CC BY
10УДК 621.396.969.18
Экспериментальные исследования зеркальной антенны с облучателем обратного излучения трехсантиметрового диапазона во временной области с преобразованием в частотную область
© В.Г. Жирнов1, И.И. Лебедюк2
1 Дмитровский филиал МГТУ им. Н.Э. Баумана, г. Дмитров, Московская область, 141801, Россия 2МГТУ им. Н.Э. Баумана, Москва, 105005, Россия
Приведены результаты измерений диаграмм направленности и коэффициентов усиления зеркальной антенны с облучателем обратного излучения трехсантиметрового диапазона, полученные во временной области в условиях бокса ограниченных размеров и безэховости при оптимальной фокусировке в зону расположения датчика поля с последующим преобразованием результатов измерений в частотную область. Предложена методика настройки оптимального расположения облучателя обратного излучения для фокусировки зеркальной антенны на бесконечность.
Ключевые слова: диаграмма направленности, коэффициент усиления, дальняя зона.
Введение. Исследование характеристик антенн миллиметрового и сантиметрового диапазонов сопряжено с известными трудностями, связанными с большими расстояниями до дальней зоны, минимальные значения которых выбирают из соотношения [1]
2(И 2
> Ц-, (1)
К
где й — диаметр антенны; X — длина волны.
При таком выборе расстояния ошибки в измерении коэффициента усиления не превышают 5 %. Так, для зеркальной антенны трехсантиметрового диапазона диаметром 1 м Zmin = 67 м, а на расстоянии 10 м ошибка в измерении коэффициента усиления составит 50 %.
В данной работе ставится задача экспериментального исследования возможностей измерения характеристик больших антенн во временной области с преобразованием в частотную область в условиях бокса ограниченных размеров (6*6*12 м) и безэховости при тождественности углового распределения антенны на бесконечности и ее фокусировке в ближнюю зону [2—4]. С этой целью на опорно-поворотном устройстве (ОПУ) установки для измерения параметров антенн во временной области [5] смонтирована зеркальная параболи-
ческая антенна (рис. 1) диаметром ё = 1 м и параметром Т/6ё = 0,44, где Т — фокусное расстояние параболоида с облучателем обратного излучения трехсантиметрового диапазона [5, 6]. Облучатель обратного излучения формирует почти сферическую волну, центр излучения которой должен совмещаться с фокусом параболического зеркала, находящемся на расстоянии 0,44 м от вершины параболоида, образующего поверхность зеркала. При этом в раскрыве параболического зеркала формируется почти равномерное и синфазное распределение поля. Питание облучателя обратного излучения осуществляется через круглый волновод, а последнего — через переход от прямоугольного волновода сечением 23*10 мм. Облучатель может перемещаться вдоль оси симметрии параболического зеркала с целью коррекции фазового распределения поля в раскрыве антенны от выпуклого до вогнутого с радиусами кривизны ±Я. При Я = ю распределение поля синфазное. Расстояние между исследуемой и измерительной антеннами равно 6 м. Именно на это расстояние в процессе эксперимента должна быть сфокусирована исследуемая антенна, а критерием правильной фокусировки является максимальное значение коэффициента усиления исследуемой антенны. Очевидно, что для обеспечения фокусировки исследуемой антенны в ближнюю зону облучатель
должен смещаться в сторону увеличения расстояния от вершины зеркала относительно положения его фокуса. Фокусировку исследуемой антенны можно представить действием идеальной линзы, для которой выполняется следующее преобразование фазового распределения поля в раскрыве исследуемой антенны:
1 - .1 _ .1
Я ~ Я~Т'
(2)
Рис. 1. Размещение на ОПУ зеркальной параболической антенны с облучателем обратного излучения трехсантиметрового диапазона
где Я — расстояние от исследуемой антенны до измерительной; Я1 = Т + Д — радиус кривизны фазового фронта облучателя; Д — смещение облучателя из фокуса; Т — фокусное расстояние параболического зеркала;
При Д = 0 Я = го, что свидетельствует о синфазном распределении поля в раскрыве антенны.
Подставляя в (2) значение Я1 = Г + Д, получаем выражение
Я = -
Г (Г + А)
А
(3)
из которого следует, что при Д > 0 и Г > 0 Я < 0 (вогнутый фазовый фронт, соответствующий фокусировке на расстояние, равное Я).
В качестве датчика поля использован пирамидальный рупор с раскрывом 80*80 мм и малым углом раскрыва, к которому через широкополосный коаксиально-волноводный переход с сечением волновода 23*10 мм подключены формирователь и генератор пикосекунд-ных импульсов. Длительность зондирующего сигнала составляла 42 пс при амплитуде импульса 9 В.
Образцовой антенной, замещающей исследуемую антенну при измерении коэффициента усиления, служила антенна П6-23М, установленная на треноге рядом с исследуемой зеркальной антенной на ОПУ (см. рис. 1).
Рис.2. Преобразование временного отклика зеркальной антенны с облучателем обратного излучения из временной области в частотную
Преобразование временного отклика зеркальной антенны с облучателем обратного излучения из временной в частотную область представлено на рис. 2. При этом в соответствии со спектром отклика длительность «окна» регистрации устанавливалась равной 10 нс (рис. 2, а), что позволило получить разрешение 3 м и избежать влияния отражений от стен бокса размером 6*6*12 м, внутри которого проводились измерения.
Как видно из рис. 2, спектр сигнала отклика исследуемой антенны на зондирующий сигнал лежит в диапазоне частот 7.. .10 ГГц, а его максимум приходится на частоту / = 8 ГГц. Изменяя положение облучателя зеркальной антенны в пределах от ¥-4 см до ¥+15 см и измеряя ее коэффициент усиления О в том же диапазоне частот замещением исследуемой антенны образцовой антенной П6-23М, получим максимальное значение коэффициента усиления Отах = 37,1 дБ, которое также соответствует частоте 8 ГГц и положению облучателя ¥+5 см. В таблице приведены результаты измерений на частоте 8 ГГц коэффициентов усиления и параметров диаграмм направленности (ДН) параболической зеркальной антенны диаметром с1 = 1 м, с фокусным расстоянием ¥ = 0,44 м и облучателем обратного излучения, где 00 — ширина ДН на уровне 3 дБ; 0г1 - 0/2 — углы между /-ми боковыми лепестками; УБД _ 1,2 — уровни /-х боковых лепестков, Д — смещение облучателя из фокуса антенны в направлении ее оси симметрии.
Как следует из таблицы, ширина ДН антенны 00 = 2,2° также соответствует положению облучателя ¥+5 см. Отметим, что максимально возможный коэффициент усиления и минимальная ширина ДН для синфазной и равноамплитудной зеркальной антенны диаметром 1 м составляют соответственно 38,5 дБ и 2,1° [5].
ДН исследуемой зеркальной антенны, измеренная при ее фокусировке в ближнюю зону на расстояние Я = 6 м, приведена на рис. 3. Максимальный коэффициент усиления, минимальная ширина ДН и приближение их значений к предельно допустимым свидетельствуют о том, что при положении облучателя ¥+5 см происходит фокусировка исследуемой антенны на расстояние 6 м в область расположения антенны, являющейся датчиком поля в схеме измерения коэффициента усиления и ДН, а результаты измерений тождественны измерениям в дальней зоне [1].
Запишем (3) относительно Д, тогда
¥ 2
А' = - ■ (4)
Я+¥
Подставляя в (4) значения Я = _6 м и ¥ = 0,44 м, получаем необходимое для фокусировки исследуемой антенны в ближнюю зону смещение облучателя из фокуса Д' = 0,035 м.
Таблица
Результаты исследования коэффициентов усиления С и параметров ДН параболической зеркальной антенны диаметром 1 м с фокусным расстоянием ¥ = 0,44 м и облучателем обратного излучения на частоте / = 8 ГГц
¥+Л, см ©0, град о, дБ ©11 ©12, град УБЛ1-1 УБЛ1-2, дБ ©21 ©22 град УБЛ2-1 УБЛ2-2, дБ ©31 ©32, град УБЛ3-1 УБЛ3-2 , дБ ¥+Д', см
¥-4 5,526 — — — 20,395 15 15 30 26 26 ¥-5,5
¥-2 4,737 — — — 17,632 14,5 14,5 30 27 26 ¥-3,5
¥-1 4,079 33,11 — — 17,895 19,5 20 30 28,5 28,5 ¥-2,5
¥±0 3,289 33,98 9,21 21 19,5 16,316 15,5 15,5 25 22,5 22,5 ¥-1,5
¥+1 2,895 34,57 9,737 21,5 21 16,184 20,5 20,5 26,32 24,5 24,5 ¥-0,5
¥+2 2,632 35,17 9,21 25,5 24 14,6 17,5 17,5 22,763 25,5 25,5 ¥+0,5
¥+3 2,6 36,40 8,947 20 19,5 13,947 22 22,5 26,32 30,5 29,5 ¥+1,5
¥+4 2,5 36,78 7,895 24,5 24,5 13,684 16 16 21,316 22 22 ¥+2,5
¥+5 2,2 37,10 — — 13,16 18 19 21 25,5 25 ¥ +3,5
¥+6 2,5 36,45 — — 12,63 17,5 17,5 18,68 22,5 22,5 ¥ +4,5
¥+10 6,71 33,20 10,5 8 9,5 — — 30 22,5 24 ¥ +8,5
¥+15 6,97 30,40 13,55 5 6,25 — — 26,31 16 15,5 ¥+13,5
Следует, что реальное положение фазового центра облучателя обратного излучения неизвестно, поэтому в процессе исследований ставилась задача обоснования методики настройки положения облучателя зеркальной антенны для фокусировки на бесконечность, соответствующей синфазному распределению поля в раскрыве антенны,
Рис. 3. ДН зеркальной антенны с синфазным распределением поля в рас-крыве, измеренная при ее фокусировке в ближнюю зону на расстояние 6 м
по результатам измерения коэффициента усиления этой антенны, сфокусированной в ближнюю зону.
Таким образом, методика настройки положения облучателя обратного излучения заключается в следующем: перемещают облучатель параболической антенны вблизи его фокуса вдоль оси симметрии образующего параболоида и измеряют положение отражателя (см. таблицу, града «Г + Д»); в каждом положении отражателя измеряют коэффициент усиления и угловое распределение поля антенны в ближней зоне на расстоянии Я от раскрыва исследуемой антенны; в положении облучателя, при котором коэффициент усиления имеет максимальное значение, его значение, а также формы измеренной ДН (угловое распределение поля антенны) тождественны измерениям в дальней зоне; по формуле (4) рассчитывают значение Д', на котороее надо изменить положение отсчетной плоскости облучателя для того, чтобы антенна стала синфазной (Д' = 3,5 см для антенны с фокусным расстоянием Г = 44 см, фокусируемой при измерениях на расстояние Я = 600 см). В таблице приведены скорректированные значения Г + Д', из которых следует, что точная настройка положения облучателя, соответствующая синфазности поля в раскрыве антенны, находится между значениями Г + 1 и Г + 2 см. При этом в ближней зоне на расстоянии 6 м от исследуемой антенны ошибка измерения коэффициента усиления по сравнению с измерениями в дальней зоне и тождественными им измерениям при фокусировке в ближнюю зону составит -2,53 дБ, что хорошо согласуется с известными представлениями [1].
Рассмотрим экспериментальное исследование тождественности измерений при фокусировке в ближнюю зону и на бесконечность (дальняя зона) антенны с несинфазным полем, фаза которого изменяется по квадратичному закону и характеризуется значением максимального отклонения ¥ в центре и по краям апертуры.
На рис. 4 приведена ДН исследуемой зеркальной антенны с облучателем обратного излучения, смещенным на величину
Д'=Д'1 + Д
■ 2-
(5)
Здесь одно из слагаемых, например Д1, отвечает за исходное сферическое распределение фазы поля в раскрыве антенны, а другое — Д2 = 0,035 — за фокусировку в ближнюю зону (находящуюся по-прежнему на расстоянии 6 м) и рассчитывается по формуле (4). Тогда Д1 = Д' - Д2 == 0,05 м, что в соответствии с (3) дает значение исходного радиуса кривизны фазового распределения поля в раскрыве антенны Я2 = -4,312 м.
Максимальное отклонение фазы по апертуре антенны рассчитывается по формуле
^тах п'
й 2
4^2
(6)
А, дБ О
Подставляя в (6) значения входящих в него величин — диаметра зеркала й = 1 м; длины волны X = 3,75 10-2 м; исходного радиуса кривизны фазового распределения Я2 = -4,312 м, — получаем исходное значение ¥тах = 1,546 п рад. Сравнивая измеренную при фокусировке в ближнюю зону на расстояние 6 м ДН, приведенную на рис. 4, с ДН апертуры с равноамплитудным полем, фаза которого изменяется по квадратичному закону с максимальным отклонением фазы по апертуре ¥шах = 1,5 п, приведенной в работе [5], следует отметить хорошее совпадении их форм и параметров: ширина ДН по уровню 3 дБ равна соответственно 6,71 и 7,29°, а «провалы» в ДН при нулевых углах одинаковы и равны ЗдБ.
Таким же образом можно проанализировать все остальные варианты измерений ДН в ближней зоне. Опуская подробности, можно также констатировать хорошее совпадение форм и параметров ДН, измеренных при фокусировке и в дальней зоне, по остальным вариантам измерений (см. таблицу).
Заключение. Получено экспериментальное подтверждение [-ш о ш\ /ф, град тождественности измерений характеристик антенн при фокусировке в ближнюю и дальнюю зо- Рис. 4. ДН зеркальной антенны с квад-
ны для антенн с произвольным Ручным ра^едеданит п°ля в рас, крыве (гтах = 1,546 п), измеренная при
амплитудным и сферическим ее фокусировке в ближнюю зону на
(квадратичным) фазовым рас- расстояние 6 м
-10
-20
-30
Л
J
)
1 \
\ \
0 0 к г
пределением поля, теоретическое доказательство которой приведено в работе [4].
Экспериментально подтверждена возможность измерения во временной области с преобразованием в частотную область в условиях бокса ограниченных размеров и безэховости характеристик больших зеркальных антенн сантиметрового диапазона при тождественности углового распределения поля на бесконечности и фокусировке в ближнюю зону.
В процессе экспериментальных исследований получена методика настройки положения облучателя зеркальной антенны по результатам измерений в ближней зоне, обеспечивающая ее синфазность.
ЛИТЕРАТУРА
[1] Фрадин А.З., Рыжков Е.В. Измерение параметров антенн. Москва, Связьиздат, 1962, 323 с.
[2] Лебедюк И.И. Исследование тождественности углового распределения энергии антенны на бесконечности и в фокусе. Вестник МГТУ им. Н.Э. Баумана. Сер. «Приборостроение», 2009, спец. выпуск «Радиолокация, спутниковая навигация и связь, радиоастрономия», с. 245—250.
[3] Антенна измерительная П6-23М: Руководство по эксплуатации — УШЯИ 464 653.003 РЭ ОАО «МНИПИ», 27 с.
[4] Бей Н.А., Митрохин В.Н. Антенны обратного излучения на основе конических диэлектрических структур. Антенны, сб. статей под ред. А.А. Пи-столькорса, выпуск 26, 1978, с. 146—155.
[5] Бей Н.А. , Митрохин В.Н. Исследование многомодовых антенн обратного излучения. Антенны, сб. статей под ред. Г.П. Слукина, 2005, № 10 (1001), с. 42—47.
[6] Драбкин А.Л., Зузенко В.Л. Антенно-фидерные устройства. Москва, Советское Радио, 1961, 816 с.
Статья поступила в редакцию 26.07.2013
Ссылку на эту статью просим оформлять следующим образом:
Жирнов В.Г., Лебедюк И.И. Экспериментальные исследования зеркальной антенны с облучателем обратного излучения трехсантиметрового диапазона во временной области с преобразованием в частотную область. Инженерный журнал: наука и инновации, 2013, вып. 9. URL: http://engjournal.ru/catalog/pribor/radio/950.html
Жирнов Владимир Георгиевич родился в 1951 г., окончил МВТУ им. Н.Э. Баумана в 1974 г. Радиоинженер, сотрудник Дмитровского филиала МГТУ им. Н.Э. Баумана. Автор восьми научных публикаций в области радиоэлектроники СВЧ. e-mail: zhirnovv@mail.ru
Лебедюк Игорь Иосифович родился в 1943 г., окончил МВТУ им. Н.Э. Баумана в 1966 г. Канд. техн. наук, доцент кафедры «Радиоэлектронные системы и устройства» МГТУ им. Н.Э. Баумана, ведущий научный сотрудник НИИ РЭТ МГТУ им. Н.Э. Баумана. Автор 72 научных публикаций и изобретений в области антенн и техники СВЧ.
