Антенный анализатор. Антенный анализатор
 Скачать 79.5 Kb.
|
|
РЕФЕРАТ Тема: Антенный анализатор Содержание Введение 1. Основные антенны 2. Антенный анализатор Заключение Список использованных источников Введение Антенный анализатор или в британском языке воздушный анализатор (также известный как шумовой мост, мост RX, анализатор КСВ или анализатор RF) - устройство, используемое для измерения входного импеданса антенных систем в радио электроника приложения. В системах радиосвязи, включая любительское радио, антенный анализатор является обычным инструментом, используемым для точной настройки характеристик антенны и фидерной линии, а также для их устранения. Антенна мосты уже давно используются в индустрии вещания для настройки антенн. Доступен мост, который измеряет комплексный импеданс во время работы передатчика, что практически необходимо при настройке антенных систем с несколькими опорами. В последнее время стали более распространенными анализаторы цепей с прямым считыванием данных. 1. Основные антенны Антенны в современной радиоэлектронике Расширение круга задач, решаемых современной радиоэлектроникой, а также их усложнение стимулировало в последние десятилетия интенсивное развитие теории и техники антенн. Основные области использования радиоэлектроники — связь, телевидение, радиолокация, радиоуправление, радиоастрономия, а также системы определения государственной принадлежности, инструментальной посадки, радиоэлектронного противодействия, телеметрия и другие невозможны без применения антенн с различными характеристиками. В процессе развития антенн они усложнялись, появлялись принципиально новые их классы, расширялись выполняемые функции, и антенны зачастую превращались из простых взаимных устройств в сложные динамические системы, содержащие в большинстве случаев сотни, тысячи различных элементов. Конструктивно антенны в процессе развития также существенно видоизменялись. Наряду с проволочными вибраторными антеннами, созданными на первых этапах развития, широко распространены антенны апертурные, бегущей волны, фазированные антенные решетки (ФАР), активные ФАР (АФАР), антенны с обработкой сигнала и др. Разработаны щелевые, импедансные, диэлектрические, ферритовые, печатные и другие типы конструктивного исполнения антенн. Кроме излучения и приема электромагнитных волн для передачи информации на расстояние антенная система стала выполнять дополнительные функции: определение угловых координат источников излучения (с возможно большей точностью и разрешающей способностью); усиление сигналов, пространственную, временную, пространственно-временную обработку принятых сигналов, адаптацию, самонастройку для обеспечения помехозащищенности и электромагнитной совместимости. В ряде случаев антенна должна решать задачи получения внекоординатной информации об отражающем объекте, распознавания образа или осуществления радиовидения путем поляризационной обработки и голографических методов преобразования приходящих электромагнитных полей радиодиапазона. В некоторых антенных задачах возникает необходимость получения пространственно-временной фильтрации «полей источников, расположенных в зоне Френеля. Прорабатывается ряд новых областей использования антенной техники. Например, для решения энергетических проблем предлагаются антенные СВЧ системы передачи мощности на сверхдальние расстояния и орбитальные солнечные станции с активными антенными решетками для. канализации энергии на землю. Огромную роль играет антенная техника в решении проблем космического оружия. Таким образом, наряду с антеннами, представляющими простые взаимные устройства, применяются активные электрически управляемые антенные системы с присущими им характеристиками управления, динамического диапазона, нелинейностью, быстродействием, гиротропией и т. д. Расчет и проектирование таких современных антенн базируется не только на прикладной электродинамике, но и на теории радиотехнических систем и сигналов, электронных цепей, технической кибернетики и т. д. Реализуемость требуемых антенных характеристик во многом определяется существующей технологической и элементной базой, материалами, активными приборами, фазовращателями, микропроцессорной техникой и ЦВМ. 2. Электрические параметры антенн Способность антенны излучать энергию в свободном направлении называется направленностью антенны. По данному свойству антенны можно разделить на классы: 1) Ненаправленные (изотропные) антенны излучают энергию по всем направлениям одинаково. 2) Направленные антенны или слабонаправленные антенны излучают энергию преимущественно в одном или нескольких заданных направлениях. 3) Остронаправленные излучают энергию в одном направлении. 4) Сверхнаправленные излучают энергию не только в одном направлении, но и в пределах очень небольшого телесного угла. 5) Антенны, формирующие излучение специальной формы. Диаграмма направленности (Д.Н.) антенны - это зависимость излучаемой мощности в пространство как функции угловых координат. Данная зависимость может выражаться аналитически (формулой), таблично, графически. Такие Д.Н. являются пространственными. Их недостаток – плохое зрительное восприятие. Если воспользоваться принципом независимости, то можно изобразить Д.Н. антенны в двух основных ортогональных плоскостях. Для определённости принято пользоваться ориентацией электромагнитного поля, то есть плоскостями, в которых расположены векторы электрического и магнитного полей, излучаемого поля. Напоминание: из курса теории электромагнитного поля известно, что векторы и также ортогональны. От главного направления, где мощность максимальна, как правило, если не оговаривается иное, ведётся отсчёт угловых координат. Для того чтобы Д.Н. не зависела от излучаемой мощности, их нормируют, т.е. все значения мощности делят на величину мощности, излучаемой в главном направлении. Для выявления особенностей Д.Н. нормированные значения логарифмируют. Шириной Д.Н. в данной плоскости называется угол, в пределах которого мощность излучения не менее чем в 2 раза больше мощности, излучаемой в других направлениях. Рисунок 1. Типы ДН антенн На рисунке 1: кривая 1 соответствует п.1.1 кривая 2 соответствует п. 1.2 кривая 3 соответствует п. 1.3 кривая 4 соответствует п. 1.4 кривая 5 соответствует п. 1.5 1, 2, 3 – называются боковыми лепестками и имеют соответствующую нумерацию: первый боковой лепесток, второй боковой лепесток, третий второй боковой лепесток и т. д. боковые лепестки. Каждый из боковых лепестков характеризуется уровнем и обозначается следующим образом: например УБЛ = - 30 дБ. Ширина Д.Н. определяется как величина угла пересечения пунктирной линии на рис. 1. на уровне 0,5 или – 3 дБ и Д. Н. Немалое значение играет и коэффициент направленного действия антенны. Это отношение квадрата направленности поля, создаваемого антенной в данном направлении к среднему (по всем направлениям) квадрату напряжённости поля. (1) Согласно данному определению, по своим направленным происходит сравнение данной антенны с изотропным излучателем. Иначе говоря, КНД показывает, сколько необходимо взять изотропных излучателей, чтобы создать такую же мощность в заданном направлении, как конкретная антенна. Очевидно, что характеризовать антенну величиной КНД имеет смысл только в главном направлении. Введённое понятие КНД антенны и формула (1) позволяют с помощью Д. Н. антенны рассчитать величину КНД. Если задана Е аналитически, то и Еср можно также вычислить аналитически, а тогда и КНД будет выражаться аналитически. Данный метод был разработан в 50 – е годы прошлого века и, в силу большого объёма вычислений применялся далеко не для всех типов антенн и вычисления проводились с большой погрешностью. Для этого используется экспериментально снятая (чаще всего) Д. Н. данной антенны. Рисунок 2. ДН антенны. Последовательность расчёта заключается в следующем: 1. Масштабы по осям и выбираются одинаковыми. 2. Строится Д. Н. – кривая 1 в нормированных значениях. 3. Рассчитывается площадь фигуры, ограниченной кривой 1. Площадь которой равна S. 4. По величине данной площади S считается величина 5. Используя (2), рассчитывается КНД в главном направлении. 6. Если полученная величина КНД достаточно велика (сотни, тысячи и т.д.), то её выражают в децибелах (дБ). Очевидно, что соотношение (1) является точным с точки зрения математики, но не полностью характеризует направленные свойства антенны, так как не учитывает коэффициент полезного действия (КПД или ) антенны. В реальной антенне происходят потери в подводном тракте, полотне антенны, рассеяния энергии. Все потери можно отнести к одному порядку и обозначит через КПД антенны зависит от многих факторов и, в первую очередь, от конструкции и выбранных материалов. КПД может лежать в пределах от 15% до 95%. Эту величину необходимо учитывать. Направленные свойства антенны в главном направлении с учётом КПД называются коэффициентом усиления (G). С учётом потерь: (2) Если Д. Н. снимается экспериментально, и по ней рассчитывается D, то он уже автоматически учитывает . Отсюда следует, что G и D совпадают, это позволяет при настройке антенны в заводских условиях и при её диагностике в процессе эксплуатации сразу определять величину коэффициента усиления. Этот параметр является чрезвычайно важным для определения дальности действия РЛС, так как дальность действия, помимо прочих параметров пропорциональна. Поэтому повышению величины коэффициента усиления и постоянного её контроля (встроенный контроль и адаптация) уделяется при разработках антенного поста основное внимание. В антенной технике помимо принципа двойственности используется принцип независимости. Сущность его заключается в том, что формировать Д. Н. антенны в двух взаимно перпендикулярных плоскостях возможно совершенно независимо. Исходя из данного принципа, можно рассчитывать и снимать Д. Н. в двух взаимно перпендикулярных плоскостях, то есть в плоскостях Е и Н. В морской радиолокации принято характеризовать направленные свойства антенны (Д.Н.) в азимутальной плоскости (горизонтальной) и угломестной плоскости (вертикальной). В соответствии с этим, рассчитываются две величины: DE и DH (К.Н.Д. в плоскостях Е и Н) и тогда результирующая величина D будет определяться соотношением (3): (3) По мере развития радиолокации требования к рабочему диапазону частот постоянно изменяются. Диапазон частот расширяется. Даже антенны РЛС в настоящее время работают в диапазоне от 8 – 10 ГГц до 70 – 80 ГГц. В этом случае перекрытие по диапазону доходит до 10. Использование сверхкоротких РЛ импульсов (нсек) относится к сверхширокополосной радиолокации. В пассивной радиолокации стали использовать непрерывный диапазон принимаемых излучений от 300 МГц до 10 – 12 ГГц, что соответствует перекрытию диапазона частот до 40. Перечисленные тенденции приводят к повышению полосы рабочих частот антенного устройства с сохранением направленных свойств. Эти два требования являются достаточно противоречивыми, поэтому в настоящее время, разрабатываются антенные системы, а не отдельные излучатели. Наряду с расширением диапазона частот всё ещё применяются и антенны, работающие в диапазоне (7 – 10)% от средней частоты. Типичные зависимости амплитудно-частотных характеристик приведены на рисунке 3. Рисунок 3. АЧХ антенны. На рисунке 3: 1. – узкополосные антенны 2. – широкополосные антенны 3. – сверхширокополосные антенны (частотно – независимые) антенны. Кривая 1 является типичной для резонансных явлений, поэтому этот класс антенн использует явление резонансного излучателя. К ним относятся проволочные, вибраторные антенны. Кривая 2 является также похожей на резонанс, но с низкой добротностью. К данным антеннам относятся рупорные, параболические и т.д. Кривая 3 является апериодической, т.е. не зависит от частоты. 2. Антенный анализатор В системах радиосвязи, в том числе радиолюбительской, антенный анализатор является распространенным инструментом, используемым для устранения неисправностей антенн, а также тонкой настройки их производительности. В настоящей статье предлагается оригинальная конструкция антенного анализатора, построенного с использованием микроконтроллера, обеспечивающего панорамное измерение коэффициентов отражения и стоячей волны (КСВ), мощностей падающей и отраженной волн с выводом графиков на собственный LCD-дисплей в диапазоне частот 1-30 МГц и на частотах Wi-Fi – 2,4 и 5 ГГц. Качество работы радиопередающего устройства в значительной степени определяется антенной, излучающей электромагнитную энергию в пространство. Антенна должна быть адаптирована к различным вариантам применения. Недостаточно качественно настроенная антенна имеет меньшую эффективность. Более высокая эффективность означает большую излучаемую мощность и увеличенный рабочий диапазон. Для оптимальной работы антенна должна быть настроена для увеличения рабочего диапазона, под настройкой подразумевается регулировка коэффициента стоячей волны (КСВ). Коэффициент стоячей волны является математическим выражением неоднородности электромагнитного поля (электромагнитного поля) на линии передачи, такой как коаксиальный кабель. Обычно КСВ определяется как отношение максимального радиочастотного (РЧ) напряжения к минимальному РЧ-напряжению вдоль линии. Этот параметр антенны можно измерять с помощью антенного анализатора или КСВ-метра. Так как большинство радиолюбителей работают в домашних условиях без специализированной аппаратуры, антенный анализатор должен быть прост в использовании, а настройка и калибровка должна осуществляться без использования каких-либо образцовых приборов. Антенный анализатор должен обеспечивать панорамное измерение КСВ и выводить графики на экран компьютера или собственного дисплея в частотном диапазоне 1–30 МГц и антенн Wi-Fi с частотами 2,4 и 5 ГГц. Актуальность данного исследования заключается в том, что при настройке антенны возникает необходимость использования антенного анализатора для измерения КСВ. Современные антенные анализаторы имеют достаточно высокую стоимость и рассчитаны в основном для профессионального применения. Поэтому целесообразнее разработать и собрать антенный анализатор самостоятельно, так как стоимость комплектующих существенно ниже стоимости самого дешевого серийно выпускаемого антенного анализатора. Для исследования КСВ антенны соберем антенный анализатор, состоящий из узлов (рис. 1). Резистивный КСВ-измеритель с подключенным к нему генератором (Direct Digital Synthesizers) на диапазон от 1 до 30 МГц. Диапазон 2,4 ГГц используем отдельный КСВ-измеритель с подключенным к нему генератором управляемым напряжением (ГУН). Существует несколько различных инструментов разной сложности и точности для тестирования антенн и их линий питания. Все также можно использовать для измерения других электрических цепей и компонентов (по крайней мере, в принципе). Самым простым является измеритель КСВ, который показывает только степень несоответствия; фактическое несовпадение импеданса должно быть выведено путем измерения нескольких соседних частот и выполнения нескольких простых вычислений. Для измерителя КСВ требуется передатчик или генератор сигналов для обеспечения тестового сигнала мощностью несколько ватт. Антенный мост может выполнять измерения при малой мощности, но также требует подаваемого тестового сигнала; в зависимости от мостовой схемы его можно использовать для измерения как реактивного сопротивления, так и сопротивления путем считывания значений, отмеченных на ручках, которые были отрегулированы для соответствия. И шумовой мост, и анализаторы цепей обеспечивают очень малую мощность тестовые сигналы; оба могут измерять как сопротивление, так и реактивное сопротивление, либо вычислением, либо считыванием ручек, настроенных на совпадение. Современные анализаторы напрямую отображают сопротивление и реактивное сопротивление, а вычисления выполняются внутри микропроцессора. Антенный мост Типичный антенный мост, подстроечный конденсатор (C) настраивается так, чтобы мост балансировка, когда переменный конденсатор слева находится в половинном зацеплении. Следовательно, мост сможет определить, является ли антенна емкостной или индуктивной нагрузкой. A мостовая схема имеет две ветви, которые зависят от частоты комплексные -значные импедансы. Одна нога - это цепь в анализаторе с откалиброванными компонентами, суммарный импеданс которых можно измерить на шкале. Другая ветвь неизвестна - либо антенна, либо реактивный компонент. Для измерения импеданса мост регулируется так, чтобы две ветви имели одинаковое сопротивление. Когда два импеданса одинаковы, мост сбалансирован. Используя эту схему, можно либо измерить импеданс антенны, подключенной между ANT и GND, либо можно настроить антенну, пока она не будет иметь тот же импеданс, что и сеть на левой стороне диаграммы ниже. Мост может управляться либо с белым шумом, либо с простой несущей (подключенной к приводу). В случае белого шума амплитуда возбуждающего сигнала может быть очень низкой, и в качестве детектора используется радиоприемник. В случае, когда используется простая несущая, тогда в зависимости от уровня может использоваться либо диодный детектор, либо приемник. В обоих случаях ноль будет указывать, когда мост сбалансирован. Заключение Антенный анализатор - это тип радиочастотного (РЧ) анализатора, который измеряет производительность антенного фидера и самой РЧ-антенны. Он способен измерять качество согласования полного сопротивления электрических цепей, состоящих из передатчика или приемника, радиочастотного фидера и антенны или антенны. Согласование импеданса определяет, сколько энергии от передатчика достигает антенны и сколько радиочастотного сигнала, принятого антенной, фактически достигает приемника. Антенный анализатор позволяет легко подрезать антенну, чтобы он работал лучше при заданной рабочей частоте. Кроме того, антенный анализатор может также использовать мостовую схему для сравнения резистивных и реактивных компонентов сопротивления антенны и фидера на выбранных частотах. Мост RX использует приемник в качестве индикатора баланса в мосту, где один из нижних плеч соединен с антенной. Используя нереактивные 50-омные резисторы для верхних ветвей моста, другая нижняя ветвь может быть подключена к известным емкостным или индуктивным сопротивлениям или к обоим. Учитывая частоту, используемую для теста, значения емкости или индуктивности, импеданс антенны и ее фидера можно рассчитать. В шумовом мосту RX источник шума становится основным источником радиочастот. Для антенного анализатора с комплексным сопротивлением обычно требуется всего несколько милливатт мощности, подаваемой на антенну, и он обычно выдает свой собственный сигнал, не требуя какого-либо тестового сигнала от передатчика. Использование тестового сигнала малой мощности позволяет избежать повреждения анализатора при тестировании плохо согласованной антенны. Кроме того, поскольку мощность его сигнала очень мала, анализатор можно использовать для частот за пределами диапазонов передачи, лицензированных его оператору, и, таким образом, измерять характеристики антенны в неограниченном диапазоне частот. Список использованных источников Никулина Т. В., Антенный анализатор. КИП и автоматика: обслуживание и ремонт №2 2021. 2021;2. Голобов Д.В., Кирильчук В.Б., Юрцев О.А. Распространение радиоволн и антенно-фидерные устройства. – Минск, 2015. – С. 124–130. Петин В.А. Проекты с использованием контроллера Arduino. – СПб.: БВХ-Петербург, 2014. – С. 65. Фрадин А.З., Рыжков Е.В. Измерение параметров антенно-фидерных устройств. – М., 2009. – С. 198. |