Способ измерения входного и взаимного сопротивления антенн в диапазоне частот
METHOD OF MEASURING INPUT AND MUTUAL RESISTANCE OF ANTENNAS IN FREQUENCY BAND

Изобретение относится к технике антенных измерений и радиоизмерений и предназначено для автоматизированного измерения входного и взаимного сопротивления антенн в широком диапазоне частот.
Известен способ определения комплексного сопротивления двухполюсника в диапазоне частот (АС №2080609, G01R 27/00, 27.05.1997). Способ заключается в подведении синусоидального сигнала заданной частоты к исследуемой антенне через последовательно подключенное эталонное активное сопротивление, проведении двух циклов измерения падения напряжения на нем при последовательно подключенной и отключенной эталонной емкости с дальнейшим вычислением составляющих комплексного сопротивления.
Недостатками данного способа является существенное время проведения измерений на каждой заданной частоте исследуемого диапазона, которое определяется необходимостью проведения двух циклов измерений и выполнения перекоммутации схемы в процессе проведения измерений, что, в свою очередь, затрудняет процесс автоматизации измерений, а также описанный способ обладает низкой помехоустойчивостью, связанной с отсутствием частотной избирательности проведения измерений.
Известен способ измерения антенного импеданса, описанный в патенте США №6326929, G01R 27/02, 04.12.2001. Суть способа состоит в подведении сигнала к исследуемой антенне и в том, что при проведении измерений на каждой частоте, сначала вместо исследуемой антенны подключается калибровочный резистор (близкий по величине к модулю сопротивления исследуемой антенны на заданной частоте) и производится измерение падения напряжения на нем и, при помощи измерительного трансформатора, протекающего через него тока. Далее, при помощи измерительного трансформатора и аттенюаторов, добиваются равенства падения напряжений на калибровочном резисторе и выходе измерительного трансформатора. Затем вместо калибровочного резистора подключают исследуемую антенну, и повторяют измерения. Вычисление модуля входного сопротивления антенны осуществляется путем умножения значения калибровочного резистора на отношение измеренных падений напряжений на антенне и выходе измерительного трансформатора. Аргумент входного сопротивления вычисляется через разложение сигналов напряжения и тока на квадратурную и синфазную составляющую (квадратурный демодулятор).
Недостатками способа является существенное время проведения измерений, связанное с необходимостью проведения калибровки с выполнением перекоммутаций схемы для проведения измерения на каждой частоте исследуемого диапазона, что также ограничивает использование данного способа при автоматизации, и низкая помехоустойчивость проведения измерений, определяемая низкой частотной селективностью.
Известен также способ измерения входного сопротивления антенн -метод вольтметра-амперметра (Попов О.В., Сосунов Б.В., Фитенко Н.Г., Хитров Ю.А. Методы измерения характеристик антенно-фидерных устройств. - Л.: ВАС, 1990 г., с. 41-42), выбранный в качестве прототипа. Суть способа состоит в подведении синусоидального сигнала заданной частоты к исследуемой антенне, настройки ее в резонанс на этой частоте с помощью добавочной эталонной переменной реактивности и измерении падения напряжения на ее зажимах и тока в ней. Реактивная составляющая входного сопротивления антенны при этом определяется по величине добавочной реактивности, а активная по отношению измеренных резонансных значений тока в измерительной цепи и напряжения на ее зажимах, при этом для определения активной составляющей требуется проведение двух циклов измерений при подключенной и закороченной исследуемой антенне для определения вносимого измерительной цепью активного сопротивления, с последующим определением активной части входного сопротивления антенны как разности сопротивлений при двух циклах измерений. Модификация данного способа также применима и для измерения взаимного сопротивления двух связанных антенн, которая заключается в возбуждении одной из антенн синусоидальным сигналом заданной частоты, измерении входных напряжений и токов в обеих антеннах, с последующим вычислением модуля взаимного сопротивления по закону Ома, а для определения фазового сдвига между измеряемыми напряжением и током в антеннах дополнительно используется фазометр.
Недостатки этого способа схожи с предыдущими, и являются такими как: существенное время проведения измерений на заданной частоте исследуемого диапазона, связанное с необходимостью проведения двух циклов измерений, выполнения перекоммутации и настройки схемы в резонанс на каждой частоте проведения измерений, что, соответственно, затрудняет использование данного способа для автоматизации процесса измерений, а также низкая помехоустойчивость, ввиду отсутствия частотной селективности проведения измерений. При использовании способа для измерения взаимного сопротивления связанных антенн, требуется внесение значительных изменений в схему проведения измерений и дополнительного использования фазометра.
Технической задачей предлагаемого изобретения является разработка способа измерения входного и взаимного сопротивления антенн, позволяющего сократить время проведения измерений в рабочем диапазоне частот, легко поддающегося автоматизации, обладающего повышенной помехоустойчивостью, а также позволяющего проводить измерения входного и взаимного сопротивления связанных антенн без внесения существенных изменений в схему проведения измерений.
сиг
д
сиг
д
Сущность предлагаемого способа заключается в том, что в способе измерения входного и взаимного сопротивления антенн, включающем подведение сигнала к первой антенне, измерение входных напряжений и токов в обеих антеннах и вычисление сопротивлений по закону Ома первую антенну возбуждают последовательностью биполярных прямоугольных импульсов длительностью Т, производят аналого-цифровое преобразование измеренных величин с частотой дискретизации F в числовые последовательности данных во временной области u[n] и i[n], преобразуют их в числовые последовательности данных в частотной области U[k] и I[k] путем быстрого преобразование Фурье (БПФ), где n и k - целочисленные индексные переменные, изменяющиеся в пределах от 0 до (Т⋅F-1), вычисляют модуль и аргумент входного/взаимного сопротивления антенн, следующим образом:
сиг
где: ƒ=k/Т - частота, на которой определяется сопротивление.
Последовательность биполярных прямоугольных импульсов, в качестве измерительного сигнала возбуждающего исследуемую антенну, выбрана исходя из того, что данная последовательность имеет наибольшее количество гармонических составляющих в исследуемом диапазоне частот, что позволяет проводить измерения не только на несущей частоте, но и на высших гармониках измерительного сигнала.
На фиг. 1 представлена структурная схема реализации заявленного способа измерения входного и взаимного сопротивления антенн, где представлены: генератор измерительных сигналов (1), соединенный с ПЭВМ (2), выход которого является входом для подключения первой антенны (6), измерительные устройства тока (3) и напряжения (4), подключенные к входам первой (6) и второй (7) антенн, выходы которых подключены к АЦП (5), подключенному к ПЭВМ (2).
Входящие в структурную схему, представленную на фиг. 1, элементы имеют следующее назначение.
Генератор измерительных сигналов (1) - является источником измерительного сигнала - последовательности биполярных прямоугольных импульсов, регулируемых по частоте, скважности и амплитуде (параметры импульсов выбираются исходя из максимального гармонического состава колебаний в исследуемом диапазоне частот), которым возбуждается первая антенна (6), управляется от ПЭВМ (2);
ПЭВМ (2) - персональная ЭВМ или ноутбук, предназначена для обработки сигналов (проведения расчета входного/взаимного сопротивления антенн) с выхода АЦП (5) и управления управляемым генератором тестовых сигналов (1);
ПТ
Измерительное устройство тока (3) - устройство, предназначенное для измерения тока протекающего в антеннах (6) и (7) (например бесконтактный датчик тока на эффекте Холла) с коэффициентом передачи К(f);
ПН
Измерительное устройство напряжения (4) - устройство, предназначенное для измерения падения напряжения на зажимах антенн (6) и (7) (например датчик напряжения на эффекте Холла) с коэффициентом передачи К(ƒ);
АЦП (5) - аналогово-цифровой преобразователь, предназначенный для преобразования аналоговых сигналов тока и напряжения, поступающих с измерительных устройств (3) и (4), в цифровой вид (числовые последовательности данных во временной области u[n] и i[n]);
Первая антенна (6) - исследуемая антенна;
Вторая антенна (7) - связанная с первой антенна (при измерении взаимного сопротивления связанных антенн).
ПТ
ПН
Коэффициенты передачи измерительных устройств К(ƒ), К(ƒ) и разность фазовых сдвигов С(ƒ), вносимая этими устройствами, в общем случае имеют зависимость от частоты. Для определения этих коэффициентов передачи и разности фазовых сдвигов необходимо откалибровать измерительный тракт в исследуемом диапазоне частот на эталонное активное сопротивление и занести полученные результаты в память ПЭВМ (калибровка измерительного тракта проводится однократно).
Таким образом, при практической реализации способа, модуль и аргумент входного/взаимного сопротивления антенн вычисляется следующим образом:
ПТ
ПН
где: К(ƒ), К(ƒ) - коэффициенты передачи измерительных устройств тока и напряжения соответственно;
- время задержки между каналами измерения тока и напряжения АЦП, так как опрос каналов АЦП происходит последовательно с частотой 2Fд;
C(ƒ) - разность фазовых сдвигов вносимая измерительными устройствами тока и напряжения.
Применение в качестве измерительных устройств датчиков на эффекте Холла, позволяет пренебречь частотными зависимостями коэффициентов передачи и разности фазовых сдвигов при проведении измерений в рабочем диапазоне частот антенн. Диапазон частот, на которых возможно применение данного способа ограничен частотным диапазоном применяемых измерительных устройств тока (3) и напряжения (4) и частой дискретизации АЦП (5). Например, датчики тока и напряжения на эффекте Холла, в настоящее время, имеют частотный диапазон до 1 МГц, а частота дискретизации существующих АЦП значительно выше и достигает 1000 МГц и более. Использование в качестве измерительных устройств трансформаторов позволит расширить частотный диапазон применения заявленного способа, но в этом случае будут сказываться зависимости коэффициентов передачи и фазового сдвига от частоты, что несколько усложнит алгоритм обработки данных.
12
21
При измерении входного сопротивления антенны (6) измерительные устройства тока (3) и напряжения (4) подключаются непосредственно на вход исследуемой антенны (6), при измерении взаимного сопротивления связанных антенн, наводимого первой (6) антенной во вторую (7) - Z, измерительное устройство напряжения (4) подключается ко второй антенне (7), при этом она находится в режиме холостого хода (XX), а при измерении взаимного сопротивления, наводимого второй антенной (7) в первую (6) - Z, вместо измерительного устройства напряжения (4) ко второй антенне подключается измерительное устройство тока (3), при этом она находится в режиме короткого замыкания (КЗ).
Возбуждение первой антенны (6) осуществляется последовательностью биполярных прямоугольных импульсов от генератора измерительных сигналов (1), управляемого от ПЭВМ (2). С помощью измерительных устройств напряжения (4) и тока (3), подключенных к антеннам (6) и (7), производится измерение входного напряжения и тока в обеих антеннах, АЦП (5) производит аналого-цифровое преобразование измеренных величин напряжения и тока, в исходные числовые последовательности данных во временной области, записываемые в ПЭВМ (2) где применяется быстрое преобразование Фурье для обеих последовательностей, представляющее обе величины в виде числовых последовательностей данных в частотной области и вычисление входного/взаимного сопротивления антенн по закону Ома.
Пример формы и спектрального состава импульсов напряжения и тока при работе генератора измерительных сигналов (1) на антенну низкочастотного диапазона (6) на частоте 8 Гц, имеющую в рабочем диапазоне частот (8-200 Гц) входное сопротивление индуктивного характера, приведены на фиг. 2. (форма импульсов напряжения и тока), фиг. 3 (спектральный состав импульсов напряжения) и фиг. 4 (спектральный состав импульсов тока). Из рисунков видно, что при работе генератора измерительных сигналов на антенну индуктивного характера форма импульсов тока приближается к треугольной, и что, даже при такой форме измерительного сигнала, амплитуд гармонических составляющих кратных частоте сигнала 8 Гц (нечетные гармоники) достаточно для проведения измерения в рабочем диапазоне частот антенны 8-200 Гц.
В приведенном примере, при измерении входного сопротивления антенны в диапазоне частот от 8 до 200 Гц, при проведении измерений, выбирались следующие значения параметров:
д
F=400 Гц - удвоенная (из-за эффекта симметрии спектра) максимальная частота исследуемого диапазона;
сиг
Т=1/8 с - величина обратная частоте генератора (разрешающая способность по частоте при этом будет 8 Гц, измерения будут проводиться только на частотах кратных 8 Гц - частоте генератора и гармониках);
сиг
д
N=Т⋅F=50 - объем выборки;
n и k - изменяются от 0 до N-1 (от 0 до 49).
При этом максимальная частота исследуемого диапазона будет равняться (8⋅(N-1))/2 Гц=196 Гц, а в действительности 192 Гц (частота кратная 8 Гц, 24-я гармоника), а с учетом того, что в спектре биполярной прямоугольной последовательности импульсов присутствуют только нечетные гармоники, то для проведения измерений в диапазоне до 200 Гц (25-я гармоника) частоту дискретизации следует выбирать равной 408 Гц.
Применение в качестве измерительного сигнала, возбуждающего первую антенну (6), последовательности биполярных прямоугольных импульсов и указанного алгоритма обработки данных позволяют проводить измерение входного/взаимного сопротивления антенн в широком диапазоне частот (на несущей частоте и высших гармониках сигнала) за один цикл (одно измерение) без изменения частоты генератора измерительных сигналов (1) и перекоммутации схемы.
В общем случае в заявленном способе измерения допускается использовать любую форму измерительного сигнала, разница лишь в том, что чем больше гармонический состав сигнала, тем более широкий частотный диапазон можно охватить за одно измерение.
В качестве генератора сигналов также может использоваться штатное радиопередающее устройство, подключаемое к антенне (при соответствующем подборе измерительных устройств тока и напряжения), сигнал которого может использоваться в качестве измерительного, а измерение сопротивлений может проводиться во время работы радиостанции на излучение.
Таким образом, заявленный способ позволяет сократить время проведения измерений входного/взаимного сопротивления антенн в рабочем диапазоне частот до режима «реального» (с задержкой на запись выборки и обработку данных) времени. Применение быстрого преобразования Фурье при обработке данных позволяет повысить частотную избирательность (селективность) заявленного способа по сравнению с аналогами и, соответственно, повысить помехоустойчивость проведения измерений. Применение указанной схемы позволяет автоматизировать процесс проведения измерений и унифицировать схемы проведения измерений входного и взаимного сопротивлений антенн.