 |
§ 6. 7. Экспериментальное определение характеристик направленности
|
|
|
|
Методика измерения характеристик направленности в значительной степени зависит от диапазона волн, в котором используется антенна.
Однако, независимо от рабочей длины волны, при проведении измерений расстояние между приемной и передающей антеннами не должно быть малым по сравнению с длиной волны и размерами антенн. Если это условие не выполняется, то при измерениях ДН и коэффициента усиления возникают фазовые и амплитудные ошибки, а также ошибки за счет взаимного влияния антенн, приводящие к отличию экспериментально снятых характеристик от характеристик антенны в дальней зоне.
Рис. 6. 4. К определению расстояния между приемной 1 и передающей 2 антеннами: а-приемная антенна имеет большие размеры; б-обе антенны имеют большие размеры
На рис. 6. 4 через 
обозначено расстояние между передающей антенной малых размеров и приемной антенной больших размеров. Если расстояние 
очень велико, то электромагнитная волна, падающая на приемную антенну с размером 
, имеет фактически плоский фазовый фронт. Этому условию соответствует определенная ДН приемной антенны. Однако при малом расстоянии фаза поля падающей волны в разных точках по длине приемной антенны будет неодинаковой. Наибольшая разность хода лучей 
(рис. 6. 4, а), определяющая максимальное отклонение фазы,
Измерения показывают, что при 
искажения ДН незначительные по сравнению с ДН, которая получилась бы при плоском фронте. Поэтому расстояние между антеннами должно быть
Для антенн осевого излучения, имеющих малые размеры поперечного сечения и значительную длину вдоль оси, условие (6. 12) представляется в виде
|
|
|
где 
длина антенны;
максимальный угол между осью антенны и направлением между приемной и передающей антеннами, в пределах которого исследуется ДН.
В случае если передающая и приемная антенны имеют большие размеры (рис. 6. 4, б), необходимо учитывать, что вследствие направленного излучения передающей антенны амплитуда поля на краях приемной антенны получается меньшей, чем в центре ее. Для исключения возникающих при этом амплитудных ошибок расстояние между антеннами должно удовлетворять условию
Диаграмму направленности можно снимать, используя исследуемую антенну в режиме передачи или приема. Изменение угла 
может быть осуществлено при этом вращением исследуемой антенны вокруг оси, проходящей через данную точку, или обходом индикатора по окружности радиуса (с центром в той же точке) вокруг исследуемой антенны.
Установка для снятия ДН, состоящая из двух частей (передающей 1 и приемной 2), показана на рис. 6. 5, а. Исследуемая антенна используется здесь в режиме приема. При снятии ДН необходимо учитывать поляризацию поля исследуемой антенны, устанавливая приемную антенну в соответствии с поляризацией поля передающей антенны.
При снятии ДН антенн, которые имеют весьма большие размеры и неподвижны, например коротковолновых антенн линий связи, передающих телевизионных и радиовещательных антенн метрового диапазона, УКВ антенн радиорелейных линий связи и других, можно пользоваться как наземными измерениями, при которых вспомогательная (индикаторная) антенна располагается на поверхности земли, так и измерениями с помощью летательных аппаратов. В последнем случае вспомогательная антенна располагается на самолетах, вертолетах или на искусственных спутниках Земли [13].
|
|
|
В случае измерения характеристик направленности антенн с весьма узкими ДН (менее одного градуса) находят применение радиоастрономические методы, в которых используется радиоизлучение космических источников, создающих поле плоской волны около испытуемых антенн. Измерения с помощью космических источников возможны в диапазоне радиоволн от 
. Более длинные волны не проходят через ионосферу, а более короткие интенсивно поглощаются атмосферой. При таких антенных измерениях необходимо знать следующие параметры космических источников: их координаты, интенсивность излучения и ее распределение по диску источника и его угловой размер [13].
Рис. 6. 5. Схемы установок: a-для снятия ДН антенны; б-для измерения коэффициента усиления антенны по методу сравнения; 1-передающая антенна; 2-исследуемая антенна
Наибольшую интенсивность радиоизлучения имеет Солнце, угловой размер которого 
; телесный угловой размер 
стер.
При вращении Земли на выходе приемного устройства испытуемой антенны регистрируется сигнал, уровень которого пропорционален изменениям в ДН и, таким образом, снимается диаграмма неподвижной наземной антенны.
Кроме использования внеземных (космических) источников для снятия ДН разработан метод, позволяющий получить достаточно правильные данные по ДН в пределах главного лепестка и ближайшего бокового лепестка при наземных измерениях в ближней зоне антенны [13].
В случае антенн летательных аппаратов или антенн больших размеров, когда все антенное сооружение является громоздкой конструкцией, измерение характеристик направленности можно провести на модели антенны (или ЛА), имеющей значительно меньшие размеры по сравнению с натуральной антенной. Моделирование в электромагнитных системах основано на принципе электродинамического подобия, являющегося прямым следствием линейности уравнений Максвелла. Суть этого принципа состоит в том, что в геометрически подобных электродинамических системах распределение электрического и магнитного полей также подобно, если при уменьшении в 
раз размеров натуральной системы электрические параметры модельной системы изменены следующим образом:
|
|
|
где 
длина волны электромагнитных колебаний;
удельная электрическая проводимость;
диэлектрическая и магнитная проницаемости;
индекс, относящийся к модельной системе.
Обычно на практике уменьшают размеры моделей в раз. При этом изменением активных тепловых потерь в модели пренебрегают, так как активные потери в антенне малы по сравнению с излучаемой мощностью.
Для измерения коэффициента усиления антенн применяют методы как абсолютных, так и относительных измерений. Остановимся на одном простейшем относительном методе (методе сравнения), который широко применяется на практике для измерения к. у. При данном методе измерения к. у. исследуемой антенны сравнивается с к. у. эталонной антенны, В качестве эталонных антенн используются симметричные полуволновые вибраторы или рупоры, коэффициенты усиления которых легко и довольно точно рассчитываются. Схема установки для измерения к. у. по методу сравнения показана на рис. 6. 5, б. Исследуемая 
и эталонная 
антенны поочередно подключаются через измерительную линию (ИЛ) и согласующее устройство (СУ) к генератору 
высокой частоты. На расстоянии (6. 13) от них располагается аппаратура для измерения относительной величины напряженности поля, состоящая из приемной антенны 
и приемного устройства 
с чувствительным гальванометром ИН.
Если СУ обеспечивает постоянство подводимой мощности к исследуемой и эталонной антеннам при их поочередном подключении к генератору 
, то коэффициент усиления исследуемой антенны можно рассчитать по формуле
где 
– показания гальванометра приемного устройства при квадратичной характеристике детектора и подключении к генератору 
передающей части соответственно исследуемой и эталонной антенн;
коэффициент усиления эталонной антенны.
При измерениях обе сравниваемые антенны 
должны находится в одинаковых условиях излучения (или приема).
Исследование характеристик направленности антенн обычно производится на специально оборудованных полигонах, которые по своему устройству делятся на открытые и закрытые. Открытые полигоны представляют собой ровную площадку поверхности земли или сооружение в виде площадки с плоской поверхностью (например, крыша здания) со специальным оборудованием для антенных измерений.
|
|
|
Закрытые полигоны представляют собой площадки для антенных измерений внутри помещений. Измерения в закрытых помещениях более удобны, так как могут проводиться в любое время года, суток и не зависят от погоды. Однако закрытые полигоны имеют и существенный недостаток, который состоит в появлении паразитных связей между испытуемыми антеннами за счет полей, отраженных от стен, потолка и пола помещений. Для ослабления паразитных связей между антеннами используют безэховые камеры, представляющие собой помещение длиной до 30 м, имитирующее свободное пространство и имеющее стены, которые поглодают падающие на них электромагнитные волны, независимо от их поляризации и частоты.
На рис. 6. 6 показано продольное сечение безэховой камеры, выполненной в виде рупора. Она состоит из пирамидальной части 
в начале которой помещается вспомогательная антенна 1. Пирамидальная часть переходит в прямоугольную часть 
, которая называется рабочей зоной и заканчивается торцевой стенкой. Исследуемая антенна 2 размещается вблизи центра рабочей зоны. Вся внутренняя поверхность камеры покрыта радиопоглощающим материалом. Для уменьшения отражения поверхность поглощающего материала гофрируют, т. е. выполняют в виде пирамид или шипов, делая переход из воздуха в поглощающую среду плавным.
Рис. 6. 6. Рупорообразная безэховая камера:
1 - вспомогательная антенна; 2 - исследуемая антенна;
3 - металлический экран; 4 - поглощающий материал;
5 - высококачественный поглощающий материал торцевой стенки
Рупорообразная камера, в отличие от других камер, например прямоугольного типа [13], обладает тем преимуществом, что благодаря ее геометрии энергия распространяется параллельно поверхностям и зеркальные отражения от стен камеры отсутствуют, что позволяет получить высокие точности при снятии ДН антенн и других измерениях.
|
|
|
