Анализ методов и схем измерений внешних параметров антенн

Оглавление

Обозначения и сокращения

ДН – диаграмма направленности

БЭК – безэховая камера

ФАР – фазированная антенная решетка

Введение

Целью данного курсового проекта является описание методов сканирования полей в ближней и дальней зоне антенны, и разработка конструкции планарного сканера ближнего поля для измерения антенны с круговой поляризацией поля и характеристиками .

Часть 1. Теоретическая часть

Анализ методов и схем измерений внешних параметров антенн

К внешним параметрам антенн относятся характеристики, связанные с их электромагнитным полем в свободном пространстве: амплитудная диаграмма направленности (ДН), включая ширину ее главного лепестка и уровень боковых лепестков; фазовая ДН; пеленгационные, поляризационные и энергетические характеристики, в частности коэффициенты усиления, направленного действия, рассеяния и другие.

В большинстве случаев внешние характеристики антенн в силу принципа взаимности определяют в равной степени работу антенн в режимах передачи и приема. Исключение представляют антенны с невзаимными элементами или активные фазированные решетки. Однако и в случае «взаимных» антенн диаграммы направленности в двух режимах имеют разный физический смысл. В режиме передачи они характеризуют угловое распределение амплитуды, фазы или мощности излученной электромагнитной волны в дальней зоне; в режиме приема зависимость амплитуды, фазы или мощности тока в тракте приемной антенны от направления падающей на антенну плоской волны.

Измерение внешних параметров антенн можно проводить в дальней и ближней зонах излучения. К методам дальней зоны относятся наземный полигонный, облетный, радиоастрономический и радиометрический, а к методам ближней зоны – голографический, коллиматорный и комбинированный. Кроме того, для измерения характеристик зеркальных антенн и фазированных антенных решеток (ФАР) используется иногда метод перефокусировки.

Ниже кратко рассмотрены основные методы измерений внешних параметров антенн, их достоинства и недостатки. Отмечаются физическая общность этих методов и целесообразность их сочетания для ослабления присущих основным методам недостатков.

Для большинства антенн на протяжении многих лет наиболее распространенным являлся традиционный метод полигонных измерений в дальней зоне. Главное его достоинство – простота схемы измерений, обеспечивающая к тому же в ряде случаев определение параметров антенны в условиях, близких к реальным при ее функционировании в составе соответствующей радиотехнической системы.

Однако традиционному методу присущ целый ряд недостатков, главным из которых является отражение волн от земли и местных предметов. Ослабление этих отражений и их учет представляют собой сложную задачу.

Наибольшие трудности вызывают измерения антенн с низким уровнем бокового излучения и крупногабаритных антенн с большими электрическими размерами раскрыва. Для крупных антенн расстояние дальней зоны может составить сотни метров, а иногда и десятки километров, а угол между поверхностью земли и направлением на испытуемую и вспомогательную антенны из области зеркального отражения – единицы градусов. Избежать влияния интенсивных отражений при таких условиях в большинстве случаев невозможно, что приводит к значительным погрешностям при определении параметров антенн.

Использование схемы измерений с наклонной по отношению к поверхности земли линией связи между испытуемой и вспомогательной антеннами (наклонный полигон), применение вспомогательных антенн, вытянутых в вертикальном направлении, и интерферометров, установка поглощающих и отражающих щитов на трассе между антеннами зачастую не приводят к требуемому уменьшению амплитуды отраженной волны из-за отличия реального рельефа местности от плоского, на который рассчитаны перечисленные схемы измерения. Планировка полигона требует выполнения больших и дорогостоящих проектных и строительных работ, что увеличивает и без того высокую стоимость полигона.

Надо заметить, что измерения традиционным методом параметров небольших слабонаправленных антенн также связаны с серьезными проблемами, поскольку в этом случае особенно трудно избежать отражений от земли и окружающих предметов.

Радиоастрономический и радиометрический методы, в которых используются естественные и искусственные источники шумовых сигналов, обладая широкополосностью, повышают в отдельных случаях эффективность и информативность полигонных измерений, однако в большинстве случаев не позволяют решить проблему измерения параметров широкого класса антенн средних и больших размеров, имеющих низкий уровень бокового излучения, а также передающих антенн, содержащих невзаимные элементы. В случае радиоастрономических и радиометрических методов используются обычно радиометры, принимающие сигналы и усредняющие характеристики антенн в заметном диапазоне частот, поэтому указанные методы имеют ограничения при измерении узкополосных антенн, например антенн с частотным сканированием диаграмм направленности.

Облетный метод позволяет измерять параметры крупногабаритных стационарных и подвижных антенн, однако требует применения весьма сложных и дорогостоящих измерительных комплексов и вспомогательного оборудования. Сложными являются и алгоритмы обработки результатов облетных измерений, что обусловлено нерегулярным расположением точек отсчета в поле испытуемой антенны. При значительных затратах средств и времени производительность облетных измерений получается очень низкой. Погрешность определения даже относительно высокого уровня бокового излучения (около –20 – –30 дБ) этим методом составляет несколько децибел.

Метод перефокусировки применим в основном только для простых зеркальных антенн и ФАР. Главный его недостаток состоит в том, что, вообще говоря, измеряется так или иначе измененная антенна: для зеркальных антенн перефокусировка связана с вторжением в конструкцию антенны, в ФАР перефокусировка вызывает изменение взаимной связи между элементами решетки, что может существенно изменить ее параметры, особенно уровни боковых лепестков ДН.

Для активных передающих ФАР перефокусировка иногда недопустима из-за чрезмерного увеличения плотности потока мощности, которое может вызвать электрический пробой и выход из строя измерительной системы.

Таким образом, традиционный, облетный, радиоастрономический, радиометрический методы и метод перефокусировки имеют ряд существенных недостатков и ограничений, которые не позволяют в полной мере удовлетворить современным требованиям к технике антенных измерений в части точности измерения различных параметров, динамического диапазона измеряемых уровней бокового излучения, экономичности и т. п.

В значительной мере свободными от указанных недостатков являются методы измерений параметров антенн в ближней зоне: коллиматорный и голографический, а также сочетание их между собой и с традиционным методом.

Рисунок 1.1 – Структурная схема коллиматорной измерительной установки: 1 – антенна, 2 – отражатель коллиматора, 3 – облучатель, 4 – генератор, 5 – приемник, 6 – опорно-поворотное устройство.

Рисунок 1.2 – Структурная схема голографической измерительной установки: 1 – антенна, 2 – зонд, 3 – линия передачи, 4 – механизм перемещения зонда, 5 – амплифазометр, 6 – устройство регистрации, 7 – генератор, 8 – опорно-поворотное устройство.

Коллиматорный метод измерении основан на возможности формирования поля, близкого к полю плоской волны, при помощи вспомогательной антенны – коллиматора, расположенной в непосредственной близости от испытуемой антенны (рисунок 1.1). В качестве коллиматора можно использовать зеркальные, линзовые и другие типы антенн, причем его размеры должны превышать размеры раскрыва испытуемой антенны.

При голографическом методе характеристики антенн находятся путем обработки результатов измерений ближнего поля. Основными элементами схемы таких измерений (рисунок 1.2) являются генератор, зонд, линия передачи высокочастотного сигнала, амплифазометр, устройства регистрации и обработки результатов измерений. Ближнее поле антенны чаще всего измеряется на плоскости, расположенной перед антенной, сфере или цилиндре, охватывающих антенну. Для взаимного перемещения антенны и зонда используются одно- и двухкоординатные механизмы с угловыми и линейными перемещениями, сочетание которых обеспечивает измерение поля на указанных поверхностях. Расстояние между антенной и зондом при измерении ближнего поля обычно лежит в пределах от нескольких длин волн до нескольких размеров раскрыва антенны и всегда значительно меньше расстояния до границы дальней зоны.

Методами ближней зоны можно определять с достаточно высокой точностью те же параметры, что и традиционным и другими методами антенных измерений. В частности, динамический диапазон определяемых уровней бокового излучения при голографическом и коллиматорном методах составляет 40–45 дБ, а при комбинированном методе его можно расширить до 60–80 дБ.

Голографический и коллиматорный методы, обеспечивая высокую точность, позволяют проводить измерения, используя лишь небольшую территорию или безэховые камеры.

Достоинствами коллиматорного метода являются простота схемы и практически полное совпадение методик измерения большинства параметров с соответствующими методиками, применяемыми при работе в дальней зоне.

Голографический метод, несмотря на то что для его осуществления требуются дополнительные операции, связанные со специальной обработкой результатов измерений, является зачастую единственно возможным методом определения характеристик направленности крупногабаритных антенн и антенн средних размеров, работающих в СВЧ диапазоне. Чрезвычайно высокая информативность и гибкость голографического метода позволили применить его не только для решения одной из принципиальных проблем техники антенных измерений — восстановления поля излучения антенн в дальней зоне по полю в ближней зоне, но и решения ряда других важных задач антенной техники, в частности дефектоскопии излучающих и распределительных систем ФАР, дефектоскопии антенных обтекателей, исследования профиля больших зеркальных антенн.

Достоинство голографического метода состоит еще и в том, что благодаря гибкому сочетанию с ЭВМ он позволяет сравнительно легко определить всю пространственную диаграмму направленности или ее отдельные сечения.

Наряду с рассмотренными достоинствами голографического и коллиматорного методов антенных измерений применение вместо строительства полигонов установок, реализующих эти методы, дает значительный экономический эффект.

Таким образом, голографический и коллиматорный методы при высокой точности определения параметров антенн обладают существенными преимуществами перед другими методами антенных измерений в части информативности, экономической эффективности и т. п., что позволяет считать их наиболее перспективными методами измерений для большинства антенных устройств.