Способ измерения коэффициента усиления антенн

Изобретение относится к технике антенных измерений и может быть использовано для исследования коэффициента усиления антенн различных радиотехнических систем. Техническим результатом является повышение точности измерения коэффициента усиления антенн в метровом и дециметровом диапазоне длин волн. В способе измерения коэффициента усиления антенн, включающим формирование высокочастотных сигналов с помощью генератора, установленного на подстилающей поверхности, измерение мощности Р_э сформированного сигнала, излучение этого сигнала на длине волны λ с помощью эталонной измерительной антенны с известной эффективной площадью S_эфф в направлении исследуемой антенны, расположенной в дальней зоне, приеме этой антенной сигнала, измерение мощности принятого сигнала Р_и и вычисление коэффициента усиления, антенны по формуле , излучают и принимают сигналы эталонной измерительной и исследуемой антеннами, размещенными, так, чтобы их фазовые центры находились на одинаковой высоте h от подстилающей поверхности и на расстоянии между антеннами . 1 ил.

 

Изобретение относится к технике антенных измерений и может быть использовано для исследования коэффициента усиления антенн различных радиотехнических систем.

Основной трудностью при проведении экспериментальных исследований по оценке коэффициента усиления антенн различных радиотехнических систем наземного базирования является многолучевой характер распространения радиоволн, обусловленный влиянием подстилающей поверхности (земли). Из-за наличия вблизи антенн поверхности земли связь между ними осуществляется не только прямым лучом, соединяющим фазовые центры передающей и приемной антенн, но и лучом, отраженным от поверхности земли. Именно этим фактором обусловлена погрешность, вносимая в результат измерения.

Для исключения влияния поверхности земли на получаемые в результате экспериментальных исследований оценки коэффициента усиления антенн используется ряд методов (способов), наиболее известными из которых являются метод вышки и метод сравнения (замещения).

Известен способ измерения коэффициента усиления антенн (метод вышки) [Л.Н.Захарьев, А.А.Леманский, В.И.Турчин, Н.М.Цейтлин, К.С.Щеглов. Методы измерения характеристик антенн СВЧ. «Радио и связь», М. - 1984, стр.71-79.], при котором исследуемая и измерительная антенны располагаются на некотором удалении друг от друга на высотах, обеспечивающих прямую видимость и отсутствие вблизи от линии связи мешающих объектов, причем взаимное расположение антенн выбирается с учетом уменьшения влияния отражений от поверхности земли.

Недостатком известного способа является невозможность его применения для измерения коэффициента усиления активных фазированных антенных решеток (АФАР) функционирующих в метровом и дециметровом диапазонах длин волн. Следствием этого является низкая точность измерения коэффициента усиления АФАР в указанном частотном диапазоне при реализации метода вышки.

Действительно, традиционно используемые в указанном частотном диапазоне антенны, в том числе и АФАР, обладают небольшим коэффициентом усиления, и, как следствие, значительным угловым удалением направлений нулевого и максимального приема (излучения) Δθ, достигающим 90 и более градусов. По этой причине, если Δθ<90 град., для реализации метода вышки необходимо размещать антенны на очень большой высоте, а в случае, когда Δθ≥90 град. этот метод вообще нереализуем.

Наиболее близким по технической сущности и достигаемому техническому результату известен способ сравнения (замещения) [А.З.Фрадин, Е.В.Рыжков. Измерение параметров антенно-фидерных устройств. М. - Государственное издательство литературы по вопросам связи и радио. - 1962, с.277-281.], включающий формирование высокочастотных сигналов с помощью генератора, установленного на подстилающей поверхности, измерение мощности Р_э сформированного сигнала, излучение этого сигнала на длине волны λ с помощью эталонной измерительной антенны с известной эффективной площадью S_эфф в направлении исследуемой антенны, расположенной в дальней зоне, приеме этой антенной сигнала, измерение мощности принятого сигнала Р_и и вычисление коэффициента усиления антенны по формуле

Достоинством способа замещения является то, что получаемые оценки коэффициента усиления антенны свободны от влияния подстилающей поверхности, так как трасса распространения радиоволн оказывает одинаковое воздействие на излучение исследуемой и эталонной антенн.

Однако этот способ труднореализуем для измерения коэффициента усиления АФАР функционирующих в метровом и дециметровом диапазонах длин волн. Следствием этого является низкая точность измерения коэффициента усиления АФАР в указанном частотном диапазоне при реализации способа замещения.

Новым техническим результатом является повышение точности измерения коэффициента усиления антенн в метровом и дециметровом диапазонах длин волн предлагаемым способом.

Технический результат достигается за счет того, что в известном способе измерения коэффициента усиления антенн, включающем формирование высокочастотных сигналов с помощью генератора высокочастотных (ВЧ) сигналов, установленного на подстилающей поверхности, измерение мощности Р_э сформированного сигнала, излучение этого сигнала на длине волны λ с помощью эталонной измерительной антенны с известной эффективной площадью S_эфф в направлении исследуемой антенны, расположенной в дальней зоне, прием этой антенной сигнала, измерение мощности принятого сигнала P_и и вычисление коэффициента усиления антенны по формуле излучают и принимают сигналы эталонной измерительной и исследуемой антеннами, размещенными, так, чтобы их фазовые центры находились на одинаковой высоте h от подстилающей поверхности и на расстоянии между антеннами

Предлагаемый способ оценки коэффициента усиления антенн, в том числе АФАР в метровом и дециметровом диапазонах длин волн основан на выборе такой схемы взаимного размещения исследуемой и эталонной измерительной антенн, при котором интерференционный множитель ослабления обращается в единицу и тем самым устраняется влияние подстилающей поверхности (земли) на результаты измерений.

Пренебрегая направленными свойствами исследуемой и эталонной измерительной антенн в вертикальной плоскости (что справедливо в метровом и дециметровом диапазонах длин волн), интерференционный множитель ослабления описывается выражением:

где |ρ_от| и β_от - соответственно модуль и аргумент коэффициента отражения от подстилающей поверхности, Н и h - высоты эталонной измерительной и исследуемой антенн, R - расстояние между эталонной измерительной и исследуемой антеннами, λ - длина волны.

Учитывая, что для большинства типов почв при малых значениях угла падения модуль и аргумент коэффициента отражения можно принять равными соответственно |ρ_от|=1 и β_от=π[Ф.Б.Черный. Распространение радиоволн. «Советское радио», М. - 1962, с.66-67.], и полагая Н=h, выражение (2) приводится к виду

Приравняв (3) единице и решив полученное уравнение с учетом условия дальней зоны, получаем выражение для взаимного удаления исследуемой и эталонной измерительной антенн, при котором подстилающая поверхность не влияет на результаты измерений:

Проведенный анализ уровня техники позволяет установить, что техническое решение, характеризующееся совокупностью признаков, идентичных всем признакам, содержащимся в предложенной заявителем формуле изобретения, отсутствует, что указывает на соответствие заявляемого изобретения критерию «новизна».

Результаты поиска известных решений в данной и смежной областях техники с целью выявления признаков, совпадающих с отличительными признаками заявляемого способа, показали, что в общедоступных источниках информации не выявлены решения, имеющие признаки, совпадающие с его отличительными признаками. Из уровня техники также не подтверждена известность влияния отличительных признаков заявляемого изобретения на указанный технический результат, следовательно, заявляемое изобретение соответствует условию «изобретательский уровень».

Предлагаемое техническое решение «Способ измерения коэффициента усиления антенн» промышленно применимо, так как совокупность характеризующих его признаков, обеспечивает возможность его осуществления, работоспособность и воспроизводимость на антенных измерительных полигонах с использованием известных материалов и оборудования.

На чертеже представлено устройство, реализующего предлагаемый способ измерения коэффициента усиления антенн.

Устройство состоит из генератора ВЧ-сигналов - 1, эталонной измерительной антенны - 2, исследуемой антенны - 3, измерителя мощности сигнала - 4, устройства горизонтального и вертикального позиционирования - 5, подстилающей поверхности - 6.

Генератор ВЧ-сигналов 1 размещается на подстилающей поверхности - 6 и присоединяется к эталонной измерительной антенне - 2. Исследуемая антенна - 3 присоединяется к измерителю мощности сигнала - 4 и устанавливается на устройство горизонтального и вертикального позиционирования - 5. При помощи устройства горизонтального и вертикального позиционирования - 5, исследуемая антенна - 3 размещается так, чтобы высота h ее фазового центра от подстилающей поверхности - 6 была равна высоте фазового центра эталонной измерительной антенны - 2, а расстояние между антеннами составляло

Устройство, реализующее способ измерения коэффициента усиления антенн, работает следующим образом. С помощью генератора ВЧ-сигналов 1 формируется сигнал и измеряется его мощность Р_э. С помощью эталонной измерительной антенны - 2 с известной эффективной площадью S_эфф в направлении исследуемой антенны - 3 излучается этот сигнал на длине волны λ, который принимается исследуемой антенной - 3. На выходе исследуемой антенны - 3 с помощью измерителя мощности сигнала - 4 измеряется мощность принятого сигнала Р_и и вычисляется коэффициент усиления антенны по формуле Например, для длины волны λ, равной 3 метра и высоте h фазового центра антенн от подстилающей поверхности 3 метра расстояние между антеннами, выбирается на основе формулы (4) и составляет 36 метров. При этом необходимо отметить, что дальняя зона для исходных данных, используемых в нашем примере начинается с 24 метров.

Использование данного способа измерения коэффициента усиления антенн, как показали экспериментальные исследования в полигонных условиях, позволяет повысить точность измерения не менее чем на 2-3 дБ, за счет выбора такой схемы взаимного размещения исследуемой и эталонной измерительной антенн, осуществляющих прием и излучение сигналов, при которой устраняется влияние подстилающей поверхности (земли) на результаты измерений.

Способ измерения коэффициента усиления антенн, включающий формирование высокочастотных сигналов с помощью генератора, установленного на подстилающей поверхности, измерение мощности Р_э сформированного сигнала, излучение этого сигнала на длине волны λ с помощью эталонной измерительной антенны с известной эффективной площадью S_эфф в направлении исследуемой антенны, расположенной в дальней зоне, приеме этой антенной сигнала, измерение мощности принятого сигнала Р_и и вычисление коэффициента усиления антенны по формуле отличающийся тем, что излучают и принимают сигналы эталонной измерительной и исследуемой антеннами, размещенными так, чтобы их фазовые центры находились на одинаковой высоте h от подстилающей поверхности и на расстоянии между антеннами