Меню

Антенны измерение диаграмм направленности



Ликбез по антеннам: диаграмма направленности 3

Аннотация

Перед тем как перейти к рассмотрению конструкции и работы разного типа антенн, рассмотрим одну из важнейших характеристик антенны – диаграмму направленности и те параметры, которые из нее напрямую вытекают.
Рекомендую, также, ознакомиться с предыдущей статьёй — Ликбез: основы теории по антеннам.

Введение

Антенна, вне зависимости от конструкции, обладает свойством обратимости (может работать как на прием, так и на излучение). Часто в радиорелейных трактах одна и та же антенна может быть подключена одновременно к приемнику и передатчику. Это позволяет излучать и принимать сигнал в одном направлении на разных частотах.

Почти все параметры приемной антенны соответствуют параметрам передающей антенны, но иногда имеют несколько другой физический смысл.

Несмотря на то, что приемная и передающая антенны обладают принципом двойственности, в конструктивном отношении они могут существенно отличаться. Связано это с тем, что передающая антенна должна пропускать через себя значительные мощности для передачи электромагнитного сигнала на большие (максимально возможные) расстояния. Если же антенна работает на прием, то она взаимодействует с полями очень малой напряженности. Вид токопередающей конструкции антенны часто определяет ее конечные габариты.

Пожалуй, основная характеристика любой антенны это диаграмма направленности. Из нее вытекает множество вспомогательных параметров и такие важные энергетические характеристики как коэффициент усиления и коэффициент направленного действия.

Диаграмма направленности

Диаграмма направленности (ДН) – это зависимость напряженности поля, создаваемого антенной на достаточно большом расстоянии, от углов наблюдения в пространстве. В объеме диаграмма направленной антенны может выглядеть так, как показано на рисунке 1.


Рисунок 1

То, что изображено на рисунке выше также еще называют пространственной диаграммной направленностью, которая является поверхностью объема и может иметь несколько максимумов. Главный максимум, выделенный на рисунке красным цветом, называется главным лепестком диаграммы и соответствует направлению главного излучения (или приема). Соответственно первые минимальные или (реже) нулевые значения напряженности поля вокруг главного лепестка определяют его границу. Все остальные максимальные значения поля называются боковыми лепестками.

На практике встречаются различные антенны, которые могут иметь несколько направлений максимального излучения, или не иметь боковых лепестков вовсе.

Для удобства изображения (и технического применения) ДН их принято рассматривать в двух перпендикулярных плоскостях. Как правило, это плоскости электрического вектора E и магнитного вектора H (которые друг другу в большинстве сред перпендикулярны), рисунок 2.


Рисунок 2

В некоторых случаях ДН рассматривают в вертикальной и горизонтальной плоскостях по отношению к плоскости Земли. Плоские диаграммы изображают полярной или декартовой (прямоугольной) системами координат. В полярных координатах диаграмма более наглядна, и при наложении ее на карту можно получить представление о зоне действия антенны радиостанции, рисунок 3.


Рисунок 3

Представление диаграммы направленности в прямоугольной системе координат более удобно для инженерных расчетов, такое построение чаще применяется для исследования самой структуры диаграммы. Для этого диаграммы строят нормированными, с главным максимумом, приведенным к единице. На рисунке ниже приводится типичная нормированная диаграмма направленности зеркальной антенны.


Рисунок 4

В том случае, когда интенсивность бокового излучения довольно небольшая и в линейном масштабе измерение бокового излучения затруднительно, применяют логарифмический масштаб. Как известно децибелы маленькие значения делают большими, а большие – маленькими, поэтому та же самая диаграмма в логарифмическом масштабе выглядит так, как показано ниже:


Рисунок 5

Из одной только диаграммы направленности можно вытащить довольно большое количество важных для практики характеристик. Исследуем подробнее диаграмму, изображенную выше.

Один из наиболее важных параметров – это ширина главного лепестка по нулевому излучению θ и ширина главного лепестка по уровню половинной мощности θ0,5. Половина мощности соответствует уровню 3 дБ, или уровню 0,707 по напряженности поля.


Рисунок 6

Из рисунка 6 видно, что ширина главного лепестка по нулевому излучению составляет θ = 5,18 град, а ширина по уровню половины мощности θ0,5 = 2,15 град.

Также диаграммы оценивают по интенсивности бокового и обратного излучения (мощности боковых и задних лепестков), отсюда вытекает еще два важных параметры антенны – это коэффициент защитного действия, и уровень боковых лепестков.

Коэффициент защитного действия – это отношение напряженности поля, излученного антенной в главном направлении к напряженности поля, излученного в противоположном направлении. Если рассматривают ориентацию главного лепестка диаграммы в направлении на 180 градусов, то обратного – на 0 градусов. Возможны и любые другие направления излучения. Найдем коэффициент защитного действия рассматриваемой диаграммы. Для наглядности изобразим ее в полярной системе координат (рисунок 7):


Рисунок 7

На диаграмме маркерами m1,m2 изображены уровни излучения в обратном и прямом направлениях соответственно. Коэффициент защитного действия определяется как:

— в относительных единицах. То же самое значение в дБ:

Уровень боковых лепестков (УБЛ) принято указывать в дБ, показывая тем самым, насколько уровень бокового излучения слаб по сравнению с уровнем главного лепестка, рисунок 8.


Рисунок 8

УБЛ в районе -18 дБ считается довольно хорошим показателем для высоконаправленной антенны. На рисунке изображены уровни первых боковых лепестков. Аналогично можно указывать также уровни всех последующих, но практической ценности их значение имеет мало, а представляет скорее академический интерес. Дело в том, что первые боковые лепестки находятся как правило «ближе всех остальных» к максимуму диаграммы направленности и могут оказывать помехи. Например, если сопровождение объекта происходит на уровне главного лепестка диаграммы -3дБ, а уровень первого бокового лепестка близок к этому значению (например -5:7 дБ), то велика вероятность начать цеплять объект боковым излучением со всеми вытекающими отсюда последствиями (неправильное позиционирование, потеря объекта и др.). Низкий УБЛ необходим не только для радиолокации, но и для области связи, ведь наличие паразитного излучения это всегда дополнительные помехи.

Читайте также:  Как измерить 200 грамм творога без весов

Коэффициент направленного действия и коэффициент усиления

Это два немаловажных параметра любой антенной системы, которые напрямую вытекают из определения диаграммы направленности. КНД и КУ часто путают между собой. Перейдем к их рассмотрению.

Коэффициент направленного действия

Коэффициент направленного действия (КНД) – это отношение квадрата напряженности поля, созданного в главном направлении (Е 2 ), к среднему значению квадрата напряженности поля по всем направлениям (Еср 2 ). Как понятно из определения, КНД характеризует направленные свойства антенны. КНД не учитывает потери, так как определяется по излучаемой мощности. Из сказанного выше можно указать формулу для расчета КНД:

Если антенна работает на прием, то КНД показывает, во сколько раз улучшится отношение сигнал/шум по мощности, при замене направленной антенны ненаправленной, если помехи приходят равномерно со всех направлений.

Для передающей антенны КНД показывает, во сколько раз нужно уменьшить мощность излучения, если ненаправленную антенну заменить направленной, при сохранении одинаковых напряженностей поля в главном направлении.

КНД абсолютно ненаправленной антенны, очевидно, равно единице. Физически пространственная диаграмма направленности такой антенны выглядит в виде идеальной сферы:


Рисунок 9

Такая антенна одинаково хорошо излучает во всех направлениях, но на практике нереализуема. Поэтому это своего рода математическая абстракция.

Коэффициент усиления

Как уже было сказано выше, КНД не учитывает потери в антенне. Параметр, который характеризует направленные свойства антенны и учитывает потери в ней, называется коэффициентом усиления.

Коэффициент усиления (КУ) G – это отношение квадрата напряженности поля, созданного антенной в главном направлении (Е 2 ), к среднему значению квадрата напряженности поля (Еоэ 2 ), созданного эталонной антенной, при равенстве подводимых к антеннам мощностей. Также отметим, что при определении КУ учитываются КПД эталонной и измеряемой антенны.

Понятие эталонной антенны очень важно в понимании коэффициента усиления, и в разных частотных диапазонах используют разные типы эталонных антенн. В диапазоне длинных/средних волн за эталон принят вертикальный несимметричный вибратор длиной четверть волны (рисунок 10).


Рисунок 10

Для такого эталонного вибратора Dэ=3,28, поэтому коэффициент усиления длинноволновой/средневолновой антенны определяется через КНД так: G=D * ŋ/3,28 , где ŋ – КПД антенны.

В диапазоне коротких волн в качестве эталонной антенны принимают симметричный полуволновый вибратор, для которого D э=1,64, тогда КУ:

В диапазоне СВЧ (а это почти все современные Wi-Fi, LTE и др. антенны) за эталонный излучатель принят изотропный излучатель, дающий Dэ=1, и имеющий пространственную диаграмму, изображенную на рисунке 9.

Коэффициент усиления является определяющим параметром передающих антенн, так как показывает, во сколько раз необходимо уменьшить мощность, подводимую к направленной антенне, по сравнению с эталонной, чтобы напряженность поля в главном направлении осталась неизменной.

КНД и КУ в основном выражают в децибелах: 10lgD, 10lgG.

Заключение

Таким образом, мы рассмотрели некоторые полевые характеристики антенны, вытекающие из диаграммы направленности и энергетические характеристики (КНД и КУ). Коэффициент усиления антенны всегда меньше коэффициента направленного действия, так как КУ учитывает потери в антенне. Потери могут возникать из-за отражения мощности обратно в линию питания облучателя, затекания токов за стенки (например, рупора), затенение диаграммы конструктивными частями антенны и др. В реальных антенных системах разница между КНД и КУ может составлять 1.5-2 дБ.

Источник

Основы радиолокации

Диаграмма направленности антенны

Рисунок 1. Пример диаграммы направленности параболической антенны в декартовой системе координат

Рисунок 1. Пример диаграммы направленности параболической антенны в декартовой системе координат

Диаграмма направленности антенны

Термином «диаграмма направленности антенны» (или «диаграмма излучения») обычно называют графическое изображение угловой зависимости излучения антенны. На нем, как правило, наносится значение относительной (в основном, нормированной) интенсивности поля, излучаемого антенной. Нормирование интенсивности выполняется по значению интенсивности поля, измеренному в направлении максимума излучения антенны. Вследствие теоремы взаимности диаграммы направленности на излучение (зависимость плотности мощности от направления) и на прием (зависимость чувствительности от направления) для одной и той же антенны совпадают. Диаграммы направленности могут определяться экспериментально либо путем математического моделирования. Диаграммы направленности используют для оценки конкретной антенны. В частности, на их основе можно получить представление о степени ухудшения характеристик радиолокатора в случае, если антенна не точно наведена на цель.

Для идеальной изотропной антенны, для которой плотность излучаемой мощности одинакова во всех направлениях, диаграмма направленности имеет форму сферы. Направленные антенны, такие как, например, антенны радиолокаторов, обеспечивают значительную концентрацию излучения в одном заданном направлении. Благодаря сфокусированной, узкой ширине луча в этом направлении достигается большая дальность действия радиолокатора. Эта узкая ширина луча позволяет осуществлять более точное излучение зондирующего сигнала в сторону цели и прием отраженного от нее сигнала. Диаграмма направленности представляет собой графическое изображение относительной напряженности поля, излучаемого или принимаемого антенной. На диаграмме направлености расстояние ее поверхности от начала координат пропорциональной величине напряженности электрического поля Е на некотором фиксированном расстоянии от антенны в соответствующем направлении.

Читайте также:  Для измерения уровня сигнала gsm

Рисунок 2. Горизонтальное сечение диаграммы направленности в полярной системе координат

Рисунок 2. Горизонтальное сечение диаграммы направленности в полярной системе координат

Горизонтальная диаграмма направлености

Диаграмма направленности антенны обычно представляется в виде трехмерного графика. Плоские диаграммы направленности чаще всего строят либо в плоскости оси антенны, либо в плоскости, ей перпендикулярной. Эти плоскости называют, соответсвенно, азимутальной и угломестной. Такие графики могут строиться в декартовой (прямоугольной) системе координат (Рисунок 1) либо в полярной системе координат (Рисунок 2). Каждый из этих форматов имеет свои преимущества и недостатки. В декартовой системе координат достигается хорошая детализация, однако представление формы луча не наглядно. Такой тип представления диаграммы направленности предпочтителен в случае, когда важна точная оценка уровня боковых лепестков. При построении диаграммы направленности путем численного моделирования имеется таблица значений с нужной степенью детализации.

Диаграммы направленности антенн, построенные в полярной системе координат, обладают лучшей наглядностью и более приспособленны для отображения их на картах. С их помощью обеспечивается быстрая оценка свойств антенны в заданном направлении.

Поставщики антенн измеряют диаграммы направленности антенн, фиксируя положение точки наблюдения и вращая антенну вокруг своей оси, либо, наоборот, выполняя измерения (вычисления) в точках, находящихся вокруг неподвижной антенны.

Хотя изображение диаграмм направленности антенн может быть полезным для визуальной оценки, при выполнении инжинерного анализа оно может оказаться недостточно информативным. Поэтому измеренные или рассчитанные данные также преобразовывают в числовые значение в форме таблиц.

Вертикальная диаграмма направленности

Форма вертикальной диаграммы направленности определяется путем сечения трехмерного графика вертикальной плоскостью. На графике, приведенном на Рисунке 3, представлена четверть (один квадрант) круга. Здесь вдоль оси х откладываются значения дальности действия радиолокатора, а вдоль оси у — высота цели. Одним из методов исследования антенн является метод измерения с использованием радиочастотного излучения Солнца (в англоязычной литературе — Sun-Strobe-Recording). Для реализации этого метода можно применять RASS-S (Radar Analysis Support System for Sites) , измерительный инструмент разработки компании Intersoft Electronics. Он представляет собой программную систему, выполняющую оценку различных элементов радиолокатора в заданных условиях, вне зависимости от его производителя.

Рисунок 3. Вертикальная диаграмма направленности в виде косеканс-квадратичной зависимости

Рисунок 3. Вертикальная диаграмма направленности в виде косеканс-квадратичной зависимости

Рисунок 4. Трехмерная диаграмма направленности рупорного облучателя

Рисунок 4. Трехмерная диаграмма направленности рупорного облучателя

На Рисунке 3 единицей измерения дальности является морская миля, а высоты — фут. Обе эти единицы измерения все еще используются в системах управления воздушным движением, где такое положение сложилось исторически. Тип единицы измерения имеет второстепенное значение только потому, что на графиках диаграмма направленности откладывается относительный уровень. Это означает, что максимальное (теоретически) значение дальности действия, рассчитанное с помощью уравнения радиолокации, соответсвует направлению максимального излучения антенны. Форма графика дает только качественную оценку! Для получения абсолютных значений необходим второй график, построенный при тех же условиях. Сравнив между собой оба эти графика, можно сделать заключение о характеристиках антенны.

Наклонные лучи на графике соответствуют углам места, следующим с шагом пол-градуса. Разный масштаб по осям системы координат (по дальности и по высоте цели) приводит к нелинейному изменению углового расстояния между угломестными лучами. Линии высоты образуют линейную сетку. Пунктирные линии, расположенные рядом с ними, показывают кривизну Земли.

Трехмерная диаграмма направленности

Трехмерное представление диаграмм направленности получают при помощи компьютерного моделирования. Для этого используются различные пакеты программ, результаты расчетов которых бывают удивительно близки к результатам реальных измерений. Построение такого изображения требует вычисления значений в большом количестве точек. Поэтому во многих прикладных программах такого назначения применяется компромисс: по реальным измерениям формируются вертикальное и горизонтальное сечения диаграммы направленности, а в остальных точках значения получают рассчетным способом, путем перемножения всего массива вертикального сечения на одно значение горизонтального сечения. Для выполнения такого алгоритма требуются огромные вычислительные ресурсы. Однако, за исключением эффектности таких изображений на презентациях, целесообразность их использования сомнительна, поскольку они практически не добавляют новой информации по сравнению с двумя плоскими диаграммами. Напротив: в перефирийных зонах, в результате применения компромисса, рассчетные значения могут существенно отличаться от измеренных.

Издатель: Кристиан Вольф, Автор: Андрей Музыченко
Текст доступен на условиях лицензий: GNU Free Documentation License
а также Creative Commons Attribution-Share Alike 3.0 Unported License,
могут применяться дополнительные условия.
(Онлайн с ноября 1998 года)

Читайте также:  Единицы измерения объема выполненных работ

Источник

Записки программиста

Как измерить диаграмму направленности антенны

Ранее в статье Используем спутники для проведения QSO на УКВ упоминалась покупная антенна волновой канал с тремя элементами на 145 МГц и пятью элементами на 435 МГц. Из инструкции к антенне мы можем почерпнуть информацию об ее усилении и диаграмме направленности. Но можно ли проверить, что антенна действительно обладает заявленными свойствами? Вдруг она была собрана неправильно, повреждена во время эксплуатации, или производитель попросту нас дурит? Оказывается, что проверить можно, и сделать это не так уж трудно.

Для эксперимента был использован анализатор спектра Rigol DSA815-TG, некоторое количество кабелей RG58, приемная антенна-диполь RTL-SDR Blog Multipurpose Antenna, самодельный петлевой диполь и испытуемая антенна Уда-Яги. Если нет анализатора спектра, можно воспользоваться рацией на 145 МГц и RTL-SDR. Также для задачи сгодится NanoVNA. Я предпочел использовать анализатор спектра по соображениям удобства. Тестирование производилось только на 145 МГц. С другими частотами, само собой разумеется, принцип будет тот же.

Приемная антенна была установлена на высоте около трех метров от земли в горизонтальной поляризации и настроена по антенному анализатору. Последний не обязательно нужен для эксперимента, но с ним вы получите более точные результаты. Если антенного анализатора нет, вместо него можно использовать анализатор спектра с КСВ-мостом или RTL-SDR с генератором шума и направленным ответвителем. Приемная антенна была подключена к входу анализатора спектра.

Петлевой диполь был установлен на той же высоте примерно в 15 метрах от приемной антенны. В общем случае расстояние между антеннами должно составлять по крайней мере несколько λ. Эта антенна была подключена к выходу следящего генератора. На анализаторе спектра видим следующее:

Желтый график соответствует ситуации, когда антенны смотрят прямо друг на друга, пурпурный — когда петлевой диполь отвернут на 45°, а бирюзовый — когда антенны стоят перпендикулярно друг другу. Как нам известно, петлевой диполь имеет такое же усиление, что и обычный диполь. Следовательно, -36.85 dB соответствуют усилению 0 dBd или 2.15 dBi. С тем же успехом можно использовать обычный диполь или любую другу антенну с известным усилением. «Калибровочная» антенна нужна только для перевода показаний анализатора спектра в dBi.

Снимаем петлевой диполь и ставим на его место волновой канал. Вращаем его в горизонтальной плоскости и записываем показания для разных углов. Я решил сделать 36 измерений с шагом около 10°. Это, пожалуй, минимальный шаг, при котором антенну еще можно более-менее точно поворачивать на глаз.

Что нам теперь делать с этими данными? Для начала вычислим усиление в dBi для угла 0°. У меня оно получилось:

Производитель обещает 9.5 dBi, но это в свободном пространстве. Модель антенны в cocoaNEC подсказывает, что в трех метрах от средней земли диаграмма направленности выглядит как-то так:

При этом усиление под углами 2-3° как раз составляет около 7.7 dBi. Вроде, сходится.

Для графического представления собранных данных и сравнения их с моделью были использованы Python и Matplotlib:

#!/usr/bin/env python3 -u
# vim: set ai et ts=4 sw=4:

from math import pi
import matplotlib . pyplot as plt
import csv

def load_data ( fname ) :
xs , ys = [ ] , [ ]
with open ( fname , newline = » ) as f:
for row in csv . reader ( f , delimiter = ‘,’ , quotechar = ‘»‘ ) :
xs + = [ 2 *pi* float ( row [ 0 ] ) / 360 ]
ys + = [ float ( row [ 1 ] ) ]
max_y = max ( ys )
ys = [ y — max_y for y in ys ]
return xs , ys

xs , ys = load_data ( ‘data/raw-data.csv’ )
model_xs , model_ys = load_data ( ‘data/model-data.csv’ )

dpi = 80
fig = plt. figure ( dpi = dpi , figsize = ( 512 / dpi , 384 / dpi ) )

ax = plt. subplot ( 111 , projection = ‘polar’ )
ax. set_theta_offset ( 2 *pi* 90 / 360 )
ax. plot ( xs , ys , linestyle = ‘solid’ , linewidth = 3 )
ax. plot ( model_xs , model_ys , linestyle = ‘dashed’ , color = ‘red’ )
ax. set_rmax ( 0 )
ax. set_rticks ( [ — 6 *i for i in range ( 0 , 7 ) ] )
ax. set_yticklabels ( [ » ] + [ str ( — 6 *i ) for i in range ( 1 , 7 ) ] )
ax. set_rlabel_position ( 0 )
ax. set_thetagrids ( range ( 0 , 360 , 15 ) )
ax. set_theta_direction ( — 1 )
ax. grid ( True )

fig. savefig ( ‘measured-vs-model.png’ )

Скрипт выдает такую картинку:

Синяя сплошная линия — это результаты измерений, а красная пунктирная — результаты моделирования в cocoaNEC. Синий график, конечно, вышел кривоватым. Это объясняется тем, что измерения проводились на дачном участке, где имеются посторонние металлические предметы. Что куда отражается и в какой фазе складывается, предсказать невозможно.

С учетом вышесказанного, измерения очень даже неплохо сошлись с теорией. Результаты можно существенно улучшить, если производить измерения в чистом поле. А если обзавестись поворотным устройством, обеспечивающим точность поворота хотя бы 5°, то наверняка удастся разглядеть на ДН и боковые лепестки.

Такой вот занимательный эксперимент получился. Сырые данные, а также все использованные модели и скрипты, вы найдете в этом репозитории на GitHub. Как обычно, буду рад любым вашим вопросам и дополнениям.

Источник