Устройство для измерения коэффициента усиления антенны в широкой полосе частот
DEVICE FOR MEASURING ANTENNA GAIN IN WIDE FREQUENCY BAND

Изобретение относится к области антенных измерений, преимущественно к измерениям коэффициента усиления антенн.
Коэффициент усиления (КУ) антенны оказывает существенное влияние на дальность действия радиоэлектронных систем навигации и управления беспилотными летательными аппаратами (БЛА), в состав которых она входит. Расчет КУ осуществляется в процессе разработки антенны, а также при моделировании ее в различных системах автоматизированного проектирования, что позволяет достичь заданных величин усиления. Испытания уже изготовленных антенн и проверка соответствия полученных характеристик направленности заданным, в широкой полосе частот, является важнейшей частью разработки всей системы. Сегодня основные измерения характеристик антенн проводятся на дорогих, сложных в обслуживании антенных полигонах, где пытаются обеспечить условия работы в дальней зоне даже для больших антенных решеток. Основная трудность при проведении экспериментальных исследований КУ таким способом - многолучевой характер распространения радиоволн, обусловленный влиянием подстилающей поверхности. В результате связь между измеряемой и измерительной антеннами осуществляется не только прямым лучом, соединяющим их фазовые центры, но и лучом, отраженным от поверхности земли. Этот фактор обуславливает погрешность, вносимую в результат измерения и как следствие - низкая точность измерения коэффициента усиления. Повышение точности измерения коэффициента усиления антенны в широкой полосе частот при упрощении процедуры измерения и уменьшении времени измерения является актуальной задачей.
Известно устройство для определения КУ антенны методом отражения [1], содержащее генератор, высокочастотный гармонический сигнал с которого через аттенюатор, измерительную линию и согласующий четырехполюсник поступает на вход антенны, КУ которой необходимо померить. Перед началом измерения испытуемая антенна согласуется с питающим фидером, содержащим измерительную линию, с помощью согласующего четырехполюсника, чтобы при излучении энергии в измерительной линии не было стоячей волны. После этого, под прямым углом к оси антенны на расстоянии R помещается проводящая гладкая поверхность - рефлектор. Излученная антенной энергия, отражается от рефлектора и, попадая обратно через антенну в фидер, образует отраженную волну в измерительной линии. Аттенюатор предотвращает многократные переотражения в линии. КУ находится, как
где G - КУ антенны по сравнению с изотропным излучателем; R - расстояние между антенной и рефлектором; λ - длина волны; S - коэффициент стоячей волны по напряжению, измеренный в линии.
Недостатком известного устройства является низкая точность измерения КУ, а также сложность и отсутствие автоматизации при использовании измерительной линии в широкой полосе частот. Низкая точность вызвана тем, что эффективная площадь антенны меньше действительной площади раскрыва, что вызывает дополнительное отражение обратной волны от антенны в сторону отражателя. Для повышения точности измерения необходимо перемещать вручную рефлектор на четверть длины волны и повторно проводить измерения для каждой отдельной рабочей частоты. Эти недостатки делают невозможным и неудобным использование известного устройства для высокоточного измерения КУ антенн.
Известно также устройство для измерения коэффициента усиления антенн по методу плоского экрана [2], в котором исследуемая антенна подключается к генератору через измерительную линию и фидер. При помощи измерительной линии определяется степень согласования антенны с фидером. Производится тщательная настройка антенно-фидерной системы так, чтобы коэффициент бегущей волны на измерительной линии получился близким к единице. Затем перед антенной на произвольном расстоянии R устанавливается плоский металлический экран, плоскость которого перпендикулярна направлению главного максимума излучения антенны, а размеры таковы, что из центра антенны экран виден под телесным углом, не меньшим телесного угла, занимаемого главным лепестком диаграммы на правленности антенны. Экран нарушает согласование. При помощи измерительной линии определяется коэффициент бегущей волны k, получаемый после установки экрана. По расстройке согласования Δk=1-k можно вычислить коэффициент усиления антенны
где G - КУ антенны по сравнению с изотропным излучателем; R - расстояние между антенной и плоским металлическим экраном; λ - длина волны; Δk - разница между коэффициентами бегущей волны, измеренными в линии в отсутствии плоского экрана и с плоским экраном перед антенной.
Недостатком этого устройства является также низкая точность измерения КУ в широкой полосе частот и отсутствие автоматизации при использовании измерительной линии. Низкая точность вызвана тем, что включаемые в фидер для согласования реактивности подобраны соответственно входному сопротивлению антенны без экрана. Наличие экрана, как говорилось ранее, изменяет режим бегущей волны в фидере. Изменение определяется тем, что эти реактивности определенным образом трансформируют сопротивления. Эта трансформация зависит от знака реактивной составляющей наведенного сопротивления, которая периодически меняется с перемещением экрана через каждую четверть волны. Ошибка в измерении коэффициента усиления меняется с той же периодичностью. Для повышения точности измерения необходима серия измерений к при различных расстояниях экрана от антенны, вычисление КУ для каждого измерения в отдельности и нахождение истинного значения графическим методом, усредняя результаты измерений. Эти недостатки делают невозможным и неудобным использование известного устройства для высокоточного измерения КУ антенн в широкой полосе частот.
Известно также устройство для измерения КУ антенн [3], выбранное в качестве прототипа, использующее абсолютный метод измерения усиления антенн, содержащее векторный анализатор цепей (ВАЦ), персональный компьютер (ПК), калибровочный отражатель и испытуемую антенну, КУ которой необходимо померить. Устройство работает следующим образом: вход испытуемой антенны соединяется с выходом ВАЦ; на расстоянии R от испытуемой антенны помещается калибровочный радиолокационный отражатель с заранее измеренной эффективной площадью рассеяния (ЭПР). Излученная антенной энергия отражается от калибровочного отражателя и, возвращаясь частично в антенну, изменяет коэффициент отражения на выходе ВАЦ. ВАЦ измеряет измененный комплексный коэффициент отражения от входа испытуемой антенны, результаты измерений поступают в ПК, где производится расчет КУ
где G(ω) - КУ антенны по сравнению с изотропным излучателем в полосе частот; R - расстояние между антенной и калибровочным отражателем; λ - длина волны; Г(ω) - комплексный коэффициент отражения от входа испытуемой антенны, σ(ω) - ЭПР калибровочного отражателя в полосе частот.
Недостатком этого устройства является то, что сигнал, отраженный от входа измеряемой антенны, существенно превышает по мощности сигнал, отраженный от калибровочного отражателя, поэтому измерения необходимо проводить в два этапа - измерение отраженного сигнала при наличии калибровочного отражателя и при его отсутствии. Последующие вычисления реализуются в ПК, путем вычитания результатов двух измерений, при этом невозможно исключить влияние на результаты измерений вторичных отражений от всех устройств, расположенных в объеме производимых измерений. Кроме того, ЭПР реальных калибровочных отражателей отличаются от известных расчетных значений, особенно в полосе частот. Перед началом измерений необходима процедура установки отражателя (в прототипе диск) параллельно поверхности раскрыва антенны при этом геометрический центр отражателя должен находится на оси, проходящей через фазовый центр антенны, который, как известно, меняет свое положение в полосе частот. Эти факторы существенно снижают точность измерений КУ, усложняют процедуру и увеличивают время проведения измерений.
Технической задачей данного изобретения является разработка устройства для измерения коэффициента усиления антенны в широкой полосе частот, обеспечивающего повышение точности измерения при упрощении процедуры измерения и уменьшении времени измерения.
Решение поставленной задачи достигается, за счет введения в схему измерения планарного сканера с подвижной частью для закрепления и управляемого перемещения антенны в процессе измерения, а также плоского отражающего экрана для увеличения мощности отражаемого сигнала. Испытуемая антенна располагается на подвижной части планарного сканера, движением которой управляет ПК, одновременно управляющий ВАЦ, высокочастотный сигнал которого, поступает на вход антенны и излучается в направлении плоского отражающего экрана. Отраженный сигнал поступает обратно в раскрыв антенны; его уровень характеризуется комплексным коэффициентом отражения на входе антенны, который измеряется ВАЦ под управлением ПК.
Положительный эффект по сравнению с прототипом достигается тем, что калибровочный радиолокационный отражатель заменяется на отражающий металлический экран (рефлектор), расположенный в ближней зоне антенны, что существенно повышает уровень отраженного от экрана сигнала; вводится планарный сканер, на подвижной части которого располагается исследуемая антенна, причем подвижная часть сканера, подключенная к ПК, перемещает антенну от рефлектора перпендикулярно его плоскости с очень мелким шагом; ВАЦ, выход которого соединен с входом антенны, автоматически измеряет коэффициент отражения от входа антенны при каждом новом положении подвижной части сканера относительно рефлектора, при этом измерения осуществляются в широкой полосе частот. Автоматизированное усреднение произведенных измерений во всем диапазоне изменения расстояния от антенны до рефлектора уменьшает влияние вторичных излучений в объеме производимых измерений, компенсирует изменение согласования на входе антенны в полосе частот, а, следовательно, повышает точность расчета КУ антенны. Использование ПК для управления процессом и расчета КУ упрощает процедуру измерения и сокращает время измерения.
На фиг. 1 представлена схема устройства для измерения коэффициента усиления антенны в широкой полосе частот, где обозначено: 1 - измеряемая антенна; 2 - планарный сканер; 3 - векторный анализатор цепей (ВАЦ); 4 - персональный компьютер (ПК); 5 - отражающий экран (рефлектор).
Исследуемая антенна 1 закрепляется на подвижной части планарного сканера 2, высокочастотный вход антенны 1 соединен с выходом ВАЦ 3, управляющий цифровой вход которого соединен с выходом ПК 4, аналогичный управляющий цифровой вход планарного сканера 2 соединен с выходом ПК 4, при этом на расстоянии R от исследуемой антенны 1, параллельно ее излучающей поверхности располагается отражающий экран 5.
Устройство для измерения коэффициента усиления антенны в широкой полосе частот работает аналогично прототипу, используя абсолютный метод измерения усиления антенн. Отличие в том, что испытуемая антенна 1 размещается на подвижной части планарного сканера 2; на высокочастотный вход антенны 1 подается высокочастотный сигнал с выхода ВАЦ 3, а на управляющие входы сканера 2 и ВАЦ 3 подаются цифровые управляющие сигналы, сформированные в ПК 4. На расстоянии R от исследуемой антенны 1, параллельно ее излучающей поверхности располагается отражающий экран 5. В процессе проведения измерения КУ расстояние от антенны 1 до рефлектора увеличивается с помощью высокоточного перемещения подвижной части сканера вдоль оси, перпендикулярной поверхности отражающего экрана 5. ВАЦ 3 измеряет комплексный коэффициент отражения от входа антенны, соответствующий каждому положению антенны в широком диапазоне рабочих частот ВАЦ 3, причем весь процесс осуществляется в полностью автоматизированном режиме и управляется ПК 4. ПК 4 формирует одновременно два управляющих сигнала: один поступает на сканер 2 и перемещает антенну 1 на малое расстояние (шаг), предварительно заданное оператором ПК 4; второй поступает на управляющий вход ВАЦ 3 и запускает программу автоматизированного измерения коэффициента отражения от входа антенны 1, соответствующего ее текущему положению в широком диапазоне рабочих частот ВАЦ 3.
Точность измерения используемым методом, также как и в прототипе, зависит от степени согласования антенны с питающим фидером, а также от возможных переотражений от стен помещения, в котором проходят измерения. Для получения высокоточных результатов измерений КУ используются соотношения для расчета КУ по результатам измерений коэффициента отражения в разных условиях [4]:
R
0
где Г - коэффициент отражения на входе измеряемой антенны в присутствие отражающего экрана; Г - коэффициент отражения, измеренный без отражающего экрана, при излучении антенны в свободное пространство помещения.
11
Для подтверждения получения высокой точности измерений КУ антенны проведен ряд экспериментов с калиброванными измерительными антеннами. Определение КУ проводилось с помощью предлагаемого устройства (фиг. 1), собранного в научно-производственном центре радиоинформационной метрологии (НПЦ РИМ) МАИ в аттестованной безэховой камере (БЭК). Величина погрешности измерения КУ, вызванная влиянием отражений от стен камеры, а также неидеальным согласованием входа антенны и фидера при работе на излучение в свободное пространство, определялась путем статистического усреднения результатов измерений при разных расстояниях исследуемой антенны до отражающего экрана и сравнения их с данными сертификатов антенн. Применялись эталонные аттестованные сверхширокополосные измерительные антенны фирмы Satimo, имеющие разные КУ и работающие в различных частотных диапазонах (от 400 МГц до 20 ГГц). На фиг. 2 показана фотография стенда, собранного по схеме (фиг. 1), с измеряемой антенной QR2000. ВАЦ и ПК находятся рядом в приборном отсеке. В качестве рефлектора выступал стальной лист, размерами 150×170 см с шероховатостью поверхности менее 0,5 мм. Коэффициент отражения антенны измерялся в диапазоне расстояний между рефлектором и антенной от 1 до 150 см, с шагом 5 мм. Планарный сканер автоматически изменял расстояние антенны до рефлектора, а ВАЦ измерял |S| - элемент матрицы рассеяния, эквивалентный коэффициенту отражения от входа антенны |Г| в широком диапазоне частот.
11
На фиг. 3 представлены промежуточные результаты измерений на одной частоте 2 ГГц: кривая 1 - зависимость коэффициента отражения на входе антенны от расстояния между антенной и рефлектором; кривая 2 - усредненная зависимость коэффициента отражения. Видно, что |S| с увеличением расстояния до плоского экрана стремится к некоторой средней величине. Колебательный характер зависимости отражает изменение реактивной составляющей наведенного сопротивления на входе антенны с учетом рассогласования ее с фидером в условиях некоторых отражений от стен БЭК. Усреднение полученных статистических данных повышает точность расчета КУ.
По результатам измерений во всей полосе рабочих частот тестовой антенны построен график зависимости ее КУ от частоты (фиг. 4); сплошной линией показан результат эксперимента, а пунктирной - значения, взятые из сертификата калибровки антенны. Экспериментальные данные хорошо согласуются со значениями КУ, взятыми из сертификата калибровки антенны, максимальное отклонение измеренного КУ составило на нижних частотах 0,67 дБ, а усредненное в полосе от 2 до 8 ГГц менее 0,1 дБ.
Аналогичные эксперименты проведены с несколькими измерительными антеннами. По результатам измерений для тестовой антенны QR 18000, работающей в диапазоне частот от 18 до 40 ГГц построен график зависимости КУ от частоты (фиг. 5). На рисунке приведены две зависимости: 1 - сплошной линией изображен результат измерений на предлагаемом устройстве, а 2 - пунктирной - значения из сертификата калибровки антенны. Максимальное отклонение измеренного КУ от эталонного в полосе от 18 до 28 ГГц составило 0,61 дБ, а среднеквадратическое в полосе частот не превысило 0,1 дБ.
Таким образом, сравнение результатов измерения КУ эталонных антенн с помощью устройства для измерения коэффициента усиления антенны в широкой полосе частот с данными их сертификатов о калибровке показало возможность измерения указанным устройством с точностью, превышающей возможности прототипа.
Вновь введенное устройство - планарный сканер - является типовым в лабораториях, предназначенных для измерений антенных характеристик в ближней зоне, что позволяет без проблем воспроизвести предложенное устройство измерения КУ антенн в полном объеме.
Источники информации
1. Термен Ф., Петтит Дж. Измерительная техника в электронике. - М.: Изд-во иностр. лит. 1955. - С. 381.
2. Фрадин А.З., Рыжков Е.В. Измерение параметров антенно-фидерных устройств. - М.: Гос. изд-во лит-ры по вопросам связи и радио, 1962. - С. 282.
3. Титаренко А.В. Метод измерений коэффициента усиления антенн на основе использования радиолокационных отражателей // Антенны. - 2009. - вып. 12 (151) - С. 73.
4. Lee R.Q., Baddour M.F. Absolute Gain Measurement by the Image Method Under Mismatched Condition / International AP-S Symposium, 15-19 June 1987.