Измерение усиления антенны

John J. Schultz, W2EEY
Описаны некоторые основные методы измерения усиления антенны с использованием антенны с эталонным коэффициентом усиления, а также методы, которые можно использовать, когда эталонная антенна недоступна. Даже тем, кто не планирует использовать описанные методы, их прочтение и понимание позволят лучше понять значение показателя усиления антенны. Если кто-то любит экспериментировать с антеннами, создавая массивы или экспериментируя с новыми формами, постоянная проблема заключается в том, как измерить коэффициент усиления антенны. Конечно, доказательством любой антенны всегда будет то, как она работает в реальной работе. Кроме того, усиление — это просто число, которое само по себе не несет никакой информации об общей диаграмме направленности (за исключением того, что оно формируется каким-то директивным образом). Тем не менее, часто полезно иметь возможность говорить о некотором коэффициенте усиления антенны.

Можно оценить усиление, используя новую антенну в том же монтажном положении, что и антенна с известным усилением, и сравнивая множество отчетов о сигнале, переключаясь между двумя антеннами, чтобы получить некоторое достаточно значимое значение усиления для новой антенны. Однако процедура может быть довольно утомительной. В этой статье описываются различные способы более точного измерения коэффициента усиления антенны независимо от того, есть ли у вас антенна с известным коэффициентом усиления или нет. Из-за физических ограничений и помех, создаваемых атмосферным шумом, описанные методы лучше всего работают с ОВЧ-антеннами. Однако при осторожном подходе эти методы можно использовать и с хорошо приподнятыми высокочастотными антеннами. Другой способ проверить возможности усиления предлагаемой конструкции высокочастотной антенны — сначала построить масштабированную УКВ-модель антенны. Такая модель также очень полезна для изучения импеданса и условий согласования, необходимых для наилучших характеристик антенны.

Основной метод

На рис. 1 показана базовая установка оборудования, необходимая для измерения усиления антенны.


Рис. 1. Основная формула передачи в свободном пространстве между антеннами. Антенны находятся
в одной плоскости, и линия передачи между оборудованием и антеннами имеет незначительные потери.
Потери, если они присутствуют, могут быть включены в качестве коэффициента масштабирования (т. е.
общие потери в линии в 2,5 дБ уменьшат получаемую мощность в 0,55 раза).

Коэффициент усиления антенн и передаваемая и принимаемая мощность связаны стандартным уравнением передачи:

Ptransmitted/Preceived=GtGr (λ/4π D)2

Gt и Gr числовые значения усиления передающей и приемной антенны соответственно.
Термин в скобках — это просто константа. λ — рабочая частота, выраженная в метрах, а D — расстояние между антеннами, также выраженное в метрах.

Вышеприведенное уравнение верно до тех пор, пока антенны работают практически с плоскими волновыми фронтами. То есть, если антенны расположены слишком близко, будет заметная разность фаз между сигналом, который одна антенна принимает от центра и краев другой антенны. Итак, для хороших измерений D в приведенном выше уравнении должна быть как минимум равна примерно 2L2/λ. L — наибольшая линейная длина используемых антенн, а λ — рабочая частота. Например, если бы антенну нужно было испытывать на расстоянии 2 метра, максимальная длина которого составляла бы 3 метра или около 10 футов, испытательные антенны должны были быть разнесены на расстояние не менее 9 метров или около 30 футов. Как правило, удовлетворить требования к разносу не составляет труда, если только не иметь дело с очень большими антеннами на очень низких частотах.

Необходимые измерения мощности можно выполнить несколькими способами. В линии передачи передающей антенны можно использовать ваттметр или измерить высокочастотное напряжение на линии и рассчитать мощность. Сама линия должна работать как можно ближе к соотношению 1:1. Мощность приемной антенны можно измерить по существу тем же способом, или, если коэффициент усиления приемника точно известен, он может действовать как устройство индикации мощности. Опять же, импедансы между антенной, линией передачи и входом приемника должны быть правильно согласованы. Возможен еще один метод, если можно измерить только выходную мощность передатчика. Мощность передачи настраивается на некотором удобном эталонном уровне на приемнике (avc приемника выключен). Можно использовать измеритель «S» приемника, если он того типа, который работает с отключенным AVC, или измеритель аудиовыхода, если передатчик имеет тональную модуляцию. Затем передатчик подключают к приемнику, и его выходной уровень медленно увеличивается (с помощью сети аттенюатора или путем изменения рабочего напряжения, которое контролирует выходную мощность), пока не будет получен тот же опорный уровень. Требуемый уровень мощности будет таким же, как и получаемая мощность.

Если кто-то работает только в определенном диапазоне УКВ и хочет создать своего рода измеритель усиления с «мгновенным считыванием», это можно сделать, используя диполь в качестве приемной антенны и разместив схему ВЧ-выпрямителя и измеритель непосредственно на его клеммах. Пока расстояние между передающей антенной и приемной эталонной антенной остается постоянным и пока входная мощность передающей антенны (с неизвестным коэффициентом усиления) всегда одинакова, измеритель можно калибровать непосредственно по коэффициенту усиления антенны. Необходимо только сначала использовать несколько антенн на передающей стороне с известным усилением, чтобы установить калибровку измерителя «усиления» приемной антенны. Такое устройство может доставить массу удовольствия и использоваться во время соревнований, полевых дней и т. д. для получения лучших конструкций антенн. Однако, помимо упомянутых соображений расстояния и мощности, единственное требование к протестированным «чудо-антеннам» FD состоит в том, чтобы они были способны создавать КСВ, близкий к единице, в линии передачи к передатчику. Если это условие не будет выполнено, показания счетчика «усиления» не будут действительными ни в абсолютном, ни в сравнительном смысле. Основы калибровки такого счетчика должны стать более ясными из следующих тестовых ситуаций.

Усиление при использовании стандартной опорной антенны

Если кто-то сконструировал антенну с известным коэффициентом усиления направленности и желает определить коэффициент усиления неиспытанной конструкции антенны, можно использовать схему, показанную на рис. 1. Выходная мощность передатчика и принимаемая мощность измеряются, а коэффициент усиления рассчитывается по ранее приведенной формуле, зная расстояние между антеннами и рабочую частоту (с использованием непроверенной антенны в качестве передающей или приемной антенны). Например, если считается, что используемая эталонная антенна имеет коэффициент усиления 1(0 дБ), исходную формулу можно просто переформулировать как: G=(4π D/λ)2 Ptransmitted/Preceived. метров на расстоянии 10 метров и полученная мощность составляла 1/10 ватта для выходной мощности передатчика 10 ватт, коэффициент усиления будет:

G = (4π 10/2)2 1/10 = 36 = 15.5 db 1/10

Это усиление относится к усилению эталонной антенны (например, диполя 1/2λ).

Однако на практике, когда испытуемые антенны можно легко перемещать, возможна гораздо более упрощенная процедура. Передатчик подключен к какой-либо доступной антенне. На разумном расстоянии к приемнику подключается стандартная или эталонная антенна. Выходная мощность передатчика и усиление приемника настраиваются для получения удобного опорного уровня. Отмечена выходная мощность передатчика. Затем испытуемая антенна заменяется эталонной антенной. Выходная мощность передатчика корректируется для получения тех же эталонных показаний на приемнике. Если тестовой антенне потребовалось всего 1 Вт мощности передатчика для создания того же опорного уровня приемника, что и при использовании 10 Вт с эталонной антенной, коэффициент усиления тестовой антенны составит просто 10-1 или 10, что также составит 10 дБ. . Помните, что числовой коэффициент мощности необходимо преобразовать с использованием кривой мощности дБ для выражения коэффициента усиления дБ. Опять же, все коэффициенты усиления антенны, полученные этим методом, будут привязаны к предполагаемому единичному усилению (0 дБ) эталонной антенны.

Усиление двух идентичных тестовых антенн

Предположим, что у вас есть две одинаковые антенны, и он не знает усиления ни одной из них, а также не имеет в наличии какой-либо эталонной антенны с известным усилением. Как ни удивительно, коэффициент усиления тестовой антенны все еще можно легко определить. Если коэффициент усиления обеих антенн в тестовой установке, показанной на рис.1, одинаков, исходная формула усиления преобразуется в вид:

G=4π D/λ Preceived/Ptransmitted

Принимаемая мощность и передаваемая мощность могут быть измерены при определенном разнесении антенн, и формула даст коэффициент усиления любой антенны (в числовом значении, а не в дБ). Если полученную мощность невозможно измерить напрямую, можно использовать приемник только для установления опорного уровня, а передатчик альтернативно подключить к одной из тестовых антенн, а затем непосредственно к приемнику, чтобы установить коэффициент мощности, который можно использовать в формуле.

Показатель усиления, полученный в результате этой процедуры, математически связан с так называемой изотропной антенной, которая излучает одинаково во всех направлениях. Дипольная антенна 1/2λ при использовании этой процедуры должна показывать усиление чуть более 2 дБ, поскольку она концентрирует свое излучение в поперечном направлении к линии антенны. Таким образом, если этим методом проверяются более сложные антенны, полученное значение усиления необходимо уменьшить на 2 дБ, если желательно провести сравнение с другими значениями усиления антенн, в которых в качестве эталона используется диполь 1/2λ.

Эта процедура часто используется для определения усиления эталонных или стандартных антенн, с которыми можно сравнивать тестовые антенны.

Усиление трех разных тестовых антенн

Предположим, что у вас есть группа из трех антенн, ни одна из которых не имеет одинакового усиления, и нет антенны с эталонным усилением, с которой можно было бы их сравнить. Вариацией предыдущей процедуры можно еще установить усиление всех трех антенн.


Рис. 2. Как описано в тексте, коэффициент усиления трех разнородных антенн может быть найден, хотя
коэффициент усиления ни одной из антенн неизвестен. D, расстояние между антеннами, не обязательно
должно быть одинаковым. Единственное требование – все антенны должны иметь семиполярную поляризацию.

Антенны расположены так, как показано на рис. 2. Расстояния между ними не обязательно должны быть одинаковыми, но предполагается, что они таковы для упрощения описания. Используя базовую формулу передачи и когда передает станция 1, получаются следующие формулы, каждая из которых дает простое число при вставке измеренных значений.

G1 G2 = (4π D/λ)2 Prec. 2/Ptrans. 1 = A

G1 G3 = (4π D/λ)2 Prec. 3/Ptrans. 1 = B

Следующая станция 2 передает и определяется следующее соотношение:

G2 G3 = (4π D/λ)2 Prec. 3/Ptrans. 2 = C

Поскольку рассматриваются три константы и три взаимосвязанных коэффициента усиления, можно найти коэффициент усиления каждой антенны: G1 = AB/CG 2 = AC/BG 3 = BC/A

Опять же, выигрыш будет иметь числовую форму и должен быть преобразован в значения дБ. Кроме того, коэффициенты усиления будут относиться к теоретической изотропной антенне и должны быть уменьшены на 2 дБ для сравнения с коэффициентами усиления, связанными с диполем 1/2λ. Меры предосторожности

Используемая основная формула передачи фактически выводится из оптических уравнений, хотя это стандартная формула радиопередачи. Это не учитывает наличие каких-либо других сигналов, кроме передаваемого в космосе. На достаточно высоких частотах это условие достигается при радиопередачах, но на более низких частотах антенна будет принимать не только полезный сигнал, но и шумовые сигналы. Поэтому необходимо, по возможности, учитывать погрешность, вызванную помехами приема. Если уровни принимаемой мощности выше уровня принимаемого шума, шумовой эффект может быть незначительным. На больших расстояниях и при малых уровнях мощности значимые результаты получить невозможно.

Некоторые другие общие меры предосторожности:

1. Перед проведением измерений обе антенны должны быть ориентированы на максимальный сигнал. Может случиться так, что максимальное излучение не совпадает с геометрическим центром антенны.

2. Формула основана на передаче в пределах прямой видимости. Следует избегать отражений, в том числе от недостаточной высоты антенны.

3. Антенны должны быть разнесены на достаточное расстояние, чтобы создавать плоскую волну.

4. На всех передающих и приемных терминалах должно быть правильное согласование импедансов.

5. Если приемник используется в качестве устройства индикации уровня мощности, его коэффициент усиления должен быть достаточно стабильным или его следует часто проверять. Он должен работать в линейном диапазоне без перегрузки и с выключенным AVC.

Предполагалось использование маломощного передатчика, выходную мощность которого можно легко изменять. Также можно использовать генератор сигналов достаточной выходной мощности. Если используется метод, при котором подключение передатчика к приемнику для установки опорного уровня не требуется, можно использовать передатчик фиксированной выходной мощности любого уровня.

Заключение

Когда коммерческие лаборатории производят измерения усиления с использованием некоторых из описанных методов, они принимают тщательно продуманные меры предосторожности, чтобы избежать эффектов, которые могут изменить истинные показания усиления. Однако даже с помощью простого оборудования (во многих случаях даже обычного передатчика и приемника станции) можно получить значимые результаты.

Даже если не измерять усиление каких-либо антенн, материал этой статьи должен дать многим любителям лучшее представление о том, как определяется коэффициент усиления антенны. В частности, следует уточнить, как усиление антенны всегда связано с некоторым эталоном. Таким образом, если не знать ссылку, можно легко прочитать звучащие, но бесполезные цифры усиления для некоторых антенн.

Наконец, следует понимать, что коэффициент усиления является лишь числовой, а не единственной значимой характеристикой антенны, хотя и в цифрах. Другие факторы, такие как форма диаграммы направленности по вертикали и горизонтали, соотношение передней и задней частей, импеданс, полоса пропускания и т. д., не менее важны, а в некоторых приложениях более важны для лучшей связи, чем усиление.

73 Magazine, May 1969

Материал подготовил - RA3TOX

[ На главную ] [ Антенны ]