RU2104561C1 - Способ измерения коэффициента усиления антенн и устройство для его реализации - Google Patents

Abstract

Использование: изобретение относится к радиотехнике, а именно, к антенной технике и технике антенных измерений. Способ может быть использован при контроле работоспособности антенн радиоцентров, когда требуется высокая точность измерения коэффициента усиления и входного импеданса антенн без излучения в эфир исследуемой антенной электромагнитных волн и при наличии повышенного уровня внешних помех. Система измерения состоит из двух трактов, каждый из которых включает антенну 1, блок переменных комплексных нагрузок 4 и 5, блок фильтров 6.1, 7.1, усилителей 6.2, 7.2, преобразователей частоты 6.3, 7.3. Оба тракта подключены к измерителю отношения амплитуд и разности фаз 11. Предлагаемое устройство для измерения коэффициента усиления антенн может быть использовано для исследования внешних и внутренних параметров антенн, преимущественно коротковолнового, средневолнового и длинноволнового диапазонов, когда требуется высокая точность измерений. 2 с. и 3 з.п. ф-лы, 7 ил.

Description

Предлагаемые технические решения объединены единым изобретательским замыслом и относятся к радиотехнике, а именно, к антенной технике и технике антенных измерений.

Предлагаемый способ измерения коэффициента усиления антенн может быть использован при контроле работоспособности антенн радиоцентров, когда требуется высокая точность измерения коэффициента усиления и входного импеданса антенн без излучения в эфир исследуемой антенной электромагнитных волн и при наличии повышенного уровня внешних помех. Данный способ целесообразно использовать преимущественно при исследовании антенн коротковолнового, средневолнового и длинноволнового диапазонов.

Предлагаемое устройство для измерения коэффициента усиления антенн может быть использовано для исследования внешних и внутренних параметров антенн преимущественно коротковолнового, средневолнового и длинноволнового диапазонов, когда требуется высокая точность измерений без излучения электромагнитных волн исследуемой и эталонной антеннами в условиях повышенного уровня внешних помех.

Известны способы измерения коэффициента усиления (КУ) антенн, описанные, например, в книге: Фрадин А.3, Рыжков Н.В. Измерения параметров антенно-фидерных устройств. -М. : Связь, 1972 с. 263. Однако известные способы измерения предполагают обязательное излучение электромагнитного поля в свободное пространство, что в ряде случаев недопустимо.

Известны устройства для измерения КУ антенн, наиболее полно описанные в книге: Фрадин А. 3, Рыжков Н.В. Измерения параметров антенно-фидерных устройств. -М. : Связь, 1972, с.264-265. Однако эти устройства обладают недостаточной в ряде случаев точностью измерений и, в частности, при наличии высокого уровня помех. Указанное свойство ограничивает их применение на объектах, где проверка работоспособности антенн исключает излучение электромагнитных волн.

Наиболее близким по своей сущности к предложенному способу измерения коэффициента усиления антенн является известный способ, описанный в книге: Вершков М. В. Судовые антенны. -Л. : Судостроение, 1979, с.248-249. Способ прототип включает излучение сигнала передатчиком с антенной, прием сигнала на исследуемую и эталонную антенны, измерение амплитуд принятых сигналов и вычисление по результатам измерений величины коэффициента усиления.

Недостатком прототипа данного способа измерения КУ антенн является большая погрешность измерения вследствие неодинаковой степени согласования исследуемой и эталонной антенн со входом измерителя и влияния внешних помех. Уточнение же вычисления КУ антенн с помощью измерения входного импеданса, вследствие излучения генераторного оборудования применяемых для этих целей измерителей, зачастую недопустимо.

Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому устройству измерения КУ антенн является устройство, описанное в книге: Фрадин А.З., Рыжков Н. В. Измерения антенно-фидерных устройств. -М.; Связь, 1972, с.265. Известное устройство прототип включает передатчик с антенной, исследуемую и эталонную антенны, измерительный прибор. Данное устройство позволяет измерять КУ антенн без излучения в эфир.

Недостатком прототипа устройства является большая погрешность в измерениях КУ антенны вследствие неодинаковой степени согласования детекторов со входами исследуемой и эталонной антенн (ЭА). Уточнить значение КУ исследуемой антенны (ИА) с помощью устройства для измерения входного импеданса не представляется возможным вследствие излучения генераторов измерителей, что не всегда допустимо.

Целью разработки способа измерения КУ антенн является создание технического решения, обеспечивающего измерение КУ антенн с более высокой точностью без излучения ИА и ЭА электромагнитных волн (ЭМВ) в свободное пространство и при наличии сложной помеховой обстановки.

Поставленная цель достигается тем, что в известном способе измерения КУ антенн, включающем излучение сигнала передатчиком с антенной, прием излученного сигнала на исследуемую и эталонную антенны, измерение амплитуд принятых сигналов и вычисление по результатам измерений величины коэффициента усиления, излученный передатчиком, размещенным в дальней зоне, сигнал одновременно принимают на ЭА и ИА. Калибруют тракты ИА и ЭА, затем сигналы от ИА и ЭА фильтруют, усиливают, синхронно преобразуют на низкую частоту. После этого измеряют амплитуды сигналов и по результатам измерений вычисляют КУ ИА. При этом, для калибровки трактов ИА и ЭА к выходам ИА и ЭА подключают дополнительные комплексные нагрузки, причем параметры комплексных нагрузок подбирают таким образом, чтобы соотношение амплитуд сигналов, прошедших тракты ИА и ЭА составляли 0,3...0,8 или 1/(0,3...0,8). Затем сигналы, принятые ИА и ЭА фильтруют, усиливают, синхронно преобразуют на низкую частоту, измеряют их амплитуды и разность фаз между ними. После этого изменяют параметры дополнительной комплексной нагрузки, подключенной к выходу ИА. Повторно сигналы, принятые ИА и ЭА фильтруют, усиливают, синхронно преобразуют на низкую частоту, вторично измеряют их амплитуды и разность фаз между ними. Затем изменяют параметры дополнительной комплексной нагрузки, подключенной к выходу эталонной антенны. В третий раз сигналы, принятые ИА и ЭА фильтруют, усиливают, синхронно преобразуют на низкую частоту, измеряют их амплитуды и разность фаз между ними. Далее по данным измерений вычисляют калибровочные коэффициенты исследуемой и эталонной антенн. После этого отключают комплексные нагрузки от выходов исследуемой и эталонной антенн.

Указанная новая совокупность существенных признаков позволяет измерить КУ с повышенной точностью без излучения ИА и ЭА ЭМВ в свободное пространство в условиях помех.

Целью изобретения устройства для измерения КУ антенн является разработка устройства для измерения КУ антенн без излучения ИА и ЭА ЭМВ в свободное пространство, позволяющего повысить точность измерения КУ в сложной помеховой обстановке.

Поставленная цель достигается тем, что в известном устройстве для измерения КУ антенн, включающем передатчик с антенной, исследуемую и эталонную антенны, измерительный прибор, дополнительно введены по два блока комплексных нагрузок, фильтров, усилителей, преобразователей частоты (ПЧ). Выходы ИА и ЭА подключены, соответственно, к первому и второму трактам, в каждом из которых выход блока фильтра подключен ко входу усилителя, связанного со входом ПЧ. Выход ПЧ подключен к измерительному прибору, причем вторые входы ПЧ первого и второго трактов связаны синхронизирующей линией. Первый и второй блоки комплексных нагрузок подключены, соответственно, к выходам ИА и ЭА.

При этом ПЧ второго тракта состоит из опорного генератора (ОГ), синтезатора, частот (СЧ) и смесителя, а преобразователь первого тракта включает СЧ и смеситель. Выход ОГ подключен, соответственно, ко входу СЧ второго тракта и через синхронизирующую линию (СЛ) ко входу СЧ первого тракта.

Указанная новая совокупность признаков предложенного устройства для измерения КУ антенн обеспечивает измерение КУ ИА повышенной точности без излучения в свободное пространство в сложной помеховой обстановке.

На фиг. 1 дана структурная схема, поясняющая устройство и способ измерения КУ антенн; на фиг. 2 - векторная диаграмма, поясняющая необходимость синхронизации трактов; на фиг. 3 - алгоритм определения калибровочного коэффициента Z_к; на фиг. 4 - графики зависимости погрешности измерения КУ от разброса коэффициента Z_к; на фиг. 5 - фрагмент схемы подключения комплексной нагрузки ко входу тракта и антенны; на фиг. 6 - результаты измерений входного импеданса антенн в безэховой камере; на фиг. 7 - результаты испытаний параметров антенн в реальных условиях.

Реализация предложенного способа, заключается в следующем. Сигнал частотой f_о, излученный передатчиком с антенной, размещенной в дальней зоне (S >> λ_o , где λ_o - длина рабочей волны в свободном пространстве), одновременно принимают как исследуемой, так и эталонной антеннами, где происходит преобразование его энергии от свободно распространяющихся ЭМВ в энергию высокочастотных токов проводимости.

Использование двух трактов необходимо для минимизации ошибки измерения КУ ИА, что обеспечивается жесткой калибровкой трактов принимаемых сигналов. Далее производят калибровку тракта ИА путем двукратного повторения следующего цикла действий над сигналом, принятым ИА.

В первом цикле сигналы, принятые ИА и ЭА, поступают на входы высокочастотных трактов 6 и 7 (фиг. 1). Одновременная работа двух трактов обработки принимаемых сигналов необходима для получения требуемого калибровочного коэффициента Z $\genfrac{}{}{0ex}{}{\text{и}}{\text{к}}$ исследуемой антенны, имеющего размерность Ом, поскольку только при наличии двух одновременно работающих независимых каналов можно измерить разность фаз между принимаемыми сигналами, что является обязательным условием точного вычисления Z $\genfrac{}{}{0ex}{}{\text{и}}{\text{к}}$ .

Для этой цели параллельно входам ИА и ЭА подключают перестраиваемые комплексные нагрузки 4 и 5, соответственно. При этом нагрузку 5 устанавливают в любом положении, а нагрузку 4 подбирают таким образом, чтобы обеспечить уровень напряжения в канале 10 второго тракта равным (0,3...0,8) или 1/(0,3. . . 0,8) от уровня напряжений в канале 9 первого тракта. Назовем это условие "условием калибровки".

В обоих трактах сигналы фильтруют от внешних помех в устройствах 6.1 и 7.1, так как их частотные характеристики имеют крутые фронты полосы пропускания и строят по типу Чебышевских или Золотаревских фильтров. Фильтрация обеспечивает точность измерения КУ ИА, так как в условиях внешних помех результаты измерений калибровочного коэффициента или входного импеданса имеют существенный разброс, а зачастую совсем неверны. Далее сигналы усиливают и преобразуют на низкую частоту. Преобразование на низкую частоту необходимо во-первых, для обеспечения свертки сигнала и получения энергетического выигрыша, то есть увеличения соотношения сигнал/шум. Во-вторых известно, что более высокую точность измерения фазовых соотношений можно получить при снижении рабочей частоты сигнала, поступающего на вход измерителя. В свою очередь, измерение разности фаз невозможно без синхронизации обоих трактов по высокой частоте.

Необходимость синхронизации поясняется векторной диаграммой (фиг. 2), на которой отображены векторы несинхронизированных сигналов. Реальные части векторов exp[i φ₁ (t)] и exp[i φ₂ (t)] - есть собственно контролируемые сигналы. Как видно из фиг. 2 отсутствие синхронизации сигналов приводит к разным круговым скоростям вращения векторов, что отражается в разнице амплитуд мгновенных значений сигналов.

Отфильтрованные, усиленные и преобразованные на низкую частоту сигналы поступают на входы 9 и 10 измерителя 11 разности фаз и отношения амплитуд. При этом отмечают значения амплитуды

и разности фаз Δφ $\genfrac{}{}{0ex}{}{\text{и}}{\text{1}}$ = φ $\genfrac{}{}{0ex}{}{\text{и}}{\text{1}}$ - φ $\genfrac{}{}{0ex}{}{\text{и}}{\text{э}}$ в трактах.

Во втором цикле сигналы, принятые ИА и ЭА также поступают на входы высокочастотных трактов, при этом изменяют параметры комплексной нагрузки 4 тракта ИА, при соблюдении "условия калибровки", чем изменяют условия согласования входа ИА со входом первого тракта. Это фиксируют измерением амплитуды

на входе 9 измерителя и разности фаз Δφ $\genfrac{}{}{0ex}{}{\text{и}}{\text{2}}$ = φ $\genfrac{}{}{0ex}{}{\text{и}}{\text{2}}$ - φ $\genfrac{}{}{0ex}{}{\text{и}}{\text{э}}$ в трактах.

Калибровочный коэффициент Z $\genfrac{}{}{0ex}{}{\text{и}}{\text{к}}$ рассчитывают по формуле:

Z_т1 - комплексное входное сопротивление тракта ИА, которое полагается известным;
Z $\genfrac{}{}{0ex}{}{\text{и}}{\text{1,2}}$ - комплексные сопротивления нагрузки 4 при, соответственно, первом и втором измерении.

Алгоритм, поясняющий порядок калибровки тракта ИА показан на фиг. 3. Получение калибровочного коэффициента тракта ИА позволяет измерить коэффициент усиления ИА в условиях помех в режиме приема с высокой точностью.

Важность точного определения Z $\genfrac{}{}{0ex}{}{\text{и}}{\text{к}}$ поясняется графиком на фиг.4. на котором показана параболическая зависимость погрешности измерения КУ ( ΔG ) антенн от ошибки определения калибровочного коэффициента ( ΔZ $\genfrac{}{}{0ex}{}{\text{и}}{\text{к}}$ ). По физической сущности калибровочный коэффициент Z $\genfrac{}{}{0ex}{}{\text{и}}{\text{к}}$ имеет смысл входного импеданса ИА, то есть данный способ позволяет также определять внутренние параметры антенн без изменения порядка измерений.

Если внутренние параметры ЭА неизвестны, тогда входной импеданс ЭА, являющийся необходимой компонентой формулы для КУ ИА, может быть определен проведением еще одного - третьего цикла измерений принимаемых сигналов.

В третьем цикле сигналы, принятые ИА и ЭА также поступают на входы высокочастотных трактов, при этом изменяют параметры комплексной нагрузки 5 тракта ЭА при соблюдении "условия калибровки", чем изменяют условия согласования входа ЭА со входом второго тракта. Производят измерение амплитуды

на входе 10 измерителя 11 и разности фаз Δφ $\genfrac{}{}{0ex}{}{\text{э}}{\text{3}}$ = φ $\genfrac{}{}{0ex}{}{\text{э}}{\text{3}}$ - φ^э _и в трактах. Поскольку величина комплексной нагрузки 4 тракта ИА не менялась, значения фаз φ^э _и и φ $\genfrac{}{}{0ex}{}{\text{и}}{\text{2}}$ равны. Калибровочный коэффициент Z $\genfrac{}{}{0ex}{}{\text{э}}{\text{к}}$ рассчитывают по формуле:

Z_т2 - комплексное входное сопротивление тракта ЭА, которое полагается известным;
Z $\genfrac{}{}{0ex}{}{\text{э}}{\text{1}}$ - комплексное сопротивление нагрузки 5 при измерении калибровочного коэффициента Z_к тракта ИА;
Z $\genfrac{}{}{0ex}{}{\text{э}}{\text{2}}$ - комплексное сопротивление нагрузки 5 при измерении в третьем цикле.

Если внутренние параметры ЭА известны, третий цикл измерений можно не проводить.

После завершения всех циклов, связанных с калибровкой и вычислением калибровочных коэффициентов Z $\genfrac{}{}{0ex}{}{\text{и}}{\text{к}}$ и Z $\genfrac{}{}{0ex}{}{\text{э}}{\text{к}}$ , производят измерения КУ ИА, для чего отключают нагрузки 4 и 5, далее сигналы снова с выхода ИА и ЭА поступают на входы первого и второго трактов, потом сигналы фильтруют, усиливают и преобразуют на низкую частоту. Измерительным устройством фиксируют значения амплитуд

, соответственно на входах 9 и 10. Расчет КУ ИА производят по формуле:

где
Z_т1,2 - комплексные входные сопротивления первого и второго трактов;
Z_э-R_э+iX_э - комплексное входное сопротивление ЭА, которое полагается известным или может быть измерено заранее;
R_э и R_к - активные части комплексных сопротивлений ЭА и калибровочного коэффициента тракта ИА, соответственно.

Таким образом, предложенный способ измерения КУ антенн позволяет с высокой точностью измерить КУ и входной импеданс ИА и ЭА без излучения в эфир в условиях воздействия помех.

Устройство измерения КУ антенн ( фиг. 1) состоит из передатчика с антенной 1, исследуемой антенны 2, эталонной антенны 3, перестраиваемых комплексных нагрузок 4 и 5, связанных, соответственно с выходами ИА и ЗА, блоков фильтров 6.1 и 7.1, усилителей 6.2 и 7.2, преобразователей частоты 6,3 и 7.3, измерителя отношения амплитуд и разности фаз 11 с двумя входами 9 и 10, синхронизируюшей линии 8. Передатчик располагают на расстоянии S >> λ_o от ИА и ЭА, где λ_o - длина рабочей волны в свободном пространстве, то есть в дальней зоне.

ИА подключена ко входу фильтра 6.1, выход которого соединен со входом усилителя 6.2, а выход последнего соединен со входом преобразователя частоты 6.3. Фильтр 6.1, усилитель 6.2 и преобразователь частоты 6.3 составляют первый тракт 6 устройства измерения. ЭА подключена ко входу фильтра 7.1. выход которого соединен со входом усилителя 7.2, а выход последнего соединен со входом преобразователя частоты 7.3. Фильтр 7.1, усилитель 7.2 и преобразователь частоты 7.3 составляют второй тракт 7 устройства измерения.

Комплексные нагрузки подключены параллельно, соответственно, ко входам ИА и ЭА. Вариант подключения нагрузок ко входам антенн показан на фиг. 5, где 2,3-ИА и ЭА, 4,5 - комплексные нагрузки. Устройство комплексных нагрузок в общем виде может включать переменные емкостные, индуктивные и активные сопротивления, то есть положение переключателя может быть в одном из положений b, c, d ( фиг. 5).

Преобразователь частоты 7.3 включает опорный генератор (ОГ) 7.3.1, синтезатор частот (СЧ) 7.3.2 и смеситель 7.3.3. Преобразователь частоты 6.3 включает СЧ 6.3.1 и смеситель 6.3.2. Выход ОГ 7.3.1 подключен ко входу синтезатора частот 7.3.2 и через СЛ 8 ко входу СЧ 6.3.1. Выходы преобразователей частоты 6.3 и 7.3 подключены, соответственно, к 9 и 10 входам измерителя отношения амплитуд и разности фаз 11. В частном случае первый и второй тракты могут быть реализованы на основе серийно выпускаемых радиоприемников супергетеродинного типа, имеющих в составе смесители, синтезаторы частот, опорные генераторы, высокочастотные усилители и фильтры. При использовании таких приемников необходимо в приемнике первого тракта отключить ОГ и соединить вход его синтезатора частот с выходом ОГ приемника второго тракта.

Устройство для измерения КУ антенн работает следующим образом. Исследуемая антенна 2 принимает и преобразует сигналы излученные передатчиком 1 с антенной. Комплексная нагрузка подключается ко входу антенны, что изменяет общий импеданс, который теперь определяется как комплексной нагрузкой, так и самой ИА. Сигналы поступают на вход фильтра, затем их усиливают в усилителе и преобразуют на низкую частоту в ПЧ. Аналогичные действия происходят во втором тракте устройства, к которому подключена ЭА. ПЧ обоих трактов синхронизированы от одного опорного генератора с помощью синхронизирующей линии.

Преобразованные сигналы поступают на входы 9 и 10 измерителя 11. Далее производят калибровку тракта ИА и ЭА по методике, описанной выше в предложенном способе. Затем нагрузки 4 и 5 отключают (переключатель в положении "а", фиг. 5) и производят измерение амплитуд сигналов в обоих трактах устройства. Вычисление КУ ИА производят по вышеприведенной формуле (6).

Обоснованность предложений проверялась на установке, собранной по схеме, показанной на фиг. 1. Применительно к несимметричной штыревой антенне высотой h - 2.8 м на фиг. 6 приведены результаты измерений входного импеданса в безэховой камере с помощью измерителя импеданса ВМ 538 (штриховая линия) и используя предложенный способ и устройство (сплошная линия). В качестве измерителя отношения амплитуд и разности фаз использовался прибор ФК2-12. Как видно из фиг. 6, отличия в полученных значениях несущественны.

При измерении же в диапазоне длинных и средних волн, насыщенном внешними помехами, результаты, получаемые с помощью прибора ВМ 538, будут давать недопустимые ошибки, что подтверждается измерениями. Результаты измерений в реальных условиях показаны на графиках фиг. 7. Таким образом, для низкочастотных диапазонов использование прибора ВМ 538 не представляется возможным из-за нестабильности показаний, вызванных влиянием помех.

Использование предложенного устройства может найти широкое применение при контроле работоспособности как антенно-фидерного тракта, так и радиоцентра в целом, так как точное измерение входного импеданса антенн позволяет построить их неизлучающие эквиваленты.

Claims (5)

1. Способ измерения коэффициента усиления антенн, включающий излучение сигнала передатчиком с антенной, прием излученного сигнала на исследуемую и эталонную антенны, измерение амплитуд принятых сигналов и вычисление по результатам измерений величины коэффициента усиления, отличающийся тем, что излученный передатчиком, расположенным в дальней зоне, сигнал одновременно принимают на эталонную и исследуемую антенны, калибруют тракты исследуемой и эталонной антенн, затем сигналы от исследуемой и эталонной антенн фильтруют, усиливают, синхронно преобразуют на низкую частоту, после чего измеряют их амплитуды и по результатам измерений вычисляют коэффициент усиления.

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что для калибровки трактов исследуемой и эталонной антенн к их выходам подключают дополнительные комплексные нагрузки, после чего сигналы, принятые исследуемой и эталонной антеннами, фильтруют, усиливают, синхронно преобразуют на низкую частоту, измеряют их амплитуды и разность фаз между ними, затем изменяют параметры дополнительной комплексной нагрузки, подключенной к выходу исследуемой антенны, и вновь сигналы, принятые исследуемой и эталонной антеннами, фильтруют, усиливают, синхронно преобразуют на низкую частоту, вторично измеряют их амплитуды и разность фаз между ними, после чего изменяют параметры комплексной нагрузки, подключенной к выходу эталонной антенны, и в третий раз сигналы, принятые исследуемой и эталонной антеннами фильтруют, усиливают, синхронно преобразуют на низкую частоту, измеряют их амплитуды и разность фаз между ними и по данным измерений вычисляют калибровочные коэффициенты исследуемой и эталонной антенн, после чего комплексные нагрузки отключают от выходов исследуемой и эталонной антенн.

3. Способ по пп.1 и 2, отличающийся тем, что подключенные комплексные нагрузки выбирают с параметрами, при которых соотношение амплитуд сигналов, прошедших тракты исследуемой и эталонной антенн, составляет 0,3 0,8 или 1 0,3 0,8.

4. Устройство для измерения коэффициента усиления антенн, содержащее передатчик с антенной, исследуемую и эталонную антенны, измерительный прибор, отличающееся тем, что дополнительно введены по два блока комплексных нагрузок, фильтров, усилителей, преобразователей частоты, причем выходы исследуемой и эталонной антенн подключены соответственно к первому и второму трактам, в каждом из которых выход блока фильтра подключен к входу усилителя, связанного с входом преобразователя частоты, а выход последнего подключен к измерительному прибору, причем вторые входы преобразователей частоты первого и второго трактов связаны синхронизирующей линией, а первый и второй блоки комплексных нагрузок связаны с выходами исследуемой и эталонной антенн с возможностью из отключения.

5. Устройство по п. 4, отличающееся тем, что преобразователь второго тракта состоит из опорного генератора и синтезатора частот, причем выход опорного генератора подключен соответственно к второму входу синтезатора частот второго тракта и через синхронизирующую линию к второму входу синтезатора частот первого тракта.

Images