Направленные свойства элементарных антенн

Тип антенны	Ширина ДНА	Gmax()		f0, Гц
Симметричный вибратор	0,5=60	1,64	0,05…0,4	10^7…5^.10^9
Щелевая антенна	0,5=60	3,28	-	10^8…3,5^.10^10
Рупорная антенна			~0,6	3^.10^8…7^.10^10
Спиральная антенна			~0,7	10^8…3^.10^9
Рамочная антенна	F()=sin; 0,5=60	Зависит от числа витков	Зависит от добротности контура рамки	-
Параболическая антенна	бок-20дБ		Определяется типом облучателя	10^8…3^.10^9

Технический и технологический прогресс радиоэлектроники требует постоянного развития и совершенствования антенных систем. От сравнительно простых устройств, состоящих из одного или нескольких вибраторов, антенны трансформировались в сложные многокомпонентные системы, объединяющие в своем составе кроме обычных элементов решеток еще и активные приборы для генерации и усиления сигналов. Для нужд радиолокационных и радионавигационных систем, систем радиоуправления и радиолокационной борьбы понадобились антенны с характеристиками направленности специального вида. Для таких антенн очень важно свойство быстрого изменения ориентации максимума ДНА. Это свойство реализуется за счет электронного управления лучом (электрическое сканирование). Усложнение помеховой обстановки потребовало создания адаптивных антенн, обладающих глубокими провалами в диаграммах направленности и способных ориентировать эти провалы на источники помех. Такие антенны, фактически, являются пространственными фильтрами. Активные приборы в составе антенных систем позволяют сочетать пространственную обработку сигнала с обработкой во временной область. Таким образом работают антенны с пространственно-временной обработкой. При построении таких антенн широко применяются достижения микроэлектроники и когерентной радиооптики.

13.5. Антенные измерения

Основной измеряемой характеристикой при исследованиях и испытаниях антенн является диаграмма направленности. При этом чаще всего определяется лишь амплитудная диаграмма направленности. Гораздо реже фазовая и поляризационная диаграммы. Антенные измерения особенно сложны, поскольку их проведение обычно требует сложного оборудования больших полигонов и безэховых измерительных камер.

Для измерения диаграмм направленности существуют и применяются полигонные (лабораторные) методы, радиоастрономические методы измерения с использованием внеземных источников излучения, коллиматорный и голографический методы.

Метод полигонных (лабораторных) измеренийв дальней зоне реализуется схемой рис.13.16.

Рис.13.16. Схема полигонных измерений ДНА

Исследуемая антенна помещается на опорно-поворотном устройстве. На некотором расстоянии Rот нее располагается вспомогательная передающая антенна, возбуждаемая измерительным генератором. Приемник снабжен индикатором уровня выхода. Зависимость показаний индикатора от угла поворота антенныпри фиксированном значении углаявляется сечением диаграммы направленности плоскостью=const. Фазовый центр малонаправленной измерительной антенны А₂располагается в точке О₁. При конечном расстоянииR=О₁О₂фронт волны, падающий от испытуемой антенны на измерительную, будет не плоским, а цилиндрическим с максимальными фазовыми отклонениями на краях

.

Считается, что искажения диаграммы направленности незначительны, если фазовый фронт искривлен не более, чем на . Используя эту оценку в , можно получить нижнюю границу для расстояния между антеннами при полигонном или лабораторном измерении ДНА

.

Соотношение справедливо для остронаправленной антенны А₁и малонаправленной измерительной антенны А₂. Если обе антенны малонаправленные, достаточно, чтобы выполнялось условиеR2D.

При проведении измерений нужно обеспечить отсутствие отражений от земли и других окружающих объектов. Для ослабления влияния земли при полигонных измерениях антенны А1 и А2 рис. 13.16 размещают на специальных мачтах, а подстилающую поверхность обрабатывают так, чтобы она хорошо поглощала энергию электромагнитных волн и не создавала отражений, влияющих на структуру электромагнитного поля в точке приема. Для измерений с достаточной точностью не только формы главного лепестка ДНА, но и боковых лепестков, нужно, чтобы затухание при отражениях не превосходило уровня –30дБ. Для полного исключения влияния местных предметов на результаты измерения проводят в специальных безэховых камерах, облицованных изнутри радиопоглощающими материалами.

Одним из главных недостатков полигонных измерений в дальней зоне является необходимость обеспечения значительных расстояний между исследуемой и вспомогательной антеннами при измерении диаграмм остронаправленных антенн. Так при =1 м и 2_0,7=lтребуемое минимальное расстояние равно 5...7 км. При этом существенно возрастают затраты на строительство полигонов, увеличиваются погрешности измерений из-за влияния земли и возрастает мощность используемых при измерениях СВЧ - генераторов.

Частично устранить эти недостатки позволяют метод облета исследуемой антенны на самолете или другом летательном аппарате по заданной траектории в дальней зоне антенны и радиоастрономический метод измерения. Однако этот метод имеет ограниченное применение из-за сложности, высокой стоимости, малой производительности измерений и относительно малой точности из-за невозможности постоянно выдерживать точную траекторию полета.

При радиоастрономическом методеизмерений в качестве радиосигнала используется естественное излучение внеземных источников, которые одновременно хорошо идентифицируются с источниками оптического (Солнце, Лебедь, и др.). Разумеется, такие измерения возможны в диапазоне прозрачности атмосферы и ионосферы Земли 1,25 см20 м. Поворот антенны осуществляется за счет суточного вращения Земли. Учитывая малые угловые размеры внеземных источников, в первом приближении можно считать, что их яркостная температура описывается дельта -функцией углового положения источника:

Т()=с(-_и,-_и).

где с - константа, определяющая полную мощность излучения.

Поэтому мощность шумов, принимаемых остронаправленной антенной от одиночного источника внеземного излучения, пропорциональна диаграмме направленности антенны по мощности. Недостатком радиоастрономического метода измерений является малая скорость измерений, ограниченность измерений сечений диаграммы только в плоскостях вращения Земли. Кроме того, так как внеземные источники излучают очень широкополосный шум, диаграмма является результатом усреднения измерений в полосе пропускания приемного устройства, радиоастрономический метод имеет ограниченное применение при измерении узкополосных антенн.

Коллиматорный и голографическийметоды измерений не требуют больших расстояний между антеннами: измерения проводятся в ближней зоне антенны. В коллиматорном методе измерений рис.13.17 поле плоской волны от вспомогательной антенны,возбуждаемой генератором,создается при помощи коллиматора.

Рис.13.17. Коллоиматорный метод измерения ДНА

В качестве коллиматора используются зеркальные, линзовые и некоторые другие типы антенн, причем раскрыв коллиматора должны быть больше раскрыва исследуемой антенны. Диаграмма направленности антенны измеряется как зависимость амплитуды, регистрируемой приемным устройством,от направления между нормалью к раскрыву антенны и нормалью к фронту плоской волны.

В голографическом (апертурно-зондовом) методе измерений с помощью слабонаправленного перемещающегося зонда измеряется амплитудно-фазовое распределение координатных составляющих поля на некоторой поверхности Sв ближней зоне. ПоверхностьSможет быть произвольной, но из удобства измерений чаще всего ее выбирают плоской, расположенной непосредственно перед излучающей апертурной антенной, реже в виде сферы или цилиндрической поверхности, охватывающей антенну. По измеренному на поверхностиSполю в соответствии с (1) вычисляется диаграмма направленности антенны.

При реальных измерениях Е на плоскости ограничиваются областью, совпадающей или немного превышающей размеры апертуры антенны. Поэтому интегрирование в (1) выполняется по конечным пределам. Динамический диапазон измерения диаграммы направленности при коллиматорном и голографическом методах измерений составляет 40...45 дБ.

Прекрасное описание различных типов антенн, методов определения их параметров и характеристик, как и методов проектирования и применения можно найти в [10].