Методом обертання антени

Даний метод дозволяє вимірювати амплітудну ДС та поляризаційну характеристики антени. Схема для вимірювання наведена на рис. 10.1.

Для вимірювання використовується допоміжна передавальна антена А1 та генератор, які генерують, випромінюють модульовані ЕМХ на робочій частоті та на поляризації антени А2, яка досліджується. Остання встановлюється на обертальний пристрій і використовується в режимі приймання. Відстань між передавальною та приймальною антенами та параметри сигналу, який випромінюється, необхідно підтримувати постійними. Крім того відстань між антенами має бути такою, щоб антени знаходились в дальній зоні. Сигнал з виходу досліджуваної антени А2 детектується в детекторі і подається на вимірювач, показники якого a із-за квадратичної характеристики детектора є пропорціональними потужності на виході антени. Показники вимірювача залежать від кута повороту приймальної антени на обертальному пристрої . Кут повороту досліджуваної антени вимірюється відносно вибраного нульового напрямку. Перед початком вимірювання передавальна антена орієнтується так, щоб спрямувати максимум поля, яке випромінюється, на приймальну антену. Приймальна антена встановлюється так, щоб напрямок, який вибирається як нульовий, був спрямований на передавальну антену. Діаграма спрямованості за полем вимірюється в площині повороту антени як залежність величини від кута повороту досліджуваної антени. Значення нормованої діаграми спрямованості розраховується за формулою

,

де α _макс – максимальне значення сигналу на виході приймальної антени, яке відповідає напрямку головного максимуму.

Особливу увагу необхідно приділяти вимірюванням характерних точок ДС, які наведені на рис. 10.2:

напрямок та значення головного максимуму _{гол .,} ;

напрямки, в яких показники вимірювача a будуть в 2 рази менші ніж α _макс для визначення ширини ДС ;

напрямки бокових пелюсток та їх рівень ;

напрямки мінімумів в ДС .

Поляризаційна характеристика вимірюється як залежність параметрів поляризаційного еліпсу від кута повороту антени. Тобто для кожного кута повороту антени необхідно вимірювати параметри поляризаційного еліпсу. Схема для вимірювання поляризаційної характеристики є такою ж як і для вимірювання ДС, але для вимірювання параметрів поляризаційного еліпсу необхідні 3 допоміжні передавальні антени: одна з лінійною поляризацією, друга і третя повинні мати однакові коефіцієнти підсилення, але різні – колову праву та ліву поляризації. Спочатку як передавальна встановлюється антена з горизонтальною лінійною поляризацією. Приймальна антена обертається навколо прямої, яка проходить через центри двох антен, і знаходяться кути повороту відносно початкового положення , , яким відповідають максимальний та мінімальний показники вимірювача α _макс, α _мін. Величини , пропорціональні половинам великої та малої осям, а кут є кутом нахилу поляризаційного еліпса (рис. 10.3). Якщо α _мін =0, то поляризація приймальної антени є лінійною. Якщо α _мін = α _макс, то поляризація приймальної антени є коловою. В інших випадках поляризація приймальної антени є еліптичною, коефіцієнт еліптичності розраховується за формулою

.

Визначення напрямку обертання вектора проводиться шляхом вимірювання сигналів на виході приймальної антени для двох типів передавальної антени – з коловою правою та лівою поляризацією. Якщо показник вимірювача буде більшим при передавальній антені з коловою правою поляризацією, то поляризація приймальної антени є еліптичною (коловою) правою, якщо при передавальній антені з коловою лівою поляризацією, то еліптичною (коловою) лівою.

Метод порівняння для вимірювання коефіцієнта

підсилення антени

Схема для вимірювання коефіцієнта підсилення наведена на рис. 10.4 і є такою ж як для вимірювання ДС, тільки не має потреби в обертальному пристрої. До виходу генератора вмикається або еквівалентна антена ЕА, або досліджувана антена. Еквівалентна антена – це антена з відомим коефіцієнтом підсилення G_ЕА, яка працює на такій же поляризації, в такому ж частотному діапазоні, що і досліджувана антенаДА.

Приймальна антена є допоміжною, до її виходу вмикаються послідовно з’єднані детектор та вимірювач. Перед проведенням вимірювань необхідно так орієнтувати передавальну та приймальну антени, щоб показання вимірювача були максимальні, тобто головний максимум ХС кожної з антен спрямовується на протилежну антену. Знімаються такі максимальні показання вимірювача для двох випадків, коли як передавальна антена використовується еталонна α _{макс. ЕА} і коли – досліджувана α _{макс ДА}. Ці показання є пропорціональними потужності сигналу на виході допоміжної антени.

За умови однакової потужності, яка випромінюється, та однакових відстанях від досліджуваної та еталонної антен до приймальної антени КП розраховується за формулою

,

де – відомий КП еталонної антени.

Дзеркальний метод вимірювання коефіцієнта

підсилення антени

Схема для вимірювання коефіцієнта підсилення антени наведена на рис. 10.5.

Металевий екран повинен перекривати головний пелюсток ХС досліджуваної антени ДА і встановлюється перпендикулярно напрямку головного максимуму ХС. Частка енергії, яка випромінюється досліджуваною антеною буде відбиватись металевим екраном і потрапляти назад до антени. У фідері між генератором та антеною встановлюється режим змішаних хвиль. Причому, чим більший КП, тим більше енергії потрапляє назад до антени, тим більшим буде коефіцієнт стоячих хвиль (КСХ). КСХ у фідері вимірюється за допомогою вимірювальної лінії, а КП розраховується відповідно до формули

,

де α _{макс ,} α _{мін .} – максимальні та мінімальні значення квадрату амплітуди сигналу, які спостерігаються, якщо зонд вимірювальної лінії переміщувати вздовж фідера.

Для збільшення точності необхідно провести вимірювання G _ДА для декількох різних відстаней r та і провести усереднення.

Коліматорний метод вимірювання параметрів антени

Схема для вимірювання параметрів антен коліматорним методом наведена на рис. 10.6.

У даному методі використовується коліматор, який являє собою дзеркальну антену. Коліматор випромінює плоску хвилю, а тому досліджуваної антена може розташовуватись на опорно-поворотному пристрої (ОПП) безпосередньо перед коліматором.

Вимірювання параметрів проводиться методом антени, яка обертається, але на скорочених відстанях.

Для забезпечення точності розміри коліматора мають бути у два рази більшими розмірів розкриву досліджуваної антени.

Радіометричний метод вимірювання параметрів антени

Радіометричні методи вимірювання параметрів антен грунтуються на використанні космічних джерел радіовипромінювання (радіоастрономічний метод) або штучних джерел радіовипромінювання.

Радіоастрономічному методу вимірювань притаманні певні обмеження, що пов’язані з недостатньою у ряді випадків інтенсивністю випромінювання позаземних джерел. Це призводить до того, що даним методом можна вимірювати ДС до рівня не нижче 10…15 дБ порівняно з головним максимумом.

Істотного розширення динамічного діапазону вимірюваних рівнів бокових пелюсток ХС антен можна досягти завдяки використання кореляційної схеми вимірювань (рис. 10.7).

У даній схемі випромінювання від позаземного джерела одночасно приймається допоміжною антеною та антеною, що досліджується. Допоміжна антена розташовується поруч з антеною, яка досліджується і використовується в режимі автосупроводження джерела.

Сигнали з виходів обох антен потрапляють на виходи кореляційного радіометра, вхідний сигнал якого пропорційний добутку амплітуд сигналів на його входах. При постійній величині сигналу від допоміжної антени вихідний сигнал пропорційний значенню амплітудної ДС антени, яка досліджується. ДС вимірюють шляхом регістрації вихідного сигналу кореляційного радіометра при різних кутах повороту антени, яка досліджується щодо напрямку на джерело випромінювання.

Використання кореляційної схеми дозволяє на 15…20 дБ розширити динамічний діапазон вимірювання рівнів бокових пелюсток.

Якщо додатково застосовувати допоміжну антену з відомими поляризаційними характеристиками, то можна провести вимірювання поляризаційних характеристик антен поруч з амплітудною, можна визначити і фазову характеристику.

На закінчення слід відмітити, що у наш час для дослідження характеристик та параметрів антен широко використовуються методи моделювання. Моделювання може бути фізичним або математичним.

10.3. Сучасний стан антен та проблеми їх розвитку

Розширення кола завдань, що розв’язуються сучасною радіо-електронікою та їх ускладнення стимулювало в останнє десятиріччя інтенсивний розвиток теорії та техніки антен. У процесі розвитку антен вони ускладнювались, виникли принципово нові їх класи, розширились функції, що ними виконуються і антени перетворились із простих взаємних пристроїв у складні динамічні системи, які мають у своєму складі у більшості випадків сотні, тисячі різних елементів. З аналізу сучасного стану антенної техніки можна виділити основні характерні зміни в їх розвитку.

Конструктивні зміни призвели до того, що поряд із дротяними вібраторними антенами, що створені на перших етапах розвитку, широко розповсюджені антени: апертурні, біжучої хвилі, фазовані антенні решітки (ФАР), активні антени та ФАР, антени з синтезованим розкривом, цифрові антенні решітки, адаптивні антенні решітки та інші антени з обробкою сигналів тощо. Розроблені імпедансні, друковані антени, діелектричні, феритові та інші типи конструктивного виконання антен.

Виконання додаткових функцій антенами дозволило: визначати кутові координати джерел випромінювання з високою точністю та роздільною здатністю; підсилення сигналів; здійснювати просторову, часову та просторово-часову обробку прийнятих сигналів; здійснювати адаптацію та самоналагодження з метою забезпечення перешкододостійкості та електромагнітної сумісності. У певних випадках антена повинна вирішувати задачі отримання позакоординатної інформації про відбивний об’єкт, розпізнавання образу. У деяких антенних задачах виникає необхідність отримання просторово-часової фільтрації полів джерел, що розташовані в зоні Френеля.

Розрахунок та проектування сучасних антен базується не тільки на прикладній електродинаміці, але і на теорії радіотехнічних систем і сигналів, електрорадіокіл, технічної кібернетики тощо.

Інтенсивний розвиток теорії та техніки антенних решіток призвели до широкого використання ФАР.

Широке використання цифрових методів обробки сигналів призвело до побудови цифрових антенних решіток (ЦАР).

Отже, можна стверджувати, що сучасна антена перетворилась в радіосистему.

Розглянемо основні проблеми теорії та техніки антен

1. Синтез антенних систем. Побудова антен за заданими вимогами, тобто синтез антен є основним завданням будь-якої розробки.

2. Конструкторсько-технологічні проблеми побудови антен. Практична побудова антенних систем має широке коло питань конструювання, технології виготовлення, метрологічного забезпечення з урахуванням розташування, експлуатації антенної системи. При цьому, повинні бути враховані обмеження, що виникають при використанні існуючої елементної бази, технології, допустимої вартості тощо. Прагнення розробника до пошуку найкращого рішення призводить до математичної задачі оптимізації конструкторського рішення. Однак, визначення межі реалізації характеристик ускладнюється недоліками розвитку алгоритмізації теорії синтезу конструкторсько-технологіч-них задач.

3. Автоматизація проектування, виробництва та вимірювання антенних систем. Широке застосування сучасних ЕОМ під час проектування антен дозволяє істотно зменшити строки створення нової апаратури, розширити коло задач, що розв’язуються, наблизити розрахункові моделі до реальних об’єктів і зменшити трудові витрати. Загалом відомо про необхідність автоматизації виробництва. Однак, зменшення ручної праці у побудові антенної техніки пов’язано, у значній мірі, з пошуком типів та схем антен, що відповідають прогресивній технології. Прикладом такого рішення завдань можуть служити плоскі друковані решітки випромінювачів, що замінюють дзеркальні антени, які вимагають багато ручної праці.

4. Антени з обробкою сигналів. Подальше покращати характеристики радіосистем із сучасними антенними системами можна шляхом вдосконалення методів обробки, що випромінюються та приймаються антеною. У наш час антенна техніка досягла достатньо високого рівня розвитку і подальший прогрес йде, не шляхом створення принципово нових типів антен, а головним чином завдяки покращання їх характеристик.

Зазвичай використовується не вся необхідна інформація, яка має хвиля, що падає на антену, де поля від окремих випромінювачів додаються в одному фідерному тракті. Подальша обробка такого сумарного сигналу може буди недостатньою для вимірювання параметрів хвилі, що надходить. Найповнішу інформацію можна отримати шляхом обробки окремих (або групи) сигналів антенної решітки. Практична реалізація антен з обробкою сигналів визначається елементною базою. Проблему антен з обробкою сигналів можна коротко сформулювати як пошук шляхів оптимальної побудови просторово-часової обробки сигналів в антені, при заданих вимогах до системи та наявної елементної бази.

5. Метрологічне забезпечення антенних систем. Метрологічне забезпечення розробок, виробництва та експлуатації антенних систем вимагають значних затрат (до 30% від загальної вартості) і має розробку прямих та непрямих методів вимірювання характеристик антен різних класів, створення покоління вимірювальної апаратури відповідних діапазонів хвиль, функціональних можливостей, підвищеної продуктивності та точності вимірювань. Виникає необхідність створення мінімуму еталонів антен, виняткових заходів, атестації природних джерел випромінювання (включаючи позаземні) для контролю характеристик. Розвиток методів вимірювання характеристик антен по полю у розкриві, у проміжній та дальній зоні вимагає розробки безлуннихкамер, коліматорів, спеціалізованих вимірювальних комплексів та антенних полігонів.

6. Розвиток конструкторсько-технологічної бази антеннобуду-вання. До елементної бази сучасних антен можна віднести фазообертачі, вентилі, циркулятори, мостові та гібридні пристрої, розняття ліній передач, модулі ФАР та АФАР, антенні укриття тощо. Істотна різниця у конструктивному виконанні матеріалів, що використовуються, розмірів сучасних антен призводять до широкого кола технологічних завдань антенобудування − від побудови металоконструкцій великогабаритних антен з розкривом у сотні метрів до побудови інтегральних схем НВЧ та антенних процесорів. Конструктивно-технологічні проблеми сучасного антенобудування набувають принципового значення. Однією із найважливіших задач у даній області є стандартизація існуючої та елементної бази, що розробляється.

7. Забезпечення електромагнітної сумісності антенних систем. Проблемою електромагнітної сумісності антен різних радіотехнічних засобів є забезпечення таких умов роботи та антенних характеристик, при яких не виникають небажані електромагнітні зв’язки, що порушують роботу будь-яких радіосистем, тобто забезпечується функціонування радіосистем необхідної якості.

8. Мінімізація вартості проектування виробництва та експлуатації антенних систем. Висока ефективність досліджень, розробок та виробництва є найважливішим завданням сучасності. Завдяки широкому застосуванню антен у сучасних радіосистемах вартість їх виготовлення набула актуального значення.

У наш час можна виділити три напрямки у розвитку теорії та техніки антен.

Перший напрямок пов’язаний з пошуком шляхів побудови антен щодо існуючих проблем розробки їх теорії та методів розрахунку. Як результат виконаних робіт у даному напрямку запропоновані різні модифікації нових антен, удосконалені існуючі антени, побудована їх теорія, отримані інженерні методи розрахунку.

Другим напрямком розвитку антен є подальша розробка загальної теорії антен і створення нових її розділів. У наш час відбувається подальше поглиблення математичної теорії синтезу антен. Загалом задача синтезу зводиться до побудови антен за її заданими зовнішніми електродинамічними характеристиками ДС, ШДС, за рівнем бічного випромінювання і т.ін. У свою чергу задача побудови антен за заданими характеристиками поділяється на математичну теорію синтезу антен (розв’язання зовнішньої задачі) та їх інженерну розробку (розв’язання внутрішньої задачі).

У розвитку загальної теорії виділяється статистична теорія антен. Відповідно до цієї теорії для антен визначаються середні характеристики, які визначають по ансамблю однотипових антен або іноді для однієї антени. Згідно зі статистичною радіотехнікою за відомими законами розподілення, дисперсії, радіусом кореляції амплітудних та фазових помилок для антени визначають середні значення та їх флуктуації для КСД, рівня бічних пелюсток, ширини ДС, напрямку головного максимуму, тощо.

Статистичні методи аналізу дозволяють визначати характеристики антен, що реалізуються, при заданих технології, елементній базі або методу побудови керування променем, адаптації, тощо.

Подальшим розвитком загальної теорії антен стало дослідження антен з обробкою сигналів. Під час проведення робіт у даному напрямку створені такі антени: багатопроменеві; перевипромінювальні; активні та динамічні, адаптивні, нелінійні, апертурного синтезу, цифрові, радіооптичні, голографічні.

Третім напрямком у розвитку теорії та техніки антен слід вважати конструкторську роботу та пов’язані з нею розв’язання електродинамічних задач розташування антен, їх побудови, налагодження та експлуатації.

Розв’язання нових завдань теорії та техніки вимагає системного підходу та сумісної роботи спеціалістів в областях прикладної електродинаміки, системотехніки, радіотехнічних пристроїв, електроніки, автоматики, метрології, конструювання та технології виробництва.

Контрольні питання

1. Пояснити основні фактори впливу на надійність антенно-фідерних трактів.

2. За допомогою яких приладів та як визначається режим хвиль в лінії передачі?

3. За допомогою яких приладів та як визначається довжина хвилі в лінії передач?

4. Які прилади необхідні для дослідження амплітудної характеристики антени? Як дослідити експериментальні ХС?

5. Пояснити методику експериментального визначення поляризації антени.

6. Як можна визначити КСД за шириною діаграми спрямованості? Коли даний метод можна використовувати на практиці?

7. Пояснити як практично проводиться юстировка антени.

СПИСОК ЛІТЕРАТУРИ

1. Бова Н.Т., Резников Г.Б. Антенны и устройства СВЧ. − Киев.: Вища школа, 1977. − 259 с.

2. Электродинамика и техника СВЧ. Часть П. Техника сверхвысоких частот. Учебник для вузов ПВО. – М.: Воениздат, 1985. – 254 с.

3. Найденко Е.П., Багров О.Д., Прилепский И.Д. Електродинамика и техника СВЧ. Общая теория и особенности применения элементов техники СВЧ. – Житомир: ЖВУРЭ ПВО, 1981. − 152 с.

4. Сазонов Д.М. Антенны и устройства СВЧ: Учеб. для радиотехнических спец. вузов. – М.: Вища школа, 1988. – 432 с.

5. Усин В.А. Теория построения и методы исследования антенных систем. Часть І. Общая теория антенн СВЧ. – Харьков.: ВИРТА ПВО, 1991. – 276 с.

6. Шифрин Я.С. Антенны. – Харьков.: ВИРТА ПВО, 1976. – 407 с.

7. Антенные системы радиоэлектронных средств / Под ред. Г.В. Хохлов. – М.: Воениздат. 1978. – 368 с.

8. Антенные системы радиоэлектронных средств / Под ред. Г.В. Хохлова. – М.: Воениздат. 1978. – 368 с.

9. Г.З. Айзенберг, С.П. Белоусов, Э.М. Курбенко и др. Коротковолновые антенны / Под ред. Г.З. Айзенберга. – 2-е, перераб. и доп. – М.: Радио и связь. 1985. – 536 с.

10. А.З. Фрадин. Антенно-фидерные устройства. Учеб. пособ. для вузов связи. – М.: «Связь», 1977. – 440 с.

11. Антенны и устройства СВЧ. Проектирование фазированных антенных решеток / Под ред. Д.И. Воскресенского. – М.: Радио и связь. 1981. – 370 с.

12. Проблемы антенной техники / Под ред. Л.Д. Бахриха,
Д.И. Воскресенского. – М.: Радио и связь, 1989. – 368 с.

Дата добавления: 2014-11-29