способ измерения коэффициента усиления антенны методом сравнения с эталонной антенной и устройство для его осуществления

Формула изобретения

1. Способ измерения коэффициента усиления измеряемой антенны методом сравнения с эталонной приемной антенной на стенде с использованием передающей антенны, измерительного приемника, например нуль-органа, и генератора с измерительным аттенюатором на его выходе, отличающийся тем, что в стенд устанавливают эталонную приемную антенну, снимают показание измерительного аттенюатора L_Э1 , замещают передающую и эталонную приемную антенну измерительным аттенюатором путем синхронного переключения измерительного аттенюатора на измерительный приемник и снимают его показание L _Э2, вычисляют коэффициент , где G_Э - коэффициент усиления эталонной приемной антенны, повторяют измерения по точкам частотного диапазона, по полученным значениям строят периодическую кривую зависимости коэффициента B_i от частоты, по периодической кривой находят максимальное В_max и минимальное B_min значения и по формуле В=(В _max+B_min)/2 находят свободный от переотражений коэффициент В, далее устанавливают в стенд вместо эталонной приемной антенны измеряемую приемную антенну и снимают показание измерительного аттенюатора L_A1 , замещают передающую и измеряемую приемную антенны упомянутым измерительным аттенюатором путем синхронного переключения измерительного аттенюатора на измерительный приемник и снимают его показание L_A2, вычисляют коэффициент измеряемой антенны .

2. Устройство для измерения коэффициента усиления измеряемой антенны методом сравнения с эталонной антенной, содержащее генератор с измерительным аттенюатором на выходе, передающую антенну, измеряемую антенну, эталонную антенну, измерительный приемник, например нуль-орган, отличающееся тем, что в него введены два синхронных переключателя, каждый на два направления, первый переключатель подключен к измерительному аттенюатору, а первое направление первого синхронного переключателя подключено к выходу передающей антенны, второй синхронный переключатель подключен к измерительному приемнику, а первое направление второго переключателя подключено к выходу эталонной или измеряемой антенны, при этом вторые направления синхронных переключателей соединены между собой через перемычку или постоянный аттенюатор.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к области антенных измерений, преимущественно к измерениям коэффициента усиления переносных антенн (6G01R 29/10).

Известен «Способ измерения коэффициента усиления зеркальной антенны» [1]. В основе способа заложен перенос фокуса обмеряемой антенны и эталонной в зону Френеля и измерение в точке фокусировки принятой мощности. Коэффициент усиления антенны G _A находят по формуле

где G_Э - коэффициент усиления эталонной антенны, измеренные мощности излучения P _A - обмеряемой антенны, Р_Э - эталонной антенны.

Перенос фокуса антенны в зону Френеля осуществляют путем установки перед облучателем диэлектрической линзы.

К недостаткам способа можно отнести:

- способ не может быть использован для двухзеркальных антенн;

- способ не позволяет проконтролировать область, прилегающую к границе зеркала;

- невысокую точность измерения, т.к. она определяется точностью измерения мощности.

Другое известное изобретение: «Способ измерения коэффициента усиления линейно-поляризованных антенн» [2].

В изобретении также используется сравнение обмеряемой антенны с эталонной. В способе используется генератор, передающая антенна, приемная обмеряемая антенна, замещающая ее эталонная, измеритель мощности. С целью устранения ошибок, вызванных переотражениями, приемную и передающую антенны устанавливают под углом 45° относительно пола и боковых стен в плоскости, перпендикулярной линии, соединяющей антенны. Находят максимум излучения и приема, измеряют мощность P_A и Р _Э. Находят коэффициент усиления антенны по формуле

Точность измерения может увеличиться. Однако это увеличение зависит от неперпендикулярности сторон камеры, состояния отражающих поверхностей и т.д. Все эти факторы остаются безконтрольными. К недостаткам способа следует отнести и необходимость разборки и сборки стенда. Кроме того, точность измерений ограничена точностью измерения мощности.

Известен способ, принятый за прототип [3, стр.270], в котором также используется метод замещения. Коэффициент усиления антенны находится как

В этом способе уменьшение влияния на результат измерений отражений от земли находят путем усреднения замеров, полученных при изменении высоты эталонной антенны.

К недостаткам способа относятся большие ошибки измерения мощности, необходимость разборки, сборки стенда для попеременной установки измеряемой и эталонной антенны, высокая трудоемкость.

Кроме того, способ не позволяет учесть отражения от стен камеры, расстояние до которых при изменении высоты не изменяется.

Во всех рассмотренных выше изобретениях измеряется частное от деления Р_A на Р _Э. Относительная погрешность измерения [4] при этом будет . Измерения обмеряемой антенны и эталона приняты независимыми, т.к. они производятся в существенно разное время. При использовании генератора типа Г4-108 ошибка достигает ±24% без учета влияния переображений в камере. Последнее особенно сильно влияет на результат при обмере эталонной антенны. Как правило, это рупор с более широкой диаграммой, чем у обмеряемой антенны.

Сущность изобретения состоит из решения ряда задач. Рассмотрим их:

1. Повышение точности измерения коэффициента усиления антенны путем исключения измерения абсолютной величины мощности.

Коэффициент усиления в изобретении рассчитывают по формуле

где L_A1 - показания измерительного аттенюатора с установленной в стенде обмеряемой антенной,

L_A2 - показания измерительного аттенюатора при замещении обмеряемой и передающей антенн постоянным аттенюатором,

L_Э1 - показания измерительного аттенюатора с установленной в стенде эталонной антенной,

L _Э2 - показания измерительного аттенюатора при замещении передающей и эталонной антенн постоянным аттенюатором.

При этом измерение пары значений производят при одинаковых показаниях измерительного приемника (нуль-орган) и неизменной мощности на выходе генератора. Последнее обеспечивается практически одновременным замером каждой пары L_A1 и L _A2 или L_Э1 и L_Э2 .

2. Повышение точности измерений за счет использования начальной (растянутой) зоны измерительного аттенюатора.

Это качество достигается за счет установки между входами вторых направлений переключателей постоянного аттенюатора 9 с затуханием, близким по значению затуханию тракта передающая антенна-обмеряемая антенна.

3. Повышение точности измерения коэффициента усиления эталонной антенны за счет учета любых переотражений в камере (от пола, потолка, стен) путем измерения коэффициента усиления по точкам в диапазоне частот и усреднения результата.

4. Понижение трудоемкости достигается за счет простоты рабочих операций: перевод переключателя из одного в другое положение и перестройка генератора по частоте.

Устройство, реализующее предлагаемый способ, приведено на фигуре 1. Генератор 1 через измерительный аттенюатор 2 и переключатель на два направления 7 подключен к передающей антенне 3. Выход эталонной 4 (обмеряемой 5) антенны через переключатель на два направления 8 подключен к измерительному приемнику (нуль-органу) 6. На фигуре 1 переключатели 7 и 8 стоят в «1» направлении, переключаются они синхронно. Выходы вторых направлений переключателей соединены между собой через перемычку либо через аттенюатор с постоянным затуханием 9, близким по величине коэффициенту затухания тракта передающая антенна - обмеряемая антенна. Аттенюатор 9 может не устанавливаться в стенд, что упростит его, но при этом возрастут ошибки измерения за счет ухудшения точности измерительного аттенюатора в области больших измеряемых величин. Принимающие антенны устаналиваются на поворотное устройство 10.

Коэффициент усиления обмеряемой антенны G _A(f) на установленной частоте находят по формуле

Благодаря тому, что здесь используются не абсолютные значения мощностей, а частное от их деления, можно формулу переписать, представив ее в виде

где постоянная - это характеристика стенда с эталонной антенной в данном (фиксированном поворотным стендом 10) направлении, в котором производятся замеры. Эту величину можно использовать, не измеряя повторно, длительное время. Например, в течение полугода, измеряя ее только при изменениях, внесенных в стенд или камеру.

Для измерения коэффициента В в стенд устанавливается эталонная антенна 4, переключатели 7 и 8 устанавливаются в положение «1». Осуществляют оптическую юстировку (совмещение строительных осей) передающей и эталонной антенн. Запоминается положение антенны на шкалах поворотного устройства.

Генератор настраивается на частоту F1, на выходе измерительного приемника 6 измерительным аттенюатором 2 устанавливается значение А, записывается показание аттенюатора L_Э1. Переключатели 7 и 8 устанавливаются в положение «2», измерительным аттенюатором на выходе измерительного приемника устанавливается значение А, записывается значение L _Э2. Находим значение B₁ для частоты F₁

В₁(дБ)=L _Э1-L_Э2+G_Э.

Генератор последовательно перестраивается в точки 2, 3...n, находят соответствующие им значения В, по ним строится кривая В=f(F). В построенной периодической функции находят В _max и B_min (максимальное и минимальное значение), переводят их из дБ в разы, извлекают из них квадратные корни. Находят их среднеарифметическое значение и возводят его в квадрат. Таким образом находят значение В, свободное от переотражений.

Устанавливают в поворотное устройство обмеряемую антенну по запомненным положениям шкал поворотного устройства (при необходимости юстируют стенд).

По описанной выше методике измеряют коэффициент усиления антенны, пользуясь формулой

G_A(F) дБ=L_A2-L _A1+В.

Строят кривую G_A=f(F) дБ, сравнивают ее с ожидаемой. Обнаружив периодическую кривую, вызванную переотражением, компенсируют их.

Настоящее изобретение внедрено в серийное производство. Стенд обслуживает один человек. Время на измерение коэффициента усиления на 8 точках занимает ˜40 мин. Ошибки измерения множества антенн вместе с технологическим разбросом изготовления двухзеркальной антенны составили ±7% (±0,3 дБ).

При этом в процессе внедрения расчетным путем были получены кривые переотражений (периодические функции) для различных значений разности хода прямого и переотраженного луча (фигура 2).

A=f( L).

По совпадению формы измеренной кривой с формой периодической кривой (верхняя кривая) было обнаружено, что расстояние между зеркалами выбрано не оптимально. В полуметре от антенны не было переотражателей (все поворотное устройство было закрыто поглощающим материалом). Расстояние между зеркалами было оптимизировано, частотная характеристика выравнена.

Источники информации

1. «Способ измерения коэффициента усиления зеркальных антенн» Патент RU 2069864 С1. Бюллетень №33 от 27.11.96

2. «Способ измерения коэффициента усиления линейно-поляризованных антенн» Патент SU 1167543 А. Бюллетень №26 от 15.07.85.

3. Измерение параметров антенно-фидерных устройств. А.З.Фрадин, Е.В.Рыжков. Связь. Москва, 1972 г.

4. Обработка результатов наблюдений О.Н.Касандрова, В.В.Лебедев. Наука. Москва 1970 г.