Способ определения коэффициента усиления сфокусированной антенной решетки
METHOD OF DETERMINING GAIN OF FOCUSED ANTENNA ARRAY

Изобретение относится к области антенных измерений и может быть использовано для экспериментальной оценки эффективности антенных решеток (АР), сфокусированных в зоне ближнего электромагнитного поля (ЭМП).
c
c
c
c
с
э
Коэффициент усиления является важным критерием оценки эффективности антенны [1-2]. По определению, коэффициент усиления G передающей антенны равен отношению квадрата напряженности электрической составляющей ЭМП , создаваемого в точке наблюдения М данной антенной, к аналогичной величине ЭМП , создаваемого в этой же точке эталонной антенной, при равенстве мощностей, подводимых к обеим антеннам, и КПД эталонной антенны, равном единице – что соответствует отсутствию в ней активных потерь [3-4]. Как в теории, так и на практике при этом предполагается, что точка М расположена в дальней волновой зоне излучения антенны (зона Фраунгофера), где значения и  однозначно связаны с аналогичными значениями напряженности магнитной составляющей ЭМП  и , а также плотностью потока мощности ЭМП (модуль вектора Пойнтинга) через волновое сопротивление среды Z. Поэтому, во-первых, вместо них при определении G можно использовать более общий термин: энергетический уровень ЭМП Э, пропорциональный квадратам напряженности и плотности потока мощности ЭМП, с нижними индексами «с» и «э», которые по-прежнему относятся к данной и эталонной антеннам. С учетом этого, при оговоренных условиях и в обобщенном виде, коэффициент усиления представляет собой G = Э/Э.
c
c
Во-вторых, следует иметь в виду, что при теоретическом определении G в качестве эталонной антенны выбирают простейшие, идеальные по КПД, изотропный и элементарный излучатели. В природе таких устройств нет, поэтому речь идет об электродинамических моделях (математических, абстрактных, виртуальных) объектов, реализовать которые с целью измерения G практически невозможно.
c
э
э
В-третьих, при экспериментальном определении G в качестве эталона могут быть использованы реальные антенны с известными значениями коэффициента усиления G и КПД [3-5], что специально оговаривается в методике измерений. Этим объясняется применение в качестве эталонной антенны полуволнового вибратора – в теоретическом отношении идеального, в практическом плане – обладающего достоверно известными G и КПД.
c
Из аналогов G наиболее близким параметром является введенный в [6] коэффициент направленного действия (КНД) антенны, предназначенный для оценки эффективности АР, сфокусированной в зоне ближнего ЭМП. Из уровня техники известен способ замещения АР эталонной антенной с целью определения коэффициента усиления относительно нее (прототип предлагаемого изобретения) [4, с. 263].
Фиг. 1 демонстрирует схему реализации прототипа – известного способа определения коэффициента усиления АР относительно эталонной антенны методом замещения, где 1 – генератор сигнала, поочередно возбуждающего АР и эталонную антенну; 2 – калиброванный аттенюатор; 3 – измеритель КСВ; 4 – АР или эталонная антенна; 5 – измеритель уровня Э; 6 – эталонная антенна.
Фиг. 2 иллюстрирует схему реализации предлагаемого способа определения коэффициента усиления сфокусированной АР, где 1 – генератор сигнала, возбуждающего АР; 2 – калиброванный аттенюатор; 3 – измеритель КСВ; 4 – АР; 5 – измеритель уровня Э.
Известный способ-прототип осуществляется следующим образом.
c
c
c
2
В составе измерительной установки генератор 1 через калиброванный аттенюатор 2 и измеритель КСВ 3 подключается к АР 4, ЭМП которой, через внешнюю среду, воздействует на измеритель уровня Э (см. Фиг. 1) расположенный в точке наблюдения М. При этом фиксируются показания аттенюатора 2: N, дБ; рассчитывается коэффициент передачи фидерного тракта по мощности: K, дБ = 10lg[4КСВ/(КСВ + 1)], соответствующий показаниям измерителя КСВ 3; и показания измерителя 5: Э.
c
э
э
э
Затем АР 4 с измерительной установки удаляется, вместо нее устанавливается эталонная антенна 6, и вышеуказанные операции повторяются – причем путем регулировки аттенюатора 2 устанавливаются прежние показания измерителя 5 Э, соответствующие теперь показаниям калиброванного аттенюатора N, дБ; и коэффициенту передачи фидерного тракта K, дБ. Коэффициент усиления эталонной антенны G, дБ; считается известной величиной и корректировке не подлежит. Расчет коэффициента усиления АР производится по формуле
с
э
э
э
э
э
G, дБ = N, дБ – N, дБ + K, дБ – K, дБ + G, дБ;
с
0,1Gс,дБ
с определением, при необходимости, G = 10
с
с
э
с
э
э
э
Основным недостатком способа-прототипа является необходимость замены АР 4 эталонной антенной 6, что требует демонтажа оборудования (это допустимо в лабораторных условиях, но невозможно при эксплуатации АР) и непредсказуемым образом изменяет внешнюю среду, через которую АР 4 воздействует на измеритель 5. Помимо этого негативного фактора, на погрешность измерения G; дБ влияют инструментальные и методические погрешности, присущие параметрам N, дБ; N, дБ; K, дБ и K, дБ, найденным экспериментальным путем. Поскольку в теоретическом определении коэффициента усиления фигурируют виртуальные модели эталонной антенны (в виде изотропного и элементарного излучателей), при проведении измерений указанные модели нужно воспроизвести в реальности – обеспечив требуемые значения коэффициента усиления G, дБ при отсутствии активных потерь – что для указанных излучателей сделать невозможно. Наконец, в измерениях здесь фактически используются два разных тракта, требующих раздельной настройки, которые соответствуют АР и эталонной антенне, причем уточнение теоретического значения коэффициента усиления последней G, дБ экспериментальным путем не предусмотрено.
Техническим результатом предлагаемого изобретения является повышение точности определения коэффициента усиления сфокусированной АР путем отказа от использования при проведении измерений эталонной антенны; упрощение процедуры измерений, не связанной с демонтажом АР и раздельной настройкой фидерного тракта на АР и эталонную антенну, а также устранение сложностей, связанных с реализацией модели эталонной антенны, обладающей заданными значениями коэффициента усиления и КПД.
с
э
с
э
э
В рамках предлагаемого способа определения коэффициента усиления сфокусированной АР для достижения цели изобретения АР поочередно возбуждается в двух режимах: фокусировки, которому соответствуют найденное расчетным путем и реализованное экспериментальным путем амплитудно-фазовое распределение комплексных токов , возбуждающих АР, а также искомое значение коэффициента усиления АР G, дБ; и эталонном – которому аналогичным образом соответствуют эталонное равномерное амплитудно-фазовое распределение токов  и эталонное значение коэффициента усиления G, дБ; причем значения G, дБ и G, дБ определяются экспериментальным путем с учетом реального согласования одного и того же фидерного тракта АР; а значение G, дБ определяется расчетным путем с возможностью его дополнительного уточнения расчетным и (или) экспериментальным путем.
c
с
с
с
с
э
э
с
Сущность предлагаемого способа определения коэффициента усиления сфокусированной АР G, дБ по методу замещения на измерительной установке, состоящей из генератора сигнала, который через калиброванный аттенюатор и измеритель КСВ подключен к АР, в режиме передачи воздействующей на измеритель энергетического уровня Э ЭМП, создаваемого АР в точке фокусировки М, включающего определение расчетным путем и реализацию экспериментальным путем амплитудно-фазового распределения комплексных токов , возбуждающих АР в режиме фокусировки для получения фиксированного уровня Э в точке М; определение показаний калиброванного аттенюатора N, дБ и коэффициента передачи фидерного тракта K, дБ, а также их эталонных значений N, дБ и K, дБ аналогичным путем и при том же значении фиксированного уровня Э в точке М; с п определением коэффициента усиления АР по формуле
с
э
с
э
с
э
G, дБ = N, дБ – N, дБ + K, дБ – K, дБ + G, дБ,
э
э
э
э
где G, дБ – эталонное значение коэффициента усиления, отличается тем, что эталонные значения N, дБ и K, дБ, определяемые экспериментальным путем, и эталонное значение коэффициента усиления G, дБ, определяемое расчетным и (или) экспериментальным путем, соответствуют эталонному равномерному амплитудно-фазовому распределению комплексных токов , возбуждающих АР.
Предлагаемый способ осуществляется следующим образом.
c
c
c
Расчетным путем определяется и в рабочих условиях реализуется амплитудно-фазовое распределение комплексных токов , возбуждающих АР 4 в режиме фокусировки ЭМП в заданной точке М. Генератор 1 через калиброванный аттенюатор 2 и измеритель КСВ 3 подключается к АР 4, ЭМП которой, через внешнюю среду, воздействует на измеритель уровня Э (см. Фиг. 2) расположенный в точке М. Фиксируются показания аттенюатора 2: N, дБ; рассчитывается коэффициент передачи: K, дБ фидерного тракта, соответствующий показаниям измерителя КСВ 3; и показания измерителя 5: Э.
c
э
э
э
Затем в АР 4 реализуется эталонное равномерное амплитудно-фазовое распределение токов , и вышеуказанные операции повторяются: путем регулировки аттенюатора 2 устанавливаются прежние показания измерителя 5 Э, соответствующие теперь показаниям калиброванного аттенюатора N, дБ; и коэффициенту передачи фидерного тракта K, дБ; а также эталонному значению коэффициента усиления АР G, дБ. Определение коэффициента усиления производится по вышеприведенным формулам:
с
э
э
э
э
э
с
0,1Gс, дБ
G, дБ = N, дБ – N, дБ + K, дБ – K, дБ + G, дБ;  G = 10
э
э
э
с
э
В прототипе корректировка и (или) уточнение значения коэффициента усиления (как для реальной эталонной антенны, так и для ее виртуальных моделей) не предусмотрены, так как G, дБ считается достоверно известной величиной. В предлагаемом способе G, дБ – применительно к АР в эталонном режиме равномерного амплитудно-фазового возбуждения – можно рассчитать по известным из уровня техники и хорошо апробированным формулам как для зоны ближнего ЭМП, так и для дальней волновой зоны. Это позволяет уточнить G, дБ в реальных условиях работы АР, а не на лабораторной измерительной установке, причем с дополнительной возможностью сравнить между собой уровни Э и Э, найденные расчетным и экспериментальным путем, с целью оценки достижимой методической погрешности. Предлагаемый способ универсален и прост, он удобен для реализации и автоматизации, позволяет повысить точность оценки рабочих параметров и эффективность практического применения АР, сфокусированных в зоне ближнего ЭМП.