Способ определения взаимного сопротивления связанных антенн

 

Использование: экспериментальное определение частотных характеристик связанных антенных контуров в широком диапазоне частот. Сущность изобретения: способ заключается в последовательной компенсации активной и реактивной составляющих ЭДС посредством дополнительно сформированного вспомогательного напряжения, противофазного векторам обеих составляющих и равного по величине их модулям. Способ реализуется устройством, состоящим из генератора 1, измерителя 2 тока антенны 3, вспомогательного генератора 4, двухпроводного фидера 5, сумматора 6, двухпроводного фидера 7, второй антенны 8, измерителя 9 напряжения, второго измерителя 10 напряжения. 2 ил.

Изобретение относится к измерению параметров антенных систем и предназначено для экспериментального определения частотных характеристик взаимного сопротивления связанных антенных вибраторов (далее по тексту - связанных антенн) в диапазонах от сверхнизких до коротких волн.

Известен способ измерения взаимного сопротивления связанных антенн, непосредственно следующий из определения величины взаимного сопротивления антенных вибраторов, как отношение напряжения, наводимого в приемном вибраторе, к току, протекающему в активном (излучающем) вибраторе.

Реализация этого способа требует измерения токов и напряжений в соответствующих антенных вибраторах, а также разности фаз между ними в исследуемом диапазоне частот. Этот способ, как наиболее близкий по своим функциональным возможностям к заявляемому способу, выбирается в качестве прототипа.

При использовании способа прототипа измеряют модуль взаимного сопротивления | Z₁₂| и угол ϕ сдвига фаз между напряжением на зажимах приемной антенны и током в излучающей антенне. Активную и реактивную составляющие взаимного сопротивления определяют по формулам R₁₂= Z cos ϕ (1) X₁₂= Z sin ϕ (2) К недостаткам способа-прототипа следует отнести невозможность непосредственного независимого измерения активной и реактивной составляющих взаимного сопротивления и низкую точность измерений составляющих взаимного сопротивления, что обусловлено низкой точностью измерений фазового угла ϕ, особенно в условиях, когда имеет место значительная разница в величинах действительной и мнимой частей взаимного сопротивления. Весьма проблематичным оказывается и непосредственное применение существующих фазометров при значительном уровне внешних атмосферных помех, что имеет место в СДВ- и СВЧ-диапазонах. Последнее обстоятельство несколько ограничивает область применения способа-прототипа.

В силу перечисленных выше причин способ получил на практике применение, ограниченное измерением лишь модуля взаимного сопротивления |Z₁₂| без определения величин его составляющих.

Целью изобретения является расширение области применения, а также повышение точности измерения взаимного сопротивления связанных антенн.

На фиг. 1 представлены векторные диаграммы, поясняющие сущность заявляемого способа; на фиг. 1а - две связанные антенны, одна из которых является излучающей (первая), а другая (пассивная) находится в режиме холостого хода; на фиг. 1б, в - векторные диаграммы наведенной на пассивную антенну ЭДС и ее составляющих и соответственно, для случаев индуктивного и емкостного характеров реактивной части взаимного сопротивления X₁₂ антенн; на фиг. 1г, д - векторные диаграммы, поясняющие принцип компенсации реактивной части соответственно при индуктивном и емкостном характерах реактивной части взаимного сопротивления; на фиг. 1е - векторная диаграмма, поясняющая принцип компенсации активной части .

На фиг. 2 представлен пример схемы устройства для измерения взаимного сопротивления связанных антенн, реализующего предлагаемый способ.

Под воздействием электромагнитного поля, формируемого током I₁, протекающим в излучающей антенне (фиг. 1а), на вторую антенну наводится ЭДС: = Z₁₂· = (R₁₂± jX₁₂)= R+ I= + , (3) где Z₁₂ - комплексное взаимное сопротивление, наводимое первой антенной во вторую; - ток в первой излучающей антенне; - составляющая наведенной ЭДС , отражающая вклад активной составляющей взаимного сопротивления;
- составляющая наведенной ЭДС , отражающая вклад реактивной составляющей взаимного сопротивления.

Указанную ЭДС регистрируют измерителем напряжения (вольтметром), подключенным к выводам второй антенны. Как видно из (3), является результатом суммы двух векторов и U, отражающих вклад, соответственно активной и реактивной составляющих взаимного сопротивления Z₁₂ антенн в величину наводимой ЭДС (см. фиг. 1б, в).

Сущность предлагаемого способа заключается в последовательной компенсации составляющих и наводимой ЭДС посредством дополнительно сформированного напряжения (()), противофазного векторам и и равного по величине их модулям |U_R| и |U_X| (см. фиг. 1г, д, е).

Из векторных диаграмм видно, что при компенсации одной из составляющих наводимой ЭДС величина последней становится равной величине другой - нескомпенсированной ее составляющей, в точности отражающей вклад соответствующей части взаимного сопротивления в величину наводимой ЭДС .

Измеряя величину нескомпенсированной составляющей наведенной ЭДС и относя ее к значению тока в излучающей антенне получают величину соответствующей составляющей взаимного сопротивления.

Последовательно компенсируя сначала одну, а затем другую составляющие наведенной ЭДС, получают обе составляющие взаимного сопротивления. После этого используют в качестве излучающей - вторую антенну, а в качестве приемной - первую, и проводят описанные выше измерения.

Результаты измерений, полученные в обоих случаях, сравнивают между собой и делают заключение о погрешности измерений.

Проиллюстрируем подробно действия предлагаемого способа на примере использования схемы для измерения взаимного сопротивления связанных антенн, представленной на фиг. 2.

Схема содержит основной генератор 1, первый выход которого через измеритель 2 тока соединен с первым входом первой антенны 3, второй вход которой соединен с вторым выходом основного генератора 1, управляющий выход которого подключен к управляющему входу вспомогательного генератора 4, выходы которого подключены через двухпроводный фидер 5 к первым двум входам сумматора 6, вторые два входа которого соединены через двухпроводный фидер 7 с входами второй антенны 8, к которым подключен первый измеритель 9 напряжения, а выходы сумматора 6 подключены к входам второго измерителя 10 напряжения, при этом двухпроводные фидеры 5 и 7 имеют равные коэффициенты передачи.

Заявляемый способ измерения взаимного сопротивления реализуется описанной выше схемой измерений следующим образом.

Первоначально в генераторах 1 и 4 устанавливают значение выбранной рабочей частоты, на которой предполагается производить измерения. Далее поднимают выходное напряжение основного генератора 1 и, регулируя его, устанавливают ток I_i в (первой) антенне 3, обеспечивающий достаточный для измерений взаимного сопротивления уровень электромагнитного поля первой (излучающей) антенны 3, после чего регистрируют значение тока I₁с помощью измерителя 2 тока и величину наведенного на вторую (приемную) антенну 8 напряжения U₂ с помощью первого измерителя 9 напряжения. Далее, в зависимости от предполагаемого (расчетного) характера реактивной части взаимного сопротивления устанавливают угол сдвига фазы выходного напряжения вспомогательного генератора 4 относительно тока I₁, основного генератора 1 +90^о или -90^о и изменением величины выходного напряжения вспомогательного генератора 4 добиваются минимального значения напряжения на выходе сумматора 6, измеряемого с помощью второго измерителя 10 напряжения. Регистрируют величину минимального значения указанного напряжения, умножают ее на значение коэффициента передачи фидера и полученную величину (приведенное к входу второй антенны 8 измеренное минимальное напряжение) относят к значению тока I₁, получают в результате значение второй активной составляющей взаимного сопротивления.

После этого устанавливают угол сдвига фазы выходного напряжения вспомогательного генератора 4 относительно тока I₁, равный 180^о и, производя в том же порядке измерения и вычисления, получают величину реактивной составляющей взаимного сопротивления.

Далее производят аналогичные измерения, используя в качестве передающей вторую антенну 8, а в качестве приемной - первую антенну 3, после чего проводят операции по вычислению модуля взаимного сопротивления, сравнению результатов измерений и определению погрешности измерений.

Для снятия частотных характеристик взаимного сопротивления производят описанным выше способом на выбранных рабочих частотах исследуемого частотного диапазона.

Практическая реализация схемы измерений взаимного сопротивления, представленной на фиг. 2, может быть осуществлена, к примеру, с использованием в качестве генераторов 1 и 4 двух генераторов Г3-119, объединенных каналом общего пользования и управляемых от ЭВМ (на фиг. 2 эта связь обозначена от выхода управления генератора 1 к входу управления генератора 4, ЭВМ не показана, так как синхронизация вспомогательного генератора 4 может быть обеспечена в принципе и без нее, а установка углов сдвига фаз и набор необходимых рабочих частот может быть обеспечен органами управления генераторов Г3-119). Измеритель 2 тока реализуется в виде прецезионного шунта сопротивлением 1 Ом с подключенным параллельно его выводам лампового вольтметра соответствующего диапазона частот (к примеру серии ВК). В качестве сумматора 6 и второго измерителя 10 напряжения может быть использован селективный нановольтметр типа Т-237 или другой аналогичный ему прибор. В качестве первого измерителя 9 напряжения, в зависимости от частотного диапазона и мощности основного генератора 1, может быть использован либо вольтметр электродинамической системы класса точности 0,5:1,0, либо ламповый вольтметр аналогичный используемому в указанной реализации измерителя 2 тока.

Фидерные линии могут быть реализованы в виде двухпроводных однотипных кабелей равной длины. Последнее условие при исправности кабелей обеспечивает практическое равенство их коэффициентов передачи. При большом удалении антенн друг от друга могут быть использованы двухпроводные воздушные линии или кабели связи (или силовые), но при этом один из кабелей дополняется сосредоточенными Р, L, С элементами, обеспечивающими выравнивание амплитудно-частотных и фазовых характеристик кабеля (линий).

Использование заявляемого способа измерения взаимного сопротивления связанных антенн по сравнению с существующими способами обеспечивает более точное измерение взаимных сопротивлений, так как погрешность измерения искомых величин будет определяться погрешностями измерений токов и напряжений.

Кроме того, применение предложенного способа позволяет осуществлять измерения взаимных сопротивлений протяженных связанных антенн, расположенных на значительном удалении друг от друга, что имеет место в СНЧ-диапазоне, практически без потери точности измерений. Что касается применения в диапазоне СНЧ и способа-прототипа, то его реализация в чистом виде невозможна без введения в него таких дополнительных операций, как передача, к примеру, мгновенного значения фазы тока в активной антенне к месту измерения наведенного на пассивную антенну напряжения и измерения фазовой ошибки (набега фазы) в канале передачи фазы (расстояние между активной и пассивной антеннами в указанном диапазоне не может достигать более 10 км, т.е. предлагаемый способ расширяет область применения по отношению к известному способу-прототипу и обеспечивает при этом повышенную по сравнению с ним точность измерений взаимных сопротивлений.

Формула изобретения

СПОСОБ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ВЗАИМНОГО СОПРОТИВЛЕНИЯ СВЯЗАННЫХ АНТЕНН, включающий подведение сигнала к излучающей антенне, измерение тока в ней, прием сигнала приемной антенной и измерение напряжения на ее зажимах, определение модуля искомого параметра (Z) как отношения измеренных величин напряжения и тока, отличающийся тем, что, с целью повышения точности и упрощения способа, дополнительно формируют регулируемый по амплитуде вспомогательный сигнал той же частоты, изменяют его фазу относительно фазы тока в излучающей антенне последовательно на ±90^o в зависимости от предполагаемого характера взаимного сопротивления, и на 180^o, суммируют этот сигнал с сигналом, принятым приемной антенной после передачи этих сигналов по фидерным трактам с одинаковым коэффициентом передачи K, изменяют амплитуду вспомогательного сигнала до получения минимального значения напряжения U₁ и U₂ суммарного сигнала для каждого сдвига фаз, измеряют величину этих напряжений и определяют активную R₁ и реактивную X₁ составляющие взаимного сопротивления связанных антенн по формулам


где I - ток в излучающей антенне,
после чего используют приемную антенну в качестве излучающей, а излучающую - в качестве приемной, вновь определяют активную R₂ и реактивную X₂ составляющие взаимного сопротивления связанных антенн и для обоих случаев по формулам определяют модуль взаимного сопротивления
;

и, сравнивая полученные значения R₁, X₁ с значениями R₂, X₂, а значения между собой, судят о погрешности измерений.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2