РАЗРАБОТКА  КОМПЛЕКСА  ДЛЯ  АНТЕННЫХ  ИЗМЕРЕНИЙ

Иванов  Александр  Андреевич

студент  4  курса  БПОУ  Омской  области  «Омский  государственный  колледж  управления  и  профессиональных  технологий»  специальность  Техническое  обслуживание  и  ремонт  радиоэлектронной  техники  (по  отраслям),  РФ,  г.  Омск

Машинский  Виталий  Васильевич

студент  1  курса  БПОУ  Омской  области  «Омский  государственный  колледж  управления  и  профессиональных  технологий»  специальность  Техническое  обслуживание  и  ремонт  радиоэлектронной  техники  (по  отраслям),  РФ,  г.  Омск

E -mail: 

Бабиенко  Лариса  Дмитриевна

научный  руководитель,  канд.  техн.  наук,  преподаватель  БПОУ  ОГКУиПТ,  РФ,  г.  Омск

В  процессе  настройки  и  испытания  антенн  приходится  снимать  диаграммы  направленности  антенн,  измерять  такие  величины,  как  частоту,  мощность  колебаний  в  антенне,  ее  полное  сопротивление,  коэффициент  стоячей  волны  в  антенном  фидере,  напряженность  поля,  создаваемого  антенной.

Для  этих  целей  используются  измерительные  приборы.  Приборов  для  измерения  параметров  антенн  существует  много  [3],  каждый  из  них  измеряет  определенные  параметры  антенн.

Наши  студенты  уже  несколько  лет  разрабатывают  различные  антенны,  которые  служат  наглядными  пособиями  при  изучении  дисциплины  «Антенно-фидерные  устройства».  Кроме  того  мы  рассматриваем  и  новые,  нетрадиционные  построения  антенн,  информация  о  которых  появляется  в  литературе.

Проблема  состоит  в  том,  что  мы  без  соответствующих  приборов  можем  получить  лишь  качественные  характеристики  антенны,  т.  е.  определить  лишь  ее  работоспособность.  Кроме  того,  мы  работаем  в  УКВ  диапазоне,  где  размеры  антенн  малы,  и  мы  можем  изготавливать  их  в  условиях  колледжа.

Поэтому  мы  решили  разработать  устройства  для  измерения  параметров  антенн.

Актуальность  проблемы  состоит  в  том,  что  существующие  промышленные  приборы  для  испытаний  антенн  стоят  непомерно  дорого,  сотни  тысяч  рублей.  Поэтому  создать  самодельные  устройства,  недорогие,  но  мобильные,  представляется  актуальным.  При  этом  мы  стремимся  решить  и  общегосударственную  задачу  импортозамещения,  т.  е.  разработать  устройства  на  отечественной  элементной  базе.

Основные  параметры  антенн 

Основные  параметры  антенн  известны  [1].

1.  Резонансная  частота. 

Антенна  излучает  электромагнитные  волны,  когда  к  ней  приложено  возбуждающее  колебание.  Эффективность  ее  излучения  наибольшая,  когда  частота  возбуждающего  колебания  совпадает  с  резонансной  частотой.  Как  правило,  длина  антенны  равна  половине  или  четверти  длины  волны  на  центральной  рабочей  частоте. 

2.  Импеданс  антенны. 

Импеданс  антенны  меняется  вдоль  ее  длины.  Точка  максимального  тока  и  минимального  напряжения  соответствует  наименьшему  импедансу  и  называется  точкой  возбуждения.  Импеданс  в  этой  точке,  называют  входным  импедансом  и  он  состоит  из  активного  сопротивления  излучения  антенны  и  реактивной  составляющей.  В  резонансе  реактивная  составляющего  входного  импеданса  должна  быть  равна  нулю.  На  частотах  выше  резонансной  импеданс  имеет  —  индуктивный  характер,  а  на  частотах  ниже  резонансной  —  емкостной  характер. 

3.  Диаграмма  направленности  антенны.

Диаграмму  направленности  можно  снимать,  поворачивая  антенну  и  измеряя  напряженность  поля  в  фиксированной  точке  на  частоте  передачи.  Эти  измерения  дают  диаграмму  направленности  в  полярных  координатах.

Полярная  диаграмма  показывает  направление,  в  котором  концентрируется  энергия  антенны. 

В  радиолюбительской  практике  это  наиболее  сложный  вид  измерений.  Проводя  измерения  в  ближней  зоне  необходимо  учитывать  ряд  факторов  влияющих  на  достоверность  измерений.  Желательно  размещать  измерительные  антенны  на  такой  же  высоте,  как  и  исследуемая  антенна  и  расстояние  между  ними  выбирать  от  1,5  до  2  длин  волн.

4.  КСВ  (Коэффициент  стоячей  волны). 

Как  видим  этот  параметр  стоит  на  последнем  месте  и  не  является  первостепенным.  Если  антенна  настроена  в  резонанс  и  в  ходе  настройки  мы  скомпенсировали  ее  реактивность,  и  согласовали  с  фидером  питания  по  сопротивлению,  К.С.В.  будет  —  единица.  Любая  антенна,  простая  она  или  сложная,  является  резонансным  устройством  и  требует  настройки.  Настройка  включает  в  себя  измерение  основных  параметров  антенны  и  коррекция  их  путем  подгонки  линейных  размеров  элементов  антенны.  Так  как  антенну  мы  сами  не  рассчитываем,  а  изобретаем  новые  конструкции,  возникает  вопрос  о  необходимости  измерения  параметров  антенн  и  сравнения  их  с  некоторым  эталоном,  который  представляет  вертикальный  штырь  определенных  размеров. 

Самое  главное,  что  КСВ  дает  представление  о  степени  согласования  антенны,  так  как,  если  антенна  несогласована,  то  мощность,  подаваемая  в  антенну  не  проходит  в  нагрузку,  а  возвращается  обратно,  к  передатчику  и  вызывает  помехи.  Чем  ближе  КСВ  к  единице,  тем  лучше  согласование.  На  практике  КСВ  стремятся  получить  не  больше  2.

Исходя  из  того,  что  основная  масса  радиолюбителей  и  мы  в  том  числе,  не  имеет  хорошей  базы  специализированных  приборов,  определим  минимум  простых  и  самодельных  приборов,  необходимых  для  измерений  основных  параметров  антенны. 

Комплекс  для  антенных  измерений  должен  включать  следующие  устройства:  радиопередатчик,  эквивалент  антенны,  антенна,  согласующее  устройство,  измеритель  коэффициента  стоячей  волны  (КСВ),  измеритель  напряженности  поля.  Кроме  того,  целесообразно  иметь  еще  и  антенный  анализатор. 

Передатчик  мы  используем  уже  готовый,  разработанный  нашими  студентами  ранее.  Мы  имеем  два  передатчика  на  частоты  88  МГц  и  100  МГц.  Это  маломощные  передатчики,  мощность  их  составляет  около  0,5  Вт,  что  достаточно  для  измерений  в  ближней  зоне.

Эквивалент  антенны  —  это  устройство,  имитирующее  электрические  параметры  антенны  (ее  электрическое  сопротивление),  но  не  осуществляющее  излучение  и  прием  сигналов  из  эфира.

Эквивалент  антенны  должен  обеспечивать  возможность  проведения  этих  работ  во  всей  используемой  полосе  частот,  иметь  необходимое  сопротивление,  и  допускать  работу  при  требуемой  (необходимой)  мощности  передатчика. 

Эквивалент  антенны  мы  собрали  из  параллельно  включенных  низкоомных  резисторов,  воспользовавшись  формулами  закона  Ома

Расчетная  мощность  при  работе  около  1,5  Ватт  долгосрочно,  сопротивление  50  Ом.  Такая  конструкция,  позволяет  минимизировать  влияние  индуктивности  выводов  и  создать  близкие  к  оптимальным  условия  для  охлаждения  каждого  резистора. 

Классические  схемы  измерителей  КСВ  делятся  на  два  класса:  измерители  с  измерительной  линией  и  измерители  с  трансформатором  тока.  Недостатком  таких  измерителей  является  его  ограниченная  полоса  частот.  Этих  недостатков  лишен  измеритель  КСВ  на  основе  небалансируемого  моста  [4].  Такой  измеритель  показан  на  рисунке  1.

Рисунок  1.  Мостовой  измеритель  КСВ

Основой  прибора  является  мост  R1-R2-R3-Za,  где  Za  —  волновое  сопротивление  антенны.  Точки  А,  В,  С,  «земля»  —  углы  моста.  Импеданс  самой  антенны  —  одно  из  плеч.

Детектор  на  VD1  измеряет  половину  входного  сигнала,  детектор  на  VD2  (включенный  в  диагональ  моста)  —  сигнал  разбаланса  моста,  пропорциональный  Uотр.

Если  на  выходе  линии  передачи  подключен  импеданс,  отключающийся  от  ее  волнового  сопротивления,  часть  падающей  на  нагрузку  сигнальной  волны  отразится  обратно.  Эта  отраженная  волна  складывается  с  падающей,  и  результирующая  амплитуда  в  любой  точке  является  алгебраической  суммой  амплитуд  двух  волн.  Узлы  и  пучности  не  движутся  относительно  линии  передачи,  т.  е.  стационарны.  Такие  волны  называются  стоячими.

Когда  сопротивление  нагрузки  равно  волновому  сопротивлению  линии  передачи,  падающая  волна  полностью  поглощается  в  нагрузке,  отраженная  и  стоячая  волны  отсутствуют.  В  этом  случае  система  является  идеальной,  ее  коэффициент  стоячей  волны  равен  1.

Внешний  вид  собранного  нами  КСВ-метра  представлен  на  рисунке  2.

Рисунок  2.  Внешний  вид  КСВ-метра

КСВ  определяется  по  формуле 

  (1)

В  тех  случаях,  когда  требуется  обнаружить  поле  излучения  антенны  или  установить  относительное  изменение  этого  поля  в  пространстве,  применяются  простые  индикаторы  поля,  содержащие  рамочную  антенну  и  измерительный  прибор  в  виде  лампового  вольтметра.

Однако,  часто  необходимо  знать  точное  значение  напряженности  поля.  Для  этих  целей  необходим  измеритель  напряженности.  Он  поможет  при  настройке  антенн,  при  контроле  работоспособности  антенн.  Особое  значение  измеритель  напряженности  будет  иметь  для  передвижных  радиостанций,  когда  стационарные  приборы  занимают  много  места.  Измеритель  напряженности  может  пригодиться  и  радиолюбителям,  так  как  его  конструкция  проще  традиционных  приборов,  используемых  при  настройке  антенн.

Мы  рассмотрели  несколько  схем  индикаторов  и  измерителей  напряженности  поля  и  остановились  на  одной  схеме,  приведенной  на  рисунке  3.

Рисунок  3.  Измеритель  напряженности  поля

Мы  столкнулись  с  проблемами  нагрузки,  подбора  параметров  усилителя,  правильного  выбора  рабочей  точки,  «пролезаний»  высокой  частоты  с  выхода  на  вход  устройства.  В  результате  настройки  устройство  заработало.  Внешний  вид  устройства  показан  на  рисунке  4.

Рисунок  4.  Внешний  вид  индикатора  поля

Разработанные  нами  устройства  позволяют  измерить  основные  параметры  антенн.  Но  для  лучшей  настройки  новых  типов  антенн  необходимо  знать  и  импеданс  антенны,  т.  е  ее  активное  и  реактивное  сопротивления.  Такие  измерения  производит  антенный  анализатор.  Промышленные  анализаторы  стоят  сотни  долларов.  В  то  же  время  можно  изготовить  простое  устройство,  дающее  представление  о  импедансе  антенны  [6].

Схема  такого  устройства  показана  на  рисунке  5.

Рисунок  5.  Простой  антенный  анализатор

Используя  генератор  высокой  частоты,  частотомер  и  дифференциальный  мост  можно  получить  систему,  способную  во  многих  случаях  работать  как  антенный  анализатор.

Сигнал  от  генератора  подается  на  разъем  Х1.  Резистором  R1  регулируется  уровень  (можно  R1  и  не  ставить,  а  пользоваться  регулятором  уровня,  имеющимся  у  генератора). 

К  разъему  Х2  подключают  анализируемую  антенну.  ВЧ  напряжение  поступает  на  первичную  обмотку.  ВЧ  напряжение  на  вторичных  обмотках  трансформатора  поступает  на  измеритель,  состоящий  из  микроамперметра  Р1  и  детектора  на  германиевых  диодах  VD1  и  VD2  Диоды  должны  быть  германиевыми,  чтобы  обеспечить  наибольшую  чувствительность  измерителя  при  индикации  минимальных  показаний  (баланс). 

Баланса  моста  достигают  регулировкой  резистора  R3  и  переменного  конденсатора  С5.  Эти  детали  необходимо  снабдить  шкалами  с  указанием  сопротивлений  и  емкостей  соответствующих  углам  поворота  рукояток.  Баланс  достигается  в  случае  равенства  активных  и  реактивных  сопротивлений  в  обоих  плечах,  Затем,  добившись  баланса,  нужно  прочитать  значения  сопротивления  R3  и  емкости  С5.  а  затем  рассчитать  реактивное  сопротивление  С5  исходя  из  данной  частоты.  Таким  образом  можно  будет  определить  активную  (R3)  и  реактивную  (С5)  составляющую  сопротивления  анализируемой  антенны.

Емкость  СЗ,  составляет  100  пФ,  то  есть,  половину  максимальной  емкости  С5.  Если  при  измерениях  окажется  что  емкость  С5  в  балансе  установилась  больше  100  пФ,  то  это  говорит  о  емкостном  характере  реактивного  сопротивления  антенны,  а  вот  величина  С5,  установленная  меньше  100  пФ,  наоборот,  говорит  о  индуктивном  характере  реактивного  сопротивления  в  антенне. 

Трансформатор  Т1  намотан  на  ферритовом  кольце  600  НН  диаметром  10  мм.  Обмотки  одинаковые,  они  выполнены  втрое  сложенным  обмоточным  проводом  типа  ПЭВ  диаметром  0,35.  Восемь  витков,  равномерно  распределенных  по  кольцу.  Начала  обмоток  на  схеме  отмечены  точками. 

Схема  требует  налаживания  и  градуировки.  Переменный  резистор  R3  и  конденсатор  С5  нужно,  как  уже  сказано,  обустроить  шкалами  со  значениями  сопротивления  и  емкости,  соответственно  (потребуется  омметр  и  измеритель  емкости). 

Антенный  анализатор  мы  изготовили  на  печатной  плате,  трассировка  и  вид  которой  показаны  на  рисунке  6.

Рисунок  6.  Антенный  анализатор

Внешний  вид  платы  и  устройства  антенного  анализатора  показан  на  рисунке  7.

Рисунок  7.  Внешний  вид  платы  и  устройства  антенного  анализатора

Таким  образом,  задачи,  поставленные  в  работе,  решены.  Данный  комплекс  может  найти  применение  в  учебном  процессе,  а  также  он  может  быть  полезен  для  радиолюбителей,  в  процессе  настройки  антенн.  Возможно  применение  комплекса  и  для  пользователей  телевизионных  антенн,  поскольку  позволяет  количественно  оценить  используемую  антенну.  Кроме  того  комплекс  позволяет  производить  настройку  антенны  и  передатчика.

Список  литературы :

1.Антенно-фидерные  устройства  и  распространение  радиоволн:  Учебник  для  вузов/  Под  ред.  Г.А.  Ерохина.  М.:  Радио  и  связь,  1996.

2.Бунтов  В.Д.,  Макаров  С.Б.,  Цифровые  и  микропроцессорные  радиотехнические  устройства:  Учебн.  пособие.  СПб.:  Изд-во  Политехн.  ун-та,  2005.

3.Григорьев  И.Н.  Антенны.  Настройка  и  согласование:  Справ.  пособие,  М.:  ИП  Радио.

4.Дубровский  В.А.,  Гордеев  В.А.  Радиотехника  и  антенны.  М.:  Радио  и  связь,  1998.

5.Жан  М.  Рабаи,  Ананта  Чандракасан,  Боривож  Николич  Цифровые  интегральные  схемы.  Методология  проектирования  =  Digital  Integrated  Circuits  2-е  изд..  М.:  «Вильямс» ,  2007.

6.Кашкаров  А.П.,  Бутов  А.Л.  Радиолюбителям  схемы  для  дома,  МРБ-1275  2008.

7.Мышляева  И.М.  Цифровая  схемотехника:  Учебник  для  сред.  проф.  образования:  Издательский  центр  «Академия»,  2005.