МАЛОГАБАРИТНАЯ БЕЗЭХОВАЯ КАМЕРА

Полезная модель относится к антенной технике и может быть использована в измерительных стендах для исследования и тестирования спутниковых и навигационных антенн.
Малогабаритная безэховая камера (МБК) предназначена для тестирования и исследования спутниковых и навигационных антенн.
Основная задача, решаемая малогабаритной безэховой камерой - это ослабление до требуемой величины отражения в месте размещения исследуемой спутниковой антенны. Благодаря применению МБК, создаются условия для оперативного и точного измерения коэффициента шума и коэффициента усиления спутниковой антенны или навигационной антенны.
Известна поглощающая структура и безэховая камера, стенки которой покрываются такой поглощающей структурой, в которую для уменьшения возвратных потерь до -20 дБ, внизу пирамидальной безэховой камеры установлен слой феррита, а поглощающий материал расположен так, что между ними имеется небольшое отверстие [1].
Диапазон работы такого поглотителя электромагнитных волн простирается от 30 МГц до 3 ГГц, что недостаточно для требуемого измерительного стенда, предназначенного для исследования спутниковых антенн до 12 ГГц.
Известна безэховая камера, в которой в качестве поглощающих поверхностей применяются марганцево-цинковые пластины, однако диапазон рабочих частот такой камеры от 30 МГц до 1000 МГц, что недостаточно для требуемого измерительного стенда, предназначенного для исследования активных спутниковых антенн до 12 ГГц [2].
Известна безэховая камера, содержащая торцовую стенку из радиопоглощающих пирамид, оси которых ориентированы на источник излучения, торцовая стенка снабжена двумя параллельно расположенными каркасами, из которых задний установлен с возможностью перемещения [3]. Это перемещение служит для улучшения безэховости, однако требует параллелепипедной формы безэховой камеры. Система перемещения значительно увеличивает громоздкость камеры, поскольку радиопоглощающая пирамида снабжена стержнем, направленным вдоль ее оси и закрепленным посредством сферических шарниров в каркасах. Такая конструкция не позволяет уменьшить размер безэховой камеры до размеров настольного или напольного прибора.
Известна безэховая камера, в которой для увеличения полосы рабочих частот радиопоглощающие материалы на соседних гранях каждой трехгранной призмы выбраны с перекрывающимися частотными характеристиками [4]. Это усложняет настройку и проектирование такой безэховой камеры и требуется устройство вращения и перемещения каждой из трехгранных призм, что не позволяет сделать ее компактной и готовой к оперативной работе в условиях тестового исследования активных антенн.
Известна безэховая камера, в которой для уменьшения погрешности измерения диаграмм поперечное сечение выполнено в виде параллелограмма, одни параллельные стороны которого, находятся под острым углом к вертикальной плоскости, а две другие - к горизонтальной плоскости [5].
Однако эта безэховая камера выполнена в виде закрытого помещения, внутренние стены, пол и потолок которого плоские и покрыты радиопоглощающим материалом. Поэтому такое решение не подходит для включения этой камеры в измерительный тракт выполнения оперативных исследований активных антенн.
Наиболее близким устройством того же назначения к заявленной полезной модели является малогабаритная безэховая камера (МБК), состоящая из рабочей камеры, стенки которой покрыты радиопоглощаемым материалом, с поворотной платформой для испытуемой антенны, коллиматором и рупорным облучателем внутри рабочей камеры, причем камера выполнена в виде вертикальной сборки нижней, рабочей, коллиматорной и верхней секций. На передней стенке рабочей секции выполнено окно, закрываемое дверцей, в которое вставляется испытуемая антенна [6]. Коллиматор служит для уменьшения искажений поля в зоне испытуемой антенны. Это устройство принято за прототип.
К причинам, препятствующим достижению указанного ниже технического результата при использовании известного устройства, принятого за прототип, относится то, что в известном устройстве наличие коллиматора усложняет МБК, конструкция выполнена из нескольких сборок, соединенных креплениями, с образованием щелевых зазоров. Узкополосность коллиматора приводит к ограничению рабочей полосы частот.
Недостатком также является то, что все стенки выбранной за ближайший аналог камеры, покрыты поглощающим материалом, что уменьшает рабочий объем, увеличивает габариты безэховой камеры и препятствует свободному размещению исследуемой антенны во внутреннем объеме.
Принципиальным недостатком МБК с коллиматором являются жесткие требования к выполнению профиля зеркала, так как небольшие отклонения профиля зеркала от расчетного значения могут привести к значительным вариациям амплитуды и фазы поля облучения на апертуре исследуемой антенны.
Технический результат предложенного технического решения заключается в повышении точности и оперативности измерений за счет улучшения радиопоглощающих характеристик малогабаритной безэховой камеры.
Малогабаритная безэховая камера, содержит внутри камеры платформу для исследуемой антенны, в верхней части излучающую антенну, а на боковой стенке выполнено окно.
Сущность предлагаемой малогабаритной безэховой камеры заключается в том, что благодаря своей пирамидальной форме и использования в своем составе, по меньшей мере, двух слоев n+1 клинообразных радиопоглотителей она резко уменьшает вариации электромагнитного поля в районе исследуемой активной или пассивной антенны, а благодаря компактной конструкции, она включена в измерительный тракт и позволяет выполнять точные измерения характеристик антенны. Предлагаемая МБК работает в комплекте с измерительным генератором, работающих в широком диапазоне частот от 1 ГГц до 12 ГГц.
Технический результат предложенного технического решения достигается тем, что малогабаритная безэховая камера выполнена в виде усеченной пирамиды из единой цельной конструкции, во внутреннем объеме сверху камера включает платформу для излучающей антенны с устройством поворота и саму излучающую антенну, в средней части внутреннего объема камера содержит окно, радиогерметичную крышку, платформу для исследуемой антенны, исследуемую антенну, измерительную аппаратуру, основание внутреннего объема камеры включает, по меньшей мере, два слоя n+1 клинообразных радиопоглотителей (n может быть любым числом), причем излучающая и исследуемая антенны подключены к измерительной аппаратуре вне камеры, посредством линий (например, кабельной или оптиковолоконной) связи.
В предложенной конструкции, описанной в независимом пункте полезной модели, изменение ближнего электромагнитного поля в плоскости, в которую помещается исследуемая антенна, приобретает наиболее минимальные вариации, что приводит к увеличению точности измерений при исследовании антенны в составе измерительного стенда.
Излучающая антенна малогабаритной безэховой камеры выполнена на диэлектрической плате и содержит делитель мощности и два симметричных вибратора.
Платформа для излучающей антенны с устройством поворота содержит основание, (например, лист из жести или алюминия), поворотный элемент, направляющую втулку, стержень для крепления излучающей антенны и элементы крепления, причем поворотный элемент выполнен в виде поворотного барабана, внешняя сторона которого, содержит шкалу деления угла поворота в горизонтальной плоскости.
Платформа для исследуемой антенны выполнена из пенополиуритана.
Клинообразные радиопоглотители выполнены тетраэдральной или пирамидальной формы из вспененного полимерного материала с графитовой крошкой, причем угол наклона боковых стенок камеры в основании и углы скоса каждого из n+1 клинообразного радиопоглотителя выбраны равными.
Малогабаритная безэховая камера поясняется следующими рисунками:
Фиг. 1 малогабаритная безэховая камера, включенная в измерительный тракт;
Фиг. 2 излучающая антенна;
Фиг. 3 - платформа для излучающей антенны с устройством поворота;
Фиг. 4 - варианты установки слоев клинообразных радиопоглотителей;
Фиг. 5 - частотная зависимость коэффициента стоячей волны излучающей антенны;
Фиг. 6 - клинообразный радиопоглотитель;
Фиг. 7 - частотные характеристики коэффициента отражения слоя клинообразных радиопоглотителей с различными удельными проводимостями;
Фиг. 8 - зависимость напряженности электрического поля в МБК по линии от излучающей антенны до слоя клинообразных радиопоглотителей;
Фиг. 9 - зависимость напряженности электрического поля в МБК по линии в плоскости платформы для исследуемой антенны по двум координатам;
Фиг. 10 распространение сигналов в пирамидальной и прямоугольной камере;
Фиг. 11 - малогабаритная безэховая камера (фото).
Малогабаритная безэховая камера (1) выполнена как единая цельная конструкция из листового металла, посредством сварки в местах соединения швов, что обеспечивает экранирование внутреннего объема камеры от электромагнитных помех, что позволяет надежно локализовать электромагнитную энергию направленного действия в пределах определенного пространства путем преграждения ее распространения (Фиг. 1).
В срезе верхней части усеченной пирамиды камера содержит платформу (2) для излучающей антенны с устройством поворота и саму излучающую антенну (3), в средней части внутреннего объема камера содержит окно (4), радиогерметичную крышку (5), платформу (6) для исследуемой антенны, исследуемую антенну (7), измерительную аппаратуру, основание внутреннего объема камеры включает, по меньшей мере, два слоя n+1 клинообразных радиопоглотителей (8), причем излучающая и исследуемая антенны подключены к измерительной аппаратуре вне камеры, посредством линий связи (9).
Платформа (2) для излучающей антенны с устройством поворота содержит основание (13), выполненное в виде крышки из листового металлического материала. В центре основания (13) посредством крепежных элементов (17) (например, болтов, винтов или клепок) закреплена направляющая втулка (15), в которую вставлен стержень (16) для крепления излучающей антенны (3), причем стержень (16) сохраняет возможность свободного вращения в направляющей втулке (15) (Фиг. 2).
Стержень (16), с одной стороны (сверху) жестко закреплен (посредством сварки) с поворотным элементом (14) в виде поворотного барабана, вставлен через направляющую втулку (15), а с другой стороны содержит крепление для излучающей антенны (диэлектрическая подложка и крепежные элементы (17).
Внешняя сторона поворотного элемента (14) содержит шкалу деления угла поворота в горизонтальной плоскости. Угол поворота излучающей антенны определяется по данной шкале.
Стержень (16) выполнен полым, в виде трубки, внутри которого, расположен соединительный кабель излучающей антенны (3).
Малогабаритная безэховая камера (1) подключена к измерительной аппаратуре - измерительному генератору (18) с помощью линий связи (9), которые проходят сверху внутреннего объема камеры (1), через стержень (16) платформы (2) для излучающей антенны с устройством поворота и в средней части со стороны бокового окна (4), в которое вкладывается исследуемая антенна (7) (Фиг. 3).
Малогабаритная безэховая камера (1) со стороны срезанной вершины усеченной пирамиды подключена специально разработанная для работы в этой конструкции широкополосная излучающая антенна (3). Камера (1) может быть установлена на полу или на столе. Установка исследуемой антенны (7) в камеру (1) осуществляется через окно (4), расположенное в средней части внутреннего объема камеры (1), снабженное радиогерметичной крышкой (5). Исследуемая антенна (7) расположена на платформе (6). выполненной из пенополиуритана, под которой находятся, по меньшей мере, два слоя n+1 клинообразных радиопоглотителей (8).
Радиопоглотители (8) в виде тетраэдров или пирамид выполнены на основе вспененных полимерных материалов с графитовой крошкой и обладают такими показателями, как небольшой вес, хорошая гибкость, прочность, технологичность, высокий коэффициент поглощения электромагнитного поля. Слой образован соединением оснований радиопоглотителей (8) на любой твердой поверхности (например, лист картона или фанеры).
С помощью измерительного генератора (18), который расположен вне камеры (1), выполняется калибровка исследуемой антенны (7) и измерение коэффициента усиления, КСВ, и коэффициента шума (Фиг. 1).
Излучающая антенна (3) формирует сигнал, поступающий от измерительного генератора (18).
Излучающая антенна (3) установлена сверху, в усечении пирамидальной камеры (1), с размерами основания В=120∗120 мм и углом расширения Ф=Т5…20 градусов. Излучающая антенна (3) специально разработана для работы в МБК и представляет собой конструкцию, созданную на диэлектрической плате (10), в виде платы (например, FR4), на которой имеется делитель (11) мощности, с одновременным сдвигом фаз между двумя выходными портами на 180° (Фиг. 2). Таким образом, излучающая антенна (3) состоит из двух симметричных вибраторов (12), объединенных с помощью делителя (11) мощности (например, RF Transformer TCN4-22), выполняющего одновременно роль фазовращателя. Размеры двух симметричных вибраторов (12) выбраны в виде треугольников и экспериментально рассчитаны так, что антенна (3) обладает широкополосностью от 1,5 до 12 ГГц по критерию КСВ меньше 3-х. Излучающая антенна (3) расположена на плате (диэлектрической подложке) толщиной 0,5 мм, а на другой стороне напыляется схема, к которой подключается микросхема, выполняющая роль делителя (11) мощности и фазовращателя.
Расчеты показали, что широкополосность излучающей антенны (3) больше, если вибраторы (12) антенны (3) находятся в свободном пространстве, в связи с чем. диэлектрическая подложка имеет круглую форму с диаметром D=12 мм и толщиной h=0,5 мм и электрически соединена с микросхемой деления (11) мощности и сдвига фаз.
Особенностью излучающей антенны (3) является то, что ее фазовый центр находится в центре антенны и изменяется он в диапазоне частот меньше, чем у рупорной, квадрифилярной и других типов антенн, которые подходят для выполнения аналогичных функций возбуждения волн в безэховых камерах.
В средней части внутреннего объема малогабаритной безэховой камеры находится платформа (6), на которой располагается исследуемая антенна (7). Платформа (6) выполнена из пенополиуритана с диэлектрической проницаемостью ε=1,02 и жесткостью, достаточной для надежного удержания измеряемой пассивной или активной антенны (7). Под платформой (6) находятся, по меньшей мере, два слоя n+2 радиопоглотителей (8). Слои радиопоглотителей (8) располагают таким образом, что бы коэффициент поглощения такой конструкции среди вариантов составления таких слоев был наибольший (Фиг. 4). Это объясняется тем, что в такой структуре слои наиболее эффективно действуют на отраженные волны, которые «разбиваются» на типы волн, из-за специфичной формы клинообразных радиопоглотителей (8). Важным является выбор оптимальных углов радиопоглотителя (8), а также порядок укладки радиопоглотителя (8) в слое. Коэффициент поглощения суммарного слоя максимальный при равенстве угла наклона рупора пирамидальной камеры (1) в основании и угла скоса каждого из n+1 клинообразных радиопоглотителей (8).
Главным элементом такой структуры является радиопоглощающее покрытие. Такое радиопоглощающее покрытие изготавливают из радиопоглощающих материалов, выполненных и составленных из клинов, которые имеют вид тетраэдральной или пирамидальной формы из вспененного полимерного материала с графитовой крошкой (Фиг. 6). Радиоволны, проникая в такой материал, претерпевают максимальный коэффициент затухания.
Рассматриваемая малогабаритная безэховая камера (1), включающая, по меньшей мере, два слоя n+1 клинообразных радиопоглотителей (8) в основании внутреннего объема, представляет собой резонатор, в котором расположены две антенны. Для того чтобы электромагнитная волна в точке приема, где расположена исследуемая антенна (7), имела максимально большой уровень, необходимо обеспечить согласование этой антенны с линией, которая подключена к измерительному генератору (генератору измерения коэффициента передачи и/или генератору измерения коэффициента шума). Наиболее коротким расстоянием между двумя антеннами будет прямая линия. Поэтому важно получить в районе крепления исследуемой антенны (7) одинаковый сигнал, при любых характеристиках исследуемой антенны. Это можно получить в том случае, если ближнее поле вдоль линии имеет характер монотонно-спадаемой мощности (Фиг. 4). Для получения такой характеристики нужно выбрать оптимальную структуру поглощения (Фиг. 4.4), находящуюся под плоскостью, на которую крепится исследуемая антенна (7).
Причина, по которой ближнее поле вдоль линии может иметь не монотонно-спадающий характер, а иметь характер с всплесками и провалами, объясняется тем, что во внутреннем объеме камеры (1) (рупоре) могут быть переотражения (Фиг. 8). В каждом сечении рупора имеется условие для возникновения стоячей волны, вид и картина которой зависит от размера этого сечения.
Поскольку поглощающее покрытие имеет сложную изрезанную форму, описать такую поверхность с помощью характеристики диэлектрической проницаемости ε и удельной проводимости σ, как сплошного материала, было бы не точно. Поэтому была выполнена параметрическая оптимизации величины удельной проводимости σ (Фиг. 7) с помощью программы электродинамического моделирования HFSS Ansoft [7], и было получено, что при σ=0,5 Сим/м характеристики ближнего поля наибольшим образом приближаются к экспериментально полученным и при этом значении коэффициент отражения от поверхности дает значение - 25 дБ в широком диапазоне частот от 0,5 ГГц до 12 ГГц (Фиг. 5). В качестве основного поглотителя малогабаритной безэховой камеры (1) используется сложная структура тетраэдральных или пирамидальных радиопоглотителей.
В малогабаритной безэховой камере (1) производят сравнения характеристик исследуемой антенны (7) с характеристиками эталонной, уже измеренной и оттестированной антенны, малогабаритная безэховая камера (1) имеет малые размеры, и коэффициент затухания сигнала от одной к другой антенне равен около 10 дБ, что намного меньше, чем у стандартных безэховых камер.
Благодаря своему малому размеру и наличию окна (4) для исследуемой антенны (7), камеру удобно использовать как часть измерительной установки, а дополнительные приборы устанавливать вне камеры. Измерительные линии (9) связи расположены вне малогабаритной безэховой камеры (1), в отличие от стандартной безэховой камеры.
Форма существующих безэховых камер обычно в виде параллелепипеда, обычно для создания таких камер используют комнаты и части помещений, либо полностью здание. Предложенная заявителем малогабаритная камера имеет вид усеченной пирамиды (в виде рупорного направленного излучателя), что позволяет экономить пространство внутреннего рабочего объема камеры в процессе исследований, причем сама камера является частью измерительного тракта.
Исследуемую антенну (7) устанавливают в место, которое совпадает с осью усеченной пирамиды (пирамидального рупора), а основание внутреннего объема камеры включает, по меньшей мере, два слоя n+1 клинообразных радиопоглотителей (8). На Фиг. 9. зависимость 1 показывает, что в случае выбора отражателей, как показано на фиг. 4.4, чувствительность ближнего поля к положению испытуемой антенны (7) наименьшая, по сравнению с неоптимизированной конструкцией, изменение ближнего электромагнитного поля в этом случае показывает линия 2. Это объясняется тем, что рупорная форма направляет волны, которые не поглотились, а частично отразились от поглощающей поверхности под углом, и направляет их дальше от точки, в которой находится исследуемая антенна (7).
Данная конструкция камеры имеет то преимущество перед камерой прямоугольной формы, что точки переотражения лучей от излучающей антенны расположены только на дне камеры. В то же время дно камеры закрыто слоем радиопоглощающего материала значительной толщины. Это обеспечивает высокий уровень подавления отраженных лучей.
В прямоугольной камере для достижения того же уровня подавления переотраженных лучей пришлось бы покрыть таким же слоем поглотителя и ее боковые стенки, что значительно увеличило бы размер камеры. Фиг. 10 иллюстрирует сравнительную характеристику распространения сигнала в пирамидальной и прямоугольной камере.
Выбор встречно-направленного покрытия позволяет уменьшить коэффициент отражения (возвратные потери получаются не хуже - 20 дБ).
Угол трапеции выбран таким образом, чтобы соответствовать расхождению волн из фазового центра излучающей антенны, что приводит к уменьшению интерференции волн вторичного отражения.
При работе с малогабаритной безэховой камерой (1), на исследуемую антенну (7), наряду с полезными сигналами от спутников, действуют различные нежелательные поля естественного и искусственного происхождения. Кроме этого, исследуемая антенна (7) находится в окружающей среде, которая добавляет тепловые шумы. При оценке шумовых свойств антенного тракта должны учитываться все источники флуктуаций [8]. Они влияют на такую обобщенную характеристику, как эффективная температура антенны, показывающую дополнительный шумовой вклад в антенный тракт. Очевидно, что эффективная температура антенны зависит от ее диаграммы направленности и тепловые потери.
С другой стороны, измерительные генераторы измеряют коэффициент шума, который является наиболее универсальной и широко распространенной характеристикой для сравнения шумовых свойств систем и устройств. В измерителе коэффициента шума на входе испытуемого четырехполюсника устанавливают калиброванный генератор шума (шумовая трубка) [9],
где
ш.вых
- P - мощность на выходе при воздействии всех факторов влияния шума,
ш.г.вых
- P - мощность шума на выходе, определяемая только мощностью генератора шума на входе (при идеализации исследуемой антенны и при отсутствии источников шума в ней).
Таким образом, предлагаемая малогабаритная безэховая камера (1) может использоваться для тестирования и исследования спутниковых и навигационных антенн [10].
Рассмотрим функционирование МБК (Фиг. 1) В измерительный тракт при тестировании и исследовании исследуемой антенны (7) входят малогабаритная безэховая камера (1), излучающая антенна (3), исследуемая антенна (7) и измерительный генератор (18). Соединения элементов измерительного тракта осуществляется посредством линий (9) связи (кабель, волновод, оптоволокно). Измерительный генератор (18) расположен вне малогабаритной безэховой камеры (1).
В процессе тестирования и исследования (Фиг. 10) с выхода измерительного генератора (18) (генератора измерения коэффициента передачи и/или генератора измерения коэффициента шума) сигнал подается на вход излучающей антенны (3), электромагнитное поле которой распространяется во внутреннем объеме камеры (1) в направлении исследуемой антенны (7), сигнал с которой подается на вход измерительного генератора (18).
Отраженные от поглощающей поверхности волны, падающие на скошенные стенки малогабаритной безэховой камеры (1), отражаются так, что они удаляются от исследуемой антенны (7) (Фиг. 9). Исследуемую антенну (7) можно перемещать по двум координатам, чтобы убедиться, что измеренные характеристики изменяются в пределах не больше, чем на 2%.
С помощью настройки излучающей антенны (3) в горловине камеры (1), сигнал на выходе исследуемой антенны (7) увеличивается до максимальной величины.
Измеренные характеристики измерительного тракта сравниваются с характеристиками эталонной антенны.
Эталонной является антенна, которая успешно испытана в реальной конструкции радиотехнической системы. Если измеренные характеристики измерительного генератора (18) эталонной и исследуемой антенн не отличаются больше, чем на 2%, то исследуемая антенна (7) признается годной к использованию в реальной конструкции радиотехнической системы.
Операции тестирования измерительного тракта выполняются в соответствии с Инструкцией по эксплуатации автоматизированного измерителя коэффициента шума [11].
На Фиг. 11 приведена фотография малогабаритной безэховой камеры, разработанной и изготовленной в МКБ «Компас». Высота данной камеры составляет 2 м, высота слоя поглотителя 0,5 м.
Таким образом, вышеизложенные сведения свидетельствуют о выполнении при использовании заявленной полезной модели следующей совокупности условий:
Средство, воплощающее заявленную полезную модель при его осуществлении предназначено для использования в промышленности, а именно в радиопромышленности при измерении характеристик, тестировании и исследовании спутниковых антенн и антенн навигации.
Для заявленного устройства в том виде, как оно охарактеризовано в независимом пункте изложенной формулы полезной модели, подтверждена возможность его осуществления с помощью описанных в заявке или известных до даты приоритета средств и методов.
Средство, воплощающее заявленную полезную модель при его осуществлении, способно обеспечить достижение усматриваемого заявителем технического результата.
Источники литературы:
1. Заявка на изобретение Японии № JP 20090260603 от 02.06.2011;
2. Патент РФ на изобретение 2447551 от 10.04.2012;
3. Авторское изобретение СССР SU 1478935 от 23.06.1987 г.;
4. Авторское свидетельство СССР на изобретение SU 1510647 от 27.06.2000;
5. Патент РФ на изобретение №2346365 от 24.10.2007;
6. Патент РФ на полезную модель №5037 от 16.09.1997 г.;
7. «Проектирование и оптимизация СВЧ структур с помощью HFSS Ansoft», Банков С.Е., Курушин А.А., М., Солон-Пресс, 2005, 240 с;
8. «Антенные измерения», Куммер В.Х., Джиллеспи Э.С., ТИИЭР. 1978, т. 66, №4. с. 143-173.;
9. «Guillermo Gonzales. Microwave Transistor Amplifiers. Analysis and Design», 1997 г., р. 506.;
10. «Безэховые камеры СВЧ», Мирцмахер М.Ю., Торгованов В.А., М.: Радио и связь, 1982. - 128 с;
11. «Инструкция по эксплуатации автоматизированного измерителя коэффициента шума», ЗАО «НПФ «Микран» г. Томск, ул. Вершинина, д. 47.