Способ определения коэффициента усиления сфокусированной антенной решетки

Изобретение относится к области антенных измерений и может быть использовано для экспериментальной оценки эффективности антенных решеток (АР), сфокусированных в зоне ближнего электромагнитного поля (ЭМП).

Коэффициент усиления является важным критерием оценки эффективности антенны [1-2]. По определению, коэффициент усиления G_c передающей антенны равен отношению квадрата напряженности электрической составляющей ЭМП , создаваемого в точке наблюдения М данной антенной, к аналогичной величине ЭМП , создаваемого в этой же точке эталонной антенной, при равенстве мощностей, подводимых к обеим антеннам, и КПД эталонной антенны, равном единице – что соответствует отсутствию в ней активных потерь [3-4]. Как в теории, так и на практике при этом предполагается, что точка М расположена в дальней волновой зоне излучения антенны (зона Фраунгофера), где значения и однозначно связаны с аналогичными значениями напряженности магнитной составляющей ЭМП и , а также плотностью потока мощности ЭМП (модуль вектора Пойнтинга) через волновое сопротивление среды Z_c. Поэтому, во-первых, вместо них при определении G_c можно использовать более общий термин: энергетический уровень ЭМП Э, пропорциональный квадратам напряженности и плотности потока мощности ЭМП, с нижними индексами «с» и «э», которые по-прежнему относятся к данной и эталонной антеннам. С учетом этого, при оговоренных условиях и в обобщенном виде, коэффициент усиления представляет собой G_c = Э_с/Э_э.

Во-вторых, следует иметь в виду, что при теоретическом определении G_c в качестве эталонной антенны выбирают простейшие, идеальные по КПД, изотропный и элементарный излучатели. В природе таких устройств нет, поэтому речь идет об электродинамических моделях (математических, абстрактных, виртуальных) объектов, реализовать которые с целью измерения G_c практически невозможно.

В-третьих, при экспериментальном определении G_c в качестве эталона могут быть использованы реальные антенны с известными значениями коэффициента усиления G_э и КПД [3-5], что специально оговаривается в методике измерений. Этим объясняется применение в качестве эталонной антенны полуволнового вибратора – в теоретическом отношении идеального, в практическом плане – обладающего достоверно известными G_э и КПД.

Из аналогов G_c наиболее близким параметром является введенный в [6] коэффициент направленного действия (КНД) антенны, предназначенный для оценки эффективности АР, сфокусированной в зоне ближнего ЭМП. Из уровня техники известен способ замещения АР эталонной антенной с целью определения коэффициента усиления относительно нее (прототип предлагаемого изобретения) [4, с. 263].

Фиг. 1 демонстрирует схему реализации прототипа – известного способа определения коэффициента усиления АР относительно эталонной антенны методом замещения, где 1 – генератор сигнала, поочередно возбуждающего АР и эталонную антенну; 2 – калиброванный аттенюатор; 3 – измеритель КСВ; 4 – АР или эталонная антенна; 5 – измеритель уровня Э; 6 – эталонная антенна.

Фиг. 2 иллюстрирует схему реализации предлагаемого способа определения коэффициента усиления сфокусированной АР, где 1 – генератор сигнала, возбуждающего АР; 2 – калиброванный аттенюатор; 3 – измеритель КСВ; 4 – АР; 5 – измеритель уровня Э.

Известный способ-прототип осуществляется следующим образом.

В составе измерительной установки генератор 1 через калиброванный аттенюатор 2 и измеритель КСВ 3 подключается к АР 4, ЭМП которой, через внешнюю среду, воздействует на измеритель уровня Э (см. Фиг. 1) расположенный в точке наблюдения М. При этом фиксируются показания аттенюатора 2: N_c, дБ; рассчитывается коэффициент передачи фидерного тракта по мощности: K_c, дБ = 10 lg [4 КСВ/(КСВ + 1)²], соответствующий показаниям измерителя КСВ 3; и показания измерителя 5: Э_c.

Затем АР 4 с измерительной установки удаляется, вместо нее устанавливается эталонная антенна 6, и вышеуказанные операции повторяются – причем путем регулировки аттенюатора 2 устанавливаются прежние показания измерителя 5 Э_c, соответствующие теперь показаниям калиброванного аттенюатора N_э, дБ; и коэффициенту передачи фидерного тракта K_э, дБ. Коэффициент усиления эталонной антенны G_э, дБ; считается известной величиной и корректировке не подлежит. Расчет коэффициента усиления АР производится по формуле

G_с, дБ = N_э, дБ – N_э, дБ + K_э, дБ – K_э, дБ + G_э, дБ;

с определением, при необходимости, G_с = 10 ^0,1Gс,дБ

Основным недостатком способа-прототипа является необходимость замены АР 4 эталонной антенной 6, что требует демонтажа оборудования (это допустимо в лабораторных условиях, но невозможно при эксплуатации АР) и непредсказуемым образом изменяет внешнюю среду, через которую АР 4 воздействует на измеритель 5. Помимо этого негативного фактора, на погрешность измерения G_с; дБ влияют инструментальные и методические погрешности, присущие параметрам N_с, дБ; N_э, дБ; K_с, дБ и K_э, дБ, найденным экспериментальным путем. Поскольку в теоретическом определении коэффициента усиления фигурируют виртуальные модели эталонной антенны (в виде изотропного и элементарного излучателей), при проведении измерений указанные модели нужно воспроизвести в реальности – обеспечив требуемые значения коэффициента усиления G_э, дБ при отсутствии активных потерь – что для указанных излучателей сделать невозможно. Наконец, в измерениях здесь фактически используются два разных тракта, требующих раздельной настройки, которые соответствуют АР и эталонной антенне, причем уточнение теоретического значения коэффициента усиления последней G_э, дБ экспериментальным путем не предусмотрено.

Техническим результатом предлагаемого изобретения является повышение точности определения коэффициента усиления сфокусированной АР путем отказа от использования при проведении измерений эталонной антенны; упрощение процедуры измерений, не связанной с демонтажом АР и раздельной настройкой фидерного тракта на АР и эталонную антенну, а также устранение сложностей, связанных с реализацией модели эталонной антенны, обладающей заданными значениями коэффициента усиления и КПД.

В рамках предлагаемого способа определения коэффициента усиления сфокусированной АР для достижения цели изобретения АР поочередно возбуждается в двух режимах: фокусировки, которому соответствуют найденное расчетным путем и реализованное экспериментальным путем амплитудно-фазовое распределение комплексных токов , возбуждающих АР, а также искомое значение коэффициента усиления АР G_с, дБ; и эталонном – которому аналогичным образом соответствуют эталонное равномерное амплитудно-фазовое распределение токов и эталонное значение коэффициента усиления G_э, дБ; причем значения G_с, дБ и G_э, дБ определяются экспериментальным путем с учетом реального согласования одного и того же фидерного тракта АР; а значение G_э, дБ определяется расчетным путем с возможностью его дополнительного уточнения расчетным и (или) экспериментальным путем.

Сущность предлагаемого способа определения коэффициента усиления сфокусированной АР G_c, дБ по методу замещения на измерительной установке, состоящей из генератора сигнала, который через калиброванный аттенюатор и измеритель КСВ подключен к АР, в режиме передачи воздействующей на измеритель энергетического уровня Э_с ЭМП, создаваемого АР в точке фокусировки М, включающего определение расчетным путем и реализацию экспериментальным путем амплитудно-фазового распределения комплексных токов , возбуждающих АР в режиме фокусировки для получения фиксированного уровня Э_с в точке М; определение показаний калиброванного аттенюатора N_с, дБ и коэффициента передачи фидерного тракта K_с, дБ, а также их эталонных значений N_э, дБ и K_э, дБ аналогичным путем и при том же значении фиксированного уровня Э_с в точке М; с п определением коэффициента усиления АР по формуле

G_с, дБ = N_э, дБ – N_с, дБ + K_э, дБ – K_с, дБ + G_э, дБ,

где G_э, дБ – эталонное значение коэффициента усиления, отличается тем, что эталонные значения N_э, дБ и K_э, дБ, определяемые экспериментальным путем, и эталонное значение коэффициента усиления G_э, дБ, определяемое расчетным и (или) экспериментальным путем, соответствуют эталонному равномерному амплитудно-фазовому распределению комплексных токов , возбуждающих АР.

Предлагаемый способ осуществляется следующим образом.

Расчетным путем определяется и в рабочих условиях реализуется амплитудно-фазовое распределение комплексных токов , возбуждающих АР 4 в режиме фокусировки ЭМП в заданной точке М. Генератор 1 через калиброванный аттенюатор 2 и измеритель КСВ 3 подключается к АР 4, ЭМП которой, через внешнюю среду, воздействует на измеритель уровня Э (см. Фиг. 2) расположенный в точке М. Фиксируются показания аттенюатора 2: N_c, дБ; рассчитывается коэффициент передачи: K_c, дБ фидерного тракта, соответствующий показаниям измерителя КСВ 3; и показания измерителя 5: Э_c.

Затем в АР 4 реализуется эталонное равномерное амплитудно-фазовое распределение токов , и вышеуказанные операции повторяются: путем регулировки аттенюатора 2 устанавливаются прежние показания измерителя 5 Э_c, соответствующие теперь показаниям калиброванного аттенюатора N_э, дБ; и коэффициенту передачи фидерного тракта K_э, дБ; а также эталонному значению коэффициента усиления АР G_э, дБ. Определение коэффициента усиления производится по вышеприведенным формулам:

G_с, дБ = N_э, дБ – N_э, дБ + K_э, дБ – K_э, дБ + G_э, дБ; G_с = 10 ^{0,1Gс, дБ}

В прототипе корректировка и (или) уточнение значения коэффициента усиления (как для реальной эталонной антенны, так и для ее виртуальных моделей) не предусмотрены, так как G_э, дБ считается достоверно известной величиной. В предлагаемом способе G_э, дБ – применительно к АР в эталонном режиме равномерного амплитудно-фазового возбуждения – можно рассчитать по известным из уровня техники и хорошо апробированным формулам как для зоны ближнего ЭМП, так и для дальней волновой зоны. Это позволяет уточнить G_э, дБ в реальных условиях работы АР, а не на лабораторной измерительной установке, причем с дополнительной возможностью сравнить между собой уровни Э_с и Э_э, найденные расчетным и экспериментальным путем, с целью оценки достижимой методической погрешности. Предлагаемый способ универсален и прост, он удобен для реализации и автоматизации, позволяет повысить точность оценки рабочих параметров и эффективность практического применения АР, сфокусированных в зоне ближнего ЭМП.