УДК 621.396.67

Альтернативный метод определения диаграммы направленности зеркальных антенн

Коптев Виктор Алексеевич – магистрант факультета радио и телевидения Московского технического университета связи и информатики.

Аннотация. В работе описывается метод качественной оценки диаграммы направленности параболической антенны, при помощи акустических волн. Описана концепция, область применения и обоснование корректности использования этого метода. Был проведён натурный эксперимент, в соответствии с методом, получена диаграмма направленности. Проведено сравнение экспериментальной и теоретической характеристик.

Ключевые слова: зеркальная антенна, акустические волны, диаграмма направленности.

Введение и обоснование. В процессе проведения исследований в области радиотехники и СВЧ радиоаппаратуры, может возникнуть необходимость по определению параметров зеркальных антенн, в том числе по измерению диаграммы направленности (ДН). При этом, у исследователя в свободном доступе может не оказаться необходимой для измерений аппаратуры. А именно: полноценной зеркальной антенны или её уменьшенной копии, испытательного стенда, безэховой камеры для рассматриваемого диапазона частот и другой аппаратуры, которая имеет высокую стоимость создания и эксплуатации.

В данной работе предлагается оценивать ДН зеркальных антенн при помощи акустических волн. В пользу предлагаемого метода измерения говорит несколько аргументов:

1. Лабораторное оборудование для экспериментов с акустическими волнами гораздо проще найти и эксплуатировать, чем для радиоволн.

2. Эксперимент будет проводится в реальных условиях для волновых процессов в акустическом диапазоне частот (результаты будут ближе к реальным значениям, чем теоретические расчётные результаты или результаты компьютерное моделирования).

3. Исследователь может не посредственно осуществлять контроль за проводимым экспериментом, без вредных последствий от воздействия электромагнитных волн.

4. Полученные таким методом значения характеристик антенны, позволяют оценить форму ДН зеркальной антенны.

5. Результаты эксперимента, достаточно достоверны, и их можно интерпретировать в ДН для различных диапазонов длин волн.

Опубликованные результаты ряда исследований, в которых описывалось применение радаров на акустических волнах, для дистанционного зондирования атмосферы [1, 2, 3], подтверждают возможность определения ДН антенн описываемый в данной статье.

Испытательный стенд. Для проверки возможности снятия ДН на акустических волнах, был проведён натурный эксперимент, структурная схема которого представлена на рисунке 1.

Рисунок 1. Структурная схема натурного эксперимента

В качестве источника сигнала может выступать микроконтроллер, который можно запрограммировать на генерацию однотонного сигнала. Например, непосредственно в эксперименте использовался «Arduino Uno R3». Источником монотонного акустического сигнала может выступать небольшой динамик, или пьезоакустический излучатель, он преобразовывает электрический сигнал в звуковые колебания. Для лучшего фокусирования (предать направленность распространения) акустических волн, излучатель следует снабдить рупором.

Далее ультразвук попадает в среду распространения. Поскольку излучатель расположен в фокусе параболы, то по законам геометрии, волны, отражаясь от зеркала, распространяются вдоль продольной оси, в противоположном направлении, к звукоприёмному устройству. Стоит заметить, что положение фокуса зависит только от формы параболической антенны и её ориентации в пространстве. Вид используемых волн, на расположении фокуса никак не сказывается. Поэтому, при экстраполяции результатов на электромагнитные волны, пересчёт геометрических параметров не требуется.

Примерный вид описанного стенда, изображён на рисунке 2.

Рисунок 2. Примерный чертеж передающей части описываемого стенда

 

В начале приёмной части канала стоит звукоприёмная аппаратура, в частности, это может быть, высокочувствительный микрофон. Он помещается в дальней зоне распространения волны. Затем, с помощью микрофона, акустические колебания переводится обратно в электрическую волну, и подаются на входные устройства. Там сигнал усиливается и поступает в устройство обработки звука (например, звуковую карту электронно-вычислительной машины). А затем, при помощи специализированного программного обеспечения, результаты обработки сигнала выводятся на интерфейс, производится снятие результатов измерений.

Элементы испытательного стенда, передающей части (зеркало антенны или масштабированную копию, рупор, крепления), можно напечатать на 3D-принтере. В частности, двумерную форму поверхности (сечение) зеркала и рупора, которые были использованы в данной работе, можно описать формулами (1) и (2), соответственно.

Представленные расстояния измеряются мм. Таким образом, апертура антенны составляет L=120 мм. Формулой (2) описывается сечение рупора, вдоль продольной оси. Рупор является конусом с усечённой вершиной. Полученное сечение имеет форму треугольника. Со стороны вершины этого треугольника, предполагается, что стоит излучатель. Поэтому необходимо отставить для него пространство и поэтому, именно сам рупор составляет длину всего 6 мм. В эту длину не входит пространство, где расположен излучатель, оно зависит от габаритов самого излучателя и соединительных проводов, для подачи сигнала. Он был задуман, относительно, не большим, чтобы не создавать преграды для распространяющейся волны, и не образовывать тень.

Частота (f) ультразвука, которая использовалась в эксперименте, составила 15 кГц. Принцип расчёта длинны волны для звуковой волны такой же, как и для электромагнитных волн, по формуле (3).

Где – скорость звука в среде. Она зависит от индивидуальных условий проведения эксперимента (температура, давление, влажность). При проведении эксперимента она составила ≈ 340 м/с.

Расстояние апертуры антенны L=120 мм. Принято считать, что длина волны, должна 5 раз укладываться в длину апертуру зеркала (4).

Для снятия ДН, звукоприёмная аппаратура располагается в дальней зоне. Это понятие, достаточно условное, и характеризует предел, когда фазовый фронт, при увеличении расстояния, становится плоским. Примерно этот предел рассчитывается по формуле (5). Параметр D – максимальный геометрический размер антенны.

Если рассматривать испытательный стенд применительно к электромагнитным волнам, то такая длина волны и габаритов антенны, соответствуют сигналу с частотой (6):

С увеличением длинны волны радиосигнала, минимальная граница дальней зоны будет приближаться к антенне. Увеличение габаритов антенны, будет отдалять границу дальней зоны. Конкретный пересчёт делается по общей формуле (5).

Эксперимент и его результаты. Эксперимент проводился в импровизированной камере, со звукопоглощающим покрытием, чтобы избежать переотражения звука. Звукоприёмная аппаратура располагалась на расстоянии 1,2 метра от антенны и жёстко фиксировалась. Затем, подавался монотонный сигнал, а антенна вместе с излучателем, закреплённым, как показано на рисунке 2, вращалась вокруг своей оси, с шагом в 5 градусов. При помощи специализированного программного обеспечения снимались показания амплитуды принятого сигнала. В результате был получен акустический вариант ДН параболической антенны, в азимутальной плоскости, рисунок 3. Так же был произведён расчёт теоретической формы ДН [4, 5].

Рисунок 3. Расчётная – теоретическая и снятая экспериментально ДН исследуемой антенны

Ширина ДН, про уровень -3 дБ, составляет ≈5 градусов для расчётного и ≈4 градуса для снятой экспериментально. Шаг снятия экспериментальной характеристики, более грубый, чем у расчётной. Но характеристики получились достаточно похожи. Для лучшего сравнения в таблице 1 приведены значения расчётной и снятой ДН, с шагом 5 градусов.

Таблица 1. Значения расчётной и снятой ДН.

Угол	0	5	10	15	20	25	30	35	40	45	50	55
Расч, дБ	0	-2,5	-13,1	-10,7	-12,2	-19,6	-14,1	-22,1	-15,8	-23,5	-16,8	-22,3
Эксп, дБ	0	-4	-11	-12	-11	-15	-17	-17	-25	-28	-22	-26

Различия в ширине ДН, в пределе 1 градуса. Первый локальный минимум ДН, расположен на ≈10 градусах. Первый боковой лепесток, между 10 и 15 градусами. Второй боковой лепесток, между 20 и 25 градусами.

Сравнение расчётной и полученной экспериментально ДН показывают, не значительное расхождение результатов – в определённом секторе углов, примерно, 1,5 дБ. Варианты, из-за чего могли получится подобные ошибки: не совершенство аппаратуры, низкой точностью измерений, недостаточным звукоподавлением в безэховой камере, неудачно подобранными параметрами ультразвука и размеры стендовой аппаратуры. Но если смотреть на результаты в целом, они получились довольно схожими. Виден общий характер изменений характеристик.

Выводы и заключения. В статье описан метод качественной оценки ДН зеркальных антенн, при помощи ультразвука. Приведено исчерпывающее обоснование корректности проводимых опытов. Описан испытательный стенд и его составные элементы – самой параболической антенны, фокусирующего рупора, приведено их математическое описание и волновые параметры. Были получены две характеристики ДН – экспериментальная и теоретическая.

Анализируя их, можно, сделать вывод, что характеристики очень похожи. А именно: Расхождение в ДН по уровню -3 дБ составляет, примерно 1 градус. В точках, где снималась значения экспериментальная характеристика, близки по своим значениям с расчётной характеристикой. А также, явно виден определённый характер изменения характеристики.

В результате был предложен альтернативный метод оценки ДН параболической антенны. Его работоспособность проверена на натурном эксперименте и подтверждена полученными результатами. В определённом секторе углов, расхождение экспериментальной характеристики с расчётными значениями получилось до 1,5 дБ.

Список литературы

1. Мананко Е.Е. Направленные акустические антенны для атмосферных исследований: дис. канд. техн наук: Радиофизика. - Томск, 2003. - 216 с.
2. Красненко Н.П. Акустическое зондирование атмосферного пограничного слоя: дис. д-р физ-мат наук: физика атмосферы и гидросферы. - Томск, 1998. - 334 с.
3. Н.П. Красненко, А.С. Раков, Д.С. Раков. Исследование защищенной зеркально-параболической антенны акустического локатора // VII Всероссийские армандовские чтения. Современные проблемы дистанционного зондирования, радиолокации, распространения и дифракции волн материалы Всероссийской научной конференции. 2017. - Муром: Муромский институт (филиал) Государственного образовательного учреждения высшего профессионального образования "Владимирский государственный университет им. Александра Григорьевича и Николая Григорьевича Столетовых", 27–29 июня 2017 года. - С. 444-454.
4. Ерохин Г.А., Чернышев О.В., Козырев Н.Д., Кочержевский В.Г.; Под. ред. Ерохин Г.А. Тантенно-фидерные устройства и распространение радиоволн: Учебник для вузов. - 2-е изд. - Москва: Горячая линия – Телеком, 2004. - 491 с.
5. Кочержевский Г.Н. Антенно-фидерные устройства. – М.: Радио и связь, 1981, 349 с.