Антенна для измерений в ближней зоне
ANTENNA FOR NEAR-FIELD MEASUREMENTS

Изобретение относится к области радиотехники, а именно к антенным измерениям, осуществляемым в ближней зоне.
Изобретение может быть использовано в аппаратуре для измерений характеристик антенных решеток, в том числе активных (АФАР), мониторинга их состояния, выявления неисправных элементов.
Одной из важных задач современной антенной техники является диагностика состояния антенн, в том числе ФАР и АФАР. Известно, что диагностику технического состояния их можно осуществить путем измерения пространственного распределения электромагнитного поля, излучаемого обследуемой антенной в ближней зоне (Бахрах Л.Д. Методы измерений параметров излучающих систем в ближней зоне. - Л.: Наука, 1985. 272 с.).
В настоящее время для этих целей используется способ сфокусированной апертуры, позволяющий измерять амплитудно-фазовое распределение в апертуре обследуемой антенны (Данилов И.Ю., Седельников Ю.Е. Диагностика апертурных распределений антенн путем измерений в зоне ближнего излученного поля. Журнал радиоэлектроники. №1. - 2016. [Электронный ресурс]. - Режим доступа: http://jre.cplire.ru/ire/jan16). Измерения осуществляют с использованием антенны-датчика, перемещаемой вдоль контролируемой антенны в зоне ближнего поля.
В качестве датчика обычно используют антенну в виде открытого конца прямоугольного волновод стандартного сечения (Система измерения параметров антенн в ближней зоне АНТА-010180-Б4040. https://all-pribors.ru/opisanie/71654-18-anta-010180-b4040).
Используют также круглый, конический рупор с фланцем с проточками (Можаров Э.О, Михайлов-Овсянников Д.С. Измерительный стенд на основе компактного планарного сканера ближнего электромагнитного поля. Радиостроение №05 20-17 стр. 38-51.
Применяется также пирамидальный рупор (Автоматизированный комплекс для измерений радиотехнических характеристик. Лапин В.В. и др. Патент РФ на полезную модель №105466).
В Патенте РФ №2565352 описана антенна в виде круглого волновода https://findpatent.ru/patent/256/2565352.htr.
Точность определения амплитудно-фазового распределения зависит от характеристик датчика в составе аппаратуры ближнепольных измерений. Поскольку ДН антенны-датчика неизотропна, измерения в различных точках плоскости сканирования происходят при неэквивалентных условиях, что приводит к снижению точности восстановления АФР обследуемой антенны (М.А. Исаков, В.П. Лисинский, Перспективы реконструктивных антенных измерений как основного метода приема-сдаточных испытаний. Вестник Концерна ПВО «Алмаз - Антей» №3, 2015. Стр. 51-58).
Аналогом заявленной антенны-датчика является антенна в виде отрытого конца прямоугольного волновода. Айзенберг Г.З., В.Г. Ямпольский О.Н. Терешин. Антенны УКВ Т.1. Стр. 240-253.Э Антенна состоит из прямоугольного волновода, один из концов которого выполнен открытым, а к другому концу присоединен фланец, образующий вход антенны.
Недостатком ее является неидентичность диаграммы направленности в плоскостях Е и Н.
Наиболее близким аналогом заявленной антенны-датчика является антенна согласно Патенту РФ №2565352. Антенна содержит отрезок волновода, один конец которого выполнен открытым, а к другому концу присоединен фланец, образующий вход антенны, и экран, в виде кольца диаметром D<2λ, где λ - длина волны, в полости волновода установлен поляризатор в виде диэлектрической пластины, а кромка волновода продолжена за плоскость раскрыва в виде четырех пилообразных выступов.
Основной недостаток антенны - прототипа состоит в том, что диаграмма направленности ее неизотропна в секторе углов соответствующих области измерений ближнего поля типовой аппаратурой.
Задачей изобретения является создание антенны- датчика с равномерной диаграммой направленности линейной поляризации в секторе углов, соответствующих области измерений типовой аппаратурой для антенных измерений в ближней зоне.
Техническим результатом, на достижение которого направлено предлагаемое изобретение, является повышение равномерности диаграммы направленности антенны для измерений в ближней зоне в секторе углов, соответствующих области измерений типовой аппаратурой.
Технический результат достигается тем, что антенна для измерений в ближней зоне содержит отрезок волновода, один конец которого выполнен открытым, а к другому концу присоединен фланец, образующий вход антенны, и экран, в виде кольца диаметром D<2λ, где λ - длина волны, перпендикулярно открытому концу волновода установлена пластина, выполненная из материала с отрицательной магнитной проницаемостью.
На Фиг. 1 показана антенна-датчик для измерений в ближнем поле.
Фиг. 2 приведена для объяснения работы устройства
На Фиг. 3 приведены модель для расчетов, объясняющих работу устройства
На Фиг. 4 приведены результаты расчетов, объясняющих работу устройства
На Фиг. 5 показана электродинамическая модель антенны
На Фиг. 6 показаны результаты электродинамического моделирования.
Антенна для антенных измерений в ближнем поле, показанная на Фиг. 1 содержит отрезок волновода 1, имеющего открытый конец 2, фланец 3, экран 4 и пластину из материала с отрицательной магнитной проницаемостью 5.
1
2
Работа заявляемого устройства осуществляется следующим образом. Электромагнитная энергия, поступающая на вход отрезка волновода 3 излучается его открытым концом 2. Под действием излучения наводятся токи на пластине, помещенной перед открытым концом волновода. Излучение антенны создают: (Фиг. 2) эквивалентные электрические и магнитные токи J в открытом конце волновода и его стенках и токи - на поверхности пластины из материала с отрицательной магнитной проницаемостью J.
1
2
Результирующее излучение антенны-датчика складывается из излучения токов открытого конца волновода J и поля, токов J., наведенных на пластине. Систему «открытый конец волновода + пластина» можно рассматривать как антенную решетку с активным элементом в центре и двух пассивных излучателей, соответствующих излучающим токам, наведенным на экране. На Фиг. 3 представлена данная система.
0
2
Для расширения ДН необходимо обеспечить синфазное излучение элементов решетки в направлениях ±θ. Для этого фаза возбуждения токов J в пластине 5 должны быть равной
Фаза тока, наведенного центральным излучателем равна  Таким образом, для необходимой фазировки необходимо обеспечить дополнительный фазовый сдвиг (замедление), равный
Фаза наведенных токов в пластине определяется фазой возбуждающего поля и фазой характеристического сопротивления среды с отрицательной магнитной проницаемостью
Это означает, что токи, наведенные на экране из материала с отрицательной магнитной проницаемостью, получают дополнительное отставание по фазе на величину
Из соотношения (2) следует, что требуемое значение Δψ обеспечивается, если
На Фиг. 4 приведены расчетные значения
Из приведенных данных расчета следует, что расширение ДН антенны в виде открытого конца волновода с пластиной из материала с отрицательной магнитной проницаемостью возможно при установке ее на расстоянии
длины волны или менее. Таким образом обеспечивается расширение ДН антенны в виде открытого конца волновода с экраном из метаматериала с отрицательной магнитной проницаемостью.
Антенна для измерений в ближней зоне может быть выполнена следующим образом. Волновод 1, фланец 3 и экран 4 изготавливают из электропроводящего металла, например, меди с серебряным или позолоченным покрытием с размерами широкой стенки волновода, выбранными равными (0.5…1) длины волны в воздухе. Пластина 5 из материала с отрицательной магнитной проницаемостью (MNG типа) выполняется в виде диэлектрической пластины с нанесенным на ее поверхности металлическим рисунком в виде разрезных квадратных или круглых колец диаметром не менее λ\π, где λ - длина волны в воздухе. Указанная пластина по электрическим характеристикам соответствует материалу с отрицательной магнитной проницаемостью (И. Слюсар. Метаматериалы в антенной технике. ЭЛЕКТРОНИКА: Наука, Технология, Бизнес 7/2009 стр. 72-73).
Для подтверждения технического результата изобретения проведено электродинамическое моделирование заявляемой антенны. Модель антенны приведена на Фиг. 5. На Фиг. 6 представлены расчетные данные.
Разработанная антенна-датчик с использованием метаматериала MNG-типа для измерений в ближней зоне позволяет повысить равномерность диаграммы направленности за счет ее расширения в секторе углов, соответствующих области измерений типовой аппаратурой для антенных измерений в ближней зоне.