Специальные эксплуатационные параметры

Иногда чрезвычайно существенным качеством антенны является ее стойкость к различным внешним факторам – климатическим, механическим и даже химическим. Такие параметры определяются по результатам испытаний образцов, методика которых регламентирована стандартами или требованиями заказчика. Следует иметь в виду, что этот аспект разработки антенн может привести к выбору отнюдь не оптимальных, на первый взгляд, технических решений.

О помехах при измерении параметров антенн и борьбе с ними

В экспериментах с антеннами можно столкнуться с двумя видами помех:

- внешними, обусловленными излучением посторонних источников

- когерентными, связанными с источником, используемым в эксперименте.

Помехи первого вида легко обнаруживаются путем выключения (или изменения уровня) используемого в эксперименте источника сигналов. Влияние таких помех может быть уменьшено за счет применения дополнительного усилителя, который встраивают в тракт непосредственно перед излучающей антенной, максимально увеличивая тем самым уровень полезного сигнала.

Примечание: при обнаружении внешней помехи рекомендуется определить ее источник, что может позволить, с одной стороны, использовать паузы в его работе (если есть), а с другой – избежать возможных осложнений в связи с созданием помех посторонней системе от собственного излучения.

 

Помехи второго вида также делятся на две группы:

- интерференционные, обусловленные волнами, возникшими в результате отражений от объектов, наличие которых не предусмотрено методикой измерений.

- помехи, вызванные антенным эффектом фидеров.

Рассмотрим помехи этих двух групп подробнее.

Интерференционные помехи

Измерение параметров антенн предполагает проведение эксперимента в свободном пространстве. В реальности же вблизи области расположения антенн всегда находятся какие-либо объекты – земля, стены, пол и потолок помещения, отдельные предметы. Они служат источниками вторичных волн.

При организации антенных измерений могут возникнуть следующие вопросы:

Будет ли заметным влияние тех или иных объектов?

Как уменьшить это влияние, если оно значительно?

     Как обнаружить наличие интерференционной помехи и определить ее источник по результатам пробных измерений?

Ответить на эти вопросы можно, конечно, создав численную модель предполагаемого эксперимента. Однако необходимость такой, весьма трудоемкой, работы может отпасть, если при подготовке к измерениям параметров антенн принять во внимание следующее:

1. Отражающие объекты заведомо не должны попадать в так называемую область, существенную для распространения волн (рис. 4.17,[.. ]   )

    

Рис. 4.17 Область пространства, существенная для распространения радиоволн

Она представляет собой эллипсоид, соответствующий первой пространственной зоне Френеля; максимальный диаметр этого эллипсоида оценивается по формуле:

                            =                                               

2. Заметного уменьшения уровня отраженных сигналов можно достигнуть, закрывая отражающий объект радиопоглощающим материалом (РПМ), предназначенным для работы в используемом диапазоне частот; это относится и участку горизонтальной поверхности между антеннами (пола, земли).

3. При измерениях на площадке иногда удается использовать и то обстоятельство, что для волн с вертикальной поляризацией существует вполне реальный угол падения (угол Брюстера, _на рис. 4.22), при котором модуль коэффициента отражения будет иметь глубокий минимум (в пределе, при отсутствии потерь в среде - ноль).

Рис. 4.22 Коэффициенты отражения Френеля для вертикальной и горизонтальной (на рисунке Sв и Sг соответственно) поляризаций падающей волны; здесь φ – угол падения волны (отсчет от нормали к поверхности); видно, что всегда | Sг | | Sв |.

 

Угол Брюстера для границы воздух – диэлектрик определяется соотношением:

                             tg

Так, для сухого песчаного грунта можно приближенно положить ε = 4, что для  даст примерно 60 градусов.  Такое условие будет соблюдаться, например, если антенны будут подняты на высоту 2.9 м при расстоянии между ними 10 метров.

 

4.  Обнаружить наличие когерентной помехи и оценить ее уровень зачастую можно, используя режим линейной перестройки частоты (то есть сигнал с ЛЧМ модуляцией).  В этом случае наличие задержки ∆τ помехового сигнала относительно прямого приведет к возникновению амплитудной помеховой модуляции суммарного сигнала. Легко показать, что период такой модуляции будет определяться соотношением:

                  ,      (4.13)

где  – интервал перестройки частоты, а Т – время, за которое происходит перестройка.

 

Формула (4.13) позволяет оценить ∆τ, а это уже существенная подсказка для поиска отражающего объекта на поверхности конкретного эллипсоида.  Отметим попутно, что при небольших относительных уровнях помехи  «очистить» сигнал от последней можно путем усреднения  данных с помощью скользящего окна (такая возможность предусмотрена во всех современных анализаторах цепей – функции  «Сглаживание» или «Smoothing»).

 

От проблемы когерентных помех в значительной мере избавлены измерения в так называемых безэховых камерах (БК или Б Э К, если камера э кранированная). Они представляют собой замкнутый объем, покрытый изнутри радиопоглощающим материалом.  Измерительные комплексы, в которых условия БК сочетаются с применением коллиматоров называют компактными полигонами [статья Балабухи].

 

Вопросы корректности измерений в безэховых камерах и их организации – предмет отдельного рассмотрения, имеющий много разных аспектов. (см., например, []).  Наиболее же важными моментами, которые должен иметь в виду исследователь или инженер,

планируя использование БК,

Рис. 4.18, 4.19(дать фотографии нашей камеры)

 

являются:

 

- использование камеры целесообразно, прежде всего, при измерении ДН и КУ антенн методом дальней зоны, а также характеристик рассеяния объектов (см. приложение …); при измерении полей в ближней зоне влияние отдаленных объектов обычно невелико из-за высокого уровня основных сигналов и общей геометрии такого рода задач. Однако зонд ближнего поля и элементы сканера, если не принять специальных мер, вполне могут быть источником искажений.    

 

- каждая камера имеет определенный частотный диапазон, в пределах которого отражения от элементов, покрытых конкретным РПМ, мало и не превышает указанного в документации уровня. Так, БЭК в лабораторном комплексе ИТМО, имеет диапазон 1 – 20 ГГц.  Минимальные интерференционные помехи будут иметь место при размещении антенн в относительно небольшой рабочей зоне вблизи центра камеры, положение которой также указывается в документации.

 

- условия камеры никак не влияют на границу дальней зоны, определяемую соотношением (4.1)

 

Нужно заметить, что положительный эффект от использования БК при измерении характеристик антенн сохраняется и при некотором выходе за пределы рабочего диапазона РПМ. Однако помеховая ситуация в каждом таком случае должна анализироваться специально.

 

 

Антенный эффект фидеров

При непосредственном соединении коаксиального кабеля с симметричной антенной на внешней стороне оплетки будет возникать ток, возникновение которого поясняется схемой на рис.4.20.

Рис. 4. 20 Возникновение антенного эффекта

 

Следствием этого является искажение ДН и входных характеристик антенны. Для устранения (точнее, существенного уменьшения) этих токов чаще всего геометрически симметричные антенны снабжаются симметрирующими устройствами (СУ), отчасти выполняющими и функции согласования. Если такое устройство хорошо сконструировано, ДН антенны с СУ приближается к ДН симметричной антенны, и в некоторой полосе частот достигается приемлемый уровень согласования с коаксиальным фидером. Пример конструкции симметричного вибратора с возбуждением от коаксиальной линии приведен на рис.4.22

 

 

Рис. 4.21 Конструкция симметричного вибратора с коаксиальным разъемом

 

Непосредственное подключение симметричной антенны, как и иной симметричной цепи, к измерительному прибору через коаксиальный кабель некорректно, Такое подключение безоговорочно может использоваться разве что в звуковом диапазоне.