От чего зависит уровень боковых лепестков. Фазовая диаграмма направленности. Понятие о фазовом центре антенны. Требования к электромагнитной совместимости, экологической безопасности и электробезопасности

Снижение уровня боковых лепестков зеркальных антенн методом позиционирования металлических полосок в раскрыве

Акики Д, Биайнех В., Нассар Е., Хармуш А,

Университет "Нотр-Дам", г. Триполи, Ливан

Введение

В мире повышающейся мобильности нарастает потребность для людей в взаимоконтактах и доступе к информации независимо от места расположения информации или индивидуума. Из этих соображений невозможно отрицать, что телекоммуникации, а именно, передача сигналов на расстояние, является насущной необходимостью. Требования для беспроводных систем связи к их совершенству и вездесущности ведут к тому, что необходима разработка все более эффективных систем. При улучшении системы основным начальным шагом является улучшение антенн, которые являются основным элементом современных и будущих систем беспроводной связи. На данном этапе под улучшением качества параметров антенны будем понимать снижение уровня ее боковых лепестков ее диаграммы направленности. Снижение уровня боковых лепестков, естественно, не должно влиять на главный лепесток диаграммы. Снижение уровня бокового лепестка желательно потому, что для антенн, используемых в качестве приемных, боковые лепестки делают систему более уязвимой для посторонних сигналов. В передающих антеннах боковые лепестки снижают защищенность информации, так как сигнал может быть принят нежелательной приемной стороной. Основной трудностью является то, что чем выше уровень боковых лепестков, тем выше вероятность взаимовлияния в направлении бокового лепестка с наибольшим уровнем. Кроме того, повышение уровня боковых лепестков означает, что мощность сигнала рассеивается бесполезно. Выполнено много исследований (см., например, ), но целью данной статьи является рассмотрение метода "позиционирования полосок", который проявил себя, как простой, эффективный и обладающий низкой стоимостью. Любая параболическая антенна

может быть разработана или даже модифицирована с помощью этого метода (рис. 1) для снижения взаимовлияния между антеннами.

Однако проводящие полоски должны быть очень точно расположены, чтобы достичь снижения уровня боковых лепестков. В этой статье метод "позиционирования полосок" протестирован с помощью эксперимента.

Описание задачи

Задача формулируется следующим образом. Для конкретной параболической антенны (рис. 1) требуется снизить уровень первого бокового лепестка. Диаграмма направленности антенны есть не что иное, как Фурье-преобразование функции возбуждения апертуры антенны.

На рис. 2 показаны две диаграммы параболической антенны - без полосок (сплошная линия) и с полосками (линия изображенная знаками *), иллюстрирующие тот факт, что при использовании полосок уровень первого бокового лепестка понижается, однако при этом понижается и уровень главного лепестка, а также изменяется уровень остальных лепестков. Это показывает, что положение полосок является очень критичным. Необходимо располагать полоски таким образом, чтобы ширина главного лепестка по половинной мощности или коэффициент усиления антенны заметно не изменялись. Уровень заднего лепестка тоже не должен заметно меняться. Возрастание уровня остальных лепестков не столь существенно, поскольку уровень этих лепестков обычно значительно проще снизить, чем уровень первых боковых лепестков. Однако указанное возрастание должно быть умеренным. Будем помнить также, что рис. 2 является иллюстративным.

По изложенным причинам при использовании метода "позиционирования полосок" необходимо иметь в виду следующее: полоски должны быть металлическими, чтобы полностью отражать электрическое поле. В этом случае положение полосок можно четко определить. В настоящее время для измерения уровня боковых лепестков

Рис. 2. Диаграмма направленности антенны без полосок (сплошная)

и с полосками (

Рис. 3. Теоретическая нормированная диаграмма направленности в дБ

используются два метода - теоретический и экспериментальный. Оба метода дополняют друг друга, но поскольку наши доказательства основываются на сравнении экспериментальных диаграмм антенн без поломок и с полосками, то в данном случае будем пользоваться экспериментальным методом.

А. Теоретический метод. Этот метод состоит из:

Нахождения теоретической диаграммы направленности (ДН) испытуемой антенны,

Измерения боковых лепестков этой ДН.

ДН может быть взята из технической документации антенны, или может быть рассчитана, например, с помощью программы Ма1!аЬ или с помощью любой другой подходящей программы по известным соотношениям для поля.

В качестве испытуемой антенны использовалась зеркальная параболическая антенна Р2Р-23-ЫХА. Теоретическое значение ДН было получено с помощью формулы для круглой апертуры с равномерным возбуждением :

]ка2Е0е ікг Jl (ка 8Іпв)

Измерения и расчеты выполнялись в Е-плоскости. На рис. 3 показана нормированная диаграмма направленности в полярной системе координат.

Б. Экспериментальный метод. В экспериментальном методе должны быть использованы две антенны:

Испытуемая приемная антенна,

Передающая антенна.

ДН испытуемой антенны определяется при ее вращении и фиксации уровня поля с необходимой точностью. Для повышения точности предпочтительно выполнять отсчеты в децибелах.

В. Регулирование уровня боковых лепестков. По определению первые боковые лепестки - ближайшие к главному лепестку. Для фиксации их положения необходимо измерить угол в градусах или радианах между направлением главного излучения и направлением максимального излучения первого левого или правого лепестка. Направления левого и правого боковых лепестков должны быть одинаковы из-за симметричности ДН, но в экспериментальной ДН это может быть и не так. Далее необходимо определить также ширину боковых лепестков. Она может быть определена как разница между нулями ДН слева и справа от бокового лепестка. Здесь также следует ожидать симметрии, но только теоретически. На рис. 5 показаны экспериментальные данные по определению параметров бокового лепестка.

В результате ряда измерений было определено положение полосок для антенны Р2Р-23-ЫХА, которые определяются расстоянием (1,20-1,36)^ от оси симметрии антенны до полоски.

После определения параметров бокового лепестка определяется положение полосок. Соответствующие расчеты выполняются как для теоретической, так и для экспериментальной ДН по одинаковому методу, описанному ниже и проиллюстрированному на рис. 6.

Константа d - расстояние от оси симметрии параболической антенны до полоски расположенной на поверхности апертуры параболического зеркала, определяется по следующему соотношению:

„ d <Ф = ъ,

где d - экспериментально измеренное расстояние от точки симметрии на поверхности зеркала до полоски (рис. 5); 0 - угол между направлением главного излучения и направлением максимума бокового лепестка найденный экспериментально.

Диапазон значений С находится по соотношению: с! = О/дв

для значений 0, соответствующих началу и концу бокового лепестка (соответствующим нулям ДН).

После определения диапазона С, этот диапазон разбивается на ряд значений, из которых экспериментально выбирается оптимальное значение

Рис. 4. Экспериментальная установка

Рис. 5. Экспериментальное определение параметров боковых лепестков Рис. 6. Метод позиционирования полосок

Результаты

Было испытано несколько положений полосок. При перемещении полосок от главного лепестка, но в пределах найденного диапазона С результаты улучшались. На рис. 7 показаны две ДН без полосок и с полосками, демонстрирующие четкое снижение уровня боковых лепестков.

В табл. 1 приведены сравнительные параметры ДН по уровню боковых лепестков, направленности и ширине главного лепестка.

Заключение

Снижение уровня боковых лепестков при использовании полосок - на 23 дБ (уровень боковых лепестков антенны без полосок-

12,43 дБ). Ширина главного лепестка при этом почти не меняется. Рассмотренный метод весьма гибок, так как он может быть применен к любой антенне.

Однако определенной трудностью является влияние многолучевых искажений, связанных с влиянием земли и окружающих предметов на ДН, что приводит к изменению уровня боковых лепестков до 22 дБ.

Рассмотренный метод является простым, недорогим и может быть выполнен в течение небольшого времени. В последующем мы попытаемся добавить дополнительные полоски в различных положениях и исследовать полоски с поглощением. Кроме того, будут выполнены работы по теоретическому анализу задачи с помощью метода геометрической теории дифракции.

Far field radiation pattern of the antenna P2F- 23-NXA linear magnitude - polar plot

Рис. 7. ДН антенны P2F-23-NXA без полосок и с полосками

Сравнительные параметры антенны

Уровень боковых лепестков

Теоретическая ДН (программа Ма11аЬ) ДН по технической документации 18 дБ 15 дБ

Измеренная ДН без полосок 12,43 дБ

Измеренная ДН с полосками С многолучёвостью Без многолучёвости

Ширина главного лепестка в градусах D D, дБ

Теоретическая ДН (программа Ма^аЬ) 16 161,45 22,07

ДН по технической документации 16 161,45 22,07

Измеренная ДН без полосок 14 210,475 23,23

Измеренная ДН с полосками 14 210,475 23,23

Литература

1. Balanis. C Antenna Theory. 3rd Ed. Wiley 2005.

2. IEEE standard test procedures for antennas IEEE Std. 149 - 1965.

3. http://www.thefreedictionary.com/lobe

4. Searle AD., Humphrey AT. Low sidelobe reflector antenna design. Antennas and Propagation, Tenth International Conference on (Conf. Publ. No. 436) Volume 1, 14-17 April 1997 Page(s):17 - 20 vol.1. Retrieved on January 26, 2008 from IEEE databases.

5. Schrank H. Low sidelobe reflector antennas. Antennas and Propagation Society Newsletter, IEEE Volume 27, Issue 2, April 1985 Page(s):5 - 16. Retrieved on January 26, 2008 from IEEE databases.

6. Satoh T. shizuo Endo, Matsunaka N., Betsudan Si, Katagi T, Ebisui T. Sidelobe level reduction by improvement of strut shape. Antennas and Propagation, IEEE Transactions on Volume 32, Issue 7, Jul 1984 Page(s):698 - 705. Retrieved on January 26, 2008 from IEEE databases.

7. D. C Jenn and W. V. T. Rusch. "Low sidelobe reflector design using resistive surfaces," in IEEE Antennas Propagat., Soc./ URSI Int. Symp. Dig., vol. I, May

1990, p. 152. Retrieved on January 26, 2008 from IEEE databases.

8. D. C Jenn and W. V. T. Rusch. "Low sidelobe reflector synthesis and design using resistive surfaces," IEEE Trans. Antennas Propagat., vol. 39, p. 1372, Sep.

1991. Retrieved on January 26, 2008 from IEEE databases.

9. Monk AD., and Cjamlcoals PJ.B. Adaptive null formation with a reconfig-urable reflector antenna, IEEE Proc. H, 1995, 142, (3), pp. 220-224. Retrieved on January 26, 2008 from IEEE databases.

10. Lam P., Shung-Wu Lee, Lang K, Chang D. Sidelobe reduction of a parabolic reflector with auxiliary reflectors. Antennas and Propagation, IEEE Transactions on . Volume 35, Issue 12, Dec 1987 Page(s):1367-1374. Retrieved on January 26, 2008 from IEEE databases.

ГОСТ Р 50867-96

Группа Э58

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ СТАНДАРТ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ

АНТЕННЫ РАДИОРЕЛЕЙНЫХ ЛИНИЙ СВЯЗИ

Классификация и общие технические требования

Antennas of microwave telecommunication lines.
Classification and main technical requirements

ОКС 33.060.20
ОКСТУ 6577

Дата введения 1997-01-01

Предисловие

1 РАЗРАБОТАН И ВНЕСЕН Министерством связи Российской Федерации

2 ПРИНЯТ И ВВЕДЕН В ДЕЙСТВИЕ постановлением Госстандарта России от 21 марта 1996 г. N 193

3 ВВЕДЕН ВПЕРВЫЕ

1 ОБЛАСТЬ ПРИМЕНЕНИЯ

Настоящий стандарт распространяется на антенны радиорелейных линий (РРЛ), предназначенные для приема (передачи) электромагнитной энергии в диапазонах частот, выделенных для РРЛ.

Стандарт устанавливает общие технические требования к номенклатуре электрических параметров и конструкции антенн РРЛ, определяет методы измерения электрических параметров.

2 НОРМАТИВНЫЕ ССЫЛКИ

3 ОПРЕДЕЛЕНИЯ

В настоящем стандарте применяются следующие термины с соответствующими определениями.

3.1 РАБОЧИЙ ДИАПАЗОН ЧАСТОТ - полоса, ограниченная верхней и нижней рабочими частотами, в пределах которой заданные электрические параметры антенны остаются неизменными или меняются в допустимых пределах.

3.2 ЗАЩИТНОЕ ДЕЙСТВИЕ - уменьшение сигнала, принимаемого антенной с направления противоположного главному или в определенном заданном секторе углов, по сравнению с этим же сигналом, принимаемым в главном направлении.

3.3 ГАРАНТИРОВАННАЯ ДИАГРАММА НАПРАВЛЕННОСТИ - огибающая пиковых значений лепестков реальной диаграммы направленности.

Примечание - Допускается превышение уровня гарантированной диаграммы направленности не более чем на 3 дБ и не более чем 10% пиков боковых лепестков реальной диаграммы направленности.

3.4 ОТНОСИТЕЛЬНОЕ ЗАЩИТНОЕ ДЕЙСТВИЕ - защитное действие, приведенное к уровню излучения изотропной антенны.

3.5 Остальные термины - по ГОСТ 24375 .

4 КЛАССИФИКАЦИЯ

4.1 По количеству используемых в схеме зеркал антенны подразделяют на однозеркальные, состоящие из основного зеркала и облучателя, двухзеркальные, состоящие из основного и вспомогательного зеркал и облучателя, и многозеркальные, состоящие из основного и двух или нескольких вспомогательных зеркал и облучателя.

4.2. По месту расположения облучателя антенны подразделяют на осесимметричные, когда облучающая система расположена вдоль фокальной оси в центре раскрыва антенны, и неосесимметричные (с вынесенным облучателем), когда облучающая система смещена относительно центра раскрыва антенны.

4.3 По количеству рабочих диапазонов антенны подразделяют на одно-, двух- и многодиапазонные.

4.4 По показателям качества (в основном по помехозащищенности) антенны в соответствии с международной классификацией подразделяют на три основные категории - стандартные, высококачественные и сверхвысококачественные.

Примечание - Кроме перечисленных основных категорий существуют категории антенн, улучшенных по одному из параметров.

4.5. По количеству рабочих поляризаций антенны подразделяют на однополяризационные, работающие на одной поляризации, и двухполяризационные, работающие на двух поляризациях.

4.6 По количеству рабочих направлений антенны подразделяют на однолучевые, работающие в одном направлении, и с угловым разносом, работающие в двух или нескольких направлениях.

5 ТЕХНИЧЕСКИЕ ТРЕБОВАНИЯ

5.1 Общие требования

Антенны должны соответствовать требованиям настоящего стандарта и техническим условиям на антенну конкретного вида.

5.2 Требования к электрическим параметрам

5.2.1 При разработке, конструировании и изготовлении антенн должны быть нормированы следующие электрические параметры:

- рабочий диапазон частот;

- характеристика поляризации;

- коэффициент усиления;

- показатель согласования антенны с фидерным трактом;

- ширина главного лепестка по уровню половинной мощности;

- ширина главного лепестка по нулям или по уровню минус 15 или минус 20 дБ;

- уровень первого бокового лепестка;

- защитное действие;

- уровень максимумов кроссполяризации или максимальный уровень кроссполяризационного излучения в заданном пространственном секторе углов вблизи направления главного излучения;

- уровень бокового излучения в круговом или заданном секторе углов.

Примечание - Указанные параметры подлежат контролю при проведении сертификационных испытаний антенн.

5.2.2 Рабочий диапазон конкретной антенны РРЛ должен соответствовать рабочему диапазону радиорелейной системы связи, в составе которой должна работать антенна*.
______________
* Рабочий диапазон радиорелейной системы связи устанавливается в соответствии с Международным Регламентом Радиосвязи, Российской таблицей распределения полос частот между службами и соответствующими решениями ГКРЧ России.

Ширина рабочей полосы рабочего диапазона ограничивается нижней и верхней частотами.

5.2.3 Поляризация антенн РРЛ должна быть линейная, горизонтальная и/или вертикальная.

Примечание - При необходимости допустима работа на вращающейся поляризации.

5.2.4 Коэффициент усиления антенны должен быть задан на одной (средней) или трех (крайних и средней) частотах рабочего диапазона или в виде минимально допустимого в пределах всего рабочего диапазона значения с разделением, при необходимости, по поляризациям.

Коэффициент усиления должен быть задан в децибелах.

5.2.5 Показатель согласования антенны с фидерным трактом должен быть задан коэффициентом стоячей волны по напряжению (КСВн) в виде максимально допустимого в пределах рабочего диапазона значения с разделением, при необходимости, по поляризациям.

Примечание - Допускается задавать показатель согласования в виде коэффициента отражения.

5.2.6 Ширина главного лепестка по уровню половинной мощности должна быть задана на одной (средней) или трех (крайних и средней) частотах рабочего диапазона с разделением, при необходимости, по плоскостям и поляризациям.

Примечание - При необходимости задают ширину главного лепестка и по нулям или по уровню минус 15 или минус 20 дБ.

5.2.7 Уровень первого бокового лепестка должен быть задан в виде максимально допустимого в пределах рабочего диапазона значения с разделением, при необходимости, по плоскостям и поляризациям.

5.2.8 Защитное действие антенны должно быть задано в виде минимально допустимого в пределах рабочего диапазона значения с разделением, при необходимости, по плоскостям и поляризациям.

5.2.9 Уровень максимумов кроссполяризации или уровень кроссполяризационного излучения в заданном пространственном секторе углов вблизи направления главного излучения должен быть задан в виде максимально допустимого в пределах рабочего диапазона значения с разделением, при необходимости, по плоскостям и поляризациям.

5.2.10 Уровень бокового излучения должен быть задан в виде гарантированных ДН (основных и кроссполяризационных) одновременно для обеих поляризаций или с разделением по поляризациям в горизонтальной или в горизонтальной и вертикальной, или в нескольких наиболее характерных плоскостях.

5.2.11 Уровень первого бокового лепестка, уровень максимумов кроссполяризации (или уровень кроссполяризационного излучения в заданном пространственном секторе углов вблизи направления главного излучения) и уровень бокового излучения задают в децибелах относительно уровня излучения в главном направлении.

5.2.12 Разделение параметров по плоскостям (главные - горизонтальная и вертикальная) и поляризациям (плоскости и ) применяют в том случае, когда различие в величине параметров превосходит заданную точность.

5.2.13 Кроме основных параметров, указанных в 5.2.1, могут быть заданы производные параметры - коэффициент использования поверхности раскрыва и относительное защитное действие.

5.2.14 При включении в состав антенны дополнительных элементов - волноводных переходов, изгибов, защитного от атмосферных осадков укрытия и др., влияющих на электрические параметры, значение каждого из электрических параметров должно быть задано с учетом их влияния, если эти элементы составляют неотъемлемую часть антенны, если же в зависимости от включения дополнительных элементов имеется несколько исполнений антенны, то величина всех или только зависимых от исполнения антенны параметров должна быть указана отдельно для каждого исполнения.

5.2.15 Нормы на электрические параметры антенн определяются при проектировании конкретных радиорелейных систем связи в зависимости от протяженности пролетов РРЛ, условий распространения и параметров используемой аппаратуры (мощности передатчиков, чувствительности приемников и др.), назначения систем связи (магистральная, зоновая), количества каналов (многоканальная или малоканальная), способа используемой модуляции (аналоговая или цифровая), требований к электромагнитной совместимости и т.д. и указываются в технических условиях на антенну конкретного вида.

5.2.16 Ориентировочные значения основных параметров антенн, применяемых на РРЛ, даны в приложении А.

5.2.17 Общие требования к проведению измерений параметров антенн изложены в приложении Б.

5.3 Требования к конструкции

5.3.1 Конструкция антенны должна включать зеркало, облучатель и элементы крепления антенны к несущей конструкции.

Примечание - В состав антенны может быть включена подставка и устройство для юстировки.

5.3.2 Масса и габаритные размеры антенны должны быть минимизированы.

5.3.3 Направление волноводного выхода облучателя (горизонтальное, вертикальное, наклонное) должно быть задано в зависимости от конструктивных параметров системы в целом.

5.3.4 Выход облучателя должен иметь типоразмер и соединитель, обеспечивающие стыковку с соответствующими элементами фидерного тракта или радиорелейной аппаратуры. Требования к выходу облучателя устанавливаются в технических условиях на антенну конкретного вида.

5.3.5 Волноводный тракт облучателя, при необходимости, должен быть герметичным и испытываться при избыточном давлении воздуха, заданном в технических условиях на антенну конкретного вида.

5.3.6 Конструкция антенны должна обеспечивать механическую прочность и нормы на электрические параметры, установленные в технических условиях, при эксплуатации антенны в заданных климатических районах при заданной высоте установки.

5.3.7 Антенна должна сохранять заданные техническими условиями электрические параметры и не должна иметь механических повреждений после испытаний на транспортирование, определяемых техническими условиями на антенну конкретного вида.

5.3.8 Срок службы антенны, если это не оговорено особыми условиями, должен быть не менее 20 лет.

5.3.9 Требования к маркировке и упаковке должны быть указаны в технических условиях на антенну конкретного вида.

5.3.10 В конструкции антенны должно быть предусмотрено грузозахватывающее отверстие для ее подъема, спуска и удержания на весу при монтажных и ремонтных работах.

5.3.11 В конструкции неосесимметричных антенн целесообразно предусмотреть возможность их визуальной юстировки.

5.3.12 Элементы конструкции антенны не должны иметь острых кромок, углов и поверхностей, представляющих источник опасности, за исключением оговоренных в конструкторской документации.

5.3.13 Конструкция антенны должна обеспечивать удобный доступ к элементам, которые при эксплуатации требуют особого контроля или замены.

5.3.14 Максимально допустимая высота установки антенны определяется в зависимости от требований системы, в составе которой она должна работать.

5.3.15 При отсутствии специальных требований антенны должны быть рассчитаны на работу в V ветровом, IV снеговом и гололедном районах при температуре окружающего воздуха от минус 50 до +50 °С и влажности 100% при температуре +25 °С.

5.4 Требования к электромагнитной совместимости, экологической безопасности и электробезопасности

5.4.1 Уровень бокового излучения вновь разрабатываемых, модернизируемых и закупаемых за рубежом антенн, определяющий электромагнитную совместимость систем связи, должен соответствовать требованиям, приведенным в приложении В.

5.4.2 Требования к экологической безопасности и электробезопасности определяются техническими условиями на радиорелейную аппаратуру конкретного вида.

ПРИЛОЖЕНИЕ А (справочное). ОРИЕНТИРОВОЧНЫЕ ЗНАЧЕНИЯ ОСНОВНЫХ ПАРАМЕТРОВ АНТЕНН, ПРИМЕНЯЕМЫХ В НАСТОЯЩЕЕ ВРЕМЯ НА РРЛ

ПРИЛОЖЕНИЕ А
(справочное)

А.1 Коэффициент усиления антенн РРЛ составляет от 20 до 50 дБ.

Примечание - При необходимости могут использоваться антенны как с меньшими, так и с большими значениями коэффициента усиления.

А.2 КСВн антенн, используемых для работы в магистральных радиорелейных системах большой емкости и в системах с протяженным волноводным трактом, составляет величину от 1,04 до 1,08.

КСВн антенн, используемых для работы в зоновых системах и системах не имеющих протяженного волноводного тракта (аппаратура непосредственно присоединена ко входу антенны), составляет величину от 1,15 до 1,4.

Примечание - Целесообразно использовать антенны с низкими значениями КСВн, в т.ч. и ниже указанных нижних пределов.

А.3 Ширина главного лепестка по уровню половинной мощности однолучевых остронаправленных антенн РРЛ составляет величину от долей градуса до нескольких градусов.

А.4 Уровень бокового излучения антенн РРЛ соответствует справочным диаграммам направленности, приведенным в приложении В.

А.5 Относительное защитное действие стандартных антенн составляет от 0 до 10 дБ, высококачественных - от 10 до 20 дБ, сверхвысококачественных - от 20 до 40 дБ.

Примечание - Целесообразно использовать антенны с более высоким защитным действием.

А.6 Уровень первого бокового лепестка составляет от минус 15 до минус 30 дБ.

Примечание - Целесообразно использовать антенны с низким уровнем первого бокового лепестка, в т.ч. и ниже указанного нижнего предела.

А.7 Уровень максимумов кроссполяризации (или уровень кроссполяризационного излучения в заданном пространственном секторе углов вблизи направления главного излучения) составляет от минус 15 до минус 30 дБ, а при одновременной работе на двух поляризациях - от минус 30 до минус 35 дБ.

Примечание - Целесообразно использовать антенны с низким уровнем максимумов кроссполяризации.

A.8 Коэффициент использования поверхности раскрыва антенн РРЛ составляет от 0,4 до 0,7 (от 40 до 70%).

Примечание - Целесообразно использовать антенны с высоким коэффициентом использования, в т.ч. и более указанного выше верхнего предела.

ПРИЛОЖЕНИЕ Б (рекомендуемое). ОБЩИЕ ТРЕБОВАНИЯ К ПРОВЕДЕНИЮ ИЗМЕРЕНИЙ ПАРАМЕТРОВ АНТЕНН

Б.1 Измерения антенн проводят на специально оборудованном полигоне или в безэховых, покрытых специальным поглощающим материалом, камерах. Место и способ измерений выбирают с учетом обеспечения требуемой точности определения величины измеряемых параметров в рабочем диапазоне частот.

Б.2 При измерениях, если это не оговорено особо в технических условиях на антенну конкретного вида, должны использоваться типовые схемы измерения и типовая измерительная аппаратура, обеспечивающие необходимую точность измеряемых величин в рабочем диапазоне частот.

Б.3 Примеры типовых схем измерения диаграмм направленности и коэффициента усиления приведены на рисунках Б.1-Б.3.

Примечание - Допускается использование других схем и методов измерения электрических параметров, обеспечивающих заданную техническими условиями на антенну конкретного вида точность измерения.

Б.4 Прямому измерению подлежат следующие параметры:

- коэффициент усиления;

- коэффициент стоячей волны;

- диаграммы направленности (основные и кроссполяризационные).

Рисунок Б.1 - Структурная схема измерения диаграмм направленности (измерительные

Передача

1 - генератор; 2, 8 - кабель высокочастотный; 3, 7, 9 - коаксиально-волноводный переход; 4 - ферритовый вентиль; 5 - измерительный (поляризационный) аттенюатор; 6 - развязывающий аттенюатор; 10 - волноводный переход от круглого сечения к прямоугольному; 11 - вспомогательная (передающая) антенна.

Прием

12 - испытуемая антенна; 13 - волноводный переход от круглого сечения к прямоугольному; 14 - коаксиально-волноводный переход; 15 - кабель высокочастотный; 16 - измерительный приемник; 17, 19 - кабель низкочастотный; 18 - усилитель; 20 - самописец.

Примечания

Рисунок Б.1 - Структурная схема измерения диаграмм направленности (измерительные
аттенюаторы расположены на передаче)

Рисунок Б.2 - Структурная схема измерения диаграмм направленности (измерительные аттенюаторы расположены на приеме)

Передача

1 - генератор; 2 - кабель высокочастотный; 3 - коаксиально-волноводный переход; 4 - волноводный переход от круглого сечения к прямоугольному; 5 - вспомогательная (передающая) антенна.

Прием

6 - испытуемая антенна; 7 - волноводный переход от круглого сечения к прямоугольному; 8, 10 - развязывающий аттенюатор; 9 - измерительный (поляризационный) аттенюатор; 11 - детекторная секция; 12, 14 - кабель низкочастотный; 13 - усилитель низкочастотный; 15 - самописец.

Примечания

1 При использовании волноводного тракта с гибкими волноводными вставками и приемо-передающей аппаратуры с волноводными входами (выходами) кабели высокочастотные и коаксиально-волноводные переходы из схемы исключаются.

2 При прямоугольном сечении волноводного выхода облучателя волноводные переходы от круглого к прямоугольному сечению не используются.

Рисунок Б.2 - Структурная схема измерения диаграмм направленности (измерительные
аттенюаторы расположены на приеме)

Рисунок Б.З - Структурная схема измерения коэффициента усиления (измерительные аттенюаторы расположены на передаче)

Передача

1 - генератор; 2, 8 - кабель высокочастотный; 3, 7, 9 - коаксиально-волноводный переход; 4 - ферритовый вентиль; 5 - измерительный (поляризационный) аттенюатор; 6 - развязывающий аттенюатор; 10 - волноводный переход от круглого к прямоугольному сечению; 11 - вспомогательная (передающая) антенна.

Прием

12 - испытуемая антенна; 13, 15 - волноводный переход от круглого к прямоугольному сечению; 14 - измерительная (эталонная) антенна; 16 - развязывающий аттенюатор; 17 - измерительная секция; 18 - кабель низкочастотный; 19 - усилитель низкочастотный.

Примечания

Рисунок Б.З - Структурная схема измерения коэффициента усиления (измерительные
аттенюаторы расположены на передаче)

Б.5 По основным диаграммам направленности определяют ширину главного лепестка по уровню половинной мощности и по нулям (или по уровню минус 15 или минус 20 дБ), уровень первого бокового лепестка, уровень бокового излучения и гарантированные диаграммы направленности на основной поляризации.

Б.6 По кроссполяризационным диаграммам направленности определяют уровень максимумов кроссполяризации и/или уровень кроссполяризационного излучения в заданном пространственном секторе углов вблизи направления главного излучения, уровень бокового излучения и гарантированные диаграммы направленности на перекрестной поляризации.

Б.7 Косвенно определяют следующие параметры:

- защитное действие;

- коэффициент использования поверхности раскрыва;

- относительное защитное действие.

Б.8 Объем измерений определяется техническими условиями на антенну конкретного вида.

Б.9 Методы измерений антенн конкретных типов должны быть указаны в технических условиях на антенну конкретного вида.

ПРИЛОЖЕНИЕ В (рекомендуемое). СПРАВОЧНЫЕ ДИАГРАММЫ НАПРАВЛЕННОСТИ АНТЕНН РАДИОРЕЛЕЙНЫХ СИСТЕМ ПРЯМОЙ ВИДИМОСТИ

В.1 Справочные диаграммы направленности в соответствии с Рекомендацией* используют при отсутствии реальных диаграмм направленности для решения вопросов электромагнитной совместимости, а именно:

- при предварительном изучении вопросов исключения источников помех в координационной зоне;

- при повторном использовании радиочастот в радиорелейной сети, когда одни и те же радиочастоты могут многократно использоваться либо на участках, значительно удаленных друг от друга, либо на участках линий, расходящихся от одной станции по разным направлениям, либо на одном участке с использованием кроссполяризации.
______________
* По мере изменения Ассамблеей МСЭ Рекомендации 699 следует пользоваться более новыми ее редакциями, принятыми с учетом новейших достижений в области разработки и конструирования антенн после 1994 г.

В.2 Справочные диаграммы направленности являются огибающими максимумов лепестков реальных диаграмм направленности наиболее типовых и наиболее часто используемых (на момент принятия последней редакции указанной выше рекомендации) антенн радиорелейных систем прямой видимости, при этом допускается, что малый процент пиков боковых лепестков реальных диаграмм направленности может превышать уровень, ограниченный справочной диаграммой.

В.3 Справочные диаграммы направленности не могут служить для разработчиков и потенциальных потребителей предельно допустимой величиной, ограничивающей снизу или сверху уровень бокового излучения, однако они могут являться для них ориентиром при оценке качества вновь разрабатываемой или закупаемой антенной техники относительно некоего среднего мирового уровня.

В.4 Для увеличения пропускной способности целесообразно использовать антенны с лучшими (по сравнению со справочными) диаграммами направленности.

Примечание - Допускается использование антенн и с худшими диаграммами направленности (в этом случае при решении вопросов электромагнитной совместимости следует пользоваться только реальными диаграммами направленности).

В.5 В соответствии с решением Ассамблеи радиосвязи МСЭ (Рекомендация ), при отсутствии конкретной информации о диаграмме направленности антенны, следует использовать приведенные ниже справочные диаграммы в диапазоне частот 1-40 ГГц.

В.5.1 В случае, когда отношение диаметра радиорелейной антенны к рабочей длине волны , должно использоваться выражение

где - коэффициент усиления относительно изотропно излучающей антенны;

- угол отклонения от оси;

- коэффициент усиления главного лепестка относительно изотропно излучающей антенны, дБ;

и - диаметр антенны и длина волны, выраженные в одних и тех же единицах;

- коэффициент усиления первого лепестка

Уровень боковых лепестков (УБЛ) (англ. side lobe level, SLL) диаграммы направленности (ДН) антенны - относительный (нормированный к максимуму ДН) уровень излучения антенны в направлении боковых лепестков. Как правило, УБЛ выражается в децибелах, реже определяют УБЛ «по мощности» или «по полю».
ДН реальной (конечных размеров) антенны - осциллирующая функция, в которой выделяют глобальный максимум, являющийся центром главного лепестка ДН, а также прочие локальные максимумы ДН и соответствующие им так называемые боковые лепестки ДН. Термин боковой следует понимать как побочный, а не буквально (лепесток, направленный «вбок»). Лепестки ДН нумеруют по порядку начиная с главного, которому присваивают номер ноль. Дифракционный (интерференционный) лепесток ДН, возникающий в разреженной антенной решетке, боковым не считается. Минимумы ДН, разделяющие лепестки ДН, называют нулями (уровень излучения в направлениях нулей ДН может быть сколь угодно малым, однако в реальности излучение всегда присутствует). Область бокового излучения разбивают на подобласти: область ближних боковых лепестков (прилегающую к главному лепестку ДН), промежуточную область и область задних боковых лепестков (вся задняя полусфера).
Под УБЛ понимают относительный уровень наибольшего бокового лепестка ДН. Как правило, наибольшим по величине является первый (прилегающий к главному) боковой лепесток.Для антенн с высокой направленностью используют также средний уровень бокового излучения (нормированная к своему максимуму ДН усредняется в секторе углов бокового излучения) и уровень дальних боковых лепестков (относительный уровень наибольшего бокового лепестка в области задних боковых лепестков).
Для антенн продольного излучения для оценки уровня излучения в направлении «назад» (в направлении, противоположном направлению главного лепестка ДН) используется параметр относительный уровень заднего излучения (от англ. front/back, F/B - отношение вперед/назад), и при оценке УБЛ это излучение не учитывается. Также для оценки уровня излучения в направлении «вбок» (в направлении, перпендикулярном главному лепестку ДН) используется параметр относительный бокового излучения (от англ. front/side, F/S - отношение вперед/вбок).
УБЛ, как и ширина главного лепестка ДН, являются параметрами, определяющими разрешающую способность и помехозащищённость радиотехнических систем. Поэтому в технических заданиях на разработку антенн этим параметрам уделяется большое значение. Ширину луча и УБЛ контролируют как при вводе антенны в эксплуатацию, так и в процессе эксплуатации.

Связанные понятия

Фотонный кристалл - твердотельная структура с периодически изменяющейся диэлектрической проницаемостью либо неоднородностью, период которой сравним с длиной волны света.

Волоко́нная брэ́гговская решётка (ВБР) - распределённый брэгговский отражатель (разновидность дифракционной решетки), сформированный в светонесущей сердцевине оптического волокна. ВБР обладают узким спектром отражения, используются в волоконных лазерах, волоконно-оптических датчиках, для стабилизации и изменения длины волны лазеров и лазерных диодов и т. д.

Обеспечение достаточно малого уровня боковых лепестков в ДН, как отмечалось ранее, является одним из важнейших требований к современным антеннам.

При анализе линейных систем непрерывно расположенных излучателей была замечена зависимость уровня боковых лепестков от закона АР в системе.

Принципиально можно подобрать такой закон АР в системе, при котором боковые лепестки в ДН отсутствуют.

Действительно, пусть имеется синфазная решетка из двух изотропных

излучателей, расположенных на расстоянии d = - друг от друга (рис. 4.36).

Амплитуды возбуждения излучателей будем считать одинаковыми (равномерное АР). В соответствии с формулой (4.73) ДН двухэлементной решетки

При изменении 0 от ± - значение sin0 меняется от 0 до ±1, а значение Д0) - от 2 до 0. ДН имеет лишь один (главный) лепесток (рис. 4.36). Боковые лепестки отсутствуют.

Рассмотрим линейную решетку, состоящую из двух элементов, каждый из которых представляет собой рассмотренную выше решетку. Новую решетку по-прежнему считаем синфазной, расстояние между элементами X

d = - (рис. 4.37, а).

Рис. 4.36. Синфазная решетка из двух изотропных излучателей

Рис. 4.37.

Закон АР в решетке принимает вид 1; 2; 1 (рис. 4.37, б).

В соответствии с правилом перемножения ДН решетки боковых лепестков не имеет (рис. 4.37, в):

Следующий шаг - синфазная линейная система, состоящая из двух

предыдущих, смещенных по прямой на расстояние - (рис. 4.38, а). Получаем четырехэлементную решетку с АР 1; 3; 3; 1 (рис. 4.38, б). ДН этой решетки также не имеет боковых лепестков (рис. 4.38, в).

Продолжая по намеченному алгоритму наращивание числа излучателей в системе, для ДН синфазной решетки, состоящей из восьми элементов, получим формулу

Рис. 4.38.

АР в такой решетке запишется соответственно в следующем виде: 1; 7; 21; 35; 35; 21; 7; 1. Записанные числа являются коэффициентами в разложении бинома Ньютона (1 + х) 7 в ряд, поэтому соответствующее им АР называется биномиальным.

При наличии в линейной дискретной системе п излучателей биномиальное АР определяется коэффициентами в разложении бинома Ньютона (1 + х) п ~ 1 , а ДН системы - выражением

Как видим из выражения (4.93), ДН боковых лепестков не имеет.

Таким образом, за счет использования в синфазной дискретной системе биномиального АР можно добиться полного исключения боковых лепестков. Однако это достигается ценой существенного расширения (по сравнению с равномерным АР) главного лепестка и уменьшения КНД системы. Кроме того, возникают трудности в практическом обеспечении синфазности возбуждения излучателей и достаточно точного биномиального АР в системе.

Система с биномиальным АР очень чувствительна к изменению АФР. Небольшие искажения в законе АФР вызывают появление боковых лепестков в ДН.

В силу указанных причин биномиальное АР в антеннах практически не используется.

Более практичным и целесообразным оказывается АР, при котором получается так называемая оптимальная ДН. Под оптимальной понимается такая ДН , у которой при заданной ширине главного лепестка уровень боковых лепестков минимален или при заданном уровне боковых лепестков ширина главного лепестка минимальна. АР, соответствующее оптимальной ДН, можно назвать также оптимальным.

Для дискретной синфазной системы изотропных излучателей, распо-

ложенных на расстоянии а > - друг от друга, оптимальным является

Дольф - Чебышевское АР. Однако в ряде случаев (при определенном числе излучателей и определенном уровне боковых лепестков) это АР характеризуется резкими «всплесками» на краях системы (рис. 4.39, а) и трудно реализуемо. В этих случаях переходят к так называемому квазиоптималь- ному АР с плавным спаданием к краям системы (рис. 4.39, б).

Рис. 4.39. Амплитудные распределения: а - Дольф - Чебышевское;

б - квазиоптимальное

При квазиоптимальном АР, по сравнению с оптимальным уровнем, уровень боковых лепестков несколько увеличивается. Однако реализовать квазиоптимальное АР значительно проще.

Задача отыскания оптимального и соответственно квазиоптимально- го АР решена и для систем непрерывно расположенных излучателей. Для таких систем квазиоптимальным АР является, например, распределение Тейлора.

Уровень задних и боковых лепестков диаграммы направленности по напряжению γυ определяется как отношение ЭДС на клеммах антенны при приеме -со стороны максимума заднего или бокового лепестка к ЭДС со стороны максимума основного лепестка. Когда антенна имеет несколько задних и боковых лепестков различной величины, то указывается обычно уровень наибольшего лепестка. Уровень задних и боковых лепестков можно определить также по мощности (γ Ρ), возведя в квадрат уровень задних и боковых лепестков по напряжению. На диаграмме направленности, показанной на рис. 16, задние и боковые лепестки имеют одинаковый уровень, равный 0,13 (13%) по ЭДС или 0,017 (1,7%) по мощности. Задние и боковые лепестки направленных приемных телевизионных антенн находятся обычно в пределах 0,1… ,25 (по напряжению).

В литературе при описании направленных свойств приемных телевизионных антенн часто указывают уровень задних и боковых лепестков, равный среднему арифметическому из уровней лепестков на средней и крайних частотах телевизионного канала. Допустим, что уровень лепестков (по ЭДС) диаграммы направленности антенны 3-го канала (f = 76… 84 МГц) составляет: на частотах 75 МГц - 0,18; 80 МГц - 0,1; 84 МГц - 0,23. Средний уровень лепестков будет равен (0,18+0,1+0,23)/3, т. е. 0,17. Помехозащищенность антенны может быть охарактеризована средним уровнем лепестков только в том случае, если в полосе частот телевизионного канала нет резких «выбросов» уровня лепестков, значительно превышающих средний уровень.

Необходимо сделать важное замечание, касающееся помехозащищенности антенны с вертикальной поляризацией. Обратимся к диаграмме направленности, изображенной на рис. 16. На этой диаграмме, характерной для антенн горизонтальной поляризации в горизонтальной плоскости, основной лепесток отделен от задних и боковых лепестков направлениями нулевого приема. Антенны вертикальной поляризации (например, антенны «волновой канал» с вертикальным расположением вибраторов) направлений нулевого приема в горизонтальной плоскости не имеют. Поэтому задние и боковые лепестки в этом случае однозначно не определены и помехозащищенность определяется на практике, как Отношение уровня сигнала, принятого с переднего направления, к уровню сигнала, принятого с заднего направления.

Коэффициент усиления. Чем направленнее антенна, т. е. чем меньше угол раствора основного лепестка и меньше уровень задних и боковых лепестков диаграммы направленности, тем больше ЭДС на клеммах антенны.

Представим себе, что в некоторую точку электромагнитного поля помещен симметричный полуволновый вибратор, ориентированный на максимум приема, т. е. расположенный так, что его продольная ось перпендикулярна направлению прихода радиоволны. На подключенной к вибратору согласованной нагрузке развивается определенное напряжение Ui, зависящее от напряженности поля в точке приема. Поместим далее! в ту же точку поля вместо полуволнового вибратора ориентированную на максимум приема антенну с большей направленностью, например антенну типа «волновой канал», диаграмма направленности которой изображена на рис. 16. Будем считать, что эта антенна имеет ту же нагрузку, что и полуволновый вибратор, и так же с ней согласована. Так как антенна «волновой канал» является более направленной, чем полуволновый вибратор, то и напряжение на ее нагрузке U2 будет больше. Отношение напряжений U 2 /’Ui и представляет собой коэффициент усиления Ки четырехэлементной антенны по напряжению или, как его иначе называют, по «полю».

Таким образом, коэффициент усиления антенны по напряжению или по «полю» можно определить как отношение напряжения, развиваемого антенной на согласованной нагрузке, к напряжению, развиваемому на той же нагрузке согласованным с ней полуволновым вибратором. Обе антенны считаются расположенными в той же точке электромагнитного поля и ориентированными на максимум приема. Часто применяется также понятие коэффициента усиления по мощности Кр, который равен квадрату коэффициента усиления по напряжению (К Р = Ки 2).

В определении коэффициента усиления необходимо подчеркнуть два момента. Во-первых, для того чтобы антенны различных конструкций можно было соноставить друг с другом, каждую из них сравнивают с одной и той же антенной - полуволновым вибратором, который считается эталонной антенной. Вовторых, для получения на практике выигрыша в напряжении или мощности, определяемых коэффициентом усиления, нужно сориентировать антенну на максимум принимаемого сигнала, т. е. так, чтобы максимум главного лепестка диаграммы направленности был ориентирован в сторону прихода радиоволны. Коэффициент усиления зависит от типа и конструкции антенны. Обратимся для пояснения к антенне типа «волновой канал». Коэффициент усиления этой антенны возрастает с увеличением числа директоров. Четырехэлементная антенна (рефлектор, активный вибратор и два директора) имеет коэффициент усиления по напряжению, равный 2; семиэлементная (рефлектор, активный вибратор и пять директоров) - 2,7. Это означает, что если вместо полуволнового

вибратора использовать четырехэлементную антенну) то напряжение на входе телевизионного приемника возрастет в 2 раза (мощность в 4 раза), а семиэлементную- в 2,7 раза (мощность в 7,3 раза).

Значение коэффициента усиления антенны указывают в литературе либо па отношению к полуволновому вибратору, либо по отношению к так называемому изотропному излучателю. Изотропный излучатель представляет собой такую воображаемую антенну, у которой полностью отсутствуют направленные свойства, и пространственная диаграмма направленности имеет соответственно* вид -сферы. В природе изотропных излучателей не существует, и такой излучатель является просто удобным эталоном, с которым можно сравнивать направленные свойства различных антенн. Расчетное значение коэффициента усиления полуволнового вибратора по напряжению относительно изотропного излучателя составляет 1,28 (2.15 дБ). Поэтому если известен коэффициент усиления какойлибо антенны по напряжению относительно изотропного излучателя, то, разделив его на 1,28. получим коэффициент усиления этой антенны относительно полуволнового вибратора. Когда коэффициент усиления относительно изотропного излучателя указан в децибелах, то для определения коэффициента усиления относительно полуволнового вибратора нужно вычесть 2,15 дБ. Например, коэффициент усиления антенны по напряжению относительно изотропного излучателя равен 2,5 (8 дБ). Тогда коэффициент усиления этой же антенны относительно полуволнового вибратора составит 2,5/1,28, т. е. 1,95^ а в децибелах 8-2,15 = 5,85 дБ.

Естественно, что реальный выигрыш по уровню сигнала на входе телевизора, даваемый той или иной антенной, не зависит от того, по отношению к какой эталонной антенне-полуволновому вибратору или изотропному излучателю - указан коэффициент усиления. В настоящей книге значения коэффициента усиления указаны по отношению к полуволновому вибратору.

В литературе направленные свойства антенн часто оценивают коэффициент том направленного действия КНД, который представляет собой выигрыш в мощности сигнала в нагрузке при условии, что антенна не имеет потерь. Коэффициент направленного действия связан с коэффициентом усиления по мощности Кр соотношением

Если измерить напряжение на входе приемника, то можно по этой же формуле определить напряженность поля в месте приема.