CC BY
354
НАУЧНЫЙ ВЕСТНИК МГТУ ГА сер. Радиофизика и радиотехника
УДК 621.317.023:621.396.6
О возможности применения реконструктивных антенных измерений для радиотехнической аттестации помещений
Е.Е. НЕЧАЕВ, В.Ф. ШАШЕНКОВ
Приведен обзор методов радиотехнических испытаний помещений, подлежащих аттестации по уровню отражений. Рассматривается возможность применения для этой цели реконструктивного метода антенных измерений.
Под аттестацией (калибровкой) помещений понимается определение уровня отражений, т.е. среднего отношения плотности отраженной от стен, потолка и пола энергии к плотности непосредственно излученной энергии [1]. Это отношение выражают чаще всего в децибелах, определяя его как коэффициент безэховости по следующей формуле [2]
КБ = 101ё(Ротр ' Р‘“). (1)
В настоящее время для радиотехнических испытаний помещений существуют следующие способы [1,2,3]:
- метод непосредственного измерения рассеянной мощности;
- метод коэффициента стоячей волны (КСВ);
- метод сравнения диаграмм направленности (ДН) приёмной антенны;
- метод генератора качающейся частоты;
- вибрационный и коммутационный методы;
- реконструктивный метод.
Рассмотрим более подробно эти методы.
Метод непосредственного измерения рассеянной мощности [2]. Метод достаточно прост и отличается оперативностью. Для его реализации целесообразно использовать приёмные антенны с малым уровнем боковых лепестков, что позволит определить уровень отражений с заданного углового направления относительно места установки в помещении приёмной антенны. Обычно используют рупорные и ребристо-рупорные антенны. Измерения проводят по схеме, представленной на рис. 1. Приёмная антенна Апр вращается поворотным устройством 3 в заданной плоскости измерений и при каждом угле ориентации главного максимума ДН фиксируется с помощью аттенюатора 1 и приёмника 2 отраженная мощность. Эта мощность нормируется к максимальной и строится диаграмма коэффициента безэховости в полярных или декартовых координатах. Подобная методика измерений требует равномерного углового облучения внутренней поверхности помещения, что диктует требования к ДН передающей антенны - она должна быть слабонаправленной. Одним из основных требований к ДН приёмной антенны является наличие как можно более низкого уровня боковых лепестков.
По оценкам работы [2] для измерений КБ на уровне - 40дБ требуется приёмная антенна, уровень боковых лепестков которой не выше, чем - 65.. ,70дБ.
Метод КСВ [1,2]. При этом методе измерений направленную приёмную антенну передвигают в помещении по различным направлениям, как это показано на рис. 2. Для повышения оперативности измерений целесообразно перемещать антенну в трёх взаимно перпендикулярных направлениях вдоль главных осей помещения. При движении приёмной антенны изменяется напряженность излученного и отраженного полей в месте приема, в результате приёмник-индикатор фиксирует интерференционную картину полей, схожую с изменением КСВ в измерительной линии. Вследствие этого метод и получил такое название -метод КСВ.
Рис.1. Схема установки для непосредственного измерения рассеянной мощности
дБ
0
-ю
-20
-30
&ср1 - кО
*50
Рис.2. Измерение коэффициента безэховости методом КСВ
• • ! Ї 1
№
0 20 НО . Ъ V 88
Рис.3. Осцилляционные кривые, получаемые при измерении коэффициента безэховсти методом КСВ
При движении приёмной антенны по главным осям помещения амплитуда излученного поля передающей антенны на входе приёмника-индикатора практически не изменяется, чего нельзя сказать об амплитуде отраженного от стен (пола, потолка) помещения поля. В результате изменяется как средний уровень результирующего поля, так и его разброс ЛИ; (см. рис. 3). По полученным максимальным и минимальным значениям напряжения и с (рис. 3) определяется КБ.
Метод сравнения диаграмм направленности приёмной антенны [1,2]. Сущность этого метода заключается в следующем. В помещении, подлежащем аттестации, производят измерение ДН приёмной антенны. При этом помещение облучается передающей антенной, обычно установленной так, чтобы главный лепесток её ДН был направлен на приёмную антенну. После снятия серии ДН для ряда фиксированных точек помещения, где размещается приёмная антенна, накладывают друг на друга диаграммы и выбирают среднюю из них, при которой разброс измеренных значений ДН наибольший. Именно наличие отражений в помещении и приводит к тому, что измеренные ДН будут отличаться друг от друга. По разбросу значений и определяется коэффициент безэховости помещения.
Измерение коэффициента безэховости с помощью генератора качающейся частоты [2,3]. Метод можно проиллюстрировать рис. 4. Измерительная установка состоит из генератора качающейся частоты 1, передающей слабонаправленной антенны Апер с ДН 2, приёмной антенны Апр с ДН типа кардиоиды 3, приёмника 4 и регистрирующего устройства 5. СВЧ сигналы распространяются от передающей антенны к приёмной по прямому лучу 6 и по отраженным лучам, например 7 и 8.
Рис.5. Модуляционный метод измерений
Рис.4. Схема метода измерений с помощью генератора качающейся частоты
При изменении частоты генератора 1 меняется электрическая длина прямого и отраженных лучей. В результате этого на регистрирующем приборе 5 будет записываться интерференционная кривая, аналогичная кривой в методе КСВ. Для слабонаправленной приёмной антенны в [2] даётся формула для определения коэффициента безэховости
>1РМАКС ~\1 РМИН ) / (>/ РМАКС +л1РмЙн)_ а. (2)
При этом точность измерения КБ зависит от глубины провала в ДН приемной антенны. Так, например, если провал составляет -55 дБ, то такой антенной можно непосредственно измерить КБ до уровня - 40дБ [2].
Схожая схема измерений с использованием генератора качающейся частоты описана в [3]. Измерительная установка состоит из СВЧ генератора 1 с линейной частотной модуляцией по пилообразному закону, передающей 2 и двух приёмных 3 и 4 антенн (рис. 5). Сигнал, принятый антенной 3, задерживается во времени с помощью переменной линии задержки 5 и совместно с СВЧ сигналом, принятым антенной 4, подаётся на преобразователь 6 разностной частоты, выход которого последовательно подключен к полосовому фильтру 7, детектору 8 и устройству регистрации 9. Подбирая период пилообразного закона модуляции частоты и время задержки, можно отфильтровывать сигналы по любым лучам, как по прямому, так и по отраженным, поступающим на входы приёмных антенн 3 и 4, вследствие возникающей разности хода отраженных лучей. По понятным причинам точность измерений с помощью данной системы зависит от ширины полосы фильтра.
Вибрационный и коммутационный методы [3,4,5]. Эти методы аттестации помещений связаны с “подкраской” отраженных лучей путём вибрации (коммутации) элементов измерительной установки, например, передающей антенны. Подобная идея воплощена в устройствах [4,5,6], а измерительная схема с использованием четырёх коммутируемых передающих антенн приведена на рис. 6. В устройствах, реализующих вибрационный метод измерений [4,5], в спектре СВЧ колебания, регистрируемого на выходе приёмной антенны, будут составляющие с частотами /0+ п/в (где /0 - несущая частота, /в - частота вибрации, п -целое число). Амплитуда п-й составляющей спектра сигнала пропорциональна Зп(т), где Зп -функция Бесселя п-го порядка, т - индекс фазовой модуляции, пропорциональный амплитуде вибрации и направляющему косинусу отражающей точки в аттестуемом помещении. При отсутствии отражений в помещении (т = 0) спектр принятого сигнала содержит только составляющие на частоте /0. Отражения (т Ф 0) приводят не только к появлению вышеотмеченных составляющих, но и к изменению амплитуды сигнала на несущей частоте. Устройства [4,5] позволяют оценить уровень отражений в помещении.
Эффект пространственных перемещений можно имитировать путём поочередной коммутации передающих антенн (рис. 6) [6]. Уровень отражений в помещении оценивается путём обработки спектра фазоманипулированного сигнала.
Рис. 6. Коммутационный метод измерений: 1,2,3,4 - передающие антенны; 5,6 - коммутаторы; 7 - делитель мощности; 8 - фазовращатель; 9 - генератор частоты ¥к; генератор частоты ¥0; 11- приёмная антенна; 12 -
приёмник; 13- регистрирующее устройство
Реконструктивный метод [3,7]. Реконструктивные методы измерений основаны на восстановлении истинных характеристик излучения с учётом априорно известных искажающих факторов [3]. Идея метода реконструкции может быть пояснена с помощью рис. 7 [3]. Пусть на испытуемую антенну 1 падает прямой луч 2 от передающей антенны 3 и отраженный от стенок помещения 4 луч 5, распространяющийся под углом &0 к лучу 2.
Пусть также известна (в результате предварительных исследований) относительная амплитуда а = Е2 / Е1 отраженной волны 5. Тогда измеренная ДН антенны 1 будет иметь вид Р (&) = ¥а(&) + а Еа(& - 0о), (3)
где ¥а(@) - истинная ДН антенны.
Соотношение (3) очевидным образом обобщается и на большее число отражений. Если значения ДН (3) измеряются в п (п = 1,2,...И) дискретных точках в секторе углов от 0 до ЫА& (А& - интервал дискретизации), то вместо (3) имеем:
/\
Рис. 7. К пояснению реконструктивного метода измерений
Рис. 8. Дуговой коллиматорный зонд
Рис. 9. У-образный коллиматорный зонд
¥ (п) = ¥а(п) + а ¥а(п - по ), (4)
где ¥ (п) = ¥ (п А&), ¥А(п) = ¥А(п А&), п0 = &0 /А& .
Подвергая (4) дискретному преобразованию Фурье, получаем:
¥ (к) = ¥А(к)[1+ а ехр(-]2п п0к /И)] = ¥А(к)И(к), (5)
где к = 1,...И, ¥А(к) - дискретное преобразование Фурье значений ¥А(п), а также учтено то
обстоятельство, что преобразование Фурье от а ¥А(п - п0) есть дискретная функция вида а ехр(-]2ж п0 к /И) ¥А(к).
Из (5) легко видеть, что истинную ДН антенны можно определить как обратное дискретное преобразование Фурье от функции
¥А(к) = ¥ (к) /И(к), (6)
где величины И(к) предполагаются известными из результатов предварительных обмеров
помещения. При этом можно указать следующие варианты идентификации априорной информации о помещении (в данном случае а и &0 ):
- использование передающей антенны с известной ДН;
- зондирование периметра области измерений;
- использование передающих сигналов с известной огибающей;
- свипирование частоты излучаемого сигнала и его регистрация в области измерений.
Как видим, одним из способов получения априорной информации о помещении является
использование антенны с известной ДН. При этом целесообразно воспользоваться следующим алгоритмом [7], учитывающим круговое сканирование линейных приёмных коллиматорных зондов по угловой координате ф
(¥а (п/2, ф) ] = Яф3 / !а ] ]ДПФ ]{Л }[ДПФ\\ (7)
где Яе<г/3 / гА ] - матрица-строка измеренных значений напряжений на выходе измерительного
{Л}
зонда, отнесенных к току антенны;
диагональная матрица, равная
{[ДПФ ]¥3(п/2,ф-фп) ]}{4/}{Яе4}"\¥3- ДН измерительного зонда в выбранной
угломестной плоскости, например, 0 = п/2; {|} и {| П} - собственные значения
нормированных матриц взаимных сопротивлений зондов в свободном пространстве и с учетом помещения [ гш] и [ гшП ] соответственно.
Сравнение ДН эталонной антенны ¥эа с восстановленной ¥д по алгоритму (7) позволяет
получить диаграмму отраженных сигналов помещения в зависимости от азимутального угла ф в месте расположения фазового центра эталонной антенны, т.е. в выбранной заранее точке в помещении. Эта диаграмма может быть записана в виде
<ДНотр (п/2, ф)] = <\¥эа\ (п/2, ф)] - <\¥а\ (п/2, ф)]. (8)
Существенным отличием реконструктивного метода от ранее рассмотренного метода сравнений ДН является то, что реконструктивные измерения не требуют дальней зоны антенны при аттестации помещения, они предполагают измерения в ближней зоне, что уменьшает погрешности измерений и повышает их оперативность.
В качестве коллиматорных зондов целесообразно использовать дуговой [8] и V - образный [9] (рис. 8 и 9), применение которых имеет ряд преимуществ, рассмотренных в [3].
Таким образом, одним из основных методов радиотехнической аттестации помещений является реконструктивный метод, обладающий высокой точностью и оперативностью. Этот метод позволяет определить уровень отражений в заданной точке помещения. К ограничениям выбора расположения таких точек относительно стен (пола, потолка) помещения можно отнести конечный радиус сканирования коллиматорного зонда вокруг излучающей антенны и линейный размер коллиматорного зонда.
ЛИТЕРАТУРА
1.Фрадин А.З., Рыжков Е.В. Измерение параметров антенно-фидерных устройств. М.: Связь, 1972.
2.Мицмахер М.Ю., Торгованов В.А. Безэховые камеры СВЧ. М.: Радио и связь, 1982.
3.Воронин Е.Н., Нечаев Е.Е., Шашенков В.Ф. Реконструктивные антенные измерения. М.: Наука, 1995.
4.А.с. 1317372 СССР. Устройство для измерения диаграммы направленности антенны / Е.Н. Воронин, Е.Е. Нечаев, бюл. № 22, 1987.
5.А.с. 1195295 СССР. Устройство для определения ошибок безэховых камер / Е.Н. Воронин, Е.Е. Нечаев, бюл. № 44, 1985.
6.А.с. 1185273 СССР. Устройство для аттестации безэховых камер / Е.Н. Воронин, Е.Е. Нечаев, бюл. № 38, 1985.
7.А.с. 1239647 СССР. Способ определения диаграммы направленности антенны / Е.Н. Воронин, Е.Е. Нечаев, бюл. № 23, 1984.
8.А.с. 1377770 СССР. Измерительный зонд / Е.Н. Воронин, Е.Е. Нечаев, бюл. № 3, 1998.
9.А.с. 1529145 СССР. Коллиматорный зонд / Б.А. Акишин, Е.Н. Воронин, Г.А. Морозов, Е.Е. Нечаев, Н.К. Валиахметов, бюл. № 46, 1999.
E.E. Nechaev, V.F. Shashenkov
About an opportunity of application reconstructive антенных measurements for radio engineering certification of premises
The methods review of radio engineering tests for rooms being a certification subject on a level of reflections is presented. The feasibility for this purpose of a reconstruction method of the antenna measurements is considered.
Сведения об авторах
Нечаев Евгений Евгеньевич, 1952 г.р., окончил НГТУ (1974), доктор технических наук, профессор кафедры радиотехнических устройств МГТУ ГА, автор 135 научных работ, область научных интересов - антенные измерения, техника СВЧ.
Шашенков Валерий Фёдорович, 1948 г.р., окончил МАИ (1972), кандидат технических наук, старший научный сотрудник в/ч 43753 - Ю, автор 45 научных работ, область научных интересов - радиосвязь.
