Способ определения входной проводимости антенны

 

Способ определения входной проводимости антенны относится к радиоизмерительной технике и может быть использован для измерения входной проводимости антенны, а также объекта, используемого в качестве антенны, например человека. Способ определения входной проводимости антенны основан на измерении резонансной частоты и полосы пропускания колебательного контура в цепи питания антенны при подключенной антенне и без антенны, причем измерения производят при постоянной емкости и индуктивности установки, а реактивную и активную составляющие входной проводимости определяют по приведенным соотношения.

где f,Δ f и 2f_A,2 Δ f_A- резонансные частоты и полосы пропускания колебательного контура, включенного в цепь питания антенны, соответственно без антенны и при подключенной антенне, С-полная-емкость установки, включающая емкость между площадкой для установки антенны и противовесом, а также паразитные емкости измерительных цепей. 2 ил.

Предлагаемый способ относится к измерительной технике и может быть использован для измерения полной входной проводимости антенны.

Известно много способов измерения входной проводимости и входного сопротивления антенны.

Входную проводимость определяют при параллельной схеме замещения антенны, а входное сопротивление - при последовательной. Пересчет проводимости в сопротивление и обратно производят по известным соотношениям. Например, известен способ определения входного сопротивления антенны, включающий периодическое изменение величины нагрузки антенны, прием электромагнитного (ЭМ) сигнала, измерение коэффициента модуляции ЭМ сигнала и определение искомого параметра, отличающийся тем, что с целью повышения точности и упрощения процесса измерения, излучают ЭМ сигнал исследуемой антенной, а периодическое изменение величины нагрузки осуществляют путем поочередного изменения ее активной и реактивной составляющей в пределах от r₄ до r₂ и в пределах от x₁ до x₂ при величине активной составляющей r₁, соответственно и активную, и реактивную составляющие входного сопротивления антенны определяют по приведенным соотношениям (авт. св. СССР N 1760614, 1991, Бюл. N 30, с. 184).

Данный аналог позволяет определять входное сопротивление малогабаритных и несимметричных антенн при небольших методических погрешностях. Однако аналог сложен в реализации, поскольку необходимо обеспечить периодическое изменение активной и реактивной составляющей нагрузки, прием ЭМ сигнала и измерение коэффициента модуляции ЭМ сигнала.

Недостатком данного аналога является значительная аппаратурная погрешность измерения из-за влияния даже небольших напряжений мешающих воздействий на приемную антенну, удаленную от передающей антенны. Влияние мешающих воздействий можно ослабить путем увеличения мощности излучаемого ЭМ сигнала, однако при этом возрастут габариты генератора и, как следствие, методические погрешности.

Из известных способов измерения наиболее близким по технической сущности является широко распространенный метод куметра. Обычно куметр используют для измерения входного сопротивления несимметричных антенн. При этом антенну присоединяют параллельно переменному конденсатору куметра (в заявляемом способе это постоянный конденсатор). Измерения проводят в следующем порядке. Сначала к зажимам куметра подключают индуктивность (имеется в заявляемом способе) такой величины, чтобы можно было на требуемой частоте определить по индикатору (имеется в заявляемом способе) добротность контура Q1, состоящего из этой индуктивности и емкости C1 куметра. Далее параллельно конденсатору подключают антенну и вновь производят настройку всего контура в резонанс с частотой ω генератора (имеется в заявляемом способе) и определяют новое значение добротности Q₂ контура и емкости C2 куметра. По полученным данным можно рассчитать активную и реактивную составляющие входного сопротивления. Например, если входное сопротивление антенны состоит из емкости C_А и параллельно ей включенного сопротивления R_А, то .

(Фрадин А.З., Рыжков Е.В. Измерение параметров антенно-фидерных устройств. М.: Связь-издат, 1962, с. 45-49).

В прототипе, как и в заявляемом объекте, использованы генератор, индикатор, индуктивность и конденсатор. Однако в прототипе использован переменный конденсатор, что усложняет конструкцию устройства.

Недостатком прототипа является низкая точность измерений на частотах свыше (3-5) МГц. Объясняется это тем, что на высоких частотах начинает существенно сказываться влияние соединительных проводов, включенных между куметром и антенной, и снижается точность эталонных сопротивлений.

Перед изобретателем стояла задача улучшения технических параметров измерителя входной проводимости антенны.

Технический результат изобретения заключается в повышении точности измерений.

Технический результат достигается тем, что величину входной проводимости испытуемой антенны определяют по изменению резонансной частоты и полосы пропускания колебательного контура, включенного в цепь питания антенны.

Поскольку измерение частоты может быть выполнено с наибольшей точностью, а величина резонансной частоты и полосы пропускания контура не зависит от точек измерения, погрешность измерения входной проводимости антенны получается малой.

Благодаря использованию в цепи питания антенны конденсатора постоянной емкости упрощается конструкция измерителя, а также повышается возможная частота измерений, поскольку отсутствуют соединительные провода между этим конденсатором и антенной.

Наличие отличительных признаков обуславливает соответствие заявляемого технического решения критерию "новизна".

Заявляемое техническое решение соответствует также критерию "изобретательский уровень", поскольку не обнаружено решений с признаками, отличающими заявляемое техническое решение от прототипа.

Техническое решение соответствует критерию "промышленная применимость", поскольку может быть применено, например, для определения входной проводимости тела человека, используемого в качестве несимметричной штыревой антенны. Определение входной проводимости подобных нетрадиционных излучателей другими известными способами дает значительную погрешность.

На фиг. 1 показана одна из возможных функциональных схем измерителя входной проводимости антенны, где представлены: противовес антенны 1; листовой диэлектрик 2; опорная металлическая площадка 3; измеряемая антенна 4; катушка индуктивности 5; конденсаторы связи 6; амплитудный детектор 7; соединительные кабели 8; индикатор 9; согласующий резистор 10; генератор 11.

Входную проводимость антенны определяют путем измерения резонансной частоты и полосы пропускания колебательного контура, включенного в цепь питания антенны, при подключенной антенне и без нее. Измерения на каждой из частот производят при постоянной емкости и индуктивности установки.

Напряжение питания антенны приложено между металлической площадкой 3 и противовесом 1. Это один из используемых на практике вариантов питания штыревых антенн. Размеры площадки 3 должны быть значительно меньше наименьшей длины волны используемого диапазона частот. В этом случае амплитуда высокочастотного напряжения между площадкой 3 и противовесом 1 во всех точках будет практически одинакова. Такую цепь возбуждения антенны можно рассматривать как систему с сосредоточенными параметрами. Минимальный размер площадки определяется из условия удобства установки на ней исследуемой антенны, металлического цилиндра, человека, тело которого используется в качестве несимметричной штыревой антенны и т.п. Если диаметр антенны мал, то вместо площадки можно использовать конденсатор постоянной емкости. Согласующий резистор 10 использован для обеспечения в соединительном кабеле 8 режима бегущей волны. Сопротивление резистора 10 равно волновому сопротивлению кабеля 8.

Эквивалентная схема измерителя показана на фиг. 2, где B_А и G_А - реактивная и активная составляющие входной проводимости антенны; C - полная емкость установки, включающая емкость между противовесом 1 и площадкой 3, емкости цепей индикатора 9 и генератора 11, соединенные с площадкой 3 через конденсаторы связи 6 малой емкости, а также паразитную емкость катушки индуктивности 5; G - собственная проводимость измерительной установки.

Элементы L, C и G установки образуют параллельный колебательный контур с потерями. При подключении к этому контуру измеряемой антенны измеряются резонансная частота контура и его полоса пропускания. Эти изменения могут быть зарегистрированы с помощью перестраиваемого генератора 11 и индикатора 9. Как видно из фиг. 1 и 2, входная проводимость антенны определяется относительно точек оо возбуждения. Для измерения входной проводимости антенны может быть использован либо прямой метод замещения, либо косвенный, основанный на обработке экспериментальных данных.

При использовании метода замещения сначала определяют резонансную частоту и полосу пропускания установки с антенной. Затем антенну убирают и подключают между площадкой 3 и противовесом 1 проводимости такой величины, чтобы восстановить прежние значения резонансной частоты и полосы пропускания установки. При равенстве резонансных частот и полос пропускания величина использованных проводимостей, естественно, равна проводимостям антенны B_А и G_А. Достоинством этого метода является наглядность, а недостатком - большая трудоемкость, поскольку на каждой частоте измерения необходимо подбирать величины проводимостей.

От этого недостатка свободен косвенный метод. Для определения реактивной составляющей входной проводимости антенны необходимо измерить резонансные частоты колебательного контура без антенны ω и с подключенной антенной ω_A (фиг. 2). Учитывая, что при большой добротности контура (Q >> 1) его резонансная частота практически не зависит от величины активной проводимости, можно записать: .

Используя эти равенства получим .

Из равенства (1) можно определить эквивалентные параметры антенны. Например, при B_А > 0 эквивалентная емкость для параллельной схемы замещения антенны .

Для определения активной составляющей входного сопротивления антенны необходимо определить резонансные частоты и полосы пропускания колебательного контура без антенны и при подключенной антенне (фиг. 2).

Проводимость контура без антенны определяется величиной характеристического контура ρ и его добротности Q. Величина добротности в основном зависит от добротности катушки индуктивности. Проводимость контура проще всего определить на частоте ω .

.

Если при подключении антенны величина резонансной частоты установки меняется мало , то проводимости G установки на частотах f и f_А будут практически одинаковыми. Для более точного измерения проводимости установки на частоте ω_A< ω нужно параллельно катушке индуктивности подключить дополнительный конденсатор соответствующей величины при этом.

.

Проводимость контура с антенной на частоте ω_A .

.

Проводимость антенны G_А = (G_А + G) - G. Вид расчетных формул для этой проводимости зависит от знака B_А. Запишем расчетные формулы для случая, когда известна проводимость контура на частоте ω .

При B_А ≅ 0 емкость C_А = 0 и активную составляющую входной проводимости антенны можно найти из выражения G_A= 2πC(2Δf_A-2Δf). (3) .

При B_А > 0, используя формулу (2) для расчета C_А, получим .

При переходе от параллельной схемы замещения антенны (фиг. 2) к последовательной, используя известные выражения, определим составляющие входного сопротивления антенны:
.

При расчете входной проводимости антенны по формулам (1), (3), (4) необходимо знать величину полной емкости установки C. Ее можно определить резонансными методами либо путем использования образцовой катушки индуктивности L
,
либо путем использования образцовой емкости C3 с малой паразитной индуктивностью. Эту емкость необходимо включить параллельно катушке индуктивности. В последнем случае емкость установки определяется по формуле
,
где
f_min и f_max - резонансные частоты установки с подключенной емкостью C3 и без нее.

Для повышения точности измерения входного сопротивления антенны величину емкости установки следует увеличивать в основном за счет уменьшения расстояния между противовесом 1 и площадкой 3. Это объясняется тем, что при малом расстоянии между противовесом 1 и площадкой 3 электрическое поле сконцентрировано в основном между ними и потери на излучение площадки получаются пренебрежимо малыми. Кроме того, при увеличении емкости C снижается величина характеристического сопротивления контура , благодаря чему изменение резонансной частоты контура при подключении антенны получается небольшим (f_A/f≃ 1) и погрешность расчета активной проводимости антенны по формулам (3) и (4) получается пренебрежимо малой. При уменьшении величины характеристического сопротивления контура повышается его добротность , а полоса пропускания контура становится более узкой. благодаря этому повышается точность измерения резонансной частоты и полосы пропускания контура, а также снижается влияние на измеритель напряжений внешних мешающих воздействий.

Чтобы активные сопротивления генератора и детектора снижали добротность колебательной системы измерителя величину емкостей связи 6 следует выбирать достаточно малой.

Методические погрешности измерения в основном обусловлены искажением ближнего поля антенны используемыми измерительными приборами и телом оператора. Для уменьшения этих погрешностей следует увеличивать длину соединительных кабелей 8 либо использовать для измерений малогабаритный автономный автогенератор и вспомогательную приемную антенну. В этом случае катушка индуктивности 5 непосредственно входит в колебательную систему автогенератора высокочастотного сигнала. При подсоединении к опорной площадке 3 измеряемой антенны реактивная составляющая ее входной проводимости изменяет частоту колебаний автогенератора, а активная - амплитуду колебаний. Эти изменения частоты и амплитуды могут быть измерены с помощью вспомогательной приемной антенны. Поскольку амплитуда колебаний автогенератора зависит от сопротивления R его колебательной системы, а сопротивление и полоса пропускания связаны соотношением , для определения входной проводимости антенны и в случае использования автономного автогенератора можно использовать расчетные формулы (1), (3) и (4).

Таким образом, для определения входной проводимости антенны на частоте f_А необходимо выполнить следующие операции:
при подключенной антенне изменением величины индуктивности 5 установить частоту измерений f_А;
измерить полосу пропускания установки 2Δf_A при подключенной антенне;
отсоединить антенны и измерить резонансную частоту f и полосу пропускания 2Δf установки без антенны;
с использованием формулы (6) или (7) определить величину полной емкости установки C;
по формулам (1) и (3) или (4) определить реактивную и активную составляющие входной проводимости;
при необходимости определить полное сопротивление антенны по формулам (5).

Описанным способам были измерены входные проводимости штыревых антенн и тела человека, используемого в качестве несимметричной штыревой антенны, в диапазоне частот от 1 до 200 МГц. Наиболее сложно измерить проводимость человека-антенны, поскольку тело человека имеет низкое волновое сопротивление и значительные потери на высоких частотах. В работе (Андерсен И.Б., Баллинг Р. Полная проводимость и КПД человеческого тела в резонансной области //Труды ТИИЭР, 1972, N 7) приведены результаты измерения проводимости методом рефлектометра в диапазоне от 30 до 70 МГц. Однако в этой работе не удалось учесть особенности питающего устройства и определить реактивную составляющую проводимости. Это удалось сделать, используя предложенный способ определения входной проводимости антенны. Для повышения точности измерения частоты и полосы пропускания в диапазоне частот от 1 до 30 МГц были использованы генератор типа Г4-18А, вольтметр В7-15 и цифровой частотомер Ч3-33, а в диапазоне частот от 30 до 200 МГц - измеритель частотных характеристик X1-47.

Формула изобретения

Способ определения входной проводимости антенны, основанный на измерении резонансной частоты и полосы пропускания колебательного контура, включенного в цепь питания антенны, при подключенной антенне и без нее, отличающийся тем, что измерения на каждой из частот производят при постоянных емкости и индуктивности установки, а реактивную и активную составляющие входной проводимости соответственно определяют по соотношениям

при
B_A ≅ 0 G_A= 2πC(2Δf_A-2Δf),
при

где f и f_А - резонансные частоты колебательного контура, включенного в цепь питания антенны, соответственно без антенны и при подключенной антенне;
2Δf и 2Δf_A- полосы пропускания колебательного контура соответственно без антенны и при подключенной антенне;
С - полная емкость установки, включающая емкость между площадкой для установки антенны и противовесом, а также паразитные емкости измерительных цепей.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2