ЭКРАН-ПАРАБОЛОИД ДЛЯ АНТЕННЫХ ИЗМЕРЕНИЙ
PARABOLOID SCREEN FOR ANTENNA MEASUREMENTS

Изобретение относится к антенной технике и может быть использовано при создании помещений (боксов) для проведения испытаний радиотехнической аппаратуры, в частности проведения антенных измерений без погрешности от переотражения радиоволн.
Для правильного измерения характеристик антенн необходимо измерять их в свободном пространстве или в условиях, максимально приближенных к условиям свободного пространства. Обусловлено это тем, что при антенных измерениях производится излучение электромагнитной энергии исследуемой антенной в пространство и прием энергии установленной на некотором расстоянии вспомогательной приемной антенной (или наоборот). В случае наличия вблизи антенн металлических предметов кроме прямой электромагнитной волны, связывающей антенны, появляются электромагнитные волны, отраженные от посторонних предметов, взаимодействуя с прямой электромагнитной волной в раскрывах приемной и передающей антенн, отраженные электромагнитной волны изменяют фазу и амплитуду принятой электромагнитной волны и вносят, таким образом, погрешности в результаты измерений.
Исключение влияния переотражений на результаты антенных измерений в настоящее время достигается двумя основными способами:
- удалением трассы антенных измерений (измерительной трассы) от влияющих предметов;
- проведением измерений в специальных помещениях, внутренние поверхности которых обложены специальными покрытиями, поглощающими падающие на них электромагнитные волны, так называемые безэховые камеры (БЭК).
В первом случае измерения проводятся на открытых площадках, на которых на достаточно больших расстояниях от измерительной трассы должны отсутствовать посторонние предметы, почва на площадках должна быть выровнена [1, стр. 14]. Такие площадки оборудуются обычно на загородных полигонах, для проведения измерений требуется дополнительное время на транспортировку антенн и оборудования к месту измерений.
Дальнейшее развитие первого направления - так называемый «метод вышки», предполагающий исключение влияния земли путем поднятия антенн при измерениях на достаточно большую по сравнению с длиной измерительной трассы высоту [2, стр. 71]. Реализация данного метода в обычных производственных помещениях также затруднительна, так как требует дополнительно к открытой измерительной площадке иметь высокие мачты с поворотными устройствами, электропитанием и дополнительное оборудование.
Второе направление реализовано в БЭК, внутренние поверхности которых покрыты радиопоглощающими материалами. Такие помещения полностью изолированы от окружающих предметов и при достаточной эффективности поглощающих покрытий позволяют в значительной мере исключить влияние переотражений на результаты антенных измерений [3].
2
Существенным недостатком безэховых камер является высокая стоимость радиопоглощающих материалов. Так, исходя из сложившихся на рынке цен на широкодиапазонные радиопоглощающие материалы [4], только затраты на приобретение, например, поглощающих пирамидок WPA (площадь одной пирамидки 1 дм, цена 26.6 $) в количестве, достаточном для покрытия внутренних поверхностей безэховой камеры размерами 10×5×3 м, составят примерно 500 тыс. $. Кроме того, во время проведения радиотехнических испытаний происходит воздействие электромагнитных волн, не поглощенных радиопоглощающим материалом, влияющих на результаты измерений.
Целью изобретения является создание устройства, обеспечивающего исключения влияния переотражения на результаты антенных измерений.
Поставленная цель достигается тем, что в помещение для антенных измерений имеющем радиопрозрачный потолок, устанавливается экран-параболоид, изготовленный из материала, хорошо отражающего электромагнитное излучение, и имеющий форму внутренней поверхности, обеспечивающую переотражение падающих электромагнитных волн вертикально вверх, с размещенными во внутренней полости, в фокусе параболоида вращения, места для установки исследуемой излучающей антенны и места для установки вспомогательной антенны, находящейся на необходимом удалении перпендикулярно оси параболоида вращения на уровне фокуса параболоида вращения, вблизи внутренней поверхности размещены два зеркала-ловушки, имеющих эллиптическую форму, обеспечивающую защиту исследуемой излучающей антенны и вспомогательной антенны от воздействия электромагнитного излучения, исходящего от исследуемой излучающей антенны, перенаправляя электромагнитное излучение в заданное направление.
Устройство, обеспечивающее проведение испытаний радиотехнической аппаратуры, в частности антенных измерений, в котором изменяет направление электромагнитное излучение, влияющее на результаты измерения (прототип), в открытой публикации из всех доступных источников информации не найден.
Сущность изобретения поясняется фигурами.
На фиг. 1 показан экран-отражатель в разрезе, на фиг. 2 показана компьютерная модель антенны, представляющая собой полуволновой вибратор с круглым рефлектором, на фиг. 3 показана схема компьютерной модели установки для проведения измерений, на фиг. 4 показаны результаты определения зависимости коэффициента усиления антенны от частоты для случаев размещения измерительной установки в свободном пространстве и в помещении с экраном-параболоидом, на фиг. 5 показаны результаты определения зависимости коэффициента усиления антенны от частоты для случаев размещения измерительной установки в свободном пространстве и в помещении с прямоугольными стенками, на фиг. 6 показаны результаты измерения диаграммы направленности в свободном пространстве, в помещении с экраном-параболоидом и в помещении с прямоугольными стенками.
Экран-параболоид для антенных измерений состоит из параболоида вращения, во внутренней полости которого размещены два места для установки антенны А1 и антенны А2, два зеркала-ловушки Л1 и Л2.
Параболоид вращения содержит внутреннюю поверхность, изготовленную из материала, хорошо отражающего электромагнитное излучение, и имеющую форму внутренней поверхности, обеспечивающую переотражение падающих электромагнитных волн вертикально вверх.
Во внутренней полости, в фокусе параболоида вращения, размещено место для установки исследуемой излучающей антенны А1 и место для установки вспомогательной антенны А2, которая находится на расстоянии, необходимом для измерения, перпендикулярно оси параболоида вращения на уровне фокуса параболоида вращения.
Во внутренней полости параболоида вращения размещены два зеркала-ловушки Л1 и Л2, представляющие собой эллиптические плоскости, наклоненные так, чтобы проекции на поверхность параболоида вращения совпадали с областями, переотражающими электромагнитное излучение.
Экран-параболоид для антенных измерений размещается в помещении, имеющем радиопрозрачный потолок, ось параболоида вращения перпендикулярна полу.
Электромагнитные волны, излучаемые антенной 1 из фокуса параболоида вращения, попадают на внутреннюю поверхность параболоида вращения, отражаются вертикально вверх, параллельно оси (лучи а1, а2, а3). Зеркала-ловушки Л1 и Л2 обеспечивают защиту антенне А1 и антенне А2 от влияния электромагнитного излучения, излучаемого антенной А1 в пределах телесных углов 1 и 2. Зеркало-ловушка Л1 изменяет направление отраженного параболоидом вращения вверх электромагнитного излучения, излучаемого в телесном угле 1, и после вторичного отражения параболоидом вращения направляет электромагнитное излучение вверх (луч б2), минуя области размещения антенн А1 и А2. Зеркало-ловушка Л2 изменяет направление электромагнитного излучения, излучаемого в телесном угле 2, перенаправляя его на параболоид вращения и далее вверх (луч б1).
Работоспособность параболоида вращения для антенных измерений проводилась на компьютерной модели, основанной на решении уравнений Максвелла во временной области методом конечных разностей [5, стр. 39]. Моделировались две классические задачи антенных измерений:
- измерение коэффициента усиления методом двух идентичных антенн;
- измерение диаграммы направленности антенны методом ее вращения вокруг фазового центра.
В качестве объекта исследований использовалась предварительно смоделированная антенна, представляющая собой полуволновой вибратор с круглым рефлектором (фиг. 2). Размеры антенны А1 и А2 приведены на фиг. 2, при питании портом с волновым сопротивлением 50 Ом в точках 1-2 в диапазоне частот 0.95…1.05 ГГц коэффициент стоячей волны по напряжению (КСВН) входа антенны лежит в пределах 1.12…1.4 ГГц (фиг. 3), усиление антенны 7.6 дБ, фазовый центр антенны расположен посередине между рефлектором и вибратором.
Измерение коэффициента усиления методом двух идентичных антенн [6, стр. 281], антенны А1 и А2 разнесены в пространстве на расстояние не менее [6, стр. 256, 264]:
где D - максимальный размер антенны,
λ - длина волны.
Антенны А1 и А2 сориентированы друг на друга максимальными диаграммами направленности.
Усиление антенны определяется по формуле [6, стр. 281]:
вх
где Р - мощность на входе передающей антенны А1;
вых
Р - мощность на выходе приемной антенны А2.
При измерении диаграммы направленности антенны А1, кроме требований данной зоны (формула 1, 2) добавляется требование по обязательному совмещению оси вращения антенны А1 с ее фазовым центром [6, стр. 258].
Определение коэффициента усиления и диаграммы направленности антенны А1 проводятся следующим образом:
вых
вх
1) измерительная установка, удовлетворяющая всем перечисленным выше условиям, размещается в свободном пространстве. В результате прогона модели, на основе полученной зависимости отношения Р/Р от частоты вычисляется зависимость усиления антенны А1 от частоты. Измерение диаграммы направленности антенны А1 в вертикальной плоскости производится путем последовательного прогона модели с дискретным изменением угла места антенны на 15° и фиксации уровня мощности на выходе антенны А2 после каждого прогона;
вых
вх
2) измерительная установка размещается во внутренней полости экрана-параболоида с максимальным диаметром 3 м и высотой 1,3 м. В результате прогона модели, на основе полученной зависимости отношения Р/Р от частоты вычисляется зависимость усиления антенны А1 от частоты. Измерение диаграммы направленности антенны А1 в вертикальной плоскости производится путем последовательного прогона модели с дискретным изменением угла места антенны на 15° и фиксации уровня мощности на выходе антенны А2 после каждого прогона;
вых
вх
3) измерительная установка размещается внутри помещения, имеющего радиопрозрачный потолок и размеры 3×3×1,3 м. В результате прогона модели, на основе полученной зависимости отношения Р/Р от частоты вычисляется зависимость усиления антенны А1 от частоты. Измерение диаграммы направленности антенны А1 в вертикальной плоскости производится путем последовательного прогона модели с дискретным изменением угла места антенны на 15° и фиксации уровня мощности на выходе антенны А2 после каждого прогона.
Результаты определения зависимости коэффициента усиления антенны А1 для трех вариантов размещения измерительной трассы приведены на фиг. 4 и 5.
Из графика (фиг. 4) видно, что результаты определения коэффициента усиления антенны для вариантов размещения измерительной установки в свободном пространстве и внутри параболического экрана практически совпадают. Середина зоны неопределенности результатов моделирования (выделена серым цветом) составляет 7.55 дБ, что совпадает с действительным значением усиления модели антенны (7.6 дБ), а разброс значений ±0.2 дБ говорит о достаточно высокой точности моделирования. Изрезанности графика зависимости усиления антенны от частоты, неизбежной при наличии интерференции прямой и отраженных электромагнитных волн, не наблюдается.
Из графиков (фиг. 5) видно, что при размещении измерительной установки в боксе с прямоугольными стенками разброс результатов определения коэффициента усиления составляет 11.25 дБ, зависимость от частоты носит типичный интерференционный характер, а отклонение результатов от действительного значения (-7.6…+3.65 дБ) говорит о практической невозможности проведения измерений в таких условиях.
Из сравнения результатов имитационного моделирования процедуры измерения диаграммы направленности антенны для трех вариантов размещения измерительной установки (фиг. 6) видно, что диаграмма направленности, измеренная в условиях размещения измерительной установки в параболическом экране, практически повторяет диаграмму направленности в свободном пространстве. Для варианта размещения в боксе с прямоугольными стенками характерна полная потеря информации как о ширине главного лепестка, так и о положении и относительном уровне боковых лепестков.
Из приведенных результатов следует, что предлагаемый экран-параболоид для антенных измерений обеспечивает получение достоверных результатов антенных измерений, переотражая электромагнитные волны без их нежелательного воздействия на исследуемую и вспомогательную антенны.
Литература
1. ГОСТ Р 51318.16.1.4-2008. Совместимость технических средств электромагнитная. Требования к аппаратуре измерения для измерения параметров индустриальных радиопомех и помехоустойчивости. Часть 1-4. Аппаратура для измерения параметров индустриальных радиопомех и помехоустойчивости. Устройства для измерения излучаемых радиопомех и испытаний на устойчивость к излучаемым радиопомехам. - Введ. 2009-07-01. - М.: Изд-во стандартинформ, 2009. -71 с.
2. Методы измерения характеристик антенн СВЧ / Л.Н. Захарьев [и др.]; ред. Н.М. Цейтлин. - М.: Радио и связь, 1985. - 368 с., ил.
3. Мицмахер М.Ю. Безэховые камеры СВЧ / М.Ю. Мицмахер, В.А. Торгованов. - М.: Радио и связь, 1982. - с., ил.
4. Материалы для обеспечения ЭМС. Поглощающие. - Режим доступа: http://www.techno.ru/emi/priceabsorb.pdf.
5. Автоматизированное проектирование устройств СВЧ / В.В. Никольский [и др.]; ред. В.В. Никольский. - М.: Радио и связь, 1982. - с., ил.
6. Фрадин А.З. Измерение параметров антенно-фидерных устройств / А.З. Фридан, Е.В. Рыжков. - М.: Радио и связь, 1962 - с., ил.