ПАРАМЕТРЫ АНТЕНН И СПОСОБЫ ИХ ИЗМЕРЕНИЯ
Поляризационные параметры антенн - поляризация антенны
Антенны характеризуются ближней и дальней зонами излучения. Все параметры антенн относятся к дальней зоне излучения, где излучаемая антенной волна считается плоской волной с поперечными ортогональными составляющими электрического поля и магнитного поля.
Под поляризацией волны понимается ориентация в пространстве вектора электрического поля . В общем случае если вектор (и, соответственно, вектор ) при распространении волны остается параллельным самому себе, то поляризация поля линейна. В частном случае если вектор расположен горизонтально (параллельно земле см. рис.2б), а вектор вертикально (перпендикулярно земле), то волна является горизонтально поляризованной. В случае если вектор расположен вертикально (перпендикулярно земле см. рис.2а), а вектор горизонтально, то волна является вертикально поляризованной.
Рис.2. Параметры антенн
Если вектора и при распространении волны движутся по окружности (см. рис.2в), то поляризация волны круговая. Различают правое и левое направление вращения. При правом направлении, вращение, например, вектора для наблюдателя, смотрящего вслед волне, происходит по часовой стрелке, при левом направлении – против часовой стрелки. Полный оборот вектор осуществляет при распространении на расстояние равное длине волны в свободном пространстве.Вид поляризации электромагнитной волны, принимаемой или излучаемой антенной, определяется расположением и формой проводников антенны. Так, например, антенна в виде вертикально расположенных линейных проводников (см. рис. 3а) излучает (принимает) вертикально поляризованные волны. Соответственно антенна с горизонтально расположенными проводниками (см. рис.3б) – горизонтально поляризованные волны.
а) б)
Рис.3. Параметры антенн - поляризация
Использование антенн с различной поляризацией позволяет уменьшить взаимное влияние радиотехнических систем с близкими рабочими частотами на 10..20 дБ, что в ряде случаев может явиться единственным решением проблемы электромагнитной совместимости.
Диаграмма направленности антенны
Одной из основных характеристик вляется диаграмма направленности антенны , характеризующая зависимость амплитуды излучаемого поля от угловых координат при неизменном расстоянии от антенны до точки наблюдения. Обычно ограничиваются построением диаграммы направленности в двух взаимно перпендикулярных E и H плоскостях. Пример диаграммы направленности показан на рис 4 а, б. По радиусу отложено значение амплитуды излучаемого поля нормированное к значению амплитуды в главном максимуме.
а) Е-плоскость б) Н-плоскость
Рис.4
Диаграмма направленности антенны характеризуется следующими параметрами:
· Ширина главного лепестка в Е и Н плоскостях по уровню 3 дБ (в градусах);
· Максимальный уровень боковых лепестков Абок(дБ);
· Максимальный уровень заднего излучения Азд(дБ).
Наличие задних и боковых лепестков свидетельствует о том, что антенна излучает радиоволны не только в области главного лепестка, но и в других направлениях, что может создавать помехи другим радиотехническим системам и снижает помехоустойчивость, если антенна работает на прием. Поэтому при проектировании антенн стремятся к уменьшению уровней бокового и заднего излучения.
Коэффициент усиления - услиление антенны
Антенна, являясь пассивным устройством, излучает в пространство несколько меньшую мощность Ризл, чем та, что поступает на вход антенны Рвх. Это связано с омическими потерями в элементах конструкции антенны. Существуют понятия, коэффициент полезного действия антенны равный
и коэффициент направленного действия, характеризующий способность антенны концентрировать излученную мощность в определенном направлении.
Коэффициент направленного действия есть отношение среднего (во времени) значения плотности потока мощности, излучаемого антенной в данном направлении, (характеризуемом углами jо, qо сферической системы координат), к плотности потока мощности изотропной антенны. При этом считается, что излучаемые мощности равны и точка наблюдения находится на одинаковом расстоянии от антенн. Изотропная антенна - воображаемая антенна, у которой полностью отсутствуют направленные свойства, т.е. пространственная диаграмма имеет вид сферы. Из определения следует, что коэффициент направленного действия является функцией углов j, q и обозначается D(j,q), и не учитывает потерь мощности в антенне, поэтому вводится параметр G, учитывающий эти потери и называемый коэффициент усиления антенны
G = D(j,q)h
Коэффициент усиления есть отношение среднего (во времени) значения плотности потока мощности, излучаемого антенной в данном направлении (характеризуемом углами jо, qо сферической системы координат) к плотности потока мощности изотропной антенны. При этом считается, что подводимые к входам антенн мощности равны и точка наблюдения находится на одинаковом расстоянии от антенн. При этом предполагается, что h изотропной антенны равен 1.
Для практического использования коэффициент усиления обычно представляют графически в полярных координатах от углов j, q для Е и Н плоскостей. По радиусу диаграммы откладывают абсолютную величину коэффициента усиления в дБ, как показано на рис.5а,б. В этом случае диаграмма несет значительно большую информацию, чем диаграмма рис.3а,б. Окружность со значением 0 дБ представляет диаграмму направленности изотропного излучателя.
а) Е-плоскость б) Н-плоскость
Рис.5
С помощью диаграммы рис.5 просто определить усиление антенны в зависимости от направления излучения.
Согласование антенны с фидерным трактом
Количественной характеристикой согласования антенны с фидерным трактом является величина модуля коэффициента отражения по напряжению |Г|, численно равная отношению амплитуды напряжения отраженной волны Uотр к амплитуде напряжения падающей волны Uпад
|Г|-изменяется в пределах от 0 до 1. При |Г|=0 тракт идеально согласован (нет отраженной волны). Вследствие наложения падающих и отраженных волн в фидерном тракте устанавливается некоторое распределение напряжения. Характер этого распределения повторяется по длине кабеля L с периодом lк/2 (см. рис.6), lк – длина волны в кабеле.
Рис.6
Отношение Uмакс/Uмин (см. рис.6) называется коэффициентом стоячей волны (КСВ) по напряжению. Именно величина КСВ, как правило, указывается в технических характеристиках антенн. КСВ и |Г| связаны между собой простым соотношением
На что влияет рассогласование антенны с фидерным трактом?
а) Уменьшается мощность, излучаемая антенной Ризл в окружающее пространство. Уменьшение излучаемой мощности по отношению к мощности на входе антенны Рвх, выраженное в дБ рассчитывается по формуле
На графике рис.7 показана зависимость Ризл/Рвх от КСВ. Из графика видно, что с увеличением КСВ излучаемая мощность уменьшается и, следовательно, максимальная дальность связи также уменьшится.
Рис.7
б) Уменьшается мощность, поступающая с выхода передающего устройства на вход антенны. Это уменьшение связано с зависимостью входного сопротивления антенно-фидерного тракта Zвх от КСВ в соответствии с выражением
,где Z0 - волновое сопротивление кабеля, a = 2pL/lк - электрическая длина кабеля, L - физическая длина кабеля.
На графике (рис.8) представлена зависимость активной Re(Zвх) и реактивной Im(Zвх) составляющих от электрической длины для волнового сопротивления Z0 =50 Ом и КСВ = 1,25; 1,5; 2,0.
Рис.8
Длина фидерного тракта, соединяющего приемопередающее устройство с антенной, выбирается из реальных условий эксплуатации и поэтому может иметь место случай, когда Re(Zвх) примет максимальное или минимальное значение (см. рис.8). В этом случае мощность, подводимая к антенне, может изменяться в КСВ2 раз, т.е. при КСВ=1,5 на 3,5 дБ, а при КСВ=2 на 6 дБ. Это может привести так же к уменьшению дальности устойчивой связи. Поэтому при проектировании антенн стремятся к уменьшению КСВ во всем рабочем диапазоне частот до уровня 1,5 и менее.
Максимальная подводимая мощность
Этот параметр относится только к приемопередающим или передающим антеннам и определяет величину максимальной мощности Рмакс, которую можно подвести к антенне не нарушая ее электрической прочности. Для систем связи Рмакс обычно не превышает 100 Вт.
Физические характеристики антенн
а) Ветровые нагрузки и вибрации. Антенны устанавливаются на мачтовых сооружениях, крышах домов, где ветровые нагрузки достигают максимальных значений. Поэтому конструкция антенны и ее элементы крепления должны быть рассчитаны на скорость ветра до 160 км/час. Кроме того, конструкция антенны должна выдерживать вибрационные нагрузки до 5g (g=9,81 м/сек2).
б) Окружающая температура при которой антенна должна сохранять свою работоспособность должна лежать в пределах от -40°С до +50°С.
в) Антенна должна быть работоспособной (при частичном ухудшении параметров) при влажности до 95% и обледенении. После прекращении действия указанных факторов паспортные характеристики антенны должны восстанавливаться.
г) Габаритные размеры с учетом элементов крепления и масса могут накладывать определенные требования к местам и способам монтажа антенн.
Измерения параметров антенн
В процессе разработки и изготовления антенн контролируются в основном три параметра: диаграмма направленности (ДН), коэффициент усиления (G) и КСВ. Причем ДН и G наиболее тщательно измеряется на этапах разработки и изготовления первой партии серийных изделий. После запуска антенны в серийное производство осуществляется 100% контроль значения КСВ , используя антенный анализатор , а ДН и G контролируется выборочно.
Антенные измерения весьма специфичны в силу того, что предъявляются достаточно жесткие требования к измерительному стенду в части уровня отражений сигналов от окружающих предметов, стен, потолка, пола. Наличие отражений искажает истинную ДН и вносит значительную погрешность в измерение G. Для качественных измерений необходимо, чтобы величина отраженного сигнала была ослаблена более, чем на 30 дБ. Это может быть достигнуто только в специальных безэховых камерах для проведения антенных измерений, где стены пол и потолок покрыты радиопоглощающим материалом определенной структуры и конфигурации, либо на открытой местности вдали от домов, и отражающих конструкций. Схема измерения ДН и G представлена на рис.9. Выбор расстояния между испытываемой и вспомогательной антеннами определяется следующими соображениями. Параметры ДН и G можно измерить с достаточной степенью точности, если испытуемая антенна облучается плоской волной, т.е. волной, у которой поверхность равных фаз представляет собой плоскость, перпендикулярную направлению распространения волны. Вспомогательная передающая антенна излучает сферическую волну, поэтому расстояние между вспомогательной и испытываемой антеннами должно быть таким, чтобы в пределах зоны с поперечными размерами не меньшими, чем максимальный размер антенны, участок фронта сферической волны был близок к плоской волне. Для антенн дециметрового диапазона расстояние А между антеннами должно быть не менее 10 м. Испытываемая антенна устанавливается на поворотное устройство, позволяющее устанавливать и регистрировать угловые перемещения в 1°. Сигнал от задающего генератора подается на вход вспомогательной антенны. Так как процесс снятия диаграммы направленности может занимать достаточно длительное время, то необходимо поддерживать стабильным уровень сигнала на входе вспомогательной антенны. В качестве индикатора обычно используется измерительный приемник или анализатор спектра. Поворачивая испытываемую антенну с шагом 5°… 10°, по индикатору фиксируют уровни сигнала на выходе испытываемой антенны. По результатам измерений строят нормированную диаграмму направленности (см. рис.4).
Антенные измерения весьма специфичны в силу того, что предъявляются достаточно жесткие требования к измерительному стенду в части уровня отражений сигналов от окружающих предметов, стен, потолка, пола. Наличие отражений искажает истинную ДН и вносит значительную погрешность в измерение G. Для качественных измерений необходимо, чтобы величина отраженного сигнала была ослаблена более, чем на 30 дБ. Это может быть достигнуто только в специальных безэховых камерах для проведения антенных измерений, где стены пол и потолок покрыты радиопоглощающим материалом определенной структуры и конфигурации, либо на открытой местности вдали от домов, и отражающих конструкций. Схема измерения ДН и G представлена на рис.9. Выбор расстояния между испытываемой и вспомогательной антеннами определяется следующими соображениями. Параметры ДН и G можно измерить с достаточной степенью точности, если испытуемая антенна облучается плоской волной, т.е. волной, у которой поверхность равных фаз представляет собой плоскость, перпендикулярную направлению распространения волны. Вспомогательная передающая антенна излучает сферическую волну, поэтому расстояние между вспомогательной и испытываемой антеннами должно быть таким, чтобы в пределах зоны с поперечными размерами не меньшими, чем максимальный размер антенны, участок фронта сферической волны был близок к плоской волне. Для антенн дециметрового диапазона расстояние А между антеннами должно быть не менее 10 м. Испытываемая антенна устанавливается на поворотное устройство, позволяющее устанавливать и регистрировать угловые перемещения в 1°. Сигнал от задающего генератора подается на вход вспомогательной антенны. Так как процесс снятия диаграммы направленности может занимать достаточно длительное время, то необходимо поддерживать стабильным уровень сигнала на входе вспомогательной антенны. В качестве индикатора обычно используется измерительный приемник или анализатор спектра. Поворачивая испытываемую антенну с шагом 5°… 10°, по индикатору фиксируют уровни сигнала на выходе испытываемой антенны. По результатам измерений строят нормированную диаграмму направленности (см. рис.4).
Рис.9
Коэффициент усиления антенны определяется сравнением уровня сигнала на выходе испытуемой антенны с уровнем сигнала на выходе эталонной антенны с известным коэффициентом усиления и расположенной в том же месте, что и испытываемая антенна. Максимумы основных лепестков диаграмм направленности обеих антенн должны быть ориентированы в сторону излучающей антенны. Для уменьшения возможных ошибок, связанных с отражением внутри камеры, желательно, чтобы диаграмма направленности испытуемой и эталонной антенн были близки.
Существует еще один метод определения G - расчет по измеренной нормированной диаграммы направленности с помощью специального программного обеспечения на персональном компьютере. Этот метод позволяет оценить достоверность проведенных измерений ДН и G. Корректно проведенные измерения дают расхождения в измеренном и расчетном значениях G в 5%…10%.
Существует еще один метод определения G - расчет по измеренной нормированной диаграммы направленности с помощью специального программного обеспечения на персональном компьютере. Этот метод позволяет оценить достоверность проведенных измерений ДН и G. Корректно проведенные измерения дают расхождения в измеренном и расчетном значениях G в 5%…10%.
Хорошо отработанная и настроенная антенна имеет КСВ менее 1,5 во всем рабочем диапазоне частот. Измерение КСВ обычно производится с помощью панорамного измерителя - антенного анализатора , в цеховых условиях. При проведении измерений необходимо, чтобы антенна была расположена не ближе 5 м от отражающих предметов, домов антенн.
