Методическое руководство к лабораторным работам по курсу Электродинамика и антенно-фидерные устройства (стр. 8 )

2 Основные характеристики антенн и методы их измерения

1) Диаграмма направленности F(q, j)– представляет собой нормированную функцию координат q и j в сферической системе координат с центром, совпадающим с фазовым центром (центром излучения) антенны. Для приемной антенны функция нормированной ДН характеризует относительное изменение интенсивности принимаемых сигналов в зависимости от направления прихода сигналов. Для передающей антенны функция нормированной ДН характеризует относительное изменение интенсивности сигналов, излучаемых в различных направлениях относительно центра антенны. Диаграмма направленности представляет векторную комплексную функцию, описывающую амплитудную, поляризационную и фазовую структуру поля антенны в дальней зоне.

В основном измеряется амплитудная ДН на одной поляризации передающей и приемной антенн. При измерении комплексной ДН проводятся совместные измерения амплитуды и фазы, при измерении векторной ДН – измерения амплитуды, фазы и поляризационные параметры в каждом направлении пространства (коэффициент эллиптичности и т. д.).

Для оценки качества антенной системы помимо пространственной ДН вида F(q, j) достаточно проводить измерения ДН вида F(q0, j) и F(q, j0), соответствующих взаимно-ортогональным сечениям пространственной ДН, проходящим через направления q0, j0 главного максимума ДН антенны, называемых главными сечениями. ДН может быть измерена в режиме передачи и приема, наиболее распространен режим приема. Чтобы обеспечить измерения в разных сечениях, измерительные комплексы оборудованы опорно-поворотными устройствами, позволяющими вращать испытуемую антенну вокруг вертикальной и горизонтальной осей, и датчиками углового положения.

Самый распространенный метод измерения ДН - метод вышки: в основу метода положено использование измерительной антенны, удаленной на такое расстояние от измеряемой антенны, что поле в плоскости раскрыва измеряемой антенны можно считать равномерным по амплитуде и синфазным, т. е. проводятся измерения в дальней зоне антенны. При реальных измерениях за счет конечного расстояния между раскрывами возникают методические погрешности. Минимальное допустимое расстояние между раскрывами определяется как

,

где D - максимальный линейный размер раскрыва измеряемой антенны,

l - длина волны.

Метод вышки позволяет исключить влияние отражения от подстилающей поверхности. Высота измерительной антенны должна обеспечить отсутствие зеркального отражения. Испытуемая антенна облучается главным лепестком измерительной антенны.

Процедура определения нормированной ДН вида F(q, j0) заключается в измерении амплитуды сигнала при последовательной ориентации испытуемой антенны под углом q (при фиксированном j) на направление облучающей антенны. Аналогично и для ДН вида F(q0,j). Нахождение значения нормированной ДН сводится к вычислению отношений между значениями амплитуд сигналов для каждого угла и значением амплитуды сигнала для главного максимума ДН антенны.

F(q, j)=P(qi, ji)/P(q0,j0) – выражение для линейного масштаба;

F(q, j)=P(qi, ji) – P(q0,j0) для логарифмического масштаба

ДН можно построить и в полярных, и в декартовых координатах.

Задача измерения не заканчивается определением формы ДН и структуры бокового излучения. В зависимости от типа и назначения измеряемых антенн значительный интерес представляют вторичные параметры измеренной ДН– ширина ДН на заданном уровне (например, -3 дБ), угол наклона главного максимума (q0,j0). Ширина ДН по заданному уровню обычно определяется как разность координат равного уровня на противоположных склонах в главных сечениях пространственной ДН.

Dq = q2(Fi, j0)- q1(Fi, j0)

Dj = j2(Fi, q0)- j1(Fi, q0)

2. Коэффициент усиления G(q, j) представляет собой ненормированную функцию координат j и q в той же системе координат, что и ДН антенны. Для приемной антенны КУ характеризует выигрыш в мощности принятого сигнала с направлением j, q по сравнению с гипотетической эквивалентной всенаправленной (изотропной) приемной антенной. Для передающей антенны КУ характеризует выигрыш в интенсивности излучаемой мощности на направлению j, q по сравнению с эквивалентной изотропной передающей антенной. Существуют несколько методов измерения КУ: абсолютный и метод сравнения с эталонной. В методе сравнения при ориентации измеряемой антенны главным максимумом измеряют амплитуду сигнала (мощность Ри) на выходе антенно-фидерного тракта. Затем, не меняя уровня излучаемой мощности, чувствительности приемника, на место измеряемой антенны устанавливают эталонную (образцовую) антенну с аттестованным Gэт, эталонную антенну ориентируют главным максимумом на облучающую антенну, измеряют значение амплитуды (мощности Рэт) сигнала. Значение КУ испытуемой антенны определяется из соотношения в относительных единицах и в децибелах.

3 Методика измерения

Рисунок 8.1 Схема измерения ДН в безэховой камере

1- вариант с использованием измерительного приемника П5-13

2- вариант с использованием измерительного приемника П7-13

3.1 Антенну закрепить в держателе, установленном на опорно-поворотном устройстве (ОПУ) приемного поста. Соединить вход антенны с приемным трактом стенда измерения ДН.

3.2 Начальную установку антенны произвести поворотом ее вместе с держателем (поворотом ОПУ) до совмещения линии прицеливания с прицельным устройством облучающего рупора. При этом деление 0° шкалы лимба ОПУ должно устанавливаться против нулевой риски нониуса. В случае отсчета углов поворота ОПУ по измерителю П7-13 после прицеливания установить нулевые показания на индикаторе отсчета углов.

3.3 Вращением ОПУ вокруг вертикальной оси (вручную или автоматически с помощью пульта) по часовой стрелке (против часовой стрелки) относительно нулевого положения установить антенну в положение максимального принимаемого сигнала. Ослабление измерительного аттенюатора установить равным 25 дБ. Отсчитать угол наклона главного максимума q0 по нониусу ОПУ или по цифровому индикатору П7-13

Регулируя величину усиления приемного устройства, установить стрелку индикаторного прибора приемного устройства на одно из делений шкалы во второй ее половине.

При работе с измерителем П7-13 после установки антенны в положение максимального сигнала в соответствии с настоящим пунктом с помощью соответствующих регулировок П7-13 установить на индикаторе амплитуды показание 0,5…3,0 дБ.

3.4 Уменьшить показания измерительного аттенюатора на 3 дБ. Вращая ОПУ вокруг вертикальной оси, определить величины углов q1 – по переднему фронту и q2 – по заднему фронту, при которых стрелка индикаторного прибора приемного устройства займет положение на шкале, зафиксированное в 3.3. Определить ширину ДН как разность значений углов q1 и q2.

При работе с измерителем П7-13 отсчет углов производится по цифровому индикатору при показаниях индикатора амплитуды на 3 дБ больших зафиксированных в 4.2.5.

3.5. Вращая ОПУ фиксировать побочные максимумы (боковые лепестки) и сравнивать их величину с главным максимумом ДН. Определить максимальное значение боковых лепестков как разность сигналов в направлении главного максимума и в направлении данного лепестка в децибелах.

4 Порядок выполнения работы

1 Измерить диаграмму направленности волноводно-щелевой антенной решетки в меридиональной (горизонтальной) плоскости на стенде измерения диаграмм, определить угол наклона главного максимума, ширину ДН по уровню половинной мощности (-3 дБ), уровень боковых лепестков.

2 Построить зависимость от угла наклона.

5 Содержание отчета

Титульный лист, цель работы, схема измерения, таблицы измеренных значений, графики ДН в декартовой системе координат, выводы.

6 Контрольные вопросы

1 Методы антенных измерений.

2 Преимущества измерения параметров антенн в безэховой камере.

3 Методы измерения коэффициента усиления.

4 Как определяется дальняя зона антенны?

5 Как вычисляется нормированная диаграмма направленности?

6 Основные особенности метода вышки.

7 Как измеряется угол наклона ДН?

8 Как измеряется ширина ДН?

9 Что характеризует коэффициент усиления для приемной и передающей антенн?

10 Что такое главные сечения ДН?