Способ определения параметров поляризации антенн
METHOD FOR DETERMINING ANTENNA POLARIZATION PARAMETERS

Изобретение относится к антенным измерениям, и может быть использовано для определения параметров поляризации антенн (направления вращения вектора напряженности электрического поля и коэффициента эллиптичности поляризационного эллипса) при проведении аттестации образцовых и эталонных антенн, а также для определения параметров поляризации антенн различного назначения, изготавливаемых с высокой точностью воспроизведения.
Известные способы определения параметров поляризации антенн можно разделить на две основные группы. К первой группе относятся относительные способы, использующие образцовые меры поляризации, т.е. антенны, поляризационные параметры которых измерены с минимально допустимыми погрешностями. К этой группе относятся способ поляризационной диаграммы, способ разложения электромагнитной волны на ортогонально поляризованные компоненты, способ многократных амплитудных измерений, компенсационный способ и другие способы. В качестве образцовых мер поляризации используют антенны с линейными и круговыми поляризациями (Захарьев Л.Н., Леманский А.А., Турчин В.И. и др. Методы измерения характеристик антенн СВЧ. Под ред. Цейтлина Н.М. М.: Радио и связь, 1985. С. 102-112).
Недостатком указанных способов является наличие погрешности измерения параметров поляризации, которая возникает из-за кроссполяризации образцовых антенн. Кроме того, в способах, использующих две и более образцовых антенны погрешность измерения параметров поляризации увеличивается из-за погрешности аттестации образцовых антенн по коэффициенту усиления (Бонерт. Техника измерений антенн эллиптической поляризации. В сб. ст.Антенны эллиптической поляризации. Под ред. А.И. Шпунтова. М.: Изд-во Иностранная литература, 1961. С. 53-59).
Известен компенсационный способ, позволяющий уменьшить погрешность определения параметров поляризации (авт. св. СССР 1689879, G01R29/08, опубл. 07.11.91). Уменьшение погрешности достигается использованием фазовой поляризационной диаграммы для определения факта компенсации.
Недостатком указанного способа является длительная процедура измерений.
Ко второй группе способов определения параметров поляризации антенн относятся абсолютные способы, не требующие априорных сведений о параметрах используемых при измерениях антенн. Эти способы являются наиболее точными и используются для аттестации эталонных и образцовых антенн (Kummer W.H., Gillespie E.S. Antenna measurements - 1978.: Proceedinds of the IEEE, VOL. 66, №4, April 1978. P. 499-502)
Примером такого способа является способ определения коэффициента эллиптичности элементов фидера, формирующих поляризационные характеристики антенны, приведенный в патенте РФ 2715502, МПК G01R 29/10, опубл. 28.02.2020. В указанном способе снижение трудозатрат и упрощение процедуры измерений обеспечивается тем, что вместо измерений коэффициента эллиптичности антенн на антенном полигоне, проводятся измерения коэффициента эллиптичности поля, создаваемого поляризатором в фидерном тракте. Способ позволяет повысить точность измерения коэффициента эллиптичности АФУ с поляризацией близкой к круговой. Измеряемое устройство состоит из двух идентичных групп элементов фидерного тракта, каждая из которых содержит - идентичные поляризаторы, формирующие требуемую поляризацию, и идентичные поляризационные селекторы. Поляризаторы этих двух групп соединены через вращающееся сочленение, навстречу друг другу, а поляризационные селекторы подсоединены к поляризаторам навстречу друг другу и подсоединены к измерительной схеме входами, формирующими встречные поляризации. При вращении одной группы элементов фидерного тракта относительно другой измеряется коэффициент передачи. Встречное включение поляризационных селекторов обеспечивает расширение диапазона значений коэффициента передачи, при этом повышается чувствительность коэффициента передачи к изменению коэффициента эллиптичности и соответственно уменьшается погрешность измерения коэффициента эллиптичности.
Недостатком этого способа является невозможность измерения параметров поляризации антенн с поляризацией близкой к линейной, у которых отсутствует поляризатор, а также антенн, в состав которых входит поляризатор, но отсутствует поляризационный селектор.
Известен способ измерения коэффициента усиления антенн без применения образцовой или эталонной антенны, в котором для проведения измерений используют две идентичные антенны с неизвестными параметрами, расположенные на расстоянии дальней зоны друг от друга. (Фрадин А.З., Рыжков Е.В. Измерение параметров антенно-фидерных устройств. М., «Связь», 1972, С. 265-266)
Способ включает: установку передающей и приемной антенны в исходное положение, при котором антенны направлены навстречу друг другу и их продольные оси соосны, излучение передающей антенной электромагнитного поля, прием электромагнитного поля приемной антенной, измерение мощности на входе передающей антенны и мощности на выходе приемной антенны, и расчете коэффициента усиления каждой антенны по известной формуле. Однако указанный способ не позволяет определять параметры поляризации антенн.
Известен абсолютный способ для определения параметров поляризации без применения какой-либо образцовой антенны, использующий три антенны, параметры которых заранее неизвестны (способ трех антенн) (А.С. Newell, R.С. Baird, and P.F. Wacker. Accurate measurement of antenna gain and polarization at reduced distances by an extrapolation technique. IEEE Trans. Antennas Propagat, vol. AP-21, pp. 418-431, July 1973).
В указанном способе для каждой пары из трех антенн проводится два измерения амплитуды и относительной фазы сигнала на выходе приемной антенны - одно в исходном положении, а другое получаемое при развороте одной из антенн на угол равный 90° вокруг ее оси. Измерения с тремя возможными парами антенн дают шесть уравнений, которые решаются относительно неизвестных параметров поляризации трех антенн (коэффициента эллиптичности, угла ориентации поляризационного эллипса и направления вращения вектора напряженности электрического поля).
Недостатком этого способа является сложность в точном определении амплитуды и фазы сигнала при развороте одной из антенн вокруг направления на другую антенну на 90°, когда уровень принимаемого кроссполяризационного сигнала мал. При этом наличие многолучевого распространения и деполяризации рассеянных электромагнитных волн может привести к возникновению больших ошибок измерения амплитуды и фазы.
Наиболее близким аналогом к заявленному способу, выбранному в качестве прототипа, является способ определения параметров поляризации антенн, использующий три антенны, параметры которых заранее неизвестны (А.С. Newel. Improved polarization measurement using a modified three-antenna technique. IEEE Trans. Antennas and Propagat. 1988. 36. №6. C. 852-854 и A.C. Newel. Усовершенствование поляризационных измерений с использованием метода трех антенн. Экспресс-информация, Радиотехника сверхвысоких частот, ВИНИТИ 1989. №18. С. 13-17).
Этот способ позволяет исключить ошибку измерения фазы сигнала и уменьшить ошибку измерения амплитуды сигнала. Исключение ошибки измерения фазы сигнала достигается тем, что в отличии от предыдущего аналога в качестве первого положения для измерений используется положение, соответствующее минимальному значению амплитуды сигнала при развороте приемной антенны вокруг ее оси, и второе положение, отстоящее от первого на угол 90°. При этом не требуется точное измерение фазы сигнала, а достаточно определить растет или уменьшается фаза при развороте приемной антенны.
Уменьшение ошибки измерения минимального значения амплитуды сигнала достигается следующим образом. В положении приемной антенны, соответствующем минимальному значению сигнала, перемещают одну из антенн вдоль направления на другую антенну и регистрируют амплитуду сигнала в пределах несколько периодов осцилляций. При этом за минимальное значение амплитуды сигнала принимают значение, соответствующее среднему значению осцилляций сигнала.
Недостатком этого способа является длительная процедура измерений, выполняемая поочередно для трех пар антенн и сложность расчетов.
Этот способ, как и предыдущий аналог, не требует априорных сведений о применяемых антеннах за исключением того, что одна из антенн в одной паре должна использоваться в режиме передачи, а в одной из других пар в режиме приема. Второе ограничение состоит в том, что только одна антенна может иметь круговую поляризацию. В этом случае полностью может быть аттестована только антенна с круговой поляризацией.
Технической проблемой, решаемой с помощью предлагаемого изобретения, является ускорение и упрощение процесса определения параметров поляризации антенн.
Указанная проблема решается тем, что в известном способе определения параметров поляризации антенн, включающим установку передающей и приемной антенны в исходное положение, при котором антенны направлены навстречу друг другу, а их продольные оси соосны, излучение передающей антенной электромагнитного поля, прием электромагнитного поля приемной антенной и измерение амплитуды и фазы сигнала на выходе приемной антенны, при этом в процессе приема электромагнитного поля разворачивают приемную антенну вокруг продольной оси, измеряют минимальное и максимальное значения амплитуды сигнала на выходе приемной антенны, регистрируют направление изменения фазы сигнала, после чего определяют направление вращения вектора напряженности электрического поля и коэффициент эллиптичности поляризационного эллипса каждой антенны, новым является то, что для определения параметров поляризации используют одну пару идентичных антенн, при этом направление вращения вектора напряженности электрического поля антенн и знак эффективного коэффициента эллиптичности определяют с учетом изменения фазы сигнала на выходе приемной антенны в процессе ее разворота вокруг продольной оси против часовой стрелки при наблюдении со стороны передающей антенны, исходя из условия:
эф
- правое и r>0, если фаза увеличивается;
эф
- левое и r<0, если фаза уменьшается,
а коэффициент эллиптичности поляризационного эллипса каждой антенны определяют по формуле
где: к - коэффициент эллиптичности измеряемых антенн;
эф
r - эффективный коэффициент эллиптичности, равный
эф
отношению измеренных минимального и максимального значений амплитуды сигнала на выходе приемной антенны, причем значению r присваивают знак «плюс» для правого направления вращения вектора напряженности электрического поля измеряемых антенн и знак «минус» - для левого направления вращения. Проведение измерений только для одной пары идентичных антенн позволяет уменьшить время измерений в два раза в расчете на одну антенну.
В отличие от наиболее близкого аналога, в предлагаемом способе для определения направления вращения вектора напряженности электрического поля не требуется проведение расчета, а достаточно определения факта увеличения или уменьшения фазы сигнала на выходе приемной антенны при развороте приемной антенны вокруг ее оси. Кроме того, для определения коэффициента эллиптичности поляризационного эллипса по результатам измерений достаточно рассчитать один из корней квадратного уравнения по указанной формуле.
Сущность изобретения поясняется Фиг. 1, где представлена функциональная схема установки, реализующий описанный способ. Установка содержит две идентичные испытуемые антенны: передающую антенну 1 и приемную антенну 2. Антенны установлены на опорно-поворотных устройствах 3 и 4. Передающая антенна подключена к выходу синтезатора частот 5, а приемная антенна - к векторному анализатору цепей 7. Электромагнитная волна, поступающая от синтезатора частот 5, излучается антенной 1 и принимается антенной 2. С выхода приемной антенны 2 электромагнитная волна поступает в векторный анализатор цепей. Управление опорно-поворотными устройствами, синтезатором частот и анализатором цепей осуществляется вручную оператором или с использованием ЭВМ 6.
В качестве синтезатора частот 5 может использоваться синтезатор, например, серии PSG фирмы Keysight, а в качестве анализатора цепей 7 -векторный анализатор цепей, например, серии PNA-X (каталог фирмы Keysight, 2020 г.)
Способ определения параметров поляризации антенн осуществляется следующим образом.
С помощью опорно-поворотных устройств передающую и приемную антенны устанавливают в исходное положение, при котором антенны направлены навстречу друг другу и их продольные оси соосны. Приемную антенну разворачивают вокруг направления на передающую антенну до достижения минимума сигнала. В этом положении регистрируют минимальный уровень сигнала на выходе приемной антенны. Затем приемную антенну разворачивают вокруг направления на передающую антенну против часовой стрелки, при наблюдении со стороны передающей антенны, при этом регистрируют направление изменения фазы сигнала и максимальный уровень сигнала на выходе приемной антенны.
Также, как в ближайшем аналоге, для уменьшения ошибки измерения минимального значения амплитуды сигнала, в предлагаемом способе перемещают одну из антенн вдоль направления на другую антенну и регистрируют амплитуду сигнала в пределах несколько периодов осцилляций, при этом за минимальное значение амплитуды сигнала принимают значение, соответствующее среднему значению осцилляций сигнала.
Затем определяют направление вращения вектора напряженности электрического поля антенн с учетом изменения направления фазы сигнала на выходе приемной антенны из условия: правое, если фаза увеличивается; левое, если фаза уменьшается, а коэффициент эллиптичности идентичных антенн определяют по формуле
В статье (Рамзей. Передача между антеннами эллиптической поляризации. В сб. ст. Антенны эллиптической поляризации. Под ред. А.И. Шпунтова. М.: Изд-во Иностранная литература, 1961. С. 22-25) сообщается, что при передаче между двумя антеннами эллиптической поляризации, годограф комплексного напряжения, наведенного на выходе приемной антенны при ее развороте вокруг направления на передающую антенну есть эллипс и предложено называть этот эллипс - эффективным эллипсом, а отношение его большой оси к малой оси - эффективным осевым коэффициентом.
В соответствии с терминологией, используемой в РФ, для количественной оценки формы эффективного поляризационного эллипса целесообразно использовать параметр «Эффективный коэффициент эллиптичности», который является величиной, обратной осевому коэффициенту.
Согласно статье (Кейлс. Эллиптически поляризованные волны и антенны. В сб. ст.Антенны эллиптической поляризации. Под ред. А.И. Шпунтова. М.: Изд-во Иностранная литература, 1961. С. 48-53) комплексное напряжение на выходе приемной антенны эллиптической поляризации, принимающей поле плоской волны с произвольной эллиптической поляризацией, определяется по формуле
где  - комплексный вектор напряженности электрического поля передающей антенны в дальней зоне;
- сопряженный комплексный приемный вектор приемной антенны;
K и k - коэффициенты, определяющие энергетические характеристики падающей волны и приемной антенны;
- комплексный поляризационный единичный вектор падающей волны;
- сопряженный комплексный приемный единичный вектор приемной антенны;
- комплексный поляризационный единичный вектор приемной антенны в режиме передачи в дальней зоне.
Там же определен физический смысл поляризационной эффективности и приведена формула для расчета поляризационной эффективности
п
где η - поляризационная эффективность;
1
s - осевой коэффициент падающей волны (передающей антенны);
2
s - осевой коэффициент приемной антенны в режиме передачи в дальней зоне;
γ - угол между большими осями поляризационных эллипсов падающего поля и приемной антенны.
В формуле (2) знак «плюс» необходимо подставлять при согласованных поляризациях падающего поля и приемной антенны, а знак «минус» - при встречных.
Такая же, как (2), формула для поляризационной эффективности приведена в статье (Крутел Р.У. мл., Дифонзо Д.Ф., Мале К.Э. Измерения в спутниковых системах: Пер. с англ. ТИИЭР, 1978. Т. 66, №4. С. 129-142).
В отечественной литературе, см., например, статью (Шубарин Ю.В., Анищенко Т.Н. Измерение диаграммы направленности и коэффициента усиления антенны эллиптической поляризации: Измерительная техника, 1969. №4. С. 58-61) коэффициент согласования поляризации (поляризационная эффективность) определяется по формуле
п
где ξ - коэффициент согласования поляризации;
1
2
r и r - коэффициенты эллиптичности передающей и приемной антенн;
α - угол между большими полуосями поляризационных эллипсов. В формулу (3), как и в (2) знак «плюс» необходимо подставлять при совпадающих направлениях вращения поляризационных эллипсов и знак «минус» - при встречных. Путем несложных преобразований (2) преобразуется в (3) при подстановке 1/r вместо s.
В статье (Либин В.А. Некоторые характеристики антенн произвольной поляризации. Радиотехникаа и электроника. 1960. №11. С. 1786-1796) приведена другая формула для расчета поляризационной эффективности (коэффициента поляризационных потерь)
пп
где K - коэффициент поляризационных потерь;
1
М - коэффициент эллиптичности передающей антенны по мощности;
2
М - коэффициент эллиптичности приемной антенны по мощности при работе антенны в режиме передачи;
β - угол между большими осями поляризационных эллипсов. В формулу (4) знаки «плюс» необходимо подставлять при согласованных поляризациях падающего поля и приемной антенны, а знаки «минус» - при встречных.
Там же приведена формула для расчета фазы сигнала на выходе приемной антенны
но не приведено разъяснений в каких случаях использовать знаки «плюс» и «минус».
Комплексные поляризационные единичные векторы  и  могут быть представлены в виде
где  и  - координаты орта  в фазовой плоскости падающей волны  направлен параллельно большой оси поляризационного эллипса падающей волны, а орт  совпадает с направлением распространения волны);  и  - координаты орта  параллельные фазовой плоскости падающей волны  направлен параллельно большой оси поляризационного эллипса приемной антенны в режиме передачи в дальней зоне, а орт  направлен навстречу орту
После выполнения операции скалярного произведения  в (1) и деления на коэффициент k получается выражение для комплексной поляризационной эффективности
где  - комплексная поляризационная эффективность;
γ - угол между большими осями поляризационных эллипсов падающей волны и приемной антенны (между ортами  и ), отсчитываемый против часовой стрелки при наблюдении со стороны источника поля; i - мнимая единица. Из (7) может быть получена формула для расчета поляризационной эффективности
1
2
В формулы (6), (7) и (8) величины r и r необходимо подставлять со знаком «плюс» для правого направления вращения вектора напряженности электрического поля и со знаком «минус» - для левого. При этом, требуемые знаки в (3) и (4), получается автоматически. Путем несложных преобразований из (8) может быть получено (3) со знаком «плюс» во втором слагаемом числителя.
Модуль комплексной поляризационной эффективности достигает максимума в том случае, когда большие оси эллипсов параллельны (γ=0), и минимума, когда эти оси перпендикулярны (γ=90°). Следовательно, с учетом (7), эффективный коэффициент эллиптичности определяется по формуле
1
2
эф
эф
1
2
Из (9) видно, что в зависимости от величины и знаков r и r, r может иметь как положительный, так и отрицательный знак, причем знак r такой же, как и знак большего по модулю из r и r.
Комплексная поляризационная эффективность (7) в показательной форме имеет вид
где ϕ - относительная фаза сигнала на выходе приемной антенны.
Из (7) и (10) с учетом (9), величина ϕ определяется из выражения
Из (11) может быть определена зависимость относительной фазы сигнала от угла γ - фазовая поляризационная диаграмма
эф
эф
Из (12) видно, что при увеличении угла у и положительном значении r фаза сигнала на выходе приемной антенны увеличивается, а при отрицательном значении r - фаза уменьшается.
1
2
При использовании на прием и передачу двух идентичных антенн (r=r=r) эффективный коэффициент эллиптичности определяется по формуле
эф
эф
Из (13) видно, что при правом направлении вращения вектора напряженности электрического поля идентичных антенн (г>0), r имеет положительное значение, а при левом направлении вращения вектора напряженности электрического поля идентичных антенн (r<0), r имеет отрицательное значение.
эф
эф
эф
Таким образом, при использовании на прием и передачу двух идентичных антенн знак r и направление вращения вектора напряженности электрического поля этих антенн могут быть определены по результатам измерения фазы сигнала на выходе приемной антенны в процессе увеличения угла γ исходя из условия: - правое (r>0), если фаза увеличивается и левое (r<0), если фаза уменьшается.
Из (7), (8) и (9) следует, что модуль эффективного коэффициента эллиптичности может быть определен, по результатам измерений поляризационной диаграммы по формуле.
где Р(γ) - поляризационная диаграмма;
- минимальное значение амплитуды сигнала на выходе приемной антенны;
- максимальное значение амплитуды сигнала на выходе приемной антенны;
мин
P(γ) - минимальное значение поляризационной диаграммы;
макс
P(γ) - максимальное значение поляризационной диаграммы;
п
η(γ=90°) - минимальное значение поляризационной эффективности;
п
макс
ηP(γ=0) - максимальное значение поляризационной эффективности.
Из (13) получается квадратное уравнение относительно коэффициента эллиптичности идентичных антенн
Корни этого уравнения определяются по формуле
эф
В (14) необходимо подставлять r со знаком «плюс» для правого направления вращения вектора напряженности электрического поля измеряемых антенн и знак «минус» - для левого направления вращения.
Меньший, по модулю, корень этого уравнения равен коэффициенту эллиптичности идентичных антенн, и определяется по формуле
Больший, по модулю, корень равен величине, обратной коэффициенту эллиптичности идентичных антенн.
Предлагаемый способ свободен от ограничений, присущих ближайшему аналогу, так, как, для измерений используют одну пару идентичных антенн.
Кроме того, составляющая погрешности измерения амплитуды сигнала, обусловленная погрешностью измерения амплитуды анализатором цепей, примерно в 1,75 раза меньше, так как в предлагаемом способе проводится два измерения амплитуды сигнала на выходе приемной антенны, а в ближайшем аналоге шесть измерений.
Одним из источников погрешности является неидентичность антенн.
В качестве образцовых и эталонных антенн в диапазоне частот от 1 ГГц до 90 ГГц используются в основном пирамидальные, конические и гофрированные рупорные антенны. Использование обрабатывающих центров с ЧПУ для производства этих типов антенн позволяет получить высокую степень повторяемости параметров антенн, так, как, современные ЧПУ обеспечивают при изготовлении допуски величиной несколько сотых долей миллиметра.
Использование предлагаемого способа позволяет ускорить и упростить процесс измерений направления вращения вектора напряженности электрического поля и коэффициента эллиптичности поляризационного эллипса антенн.