Устройство для измерения параметров антенн в проводящей среде

 

Изобретение относится к технике радиоизмерений и может быть использовано для измерений параметров антенн или их модулей в проводящей среде. Технический эффект заключается в обеспечении измерений параметров антенн в плоском электромагнитном поле в проводящей среде в лабораторных условиях. Устройство для измерения параметров антенн в проводящей среде содержит камеру ТЕМ-волн, подключенную к генератору сигналов и нагруженную на согласованную нагрузку, линию связи, соединяющую исследуемую антенну с регистратором. Над отверстием внешнего проводника камеры ТЕМ-волн установлен размещенный в экране, электрически соединенным по периметру с внешним проводником камеры ТЕМ-волны, диэлектрический резервуар с проводящей средой. В верхней части резервуара выполнено отверстие для ввода в резервуар исследуемой антенны и прохода линии связи от антенны к регистратору. Внутренние геометрические размеры резервуара с проводящей средой имеют величину не менее трех скин-слоев в проводящей среде на нижней частоте диапазона измерений. В нижней части экрана выполнено дополнительное отверстие, совпадающее с отверстием внешнего проводника камеры ТЕМ-волны. Исследуемая антенна расположена в проводящей среде в центральном объеме резервуара. 1 ил.

Изобретение относится к технике радиоизмерений и может быть использовано для измерений параметров антенн в проводящих средах.

Известно устройство для калибровки измерителя напряженности электрического поля (см. патент №1626157, МКИ G 01 R 29/08 от 24.07.2000), содержащее последовательно соединенные, генератор сигналов, коаксиальную камеру ТЕМ-волны, часть центрального проводника которой выполнена из проводящей среды, герметично размещенной в объеме, ограниченном цилиндрической диэлектрической трубкой с отверстием для ввода калибруемой антенны, соединенной линией связи с регистратором и согласованную нагрузку. Внутренний диаметр цилиндрической диэлектрической трубки не превышает величины скин-слоя в проводящей среде на верхней частоте диапазона измерений.

Это устройство не позволяет проводить измерения параметров антенн в плоских электромагнитных полях в проводящих средах, так как в этом устройстве, в диэлектрической трубке с проводящей средой, формируется не плоское электромагнитное поле, а продольное электрическое поле, в котором проводится калибровка электрически малых антенн по электрической составляющей поля.

Наиболее близким по технической сущности к заявляемому изобретению является устройство для испытаний различных объектов, в том числе антенн, в плоском электромагнитном поле (см. Э.Э.Доналдсон и др. “Измерение электромагнитных помех в экранированных камерах”, ТИ ИЭР, т. 66, № 4, апрель 1978 г., стр. 124, 125), которое мы принимаем за прототип.

Это устройство содержит генератор сигналов, подключенный к камере ТЕМ-волны, нагруженной на согласованную нагрузку, линию связи, проходящую сквозь отверстие во внешнем проводнике камеры ТЕМ-волны и служащую для соединения исследуемого объекта, расположенного в рабочем объеме камеры ТЕМ-волны с регистратором.

Это устройство предназначено для проведения исследований объектов, например антенн в воздушной среде, и не может быть использовано для измерений параметров антенн в проводящих средах.

Задачей настоящего изобретения является обеспечение измерений параметров антенн в плоском электромагнитном поле в проводящих средах в лабораторных условиях.

Поставленная задача решается таким образом, что в устройстве для испытаний объектов в плоском электромагнитном поле, содержащем камеру ТЕМ-волны, подключенную к генератору сигналов и нагруженную на согласованную нагрузку, линию связи, проходящую сквозь отверстие во внешнем проводнике камеры ТЕМ-волны и служащую для соединения исследуемой антенны, расположенной в рабочем объеме камеры ТЕМ-волны с регистратором, согласно изобретению, над отверстием во внешнем проводнике камеры ТЕМ-волны установлен диэлектрический, экранированный с внешней стороны, резервуар с проводящей средой, в верхней части которого выполнено отверстие для ввода в резервуар исследуемой антенны и прохода линии связи от антенны к регистратору.

При этом, в нижней части экрана резервуара выполнено дополнительное отверстие, совпадающее с отверстием во внешнем проводнике камеры ТЕМ-волны, а исследуемая антенна расположена в проводящей среде в центральном объеме резервуара, а внутренние геометрические размеры резервуара имеют величину не менее трех скин-слоев проводящей среды на нижней частоте диапазона измерений.

Расположение диэлектрического резервуара с проводящей средой над отверстием во внешнем проводнике камеры ТЕМ-волны, в которой возбуждается касательная плоская ТЕМ-волна (см. П.Ф.Уилсон, Дж.У.Адамс, М.Т.Ма. “Измерение характеристик материалов для электромагнитного экранирования”, ТИ ИЭР, т. 74, №1, январь 1986 г., стр. 128, 129), позволяет возбудить в проводящей среде резервуара экспоненциально убывающее по мере удаления от отверстия во внешнем проводнике камеры ТЕМ-волны плоское электромагнитное поле, аналогичное полю, возникающему в проводящей среде, при распространении плоской электромагнитной волны в свободном пространстве над поверхностью раздела сред.

Обеспечение выполнения требований к внутренним габаритным размерам резервуара с проводящей средой, которые должны быть не менее величины трех скин-слоев в проводящей среде на нижней частоте диапазона измерений, позволяет исключить переотражения электромагнитных волн от стенок резервуара во всем диапазоне измерений и практически исключить влияние краевых эффектов, возникающих в резервуаре с проводящей средой, вблизи излучающего отверстия во внешнем проводнике камеры ТЕМ-волны, на исследуемую антенну, располагаемую в центральной части резервуара.

Так как электромагнитное поле при прохождении сквозь отверстие во внешнем проводнике камеры ТЕМ-волны и преломлении на границе раздела с проводящей средой сильно ослабляется, то помещение резервуара с проводящей средой в экран, электрически соединенный по периметру с внешним проводником камеры ТЕМ-волны, и имеющим отверстие в нижней части, совпадающее с излучающим отверстием камеры ТЕМ-волны позволяет исключить мешающее влияние внешних полей на процесс измерения.

Таким образом, заявляемое техническое решение соответствует критерию “новизна”. Существенные признаки предлагаемого устройства известны из литературы, но в совокупности, в применении к устройству для измерения параметров антенн в проводящей среде, создают положительный эффект, выражающийся в обеспечении проведения измерений параметров антенн в проводящей среде в лабораторных условиях, благодаря формированию в рабочем объеме устройства плоского, экспоненциально убывающего электромагнитного поля, аналогичного электромагнитному полю в реальных условиях эксплуатации антенн.

Так как устройство для измерения параметров антенн приобретает новые свойства, то предложенная совокупность признаков удовлетворяет критерию “существенные отличия”.

На чертеже представлено предлагаемое устройство в продольном разрезе.

Устройство для измерения параметров антенн в проводящей среде содержит камеру 1 ТЕМ-волны, подключенную к генератору 2 сигналов и нагруженную на согласованную нагрузку 3, линию связи 4, соединяющую исследуемую антенну 5 с регистратором 6. Над отверстием 7 внешнего проводника 8 камеры 1 ТЕМ-волны установлен диэлектрический резервуар 9 с проводящей средой 10.

Резервуар 9 размещен в экране 11, который по периметру электрически соединен с внешним проводником 8 камеры 1 ТЕМ-волны. В верхних частях резервуара 9 и экрана 11 выполнены соосные отверстия 12, 13 соответственно, для ввода в резервуар 9 исследуемой антенны 5 и прохода линии 4 связи от антенны 5 к регистратору 6. В нижней части экрана 11 выполнено дополнительное отверстие 14, совпадающее с отверстием 7 внешнего проводника 8 камеры 1 ТЕМ-волны. Исследуемая антенна 5 расположена в проводящей среде 10 в центральном объеме резервуара 9.

Внутренние геометрические размеры резервуара 9 имеют величину не менее трех скин-слоев в проводящей среде на нижней части диапазона измерений.

Устройство для измерений параметров антенн в проводящей среде работает следующим образом.

Генератор 2 сигналов возбуждает в камере 1 ТЕМ-волны, нагруженную на согласованную нагрузку 3, касательную плоскую ТЕМ-волну.

Электромагнитная волна, возбуждаемая в камере 1 ТЕМ-волны, частично проникает в проводящую среду 10, заполняющую внутреннюю полость диэлектрического резервуара 9, сквозь соосные отверстия 7 во внешнем проводнике 8 камеры 1 ТЕМ-волны и 14 в экране 11 резервуара 9, преломляясь на границе раздела сред.

Преломленная электромагнитная волна, векторы напряженности электрического и магнитного поля которой расположены в горизонтальной плоскости, а вектор Пойтинга расположен в вертикальной плоскости, распространяется экспоненциально затухая вглубь проводящей среды по направлению к верхней части резервуара 9.

Таким образом, процесс проникновения касательной плоской ТЕМ-волны из камеры 1 ТЕМ-волны в резервуар 9, с проводящей средой 10, оказывается аналогичным процессу проникновения свободно распространяющихся плоских электромагнитных волн в безграничную проводящую среду, например морскую воду.

Благодаря этому в резервуаре 9 с проводящей средой 10 предлагаемого устройства могут проводиться лабораторные исследования характеристик антенн, предназначенных для работы в проводящей среде.

С целью исключения переотражения электромагнитных волн от стенок резервуара 9 и исключения влияния на процесс измерений краевых эффектов, возникающих в резервуаре вблизи излучающего отверстия 7, внутренние геометрические размеры резервуара 9 с проводящей средой 10, выбираются величиной не менее трех скин-слоев в проводящей среде на нижней части диапазона измерений. При этом антенну 5 размещают в центральном объеме резервуара 9, где роль мешающих факторов минимальна.

Учитывая, что величина скин-слоя уменьшается пропорционально квадратному корню из частоты, то с ростом частоты точность измерений повышается.

Так как процесс измерений параметров антенны 5 проводится в сильно ослабленном электромагнитном поле, проникшем сквозь отверстия 7 во внешнем проводнике 8 камеры 1 и 14 в экране 11 резервуара 9, и, преломившемся на границе раздела сред, то размещение резервуара 9 в экране 11 исключает проникновение внешних электромагнитных полей в зону расположения исследуемой антенны 5. Обеспечение электрического соединения экрана 11 по его периметру с внешним проводником 8 камеры 1 ТЕМ-волны повышает эффективность экранирования.

Высокой точности измерений в заявляемом устройстве способствует также расположение регистратора 6 вне зоны действия возбуждаемых полей и прокладка линии 4 связи от антенны 5 к регистратору 6 в верхней части резервуара 9, где поля наиболее ослаблены.

Проведем расчеты необходимых размеров заявляемого устройства для измерений параметров антенн или их моделей в проводящей среде в диапазоне частот до 100 МГц.

Согласно упомянутой ранее статьи Э.Э.Доналдсона и др. “Измерение электромагнитных помех в экранированных камерах”, для исключения возможности появления высших типов волн в камере 1 ТЕМ-волны, верхняя частота диапазона измерений f должна быть несколько ниже, чем критическая частота f кр. камеры 1 ТЕМ-волны. Выбирая значение f кр равным 120 МГц, проведем необходимые расчеты по приведенной в статье формуле:

где W - значение длины, ширины и высоты полезного объема камеры 1 ТЕМ-волны, м.

Для f_кр, равной 120 МГц, значение W равно 1,25 м.

Длина каждого из двух конических согласующих переходов камеры 1 ТЕМ-волны выбирается равной половине длины полезного объема камеры.

Таким образом, общая длина камеры ТЕМ-волны равна 2,5 м.

Для того, чтобы исключить влияние отверстия во внешнем проводнике 8 камеры 1 ТЕМ-волны на процесс распространения тем-волн в камере 1 размеры отверстия - длина - а и ширина - в должны быть не более одной десятой длины волны λ в камере 1 на верхней частоте диапазона измерений.

Для камеры ТЕМ-волны с воздушным заполнением длина волны λ в камере 1 ТЕМ-волны определяется по известной формуле для длины волны в свободном пространстве:

где с - скорость света в свободном пространстве, м/сек;

f - частота, Гц.

Таким образом, для частоты 100 МГц длина - а и ширина - в прямоугольного отверстия должны быть не более 0,3 м.

Величина скин-слоя Δ в проводящей среде типа морской воды может быть определена из известной формулы для затухания δ (см. кн. Долуханов М.П. “Распространение радиоволн”. М., 1960 г., стр. 29).

где σ - проводимость среды, См/м;

λ - длина волны в свободном пространстве, м.

Как известно скин-слой - Δ, это расстояние, на котором электромагнитная волна затухает в е раз. Величина скин-слоя определяется выражением:

учитывая (3), получаем формулу для расчета скин-слоя:

Для проводящей среды типа морской воды с проводимостью δ, равной 4 См/м, величина скин-слоя, в диапазоне частот 1…100 МГц, рассчитанная по формуле 6 изменяется от 0,25 м до 0,025 м.

Следовательно, для обеспечения измерений в диапазоне частот от 1 МГц и выше, внутренние геометрические размеры диэлектрического резервуара 9 должны составлять 0,75×0,75×0,75 м.

Таким образом, заявляемое техническое решение по сравнению с прототипом обеспечивает возможность проведения измерений параметров антенн в проводящей среде в плоском электромагнитном поле, аналогичным электромагнитному полю, возникающему в проводящей среде при распространении плоской электромагнитной волны в свободном пространстве над поверхностью раздела сред, благодаря следующей совокупности конструктивных решений:

- установке диэлектрического экранированного резервуара с проводящей средой над излучающим отверстием во внешнем проводнике камеры ТЕМ-волны;

- выбора внутренних геометрических резервуара не менее трех скин-слоев в проводящей среде на нижней частоте измерений;

- размещению измеряемой антенны в проводящей среде, в центральной части резервуара и прокладке линии связи от антенны к регистратору через выполненное отверстие в верхней части резервуара;

- выполнению отверстия в нижней части экрана диэлектрического резервуара, совпадающего с отверстием внешнего проводника камеры ТЕМ-волны и позволяющего проникать в резервуар излученной электромагнитной энергии из отверстия во внешнем проводнике камеры ТЕМ-волны.

Формула изобретения

Устройство для измерения параметров антенн в проводящей среде, содержащее камеру ТЕМ-волны, подключенную к генератору сигналов и нагруженную на согласованную нагрузку, линию связи, соединяющую исследуемую антенну с регистратором, отличающееся тем, что над отверстием внешнего проводника камеры ТЕМ-волны установлен размещенный в экране, электрически соединенном по периметру с внешним проводником камеры ТЕМ-волны, диэлектрический резервуар с проводящей средой, в верхней части которого выполнено отверстие для ввода в резервуар исследуемой антенны и прохода линии связи от исследуемой антенны к регистратору, причем внутренние геометрические размеры резервуара с проводящей средой имеют величину не менее трех скин-слоев в проводящей среде на нижней частоте диапазона измерений, в нижней части выполнено дополнительное отверстие, совпадающее с отверстием внешнего проводника камеры ТЕМ-волны, а исследуемая антенна расположена в проводящей среде в центральном объеме резервуара.

РИСУНКИ

Рисунок 1