Установка для измерения параметров антенн во временной области
1. Теория
Исследование антенных систем традиционно проводится в частотной области с использованием гармонического сигнала. Это требует значительных затрат времени и большого количества измерительного оборудования, особенно при исследовании широкополосных и сверхширокополосных антенн. В настоящее время развитие техники пикосекундных импульсов позволяет реализовать схему измерения параметров антенн во временной области в диапазоне частот до 18 ГГц.
Данный способ измерений основан на использовании зондирующего видеоимпульса длительностью несколько десятков пикосекунд для получения отклика исследуемой антенны во временной области. Частотная характеристика отклика рассчитывается с помощью алгоритмов БПФ, затем полученный спектр нормируется на спектр сигнала от эталонной антенны с известной зависимостью коэффициента усиления от частоты. Вращая антенну в различных плоскостях, получают амплитудную и фазовую диаграммы направленности антенны.
Достоинством метода является возможность одновременного измерения параметров антенн во всем диапазоне частот и временная селекция сигналов, позволяющая обходиться без дорогостоящих безэховых камер.
Регистрация данных проводится в промежутке времени (временном окне) между появлением сигнала, распространяющегося по прямой, соединяющей антенны, и появлением отраженных сигналов.
Выбор расстояния между антеннами и расположения отражающих поверхностей относительно излучающей и приемной антенн определяется частотным диапазоном испытуемой антенны fl < f < fh, размером апертуры D и фазовой характеристикой () тракта приемопередачи.
Разность хода прямого и отраженного лучей:
где R - расстояние между антеннами; H - высота расположения антенн над отражающей поверхностью.
Безэховый временной интервал:
, где c - скорость света.
В случае линейности фазовой характеристики ()=, фазовое "расплывание" импульса отсутствует и время релаксации импульса на выходе антенны:
r = max{1/fl , 1/(fh - fl)}
Необходимое условие однозначности измерений:
Tr
Для измерений в дальней зоне:
R 2D2fh / c.
Тогда минимальное удаление антенны от отражающих плоскостей:
Таким образом вид импульсной характеристики антенны, ее размеры и диапазон рабочих частот накладывают определенные ограничения на возможность безэхового измерения ее характеристик, однако в этом случае возможно проведение измерений в безэховой камере с сохранением других преимуществ метода - дешевизны измерительного оборудования и оперативности измерений. Так, на снятие диаграммы направленности сверхширокополосной антенны в диапазоне частот 1 - 18 ГГц требуется около 10мин.
2. Организация измерений
В состав измерительной установки входят:
генератор видеоимпульсов;
регистратор сигналов;
стробоскопический преобразователь;
излучающая антенна;
эталонная антенна;
треноги;
координатно-поворотное устройство;
персональный компьютер;
специализированное програмное обеспечение.
Схема измерительной установки
Генератор обеспечивает формирование видеоимпульсов длительностью около 250 пс. Импульс генератора обрабатывается формирователем для получения импульса длительностью около 30 пс и эффективной шириной спектра 0 - 18 ГГц.
В качестве регистратора используется стробоскопический осциллограф, управляемый от компьютера
3. Основные характеристики установки:
Диапазон частот измерения эффективной поверхности и коэффициента усиления
антенн
от 0,2 до 18 ГГц
Диапазон измерения коэффициента усиления относительно коэффициента усиления
эталонной антенны
не менее 30 дБ
Пределы измерения ослабления тракта приемо-передачи в диапазоне частот
от 1 до 18 ГГц
от 0 до 40 дБ
Предел основной погрешности измерения коэффициента усиления и эффективной
поверхности антенн
1 дБ
Динамический диапазон измерения диаграммы направленности и поляризации
40 дБ
Диапазон измерения диаграммы направленности по азимуту
1800
Погрешность установки угла при измерении диаграммы направленности