Pobierz (PDF-366KB) - antenowe systemy nadawcze

Transkrypt

Katalog wyrobów antenowych
G. MIERNICTWO ANTENOWE
Miernictwo antenowe podlega ogólnym regułom obowiązującym przy pomiarach napięć, prądów i
innych wielkości elektrycznych w zakresie wielkich i bardzo wielkich częstotliwości radiowych.
Istnieją jednak dwa zasadnicze czynniki stanowiące specyfikę pomiarów antenowych. Oto one:
!
anteny z założeń funkcjonalnych, odbierają energię wszystkich fal elektromagnetycznych znajdujących się w otaczającej je przestrzeni, zarówno sygnałów wytworzonych przez metrologa,
jak i wszystkich innych stanowiących z punktu widzenia pomiaru zakłócenie fałszujące wynik
pomiaru,
!
zaciski (gniazda) wejściowe anten zainstalowanych w miejscu eksploatacji są na ogół trudno
dostępne, a sama antena musi tkwić nieruchomo w przestrzeni. Wymaga to stosowania specyficznych technik pomiarowych. Będą one sygnalizowane przy omawianiu w dalszym ciągu poszczególnych pomiarów, które podzielimy na pomiary poligonowe i pomiary w miejscu eksploatacji.
G.1.
POMIARY CHARAKTERYSTYK PROMIENIOWANIA
G.1.1. Pomiar charakterystyk na poligonie pomiarowym
Prawie dla wszystkich anten, o badaniach których będziemy mówili w niniejszym rozdziale obowiązuje zasada wzajemności. Oznacza ona, że charakterystyki promieniowania anten są identyczne
zarówno przy nadawaniu jaki i przy odbiorze. W warunkach poligonowych, pozwala to na zbudowanie stanowiska do badania charakterystyk promieniowania przedstawionego na rys. 45. Antenę
badaną umieszcza się w polu w.cz. wytwarzanym przez nadawczą antenę pomocniczą na mechanizmie pozwalającym .na jej obrót wokół osi pionowej. W czasie pomiaru rejestruje się w funkcji
kąta obrotu napięcie pojawiające się na wejściu odbiornika pomiarowego. Otrzymane rezultaty, po
unormowaniu względem wartości maksymalnej, stanowią przekrój przestrzennej charakterystyki
promieniowania anteny w płaszczyźnie prostopadłej do osi obrotu (porównaj p. C.2).
Jeżeli badana antena jest kierunkowa, tzn. ma jednoznacznie określony kierunek maksymalnego
promieniowania, wystarczającą informacją o jej przestrzennej charakterystyce promieniowania
uzyska się wykonując pomiar w dwóch wzajemnie prostopadłych płaszczyznach przycinających się
wzdłuż osi wiązki głównej. Dla anten o polaryzacji liniowej, jako ortogonalne płaszczyzny pomiaru
wybiera się zazwyczaj płaszczyzny równoległe do wektora elektrycznego E i wektora magnetycznego H pola promieniowania anteny. Przeważnie przecinają się one wzdłuż osi wiązki głównej
charakterystyki. Jeżeli znana jest przewidywana pozycja pracy anteny badanej w miejscu eksploatacji, wskazane jest wykonywanie pomiaru charakterystyki w płaszczyźnie poziomej i pionowej.
anex® Andrzej Postawka
Strona 65
Rys. 45. Stanowisko pomiarowe do badania charakterystyk promieniowania
Rys. 46. Drogi rozchodzenia się promieniowania na poligonie pomiarowym
Strona 66
Charakterystyka promieniowania jest wielkością, która kształtuje się w polu dalekim promieniowania anteny, tam gdzie można przyjąć że fala promieniowana jest płaska. Z różnych względów, odległość pomiarowa R (rys. 46) przy badaniu charakterystyk anteny nie może być zbyt duża. W podanej niżej tabeli określony zostało odchylenie od fali płaskiej mierzone błędem fazowym ∆ϕ, dla
krańców anteny badanej o największym z wymiarów równym a[m], przy odległości pomiarowej
równej R[m]. Wielkość λ[m] jest oczywiście długością fali dla częstotliwości pomiaru.
R > 2,0⋅ a 2 λ
∆ϕ < 22,5o
R > 4,5⋅ a 2 λ
∆ϕ < 10,0o
R > 9,0⋅ a 2 λ
∆ϕ < 5,0o
W praktyce wystarcza, gdy odległość pomiarowa R zawiera się pomiędzy (2,0 ÷ 4,5)⋅ a 2 λ .
Tylko najlepiej wyposażone laboratoria w najbogatszych krajach dysponują ekranowanymi halami
wyłożonymi materiałami pochłaniającymi odbicia o wymiarach odpowiednich do badania charakterystyk promieniowania anten. W rzeczywistości należy liczyć się z obecnością zarówno zakłóceń
zewnętrznych jak i z wielodrożnością sygnału pomiarowego (odbicia) tak jak to zostało przedstawione na rysunkach 45 i 46.
Fala odbita od podłoża w przestrzeni pomiędzy anteną badaną interferuje z falą bezpośrednią co
powoduje, że w miejscu umieszczenia anteny badanej wytwarza się rozkład fali stojącej, który
ogranicza maksymalne rozmiary anteny badanej. Odległość pomiędzy kolejnymi maksimami jest
tym większa im odległość pomiędzy antenami: pomocniczą i badaną jest większa. Wysokość pomiaru należy dobierać tak, aby antena badana znajdowała się w pobliżu maksimum pionowego rozkładu fali stojącej, gdzie amplituda i faza fali pomiarowej jest najbardziej stabilna.
Odbicia dochodzące do anteny badanej od przeszkód znajdujących się z boku tak jak to zostało
zaznaczone na rys. 46, zmieniają poziom listków bocznych i wypełniają miejsca zerowe. Ogólnie
mówiąc, ograniczają dokładność pomiaru charakterystyki poza obszarem wiązki głównej. Jedną z
metod ograniczania wpływu odbić bocznych jest zmniejszanie odległości pomiarowej, tak aby
zmniejszyć tłumienie propagacji fali bezpośredniej poprawiając w ten sposób stosunek fali bezpośredniej do zakłóceń. Ponieważ jest to przeciwstawne zaleceniu o wyborze dużej odległości pomiarowej z uwagi na rozkład fali stojącej, widać że wybór położenia anteny badanej musi być kompromisem wybranym na podstawie badań pomocniczych i doświadczenia metrologa.
Poligon pomiarowy
Poligon pomiarowy powinien zapewniać pomiar charakterystyk promieniowania z wymaganą dokładnością. Teren wybrany na poligon powinien być płaski i wolny od przeszkód terenowych mogących powodować błędy pomiaru. Obszar poligonu powinien być wolny od zakłóceń szerokopasmowych i możliwie wolny od zakłóceń selektywnych. W przypadku zakłóceń selektywnych, należy unikać tych częstotliwości pomiarowych, na których możliwy jest wpływ zakłóceń na dokładność pomiaru. Każdorazowo pomiary na poligonie pomiarowym powinny być poprzedzone pomiarami zakłóceń radioelektrycznych na jego obszarze. Należy starać się aby sygnały zakłócające były
o około 50 dB mniejsze od sygnału pomiarowego przychodzącego od anteny badanej.
Strona 67
Pomiary kompletnych anten
Kompletne anteny nadawcze są przeważnie zbyt duże i zbyt ciężkie dla przeciętnego wyposażenia
poligonu pomiarowego. Jako działanie zastępcze stosuje się pomiar charakterystyki promieniowania fragmentów anteny, oceniając charakterystykę całej anteny rachunkowo na podstawie wyników
pomiarów np. jednego piętra. Pomiary charakterystyki anten w warunkach eksploatacji stanowi
odrębna dziedzinę metrologii i będą omówione w następnym punkcie.
G.1.2. Pomiar charakterystyk promieniowania w warunkach eksploatacji
Nie podlega dyskusji, że ostateczną oceną właściwości kierunkowych anteny jest pomiar jej charakterystyki promieniowania w miejscu eksploatacji. Uwzględnia on wpływ wszystkich czynników
ubocznych, które mogą zniekształcać charakterystykę promieniowania, takich jak maszt, wsporniki,
osłony przeciwoblodzeniowe, instalacja odgromowa i tym podobne.
G.1.2.1.
Pomiary charakterystyk przy użyciu śmigłowca
W stosunku do anten telewizyjnych i radiofonicznych FM, metodą uznawaną za najwierniej określającą właściwości kierunkowe w rzeczywistych warunkach pracy jest metoda z wykorzystaniem
środków latających. Przeważnie jako nośnika aparatury pomiarowej wykorzystuje się do celów pomiarowych śmigłowce.
Przygotowany do pomiarów antenowych śmigłowiec powinien być wyposażony w:
a) zestaw aparatury do pomiaru natężenia pola w.cz., z anteną pomiarową umieszczoną w miejscu
najmniej narażonym na wpływ masy śmigłowca na wynik pomiaru, np. przez umieszczenie na
dielektrycznym wysięgniku pod śmigłowcem; powszechną obecnie praktyką jest dokonywanie
jednoczesnego pomiaru na wielu częstotliwościach nadawania, w czasie jednego lotu pomiarowego;
b) zestaw aparatury nawigacyjnej do określania położenia i orientacji śmigłowca w przestrzeni
otaczającej antenę badaną z dokładnością wymaganą dla pomiarów antenowych; powszechnie
stosuje się obecnie nawigację satelitarną systemu GPS w układzie róznicowym;
c) mikrokomputer pokładowy pełniący rolę urządzenia kontrolującego pomiary, rejestrującego
dane i prezentującego wyniki.
Przyjętą praktyką jest, że wyposażenie metrologiczne jest mobilne i jest instalowane w śmigłowcu
tylko na czas pomiarów, który poza tym jest wykorzystywany do innych celów.
Ogólne warunki wykonywania pomiarów śmigłowcowych
Pomiar charakterystyki promieniowania polega na pomiarze napięcia w.cz. indukowanego w antenie pomiarowej umieszczonej na śmigłowcu i rejestrowaniu go wraz z parametrami lotu, takimi jak
wysokość, odległość śmigłowca od anteny, kąt azymutu itp. Jak zaznaczono to na rys. 47 lot pomiarowy śmigłowca powinien odbywać się w odległości RL od osi pionowej anteny, zawartej pomiędzy
następującymi wartościami
2
R min ≥ 2 ⋅ L
Strona 68
λ
gdzie:
L
- największy z liniowych wymiarów anteny,
λ
- długość fali odpowiadająca najwyższej z częstotliwości pomiarowej
oraz
R max ≤
2 ⋅ H 0sk
sin(Θ A − 90 0 )
gdzie:
H0sk - wysokość zawieszenia środka anteny badanej nad przewidywanym punktem
odbicia promieniowania elektromagnetycznego (rys. 47); dla terenu płaskiego
równa wysokości anteny H0;
ΘA
- kąt, dla którego promieniowanie anteny jest mniejsze o co najmniej 15 dB od
wartości promieniowania maksymalnego.
Rys. 47. Pomiar charakterystyki przy użyciu śmigłowca
Przy pomocy śmigłowca mierzy się zarówno charakterystyki pionowe jak i poziome anten. Stosuje
się różne techniki wykonywania pomiaru różniące się organizacją lotu pomiarowego, w zależności
od typu posiadanego śmigłowca, rodzaju wyposażenia i tradycji pomiarowych. Pomiary wykonuje
się w czasie normalnej pracy programowej stacji, pamiętając o stałym poziomie mocy doprowadzonej z nadajników do anten badanych. Częstotliwości pomiarowe są z konieczności równe częstotliwościom nośnych (środkowych) sygnałów nadawanych.
Istotną wadą pomiarów charakterystyk z użyciem śmigłowca jest ich wysoki koszt i niemożność
wykonywania pomiarów w warunkach zabudowy miejskiej. Z tego względu, metoda ta może być
Strona 69
brana pod uwagę wyłącznie w stosunku do obiektów nadawczych dużej mocy lokalizowanych poza
terenami zabudowanymi.
G.1.2.2.
Wyznaczenie charakterystyk metodą współczynników pobudzenia
Jako alternatywną metodę określania charakterystyki promieniowania anten w miejscu eksploatacji,
stosuje się czasem metodę wyznaczania charakterystyki promieniowania przez pomiar współczynników pobudzenia (patrz p. C.4.2).
Rys. 48. Układ do pomiaru współczynników pobudzenia anteny
Pomiar współczynników pobudzenia
W celu wyznaczenia współczynników pobudzenia anteny należy zmierzyć zespolone wartości napięcia występujące na przewidzianych do tego celu sondach pomiarowych, proporcjonalne do amplitudy i fazy prądu dopływającego do poszczególnych jednostek antenowych. Faza może być wyznaczona w dowolnym układzie odniesienia, np. względem jednego z elementów promieniujących.
Pomiar można przeprowadzić w układzie z zastosowaniem woltomierza wektorowego przedstawionym na rys. 48.
Strona 70
Po uzyskaniu kompletu danych, wyniki należy unormować w stosunku do wartości uzyskanej z
jednostki odniesienia, przyjmując dla niej moduł równy 1 i fazę równą 0°. Przy wyznaczaniu
współczynników pobudzenia, należy uwzględnić dostarczone przez producenta wyniki kalibracji
sond pomiarowych.
W przypadku anten dzielonych, zasilanych dwoma przewodami współosiowymi (feederami) ze
wspólnego dzielnika mocy, dipleksera czy multipleksera, gdy obydwie części współpracują z tymi
samymi nadajnikami, traktuje się je zazwyczaj jako jedną, wspólną antenę.
Określenie geometrii anteny
W celu określenia geometrii anteny regularnej, tj. takiej anteny, której jednostki antenowe w poszczególnych piętrach są rozmieszczone jednakowo, a w piętrze - symetrycznie względem osi
wspornika, należy wyznaczyć położenie jednostek antenowych w jednym piętrze oraz odległości
pomiędzy piętrami. W celu określenia geometrii anteny nieregularnej należy wyznaczyć położenie
wszystkich jednostek antenowych w antenie.
Położenie jednostek antenowych w antenie należy wyznaczyć przez pomiar współrzędnych walcowych Rn, Φn, Zn oraz dwóch kątów orientujących położenie elementu anteny αn i βn (rys. 49).
Rys. 49. Współrzędne położenia i orientacji jednostki antenowej
Na rys. 49 poszczególne symbole oznaczają:
Rn, Φn, Zn
- położenie środka jednostki antenowej w walcowym układzie współrzędnych o osi Z pokrywającej się z osią pionowego wspornika (patrz
rysunek),
Strona 71
αn
- liczony w kierunku zgodnym z ruchem wskazówek zegara kąt odchylenia maksimum przestrzennej charakterystyki promieniowania jednostki antenowej od kierunku północy,
βn
- kąt zenitalny (odchylenie od pionu) położenia maksimum przestrzennej charakterystyki promieniowania jednostki antenowej.
Obliczanie charakterystyk promieniowania
Obliczenia charakterystyki promieniowania należy przeprowadzić z zastosowaniem elektronicznej
techniki obliczeniowej, wykorzystując programy obliczeniowe dostosowane do zadania metrologicznego. Do obliczeń należy oczywiście wykorzystywać przekroje poziome i pionowe charakterystyk promieniowania jednostek antenowych wchodzących w skład anteny. Powinny one być określane zarówno pod względem amplitudy i fazy w funkcji kąta azymutu i kąta elewacji. Wyniki obliczeń należy przedstawić w postaci wykresów. Na wykresach należy zaznaczyć orientację uzyskanej
charakterystyki w stosunku do konstrukcji anteny i orientację anteny w stosunku do kierunku północy geograficznej.
Ograniczenia metody współczynników pobudzenia
W metodzie współczynników pobudzenia z wielkości elektrycznych, mierzy się parametry zasilania
a nie efekt promieniowania. Nie uwzględnia się w niej błędów elektrycznych, technologicznych
i mechanicznych lub wpływu elementów znajdujących się poza sondą pomiarową, takich jak
wspornik anteny, osłony dielektryczne, podpora, czy wreszcie wzajemny wpływ elementów promieniujących na siebie (impedancje wzajemne). Z tych względów, metoda współczynników pobudzenia może służyć przede wszystkim do oceny poprawności wykonania układu zasilania anteny
zarówno na poligonie pomiarowym jak i w warunkach eksploatacji.
Metoda współczynników pobudzenia może być stosowana wyłącznie w stosunku do anten, których
elementy promieniujące są wyposażone w specjalne, kalibrowane sondy pozwalające jednoznacznie
zmierzyć amplitudę i fazę współczynnika pobudzenia. Znani światowi producenci anten, na ogół
nie wyposażają swoich wyrobów seryjnie w takie sondy i traktują je jako element wyposażenia
dodatkowego wykonywany na specjalne, dodatkowo płatne zamówienie.
G.1.2.3.
Inne metody oceny charakterystyk promieniowania anten
Dla małych anten radiodyfuzyjnych, ze względów zasadniczych nie będzie się organizowało pomiarów charakterystyki promieniowania z użyciem śmigłowca. Gdy elementy promieniujące nie zostały wyposażone przez producenta w sondy do pomiaru współczynników pobudzenia, charakterystyki promieniowania można sprawdzać wyłącznie w czasie pomiarów poligonowych dla całej anteny lub dla jej istotnych, powtarzalnych fragmentów. Istnieje duże prawdopodobieństwo, że po
prawidłowym zmontowaniu anteny w miejscu eksploatacji, jej charakterystyka będzie zbliżona
do uzyskanej na poligonie.
Naziemnych pomiarów natężenia pola elektromagnetycznego wykonywanych w otoczeniu stacji,
a w szczególności pomiarów wykonywanych w terenie miejskim nie można uważać za charakterystykę promieniowania anteny. W połączeniu z oceną jakości odbioru, jest to wyłącznie informacja
o zasięgu stacji w danym kierunku.
Strona 72
G.2.
WYZNACZANIE KIERUNKOWOŚCI ANTEN
G.2.1. Wyznaczanie kierunkowości metodą pomiarową
Zysk energetyczny anteny G jest wielkością, którą można zmierzyć np. metodą podstawienia zgodnie z definicją podaną w rozdziale C, w układzie pomiarowym do pomiaru charakterystyk promieniowania przedstawionym na rys. 45. Korzystamy przy tym z zasady wzajemności, tzn. z zasady
identyczności parametrów kierunkowych anteny przy odbiorze i przy nadawaniu.
G[W/W]
 E B max 
= 

 E W max 
2
gdzie :
EBmax
-
maksymalne natężenie pola elektrycznego wytwarzane przez
antenę badaną,
EWmax
-
maksymalne natężenie pola elektrycznego wytwarzane przez
antenę wzorcową zasilaną taką samą mocą.
W pierwszym kroku ustawiamy antenę badaną nieruchomo na maksimum sygnału odbieranego
z anteny pomocniczej i odczytujemy napięcie UBmax proporcjonalne do natężenia pola EBmax.
W kroku drugim, w miejsce anteny badanej podstawiamy na stanowisku pomiarowym antenę wzorcową np. w postaci dostrojonego do rezonansu i dopasowanego do toru zasilającego dipola półfalowego. Po ustawieniu dipola na maksimum sygnału odbieranego – odczytujemy tym razem na
odbiorniku napięcie UWmax . Jeżeli moc w.cz. doprowadzona do anteny pomocniczej nie uległa
w czasie pomiaru zmianie, zysk anteny badanej względem anteny wzorcowej wyznaczamy bezpośredni z poniższego wzoru
2
G[W/W]
 U B max 
= 
 .
 U W max 
W opisanym powyżej, noszącym charakter wzorca pierwotnego pomiarze zysku metodą podstawienia bardzo łatwo popełnić gruby błąd wynikający z niejednakowej wrażliwości anteny badanej
i wzorca na sygnały odbite od podłoża. Dla ograniczenia tego wpływu można stosować różne metody. Jedną z nich jest stosowanie w charakterze wzorca anteny o charakterystyce promieniowania
w płaszczyźnie pionowej wiązkowanej w podobny sposób jak antena badana, pod warunkiem,
że znamy z zadowalającą dokładnością jej zysk.
Pomiar zysku energetycznego anteny w miejscu eksploatacji można w racjonalny sposób wykonać
wyłącznie metodą podstawienia. Jej realizacja jest dużo bardziej uciążliwa i kosztowna niż w warunkach poligonowych, pozostanie jednak nieuniknioną alternatywą gdy operatorzy zostaną zmuszeni do rozliczania się z mocy rzeczywiście wypromieniowanej.
Wiarygodny pomiar zysku metodą podstawienia jest stosunkowo uciążliwy i trudny do wykonania,
dlatego antenowcy często stosują przybliżony sposób analityczny wyznaczania zysku anten na podstawie charakterystyk promieniowania zmierzonych w dwóch wzajemnie ortogonalnych płaszczyznach. Będzie o tym mowa w następnym punkcie.
Strona 73
G.2.2. Metoda analityczna wyznaczania kierunkowości
Kierunkowość anteny wyznaczyć można również w sposób przybliżony analitycznie, wykonując
obliczenia na zmierzonych wcześniej charakterystykach promieniowania. Kierunkowość liniowo
spolaryzowanej anteny wyrazić można zależnością ogólną
D=
4π
2π π
∫ ∫ F2 (Θ, Φ )sin ΘdΘdΦ
0 0
gdzie:
F(Θ,Φ)
- unormowana, przestrzenna charakterystyka napięciowa anteny,
Θ,Φ
- współrzędne kątowe w biegunowym układzie współrzędnych skojarzonym z anteną.
W wielu spotykanych w praktyce przypadkach, przestrzenną charakterystykę promieniowania może
być przedstawiona w postaci iloczynu dwóch funkcji jednej zmiennej
F(Θ,Φ) = V(Θ)⋅H(Φ)
gdzie:
V(Θ)
- reprezentuje charakterystykę promieniowania anteny w płaszczyźnie
pionowej (Θ - kąt zenitalny),
H(Φ)
- reprezentuje charakterystykę promieniowania anteny w płaszczyźnie
poziomej (Φ - kąt azymutu).
Przy powyższym założeniu, kierunkowość możemy ostatecznie zapisać w następującej postaci dogodnej do obliczeń
D=
4π
2π
π
0
0
2
2
∫ H (Φ )dΦ ∫ V (Θ )sin ΘdΘ
Realizację obliczeń najlepiej powierzyć komputerowi wykonując całkowanie w mianowniku dowolną metodą numeryczną.
Zaprezentowana powyżej metoda wyznaczania kierunkowości anteny metodami obliczeniowymi
daje najlepsze przybliżenia dla anten, dla których kształt pionowej charakterystyki promieniowania
V(Θ) mało zależy od kąta azymutu Φ. Warunek ten najlepiej spełniają regularne anteny lub zespoły
anten o poziomej charakterystyce promieniowania H(Φ) zbliżonej do kołowej. Dość dobre przybliżenia uzyskuje się również dla pojedynczych anten silnie kierunkowych o dużym wytłumieniu wiązek bocznych i promieniowania wstecznego. Zmiana kształtu charakterystyki pionowej poza wiązką główną odbywa się przy tak małym poziomie, że jej wkład w wynik całkowania po podniesieniu
do kwadratu jest niewielki. We wszystkich innych przypadkach, do obliczonych rezultatów kierunkowości D należy podchodzić z ograniczonym zaufaniem i dążyć do potwierdzenia wyniku metodami eksperymentalnymi.
Strona 74
G.3.
POMIARY IMPEDANCJI ANTEN
Pomiary impedancji wejściowej anten pod względem funkcjonalnym nie różnią się od pomiarów
innych dwójników wielkiej częstotliwości z jedną niezmiernie istotną różnicą, o której była mowa
przy okazji pomiarów charakterystyk promieniowania. Anteny są systemami otwartymi i na ogół
nie ma możliwości ich zekranowania. Są one zatem podatne na zakłócenia, które np. w warunkach
obiektu nadawczego mogą mieć bardzo duże wartości.
G.3.1. Automatyczne pomiary szerokopasmowe
Wiele światowych firm produkuje wysokiej klasy wektorowe analizatory sieci w.cz., które przewidziane są do automatycznych, szerokopasmowych pomiarów impedancji wejściowej dwójników,
w tym oczywiście anten. Aparaturą tą pracującą pod nadzorem mikrokomputera zewnętrznego lub
mikrokomputera integralnie wbudowanego w urządzenie, w układzie przedstawionym na rys. 50
można oczywiście mierzyć również wielkości pochodne w stosunku do impedancji, takie jak wejściowy współczynnik odbicia lub współczynnik fali stojącej w torze kablowym.
Automatyczny pomiar szerokopasmowy odbywa się w ten sposób, że zadeklarowane pasmo częstotliwości pomiarowych miernik dzieli równomiernie, np. na 200 odcinków, i dla każdej z wyznaczonych w ten sposób 201 dyskretnych częstotliwości wykonuje kompletny pomiar, przedstawiając
wynik w postaci wykresu.
Rys. 50. Układ do zautomatyzowanego pomiaru dopasowania anten
Jeżeli w paśmie pomiarowym istnieją zakłócenia odbierane przez antenę i fałszujące wynik, metrolog może nie zauważyć ich obecności. Łatwość przeoczenia zakłóceń fałszujących wynik pomiarów automatycznych powoduje, że są one głównie stosowane w pracowniach rozwojowych, przy
opracowywaniu nowych modeli anten. Wówczas też może być potrzebny pomiar impedancji wejściowej anten w ścisłym znaczeniu tego słowa. Trzeba sobie jednak zdawać sprawę z faktu,
że impedancja wejściowa anten jest wielkością, którą w zakresie fal metrowych i decymetrowych
bardzo trudno zmierzyć z zadawalającą dokładnością.
Strona 75
G.3.2. Eksploatacyjne pomiary warunków dopasowania
G.3.2.1.
Zależności ogólne
Pomiary dopasowania anten w miejscu eksploatacji ograniczają się zazwyczaj do pomiaru współczynnika odbicia na wejściu kabla feederowego lub rzadziej - na wejściu anteny. Współczynnik
odbicia w określonym punkcie układu wyraża stosunek napięcia fali odbitej do napięcia fali padającej
ρˆ x =
Û Rx
Û Px
gdzie
ρ̂ x
- zespolona wartość (moduł i faza) współczynnika odbicia w punkcie x,
Û Rx
- napięcie fali odbitej,
Û Px
- napięcie fali padającej.
Współczynnik odbicia ogólnie biorąc jest wielkością zespoloną, tzn. posiada moduł i fazę, która jest
związana z impedancją występującą w punkcie x następującą zależnością:
ρˆ x =
Z C − Ẑ x
Z C + Ẑ x
W powyższym wzorze tym poszczególne symbole oznaczają:
ZC
- nominalną wartość impedancji charakterystycznej (odniesienia); zazwyczaj jest to impedancja charakterystyczna toru kablowego, w układach
nadawczych równa 50 Ω;
Ẑ x
- wartość (moduł i faza) impedancji obciążenia w miejscu pomiaru x.
W czasie roboczych pomiarów warunków dopasowania anten mierzymy przeważnie tylko moduł
współczynnika odbicia. Z uwagi na cechy funkcjonalne aparatury pomiarowej, wyrażany on jest
przeważnie przez tłumienie fali odbitej (w decybelach) w stosunku do amplitudy fali padającej, tzn.
mierzymy wielkość
Rx = 20⋅lg
U Px
.
U Rx
Drogą prostego przeliczenia, z wielkości Rx można wyznaczyć moduł współczynnika odbicia ρx
wyrażany w mierze liniowej [V/V], jako liczbę nie większa od jedności.
W praktyce metrologicznej stosuje się często określenie warunków dopasowania anteny w postaci
współczynnika fali stojącej (WFS8). W warunkach niedopasowania, w linii długiej wytwarza się
fala stojąca charakteryzująca się cyklicznym w odstępie długości fali powtarzaniem maksimów
Umax i minimów Umin napięcia w linii. Współczynnik fali stojącej WFS wyrażany przez stosunek
WFS = Umax/Umin
8
Stosowany niejednokrotnie na oznaczenie współczynnika fali stojącej skrót VSWR pochodzi od angielskich słów:
„voltage satnding wave ratio”. Stosowanie go nie ma specjalnego uzasadnienia, ponieważ polski skrót WFS jest
równie operatywny
Strona 76
jest związany ze współczynnikiem odbicia następującą zależnością
WFS =
1+ ρ
,
1− ρ
która dla małych wartości (dla ρ < 0,1) w przybliżeniu może być wyliczona w następujący sposób
WFS = 1+2⋅ρ.
Rys. 51. Układ do pomiaru dopasowania anten metodą selektywną
G.3.2.2.
Pomiary eksploatacyjne
Jeżeli pomiary warunków dopasowania mają decydować o dopuszczeniu anteny do eksploatacji,
tzn. powinny cechować się szczególnie dużą wiarygodnością, należy je wykonywać ręcznie. Przykład realizacji układu pomiarowego przedstawiono na rys. 51.
Przy stosowaniu nowoczesnych generatorów z cyfrową syntezą częstotliwości, w układzie zbędny
jest częstościomierz. Stosowany w układzie odbiornik pomiarowy musi charakteryzować się dużą
selektywnością przy wąskim paśmie przenoszenia i dużą odpornością na silne sygnały zakłócające
poza pasmem odbieranym. Dla poprawienia stosunku sygnału pomiarowego do zakłóceń, zalecane
jest stosowanie dodatkowego wzmacniacza w torze sygnału pomiarowego. Dla uniknięcia możliwego w takiej sytuacji przesterowania, trzeba niejednokrotnie stosować tłumik dodatkowy na wejściu odbiornika.
Przy ręcznym prowadzeniu pomiaru, po dostrojeniu do kolejnej częstotliwości pomiarowej operator
jest w stanie zauważyć obecność zakłóceń i zmienić indywidualnie częstotliwość pomiarową lub
nawet pominąć jeden z punkt bez istotnej utraty informacji.
Strona 77
G.3.2.3.
Dokładność pomiaru warunków dopasowania
Wymagania stawiane antenom nadawczym dla radiofonii FM i telewizji pod względem dopasowania znajdują się na granicy dokładności pomiarowej. Wymaganie tłumienia fali odbitej wynoszącego 32 dB (WFS = 1,05) jest normalne, co stawia najwyższe wymagania aparaturze pomiarowej
stosowanej w tych pomiarach. Mostki w.cz. lub sprzęgacze kierunkowe używane do pomiarów
dopasowania anten muszą charakteryzować się parametrami pozwalającymi zmierzyć tak wysoki
stopień dopasowania. Ich własny współczynnik odbicia musi być resztkowy, a tzw. kierunkowość,
czyli zdolność separacji kierunku fali padającej od kierunku fali odbitej musi wynosić 46 ÷ 50 dB.
Wszelkie kable połączeniowe i inne elementy układów pomiarowych takie jak przejścia, łączniki i
tym podobne muszą charakteryzować się podobnie wysokimi parametrami jeżeli chodzi o własny
współczynnik odbicia, skuteczność ekranowania i inne cechy metrologiczne.
G.4.
BADANIA OBCIĄŻALNOŚCI ENERGETYCZNEJ ANTEN
Badanie obciążalności anten i urządzeń antenowych powinno dać odpowiedź na pytanie, czy badane urządzenie jest w stanie przenieść lub przyjąć w trybie pracy ciągłej znamionową moc w.cz.
zadeklarowaną przez producenta. W stosunku do kompletnych anten zainstalowanych w miejscu
eksploatacji sprawdzenie obciążalności można przeprowadzić w następujący sposób:
-
zmierzyć współczynnik odbicia na wejściu toru zasilającego anteny,
-
doprowadzić do anteny na 24 h maksymalną moc znamionową określoną w dokumentacji producenta,
-
po upływie okresu próby zmierzyć ponownie współczynnik odbicia na wejściu toru zasilającego
i wykonać przegląd anteny.
Jeżeli wyniki pomiarów dopasowania anteny wykonanych przed próbą i po próbie różnią się nie
więcej niż wynika to z błędu pomiaru, a oględziny nie wykazują śladów przegrzania elementów
składowych i ich połączeń, anteną można uznać za zdolną do przenoszenia doprowadzonej mocy.
Należy starać się, aby w czasie próby do anteny była doprowadzona możliwie maksymalna moc,
tzn. aby pracowały wszystkie będące do dyspozycji nadajniki i jeżeli to możliwe z uwagi na rygory
nadawania, aby pracowały w reżimie pracy dającym na wyjściu możliwie maksymalną moc średnią.
Pomiar współczynnika odbicia przed i po próbie powinien być wykonywany tym samym zestawem
przyrządów pomiarowych.
Należy sobie zdawać sprawę, że opisana wyżej metoda, jest próbą uproszczoną pozwalającą wyłącznie na oszacowanie obciążalności anteny. W momencie jej prowadzenia na obiekcie nadawczym mogą nie być jeszcze zainstalowane wszystkie nadajniki przewidziane do pracy na wspólną
antenę lub mogą nie być przygotowane do nadawania z pełną mocą wyjściową. Warunki pracy też
prawdopodobnie nie będą ekstremalne jeżeli chodzi o maksymalną temperaturę otoczenia i nagrzanie promieniowaniem słonecznym. Mimo to, wykonana w opisany sposób próba obciążalności pozwoli uniknąć grubych błędów wykonania i montażu anteny. Główna informacja o obciążalności
anteny powinna być jednak zawarta w certyfikatach z wynikami badań wykonanych przez producenta na zakończenie procesu przygotowania wyrobu do produkcji.
Strona 78

Pobierz (PDF-366KB) - antenowe systemy nadawcze

Transkrypt

Podobne dokumenty

SP3OS - SP2SWJ

Antena pokojowa siatkowa zasilacz

Antena HF-1

Notatka nr 19. Anteny na obiektach latających