Характеристики электромагнитных полей

Характеристики полей и антенн. Вопросы измерений.

О задаче

Задачи измерения параметров волновых электромагнитных полей и параметров антенн тесно связаны между собой.  Измерению и анализу в обоих случаях подлежит выходной сигнал некоторой антенны, но при исследовании характеристик поля антенна должна быть эталонной, то есть с известными характеристиками, а при исследовании характеристик произвольной антенны должны быть известны параметры поля, под воздействием которого она находится. В частности, такое поле может быть создано некоторой эталонной антенной при известной подводимой к ней мощности.

Условие дальней зоны

Наиболее важные характеристики как полей, так и антенн относятся к случаю плоских волн. В плоской волне, как известно [ ], векторы напряженности электрического и магнитного полей ортогональны, лежат в плоскости, перпендикулярной направлению распространения, а их модули в свободном пространстве связаны соотношением

                                                   Е =

Поэтому для получения исчерпывающей информации об электромагнитном поле плоской монохроматической волны в данном случае достаточно измерить характеристики только одного вектора (обычно Е) – значение напряженности поля и, в общем случае, его ориентация в плоскости, перпендикулярной направлению распространения волны (поляризация).

Измеряются эти характеристики с помощью эталонной антенны линейной поляризации, обычно вибраторной или логопериодической. Источник исследуемого поля (другая антенна, например) должен находиться на расстоянии, где сферическую волну в точке приема уже можно считать плоской.

Волну считают плоской, если выполняется так называемое условие дальней зоны, при котором возможно пренебречь разностью фаз, возникающей из-за непараллельности прямых («лучей»), проведенных от любой части излучающей системы (антенны) в точку приема. Считается допустимым пренебрегать разностью фаз таких лучей, если она не превышает π/8, то есть 22.5 градуса. Для этого случая условие дальней зоны выглядит следующим образом:

                                               = ,           (4.1) 

 

где  – минимальное расстояние от антенны до точки приема, L – поперечный размер антенны, λ – длина волны излучения (в той среде, в которой находится вся система). Нужен простенький рисунок!!! (рис.4.1)

 

Входные характеристики

Антеннами чаще всего называют устройства, предназначенные для излучения или приёма радиоволн [ГОСТ 24375-80]. Будем рассматривать антенну как некоторый линейный двухполюсник, подключаемый либо к приемнику, либо к передатчику (обычно посредством закрытого тракта с волновым сопротивление W .

Очевидно, что в обоих ситуациях эффективность процесса передачи энергии от одного объекта к другому при прочих равных условиях будет зависеть от комплексного сопротивления антенны:

=  (ω)+ j

- наиболее универсальная входная характеристика антенны, знание которой позволяет не только определить степень ее согласования с трактом, но и рассчитать параметры необходимых согласующих цепей. Напомним, что условие согласования антенны с трактом таково:

= 0,  

Весьма полезными как в расчетах, так и в практике измерений, являются следующие величины, связанные с   и также являющиеся входными характеристиками антенны:

Измерение ДН

Понятие диаграммы направленности вводится для таких расстояний от антенны до точки измерения, когда все параметры ДН оказываются зависящими только от угловых координат. Это соответствует выполнению условия дальней зоны (4.1).

Если оно выполнимо, то измерения производятся так называемым «методом дальней зоны» с использованием либо генератора и приемника, либо анализатора цепей (рис. 4.12)

Рис. 4.12  Измерение диаграммы направленности методом дальней зоны

 

Здесь безразлично, какая из антенн работает на передачу, а какая на прием. Важно лишь, чтобы изменялась необходимая угловая координата между позициями антенн. Чаще всего для этого вращают испытуемую антенну, как показано на рис.4.12. Если же такое вращение невозможно, используют перемещение вспомогательной антенны по дуге окружности или даже по прямой с последующей коррекцией амплитуды (и фазы, если необходимо).  Результаты измерений могут быть представлены в различных формах (см. рис. 4.13)

Рис. 4.13 Амплитудные диаграммы направленности в разных представлениях

(для текстового варианта убрать голубой заголовок сверху)

Замечание о выборе аппаратуры.

Чем отличается случай использования анализатора цепей от случая использования отдельных генератора и приемника?

Очевидное достоинство первой схемы – когерентная обработка сигнала, обеспечивающая, в частности, возможность измерения фазовых характеристик (если используется векторный анализатор цепей); недостаток - необходимость в длинных кабелях, которые могут иметь значительные потери и, к тому же, создавать помехи (в виде отраженных волн или «антенного эффекта», см. далее). Это ограничивает динамический диапазон измерений и снижает их точность; схему можно считать оптимальной при относительно небольших расстояниях между антеннами – порядка нескольких метров.

Достоинство второй схемы – полное отсутствие гальванической связи и вообще каких-либо лишних объектов между антеннами, что, в принципе, позволяет проводить измерения при значительных разносах приемника и передатчика. Другое достоинство – более простая и обычно более доступная аппаратура, за что, однако, приходится платить отказом от возможности непосредственных фазовых измерений (фазовые измерения возможны и в этой схеме при передаче опорного сигнала по дополнительному каналу – радио или оптическому – но это уже серьезное усложнение).

Для расширения динамического диапазона измерений в обоих случаях допустимо использование дополнительного усилителя; его разумно включать в тракт перед излучающей антенной (почему именно так?).

О фазовом центре антенны

В некоторых применениях (навигационные системы, облучатели параболических антенн и др.) весьма важным является вопрос о наличии и положении фазового центра антенны.

Напомним, что если таковой имеется, то при вращении антенны вокруг него фаза поля на фиксированном расстоянии остается постоянной с точностью до 180 градусов (скачок на 180 градусов происходит между лепестками ДН).

У некоторых антенн (например, у логопериодических) положение фазового центра существенно зависит от частоты. Это приводит к так называемой фазовой дисперсии антенны, что делает ее малопригодной для работы с широкополосными сигналами. Примеры антенн без фазовой дисперсии – симметричный вибратор, ТЕМ рупор.

На практике центр вращения антенны часто определяется конструктивными особенностями и не может варьироваться по желанию экспериментатора. Несложная математическая обработка полученных данных, однако, позволяет и в таком случае определить положение фазового центра антенны или сделать вывод о его отсутствии.

 

Рис. 4.14   К вопросу о фазовом центре антенны

(убрать заголовок сверху и слова «при измерении»)

О поляризационной ДН

Поляризационная ДН антенны отображает зависимость поляризационных параметров поля (см.раздел 4.3) от направления излучения. Измерения проводятся с помощью поворотной антенны линейной поляризации (например, такой, как показана на рис. 4.3) В качестве характеристики испытуемой антенны в данном случае могут использоваться разные величины: осевой коэффициент, уровень кросс-поляризационной компоненты и некоторые другие. В случае антенн круговой поляризации для измерений в качестве вспомогательной удобно использовать специальную антенну -  анализатор поляризации. Таковым, например, может служить пара любых антенн с круговой поляризацией (например, спиральных), но с разным направлением вращения векторов поля […].

Рис. 4.15 Измерение поляризационной ДН в дальней зоне

(для текстового варианта убрать заголовок сверху)

Метод дальней зоны является классическим и наиболее убедительным с точки зрения достоверности получаемых результатов. Он, однако, далеко не всегда может быть реализован на практике. Так, для антенны трехсантиметрового диапазона (центральная частота 10 ГГц) размером 1х1 м, условие (4.1) требует расстояния, большего 70 метров, что можно обеспечить лишь в условиях специального полигона. В миллиметровом же диапазоне ДН такой антенны сформируется лишь на расстояниях порядка сотен метров!   

Существуют, однако, две группы методов измерения ДН, не требующих соблюдения условия дальней зоны.

Первая группа – коллиматорные методы. Они основаны на формировании в ограниченной области пространства поля со структурой, близкой к структуре поля в плоской волне.

 

 

Рис. 4.16 Коллиматорный метод измерения диаграммы направленности

 

Это достигается применением линз или параболических отражателей (см. рис. 4.16). Испытуемая антенна помещается в такую область и может в ней менять свою ориентацию в некоторых пределах. Метод характеризуется сложностью оборудования и ограниченными возможностями вариации положения антенны.

Вторая группа – методы ближней зоны. Для их реализации необходимо измерять распределение нужной тангенциальной компоненты поля на апертуре антенны и затем над этими данными осуществлять преобразование Фурье.

Рис. 4.14 Измерения в ближней зоне

Эти процедуры, как измерительная, так и вычислительная, имеют множество тонкостей, обсуждение которых выходит за рамки данного курса. Отметим лишь проблему оборудования – необходимость располагать прецизионным сканером и возможностью производить весьма точные амплифазометрческие измерения.  С современной техникой осуществления методов ближней зоны можно познакомиться, например, в работе [статья Миляева и ко].

Кроме этих методов для калибровки антенн и измерения их параметров могут использоваться так называемые ТЕМ-камеры (см., например, ISSN 2079-0740. Вгсник НТУ «ХIII». 2014. № 50 (1092), вставка ниже), которые, применяются, в основном, для решения задач электромагнитной совместимости:

 

                 

Коэффициент усиления (КУ) и коэффициент направленного действия (КНД)

В документации на антенны в качестве основной характеристики часто фигурирует коэффициент усиления (КУ, G). Напомним, что эта величину можно определить, как отношение квадратов напряженностей электрического поля (или плотностей потока энергии) создаваемой реальной антенной и гипотетическим изотропным (то есть излучающим одинаково во всех направлениях) излучателем в одной и той же точке дальней зоны при одинаковой подводимой мощности:

 

                                G =  =

Коэффициент усиления антенны принято измерять в логарифмических единицах, например, 20 дБи, 20 dBi. Дополнительный индекс «i» означает, что коэффициент усиления определен именно по отношению к изотропному излучателю (в старой литературе вместо изотропного излучателя иногда рассматривается полуволновый диполь. Тогда вместо индекса «i» используется индекс «d»).

Знание G позволяет определить параметры поля в удаленной точке пространства по значению мощности падающей волны  на входе излучающей антенны:

                                    П =  ,  или       (4.6)

                                   | E | =      (4.7)

Здесь учтено, что  плотность потока энергии для изотропного излучателя без потерь есть /4π   Обычно значение G относят к направлению максимального излучения антенны, хотя в современной литературе заметна тенденция использовать зависимости G от того или иного угла вместо ДН.

Для определения энергии, которую способна «забрать» из волны приемная антенна, вводится специальная характеристика – эффективная площадь,

                                          = П

На основании теоремы взаимности доказывается [см., например, ….], что величины G и для одной и той же антенны связаны соотношением

                                            G =      (4.8)

Теперь, используя (4.6) и (4.8), можно записать выражение для непосредственно измеримого коэффициента передачи между двумя антеннами:

                     |  | = =  λ  (4.9)

 

Так как в большинстве случаев антенны бывают хорошо согласованны с трактом, потери на отражение в значении КУ часто не учитываются (это условие подразумевается при использовании термина Gain в англоязычной литературе). Если же КУ определен с учетом потерь на отражение (формула 4.10), в англоязычной литературе употребляется термин Realized Gain, а в русскойэто просто оговаривается.      

                         = (1-  = (1-    (4.10)

                                              

 

Рис. 4.15   Коэффициент направленного действия (КНД, D) антенны

Шумовые характеристики

В радиоастрономии и радиометрических системах используется такой параметр, как шумовая температура антенны. Поскольку этот параметр характеризует, в основном, не саму антенну, а внешние источники радиотеплового излучения, мы не будем здесь обсуждать этот, весьма специфический вопрос, а отошлем читателя к соответствующей литературе, например, https://radiorf.ru/wp-content/uploads/2014/11/Osnovy-izmereniya-koeffitsienta-shuma-v-radiochastotnom-i-mikrovolnovom-diapazonah.pdf

Интерференционные помехи

Измерение параметров антенн предполагает проведение эксперимента в свободном пространстве. В реальности же вблизи области расположения антенн всегда находятся какие-либо объекты – земля, стены, пол и потолок помещения, отдельные предметы. Они служат источниками вторичных волн.

При организации антенных измерений могут возникнуть следующие вопросы:

Будет ли заметным влияние тех или иных объектов?

Как уменьшить это влияние, если оно значительно?

     Как обнаружить наличие интерференционной помехи и определить ее источник по результатам пробных измерений?

Ответить на эти вопросы можно, конечно, создав численную модель предполагаемого эксперимента. Однако необходимость такой, весьма трудоемкой, работы может отпасть, если при подготовке к измерениям параметров антенн принять во внимание следующее:

1. Отражающие объекты заведомо не должны попадать в так называемую область, существенную для распространения волн (рис. 4.17,[.. ]   )

    

Рис. 4.17 Область пространства, существенная для распространения радиоволн

Она представляет собой эллипсоид, соответствующий первой пространственной зоне Френеля; максимальный диаметр этого эллипсоида оценивается по формуле:

                            =                                               

2. Заметного уменьшения уровня отраженных сигналов можно достигнуть, закрывая отражающий объект радиопоглощающим материалом (РПМ), предназначенным для работы в используемом диапазоне частот; это относится и участку горизонтальной поверхности между антеннами (пола, земли).

3. При измерениях на площадке иногда удается использовать и то обстоятельство, что для волн с вертикальной поляризацией существует вполне реальный угол падения (угол Брюстера, _на рис. 4.22), при котором модуль коэффициента отражения будет иметь глубокий минимум (в пределе, при отсутствии потерь в среде - ноль).

Рис. 4.22 Коэффициенты отражения Френеля для вертикальной и горизонтальной (на рисунке Sв и Sг соответственно) поляризаций падающей волны; здесь φ – угол падения волны (отсчет от нормали к поверхности); видно, что всегда | Sг | | Sв |.

 

Угол Брюстера для границы воздух – диэлектрик определяется соотношением:

                             tg

Так, для сухого песчаного грунта можно приближенно положить ε = 4, что для  даст примерно 60 градусов.  Такое условие будет соблюдаться, например, если антенны будут подняты на высоту 2.9 м при расстоянии между ними 10 метров.

 

4.  Обнаружить наличие когерентной помехи и оценить ее уровень зачастую можно, используя режим линейной перестройки частоты (то есть сигнал с ЛЧМ модуляцией).  В этом случае наличие задержки ∆τ помехового сигнала относительно прямого приведет к возникновению амплитудной помеховой модуляции суммарного сигнала. Легко показать, что период такой модуляции будет определяться соотношением:

                  ,      (4.13)

где  – интервал перестройки частоты, а Т – время, за которое происходит перестройка.

 

Формула (4.13) позволяет оценить ∆τ, а это уже существенная подсказка для поиска отражающего объекта на поверхности конкретного эллипсоида.  Отметим попутно, что при небольших относительных уровнях помехи  «очистить» сигнал от последней можно путем усреднения  данных с помощью скользящего окна (такая возможность предусмотрена во всех современных анализаторах цепей – функции  «Сглаживание» или «Smoothing»).

 

От проблемы когерентных помех в значительной мере избавлены измерения в так называемых безэховых камерах (БК или Б Э К, если камера э кранированная). Они представляют собой замкнутый объем, покрытый изнутри радиопоглощающим материалом.  Измерительные комплексы, в которых условия БК сочетаются с применением коллиматоров называют компактными полигонами [статья Балабухи].

 

Вопросы корректности измерений в безэховых камерах и их организации – предмет отдельного рассмотрения, имеющий много разных аспектов. (см., например, []).  Наиболее же важными моментами, которые должен иметь в виду исследователь или инженер,

планируя использование БК,

Рис. 4.18, 4.19(дать фотографии нашей камеры)

 

являются:

 

- использование камеры целесообразно, прежде всего, при измерении ДН и КУ антенн методом дальней зоны, а также характеристик рассеяния объектов (см. приложение …); при измерении полей в ближней зоне влияние отдаленных объектов обычно невелико из-за высокого уровня основных сигналов и общей геометрии такого рода задач. Однако зонд ближнего поля и элементы сканера, если не принять специальных мер, вполне могут быть источником искажений.    

 

- каждая камера имеет определенный частотный диапазон, в пределах которого отражения от элементов, покрытых конкретным РПМ, мало и не превышает указанного в документации уровня. Так, БЭК в лабораторном комплексе ИТМО, имеет диапазон 1 – 20 ГГц.  Минимальные интерференционные помехи будут иметь место при размещении антенн в относительно небольшой рабочей зоне вблизи центра камеры, положение которой также указывается в документации.

 

- условия камеры никак не влияют на границу дальней зоны, определяемую соотношением (4.1)

 

Нужно заметить, что положительный эффект от использования БК при измерении характеристик антенн сохраняется и при некотором выходе за пределы рабочего диапазона РПМ. Однако помеховая ситуация в каждом таком случае должна анализироваться специально.

 

 

Антенный эффект фидеров

При непосредственном соединении коаксиального кабеля с симметричной антенной на внешней стороне оплетки будет возникать ток, возникновение которого поясняется схемой на рис.4.20.

Рис. 4. 20 Возникновение антенного эффекта

 

Следствием этого является искажение ДН и входных характеристик антенны. Для устранения (точнее, существенного уменьшения) этих токов чаще всего геометрически симметричные антенны снабжаются симметрирующими устройствами (СУ), отчасти выполняющими и функции согласования. Если такое устройство хорошо сконструировано, ДН антенны с СУ приближается к ДН симметричной антенны, и в некоторой полосе частот достигается приемлемый уровень согласования с коаксиальным фидером. Пример конструкции симметричного вибратора с возбуждением от коаксиальной линии приведен на рис.4.22

 

 

Рис. 4.21 Конструкция симметричного вибратора с коаксиальным разъемом

 

Непосредственное подключение симметричной антенны, как и иной симметричной цепи, к измерительному прибору через коаксиальный кабель некорректно, Такое подключение безоговорочно может использоваться разве что в звуковом диапазоне.

Характеристики полей и антенн. Вопросы измерений.

О задаче

Задачи измерения параметров волновых электромагнитных полей и параметров антенн тесно связаны между собой.  Измерению и анализу в обоих случаях подлежит выходной сигнал некоторой антенны, но при исследовании характеристик поля антенна должна быть эталонной, то есть с известными характеристиками, а при исследовании характеристик произвольной антенны должны быть известны параметры поля, под воздействием которого она находится. В частности, такое поле может быть создано некоторой эталонной антенной при известной подводимой к ней мощности.

Условие дальней зоны

Наиболее важные характеристики как полей, так и антенн относятся к случаю плоских волн. В плоской волне, как известно [ ], векторы напряженности электрического и магнитного полей ортогональны, лежат в плоскости, перпендикулярной направлению распространения, а их модули в свободном пространстве связаны соотношением

                                                   Е =

Поэтому для получения исчерпывающей информации об электромагнитном поле плоской монохроматической волны в данном случае достаточно измерить характеристики только одного вектора (обычно Е) – значение напряженности поля и, в общем случае, его ориентация в плоскости, перпендикулярной направлению распространения волны (поляризация).

Измеряются эти характеристики с помощью эталонной антенны линейной поляризации, обычно вибраторной или логопериодической. Источник исследуемого поля (другая антенна, например) должен находиться на расстоянии, где сферическую волну в точке приема уже можно считать плоской.

Волну считают плоской, если выполняется так называемое условие дальней зоны, при котором возможно пренебречь разностью фаз, возникающей из-за непараллельности прямых («лучей»), проведенных от любой части излучающей системы (антенны) в точку приема. Считается допустимым пренебрегать разностью фаз таких лучей, если она не превышает π/8, то есть 22.5 градуса. Для этого случая условие дальней зоны выглядит следующим образом:

                                               = ,           (4.1) 

 

где  – минимальное расстояние от антенны до точки приема, L – поперечный размер антенны, λ – длина волны излучения (в той среде, в которой находится вся система). Нужен простенький рисунок!!! (рис.4.1)

 

Характеристики электромагнитных полей

Для измерения напряженности электрического поля Е часто используют специальную характеристику приемной антенны – коэффициент калибровки (или антенный фактор, распространенные обозначения - А, Аf, K,  рис.4.2):

                                                     А = E/U,  [1/м],    (4.2)

где U – максимальное напряжение на выходе антенны.

Рис.4.2 Измерение напряженности электрического поля. Антенный фактор

(в картинке для текста убрать верхний заголовок)

Значение коэффициента калибровки зависит, в частности, от двух величин - частоты и сопротивления нагрузки антенны. Поскольку в большинстве случаев такой нагрузкой является 50-омный фидер или 50-омный вход измерительного приемника, в документации измерительных антенн приводится численное значение А в децибелах именно для этого случая (часто в виде графика зависимости коэффициента калибровки от частоты).

                            А (дБ) = 20 lg (E/U),     (4.3)

 

                      

           Рис. 4.3 Пример: характеристики измерительной антенны П6-45

 

                        

Таким образом, располагая измерительным приемником и антенной с известным коэффициентом калибровки, можно определить напряженность электрического поля Е и, если нужно, соответствующую плотность потока энергии (в плоской волне): 

                                        П = (4.4)

 

Для измерений плотности потока энергии выпускаются и специальные приборы, непосредственно индицирующие значения этой величины (рис.4.4).

             

 

Рис. 4.4  Измеритель плотности потока энергии П3-33М, диапазон частот 300 МГц – 18 ГГц.

 

Методические указания по измерению плотности потока энергии с целью контроля условий труда можно найти, например, здесь:  https://ohranatruda.ru/ot_biblio/norma/244401/, а сведения о безопасных для человека уровнях излучения – здесь:

                        

      

Для определения поляризационных характеристик излучения аналогичные измерения производят при вариации угла поворота эталонной антенны c линейной поляризацией вокруг направления на источник. В общем случае зависимость выходного напряжения от угла поворота будет иметь вид эллипса (рис.4.5)

                      

 

                                 Рис. 4.5 Эллипс поляризации

Поляризация поля волны полностью определяется осевым коэффициентом этого эллипса (отношением ) и углом наклона большей оси к вертикали или горизонту (например, ψ). Если ζ = 0, то поляризация линейная, с наклоном вектора электрического поля к горизонту, равным ψ. При ζ = 1 поляризация круговая. Существуют и другие способы описания поляризационных характеристик излучения […].

 

4.4 Основные параметры и характеристики антенн

Входные характеристики

Антеннами чаще всего называют устройства, предназначенные для излучения или приёма радиоволн [ГОСТ 24375-80]. Будем рассматривать антенну как некоторый линейный двухполюсник, подключаемый либо к приемнику, либо к передатчику (обычно посредством закрытого тракта с волновым сопротивление W .

Очевидно, что в обоих ситуациях эффективность процесса передачи энергии от одного объекта к другому при прочих равных условиях будет зависеть от комплексного сопротивления антенны:

=  (ω)+ j

- наиболее универсальная входная характеристика антенны, знание которой позволяет не только определить степень ее согласования с трактом, но и рассчитать параметры необходимых согласующих цепей. Напомним, что условие согласования антенны с трактом таково:

= 0,  

Весьма полезными как в расчетах, так и в практике измерений, являются следующие величины, связанные с   и также являющиеся входными характеристиками антенны: