позволяют решать большинство представляющих практический интерес задач, некоторую информацию полу­чить из измерений в дальней зоне нельзя прин­ципиально - поскольку в дальней зоне поле не имеет радиальных компонент, часть информации об источнике излучения оказывается утра­ченной, что в ближайшие десятилетия может стать критически важным для работ с перспек­тивными изделиями.

Автоматизированный измерительно-вы­числительный комплекс (АИВК) необходим для настройки и испытаний на соответствие требованиям технических условий различ­ных антенных систем: радиолокаторов об­наружения, многофункциональных РЛС со­провождения и наведения, реализованных на основе как пассивных, так и активных антен­ных решёток. В мире существует ограничен­ное количество компаний, способных решить столь сложную задачу: Nearfield Systems, Inc. (США), Microwave Instruments Technlogies (США), группа компаний Microwave Vision Group (MVG), в состав которой входят, в част­ности, ORBIT/FR (США/Израиль), SATIMO (Франция) и др. В бывшем СССР эти техно­логии, как неотъемлемая часть антенной тема­тики, также развивались. Так, десятки АИВК поставили заказчикам ВНИИРИ (Армения) и НИИ «Квант» (Украина); ряд предприятий сво­ими силами разрабатывали и разрабатывают аналогичные АИВК для собственного пользо­вания (например, АО «НПО «ЛЭМЗ», ФГУП «ФНПЦ НИИИС им. Ю. Е. Седакова»), однако к настоящему моменту в России существует только одна компания, специализирующаяся на тематике ближнепольных антенных измерений и являющаяся монополистом на рынке АИВК на современном техническом уровне - ООО «НИИ «ТРИМ СШП Измерительные системы» (г. Санкт-Петербург).

2. Геометрия АИВК

АИВК базируется на фундаментной плите раз­мером 42900×34000x500 мм³, отрезанной от строительных конструкций корпуса. В фунда­ментной плите выполнен «приямок» размером 9000x2000x800 мм³ для размещения системы «лифт - пол», необходимой для функциониро­вания автоматизированных экранированных ворот. АИВК состоит их безэховой электромаг­нитной камеры (БЭК) и прецизионной ближ- непольной измерительной системы (ПБИС).

2.1. Безэховая электромагнитная камера

БЭК реализована на основе заземлённой экра­нированной камеры в комплекте с системами освещения, пожарной сигнализации, видео­наблюдения и др. с эффективностью экрани­рования в диапазоне частот 0,1-37,5 ГГц в со­ответствии с классом 1 по ГОСТ Р 50414-92. Для ввода цепей электропитания и сигнальных цепей, организации системы вентиляции ис­пользованы специализированные помехопо­давляющие фильтры. Экранированная камера сборная, каркасного типа, производства компа­нии WillTechnology, Ltd. (Республика Ко­рея); несущий каркас с внешними размерами 42 900x34 000x16 900 (высота) мм³ выполнен из стальных профилей. В качестве материа­ла для экранирующей оболочки используют­ся стальные сплошные щиты из оцинкован­ной стали толщиной 2 мм, имеющие двойную кромку с четырёх сторон. Они скрепляются между собой болтовыми соединениями с по­мощью сетки с мелкой ячейкой из стальной проволоки с медным покрытием, обеспечи­вающей электрический контакт и оптималь­ные радиочастотные характеристики уплот­нения: герметичность стыков контролируется индукционным методом поверхностных токов. Внешние размеры камеры по экранирующей оболочке - 41 700x32 800x16 400 (высота) мм³. Предусмотрены мероприятия по анти­коррозийной защите конструкций экраниро­ванного помещения. В БЭК предусмотрены сдвижные (вверх) экранированные ворота с размерами 7000x6000 (высота) мм². Радио­герметичность обеспечивается контактным механизмом, встроенным по периметру в раму ворот, который изготавливается из оцинкован­ной стали и содержит комплект контактных бериллиево-медных ригелей. Экранированные ворота размещаются на системе «лифт - пол», обеспечивающей автоматизацию их открытия/ закрытия и поджима, и рассчитаны на уста­новку на их внутреннюю поверхность радио­поглощающего материала. В непосредствен­ной близости создана операторская размерами 4000x3000x3000 (высота) мм³. После установ­ки несъёмных панелей радиопоглощающего материала на стены, автоматизированные во­рота и потолок получается полубезэховая ка­мера. Предусмотрена оперативная установка вручную поглотителей электромагнитного из­лучения на полу, после чего камера превраща­ется в полностью безэховую, моделирующую свободное (удовлетворяющее принципу излу­чения) пространство, которое соответствует по своим характеристикам испытательной пло­щадке на открытом воздухе. Используется ра­диопоглощающий материал (РИМ) Eccosorb™ фирмы Emerson Anechoic Chambers (Бельгия), в частности типов VHP-26-NRL, VHP-36-NRL, VHP-18-NRL, HHP-60-NRL, FS-100-NRL (РПМ на стене за сканером - более высокого уровня поглощения, чем на остальной поверхности). Следует заметить, что характеристики в спец­ификациях от Emerson Anechoic Chambers за­явлены как типичные значения, а не как га­рантированные, и это является стандартным трюком зарубежных производителей: гаран­тированные значения заметно хуже, и, кроме того, речь идёт об идеализированной ситуации нормального падения электромагнитного излу­чения на РПМ, при отклонении же от нормали характеристики не нормируются (известно, что быстро ухудшаются).

Размеры безэховой зоны достаточны для испытаний антенных систем изделий. Уровень и величина зоны радиобезэховости будут под­тверждаться при сдаче АИВК в эксплуатацию. Исходя из свойств РПМ максимальная средняя плотность потока мощности при измерениях ограничивается 1,5 кВт/м². Оборудование, раз­мещённое в АИВК, также будет укрываться щитами с РПМ для уменьшения отражений. Система кондиционирования БЭК обеспечи­вает при проведении всех видов испытаний температурный режим: (22 ± 2,5) °С, кратность воздухообмена может достигать 6 обменов в час, для чего предусмотрено по 30 вентиляци­онных отверстий ячеистого типа размерами 600^600 мм² - приточных на потолке и вытяж­ных на стенах камеры.

Также в БЭК предусмотрены системы ос­новного и аварийного освещения с использова­нием светодиодных светильников на потолке, системы сигнализации о возгорании, пожаро­тушения, видеонаблюдения, подвода необхо­димых питающих напряжений; операторская обеспечена телефоном, локальной сетью.

2.2. Прецизионная ближнепольная измери­тельная система

Создаваемая ПБИС рассчитана на проведе­ние измерений как в режиме передачи, так и в режиме приёма (слабонаправленная антенна- зонд, механически перемещаемая сканером вблизи апертуры испытуемой антенны, являет­ся в первом случаем приёмником, во втором - передатчиком). При измерениях характеристик фазированных антенных решёток (ФАР) бла­годаря принципу взаимности можно работать в любом режиме. В настоящее время домини­рующее положение в перспективных изделиях получают активные ФАР, являющиеся антен­нами с невзаимными элементами, измерения для которых необходимо проводить раздельно.

Благодаря замене непрерывных функций распределений компонент электромагнитного поля матрицами отсчётов в конечном числе узлов координатной сетки (по умолчанию эк­видистантной) и замене двумерного интеграль­ного преобразования Фурье двумерным дис­кретным преобразованием Фурье проводится реконструкция геометрии поля в дальнюю зону и вычисляются радиотехнические характери­стики испытуемой антенны: ДН по амплитуде и по мощности, их произвольные сечения, ко­эффициенты усиления и др.

Плоские сканеры обычно создаются вертикальными либо (реже) горизонтальны­ми. Примером сопоставимого по масштабам вертикального планарного сканера ближне­го поля является сканер NSI-400V разработки Nearfield Systems, Inc с областью сканирования 33000x16000 мм². Качественным отличием 5-координатного прецизионного сканера AL- 4954-1-32м-13м (изготовлен в сотрудничестве с предприятием компании OrbitFR в Израиле) АИВК Филиала № 1 Концерна от традицион­ных Т-образных планарных сканеров является возможность динамического наклона плоско­сти сканирования (рисунок). Такая схема, не имеющая аналогов в мире на установках сопо­ставимого масштаба, была предложена «НИИ «ТРИМ СШИ Измерительные системы» с учё­том требований технического задания (ТЗ) в целях наилучшего согласования технической и экономической целесообразности. Масса сканера - около 50 т, частотный диапазон 0,3-12,0 ГГц, размеры области сканирования - до 32 000x13 000 мм².

Чтобы восстановить поле в дальней зоне с приемлемой погрешностью, для плоской по­верхности сканирования необходимо выполне- нить условие [3]:

L ≥ D + 2H ⋅ tg Θ + o(√λH),

где L - минимально необходимый размер пло­скости сканирования;

D - максимальный размер испытуемой ан­тенны (в том же измерении);

H - расстояние между антенной и плоско­стью сканирования;

Θ - величина границы углового сектора [-Θ, +Θ], в котором необходимо восстановить поле в дальней зоне;

o( ) - бесконечно малая функция;

λ - длина волны излучения.

В одном из изделий облучатели располо­жены на выносных конструкциях длиной более 5 м, что не позволяет приблизить плоскость антенны к плоскости сканирования ближе H ≈ 6 м, что и обусловило размеры рабочей об­ласти сканера.

Сканер AL-4954-1-32м-13м обеспечивает для сменных сверхширокополосных антенн- зондов не менее 5 степеней свободы:

• линейное перемещение антенны-зонда по трём взаимно ортогональным направлени­ям: горизонтали (ось X), вертикали (ось Y) и по нормали к плоскости сканирования (ось Z). Запас хода сканера по координате Z согласован на уровне ± 250 мм;
• изменение угла наклона оси Y в диапазо­не 0...32 угл. град. относительно вертикали с точностью ± 3 угл. мин;
• угловое перемещение антенны-зонда по поляризации в диапазоне не менее ± 90 угл. град. с погрешностью не более ± 3 угл. мин.
• Погрешности позиционирования зонда по координатам X, Y, Z (согласно ТЗ) не долж­ны превышать (среднеквадратичное отклоне­ние, СКО) следующих величин:
• в полной рабочей зоне при вертикальной оси Y: по оси Х- 2,0 мм, по оси Y - 0,6 мм, по оси Z - 0,12 мм;
• в полной рабочей зоне при наклоне оси Y 32 угл. град.: по оси Х - 4,0 мм, по оси Y - 1,2 мм, по оси Z - 0,12 мм;
• в рабочей зоне 6x6 м² при вертикальной оси Y: по оси Х - 0,25 мм, по оси Y - 0,25 мм, по оси Z - 0,12 мм;
• в рабочей зоне 6x6 м² при наклоне оси Y 32 угл. град.: по оси Х - 0,3 мм, по оси Y - 0,25 мм, по оси Z - 0,12 мм.

Допустимая инструментальная погреш­ность измерений положения зонда по осям X, Y, Z не должна превышать ± 0,15 мм.

Плоскостность, под которой подразуме­вается допустимое СКО от среднего по коор­динате Z при осуществлении сканирования антенной-зондом в плоскости XY, не более (согласно ТЗ):

• в полной рабочей зоне при вертикальном положении оси Y - 1,2 мм;
• в полной рабочей зоне при наклоне оси Y на 32 угл. град. - 2,0 мм;
• в рабочей зоне размером 6x6 м² при вер­тикальном положении оси Y - 0,6 мм;
• в рабочей зоне размером 6x6 м² при на­клоне оси Y на 32 угл. град. - 0,75 мм.

Минимальные шаги Δx и Δy между дис­кретными позициями зонда при сканировании ближнего поля с максимально допустимым разрешением: по Х - не более 1 см (разрешение не менее 100 позиций/метр), по Y - не более 1 см (разрешение не менее 100 позиций/метр). Вопрос минимально допустимого шага дис­кретизации обсуждён в [3]; обычным является требование Δx < λ/2, на практике обычно шаг зонда делается несколько меньше, ближе к λ/3.

В связи с большими размерами плоско­сти сканирования и известными требования­ми к плоскостности (например, согласно ОСТ 4Г0.209.204-77 систематические и случайные отклонения зонда от измерительной плоско­сти должны быть в пределах ± 0,1 λ и ± 0,011 соответственно, а погрешность определения координат зонда в измерительной плоскости должна быть в пределах ± 0,03 λ) перед по­ставщиком был поставлен вопрос об обяза­тельности использования лазерной системы определения истинного местоположения ан­тенны-зонда по всем трём координатам для до­стижения возможности предобработки данных (аппроксимации реально измеренного массива данных в узлы идеальной сетки с использо­ванием информации об истинном положении зонда относительно идеальной поверхности, которую он должен был описать) перед пода­чей их на вход алгоритма трансформации из ближнего поля в дальнее. Такая система опре­деления местоположения зонда поставляется в составе АИВК.

Необходимое программное обеспечение разработано поставщиком. Из прямых натур­ных измерений в ближней зоне на поверхности сканирования доступны для анализа (визуали­зируются, экспортируются):

• амплитудные распределения ближнего поля;
• фазовые распределения ближнего поля.

Из реконструированной геометрии поля в дальней зоне нетрудно вычислить и визуа­лизировать радиотехнические характеристики испытуемой антенны, а именно зависимости в дальней зоне от угловых переменных сфериче­ской системы координат, в частности:

• амплитуд (амплитудные ДН);
• фаз (фазовые ДН);
• плотностей потока мощности (ДН по мощности);
• поляризаций (поляризационные ДН).

В разработанном поставщиком про­граммном обеспечении реализуются возмож­ности просмотра указанных ДН при их нор­мировании и по напряжённости поля и по мощности в полярной и в декартовой системах координат (в линейном и в логарифмическом масштабах), а также их произвольных сечений, из которых определяются:

• ширины ДН на произвольных (задавае­мых) уровнях;
• направления главных максимумов ДН; уровни и направления боковых лепест­ков ДН;
• координаты фазовых центров испытуе­мых антенных систем в случае их существо­вания и точечности (или центров излучения, относительно которых эквифазные поверхно­сти в заданном угловом секторе пространства менее всего отличны от сфер);
• коэффициенты направленного действия испытуемых антенных систем в произвольных направлениях (не только в направлении глав­ного максимума амплитудных ДН);
• коэффициенты усиления испытуемых ан­тенных систем в произвольных направлениях (не только в направлении главного максимума амплитудных ДН).

Важно, что в ТЗ реализуется требование возможности экспорта результатов измерений ближнего поля в текстовые файлы, что по­зволит проводить преобразования и анализ во внешних математических пакетах.

Комплект управляющего и обрабатываю­щего оборудования в составе АИВК включает (не перечислены стойки для оборудования, принтеры, источники бесперебойного питания, промышленная мебель и другие малозначимые компоненты):

• автоматизированное рабочее место опе­ратора, включая персональный компьютер со специализированным программным обеспече­нием управления сбором и обработкой данных;
• векторный анализатор цепей R&S ZVA -24 с необходимыми опциями;
• стробоскопический осциллограф TMR 8112 с диапазоном частот 0-12 ГГц;
• генератор сигналов R&S SMF-100A с не­обходимыми опциями;
• генератор импульсов TMG020020VN01;
• комплект антенн-зондов (ТМА3 1-2 И для диапазона частот 1-2 ГГц; ТМА3 2-4 И для диа­пазона частот 2-4 ГГц; ТМА3 4-8 И для диапа­зона частот 4-8 ГГц; ТМА3 8-12 И для диапа­зона частот 8-12 ГГц).

Метрологическая аттестация АИВК на возможность сдачи изделий заказчику во всех режимах, прописанных в ТУ - самостоятель­ная большая научно-техническая работа.

Погрешности при реконструктивных из­мерениях (их основные источники рассмотре­ны в [4]):

• погрешности ограничения (область изме­рения имеет конечные размеры и незамкнута);
• погрешности дискретизации (получае­мые функции, определённые в дискретных точках, не могут не отличаться от непрерывных распределений);
• погрешности измерения ближнего поля (нестабильность генератора опорного сигнала, флуктуации коэффициентов передачи в соеди­нительных трактах, СКО зонда по нормали от плоскости измерений и погрешности позицио­нирования зонда по горизонтали и вертикали).

Поскольку ДН зондовой антенны неизо­тропна, измерения в различных точках пло­скости сканирования происходят при неэкви­валентных условиях, это проявление общего принципа теории измерений: результат изме­рения - суперпозиция (конволюция) функции объекта с передаточной функцией измеритель­ного прибора, из-за чего необходима коррекция конволюционных артефактов (и даже после её проведения неизбежны незначительные раз­личия результатов реконструкции поля из из­мерений на плоскости, на цилиндре и на сфере для одной и той же антенны в одном режиме работы).

В соответствии с условиями договора АИВК поставляется как единое средство из­мерений, требующее утверждения типа (вне­сения в Федеральный информационный фонд по обеспечению единства измерений). Соглас­но ТЗ АИВК должен обеспечивать следующие инструментальные погрешности измерений амплитудных и фазовых диаграмм направлен­ности (АДН и ФДН), коэффициентов усиления и направленного действия (КУ и КНД):

• АДН до минус 20 дБ - ± 0,3 дБ; АДН до минус 30 дБ - ± 0,5дБ; АДН до минус 60 дБ - ± 3 дБ;
• ФДН при АДН до минус 20дБ - ± 2,0 угл. град.; ФДН при АДН до минус 30дБ - ± 3,0 угл. град.; ФДН при АДН до минус 60 дБ - ± 11,0 угл. град.;
• КУ - не хуже ± 0,5 дБ;
• КНД - не хуже ± 0,5 дБ.

Реальные полные предельные значения инструментальных погрешностей определятся силами ФГУП «ВНИИФТРИ» на этапе испы­таний АИВК для утверждения типа средства измерения и первичной поверки.

3. Ход реализации проекта, вопросы приём­ки АИВК Филиалом № 1

Для перехода от прописанных в ТУ на изделия методов измерения характеристик антенн в дальней зоне к ближнепольным методам спе­циалистами Филиала № 1 в 2012-2013 гг. было разработано ТЗ на поставку АИВК для орга­низации измерений характеристик антенных систем изделий в целях контроля соответствия требованиям, предъявляемых ТУ на изделия.

АО «Концерн ВКО «Алмаз - Антей» и ООО «НПП «ТРИМ СШП Измерительные системы» в мае 2013 г. подписали договор о создании АИВК. По состоянию на май 2015 г. завершён монтаж экранированной камеры, в Филиал № 1 доставлены необходимый ра­диопоглощающий материал, сканер ближне- польной измерительной системы, радиоизме- рительное оборудование, начаты работы по монтажу.

После утверждения типа и первичной поверки средства измерения необходимо ре­ализовать выполнение требований ПД ИТР и ТЗИ, в том числе спецпроверку и аттестацию аппаратуры из состава АИВК.

Для введения АИВК в эксплуатацию не­обходимо по каждому из изделий, планиру­ющихся к испытаниям в АИВК, выполнить большой объём работ:

• согласовать с разработчиками изделий технический облик измерительного стенда, включая устройство позиционирования испы­туемой антенны относительно сканера ПБИС (антенные системы изделий будут размещать­ся в АИВК как на специальных технологиче­ских основаниях, так и в составе изделий при помощи роботизированных транспортёров) и интерфейс взаимодействия между испытуемой антенной и электроникой из состава АИВК (дополнительная стендовая электроника и со­гласующее программное обеспечение);
• разработать и изготовить необходимые элементы измерительного стенда;
• разработать методики настройки и из­мерений характеристик антенны, проработать вопросы оптимизации (ускорения) процесса измерения (реализацию измерений на различ­ных частотах и в разных режимах работы ан­тенны при одном сканировании ближнего поля с целью минимизировать количество сканиро­ваний, необходимых для выполнения объёма измерений, требуемого ТУ);
• отработать на практике и уточнить раз­работанные методики настройки и измерения на серийных образцах изделий;
• провести первичную аттестацию изме­рительного стенда в соответствии с ГОСТ Р 8.568-97 и аттестацию методик измерений (установление пределов погрешностей изме­рения нормируемых характеристик) силами ФГУП «ВНИИФТРИ» или ФБУ «ГНМЦ МО РФ».

После проведения указанных работ и демонстрации поставщиком реализуемости разработанных методик измерения будет под­писан акт приёмки АИВК и во всю полноту встанет вопрос о внесении разработчиками из­делий дополнений в ТУ, что разрешило бы ис­пользовать АИВК как средство для проведения приёмо-сдаточных испытаний вместо методов дальней зоны.

Выводы

1. Задача восстановления поля на апертуре для дефектоскопии элементов ФАР продолжает оставаться актуальной.
2. Ближнепольные методы измерений активно развиваются, в частности, в направле­нии создания методов бесфазовых (Phaseless) измерений [2, 6] как расширения описанного амплифазометрического метода, поскольку по мере развития антенной техники в сторону со­тен ГГц и (в перспективе) единиц ТГц трудно­сти измерения фаз быстро возрастают.
3. Перспективны с фундаментальной точ­ки зрения - совершенствование методов бес- фазовых ближнепольных измерений, с техни­ческой точки зрения - разработка алгоритмов амплитудно-фазовой компенсации в реальном времени некорректно работающих фазовраща­телей ФАР или приёмо-передающих модулей АФАР, работающими штатно.