Чем измерительная антенна отличается от обычной
Обычная антенна должна хорошо принимать или передавать. Измерительная должна делать это предсказуемо: её характеристики измерены, записаны в паспорт и повторяются от экземпляра к экземпляру. Главная из них — антенный фактор: коэффициент, который переводит напряжение на входе приёмника в напряжённость поля в точке, где стоит антенна.
С такой антенной анализатор спектра или измерительный приёмник показывает не условный уровень сигнала, а напряжённость поля в дБмкВ/м — величину, по которой нормированы помехи в стандартах на электромагнитную совместимость (ЭМС) и допустимые уровни облучения. Поэтому измерительная антенна продаётся с калибровочными таблицами, а её поверка — отдельная метрологическая процедура.
Антенный фактор
Для тракта 50 Ом антенный фактор связан с усилением простой формулой: AF = 20·lg f − G − 29,79, где f — частота в МГц, G — усиление в дБи, AF — в дБ/м. Напряжённость поля находят, прибавляя к показанию приёмника антенный фактор и потери кабеля: E = U + AF + Lкаб.
| Пример | Частота | Усиление, дБи | Антенный фактор, дБ/м |
|---|---|---|---|
| полуволновый диполь, 900 МГц | 900 МГц | 2,15 | 27,1 |
| биконическая, 100 МГц, усиление 0 дБи | 100 МГц | 0 | 10,2 |
| рупор 10 дБи, 10 ГГц | 10 ГГц | 10 | 40,2 |
Из формулы видно главное свойство: при одинаковом усилении антенный фактор растёт на 20 дБ на каждую декаду частоты. Чтобы на высоких частотах чувствительность не падала, там применяют антенны с большим усилением — рупоры. Ниже — антенный фактор антенн раздела, посчитанный по полосе и усилению из таблиц серий:
Расчёт по формуле AF = 20·lg f − G − 29,79 для усиления из таблиц серий. Закрашенная полоса — разброс усиления по диапазону у биконических антенн; у остальных усиление по таблице одно.
Биконические антенны на нижнем краю диапазона имеют отрицательное усиление: их размер много меньше длины волны. Отсюда широкий разброс антенного фактора — и причина, по которой каждую такую антенну калибруют по частоте с шагом, а не одной цифрой.
Виды измерительных антенн
Эталонные диполи
Полуволновый вибратор — самая понятная антенна: его усиление 2,15 дБи известно из теории, а антенный фактор рассчитывается. Поэтому диполи служат эталонами: ими калибруют измерительные площадки и сверяют другие антенны. Недостаток — узкая полоса: для каждого участка частот нужна своя длина плеча. В каталоге KADAMM — полуволновые, петлевые и двойные вибраторы, трёхэлементные антенны Яги (300 МГц – 2 ГГц) и регулируемые симметричные вибраторы с выдвижными плечами.
Биконические антенны
Два конуса вместо стержней расширяют полосу в десять раз и больше: одна антенна перекрывает, например, 30–300 МГц. Это основная антенна для испытаний на излучаемые помехи в нижней части диапазона. В серии АБК — 8 исполнений от 20 МГц до 18 ГГц, горизонтальной и вертикальной поляризации.
Рупорные антенны
Выше 1 ГГц главный инструмент — рупор: большое усиление, узкая диаграмма, хорошее согласование. Рупоры стандартного усиления служат ещё и эталонами: их усиление рассчитывается по размерам раскрыва. Для ЭМС в каталоге — 14 рупоров от 1,2 до 40 ГГц на волноводных сечениях; широкополосные двухгребневые рупоры — в разделе рупорных антенн.
Антенны Вивальди и широкополосные вибраторы
Печатные антенны Вивальди и сверхширокополосные вибраторы перекрывают несколько октав одной антенной и удобны в радиомониторинге и лабораторных измерениях, где нужно быстро пройти весь диапазон. Их усиление меньше, чем у рупора, зато нет переключений между антеннами.
Зонды ближнего поля
Зонд — маленькая антенна, которую подносят вплотную к плате, кабелю или раскрыву антенны. Он показывает, откуда именно идёт излучение, и нужен при отладке изделий перед испытаниями и в сканерах ближнего поля. В каталоге KADAMM — волноводные зонды с открытым концом (45 сечений до 170 ГГц), зонды с поглотителем, двухполяризационные и широкополосные.
Ниже 30 МГц: рамки и штыри
На длинных, средних и коротких волнах длина волны — десятки и сотни метров, и резонансную антенну на площадке не поставить. Там измеряют магнитную составляющую рамочными антеннами и электрическую — активными штыревыми антеннами со встроенным усилителем. Их антенный фактор задаётся не размером, а схемой и калибруется на специальной установке. В каталоге KADAMM таких антенн нет: измерительные антенны раздела начинаются с 20 МГц — с биконических антенн серии АБК.
Где работают измерительные антенны
Основная задача — испытания на ЭМС. Объект ставят на поворотный стол, антенну — на мачту на расстоянии 3 или 10 м. Стол поворачивают, мачту поднимают от 1 до 4 м и ищут максимум помехи: прямая волна и отражённая от пола складываются по-разному на разной высоте.
Объект вращают, антенну поднимают, чтобы найти максимум с учётом отражения от проводящего пола. Так устроены открытые площадки и полубезэховые камеры.
- Испытания на излучаемые помехи и на устойчивость к полю по стандартам серии CISPR 16 и их российским аналогам.
- Калибровка площадок и безэховых камер: нормированное затухание площадки измеряют парой эталонных антенн.
- Радиомониторинг и поиск источников помех в полосах связи.
- Измерение диаграмм направленности и усиления антенн — методом замещения или трёх антенн.
- Оценка электромагнитной обстановки и проверка норм облучения.
Испытания на устойчивость: какое поле даст антенна
При испытаниях на устойчивость антенна работает на передачу: усилитель подаёт мощность, и поле должно достичь нормированного уровня — например, 3 или 10 В/м. Напряжённость в дальней зоне оценивают по формуле E = √(30·P·G)/d, где P — мощность в ваттах, G — усиление в разах, d — расстояние в метрах.
| Мощность, Вт | Усиление антенны | Расстояние, м | Поле, В/м |
|---|---|---|---|
| 10 | 6 дБи | 3 | 11,5 |
| 100 | 6 дБи | 3 | 36,4 |
| 100 | 6 дБи | 1 | 109,3 |
| 50 | 10 дБи | 1 | 122,5 |
Оценка показывает, почему для полей в десятки В/м антенну ставят близко к объекту и берут усилители на сотни ватт: поле растёт только как корень из мощности. Отсюда и требование к антенне — выдерживать мощность усилителя: у антенны Вивальди АВВ-200/1200 в каталоге допустимая мощность 100 Вт, у широкополосных зондов — до 150 Вт.
Как калибруют саму антенну
Антенный фактор берут не из формулы, а из калибровки: формула верна для идеальной антенны в свободном пространстве. На практике применяют три способа. Метод стандартной площадки: две антенны на известном расстоянии над проводящим полом, затухание между ними сравнивают с расчётным. Метод трёх антенн: три неизвестные антенны меряют попарно, из трёх уравнений находят усиление каждой. Метод замещения: калибруемую антенну ставят на место эталонной с известным антенным фактором.
Результат калибровки — таблица антенного фактора по частоте с указанной неопределённостью. Для биконических и широкополосных антенн шаг таблицы мелкий, потому что антенный фактор меняется неравномерно; для диполя и рупора стандартного усиления хватает нескольких точек и расчёта.
Частые ошибки измерений
- Берут антенный фактор из формулы вместо калибровочной таблицы — ошибка на краях диапазона доходит до нескольких дБ.
- Забывают потери кабеля или меряют их на другой частоте.
- Кабель антенны идёт вдоль мачты без ферритов и сам становится антенной, искажая результат.
- Меряют в ближней зоне крупной антенны и получают заниженное усиление.
- Проверяют только одну поляризацию, а максимум помехи оказывается в другой.
- Используют антенну вне её рабочей полосы: КСВН растёт, антенный фактор теряет смысл.
Ближняя и дальняя зона
Паспортные характеристики антенны верны в дальней зоне — на расстоянии больше 2D²/λ, где D — наибольший размер антенны. Ближе фронт волны не плоский, и измеренное усиление занижено. Для низкочастотных антенн граница рядом, для больших рупоров на высоких частотах — уже метры:
| Антенна | Размер D, м | Частота, ГГц | Граница дальней зоны 2D²/λ, м |
|---|---|---|---|
| рупор с раскрывом 0,2 м | 0,20 | 10 | 2,67 |
| рупор с раскрывом 0,2 м | 0,20 | 18 | 4,80 |
| антенна 0,5 м | 0,50 | 10 | 16,67 |
| зонд 0,03 м | 0,03 | 40 | 0,24 |
Поэтому крупные антенны на СВЧ измеряют либо на длинных полигонах, либо сканированием ближнего поля: зонд обходит плоскость перед раскрывом, а дальнюю диаграмму пересчитывают из измеренного распределения.
Как выбрать измерительную антенну
- Диапазон частот: одна биконическая или логопериодическая антенна до 1 ГГц, выше — рупоры.
- Задача: эталон для калибровки — диполь или рупор стандартного усиления; обзор и мониторинг — широкополосная.
- Поляризация: для ЭМС измеряют обе, поэтому антенну поворачивают или берут двухполяризационную.
- Мощность: для испытаний на устойчивость антенна должна выдерживать мощность усилителя.
- Разъём и кабель: N до 18 ГГц, SMA и 2,92 мм выше; кабель фазостабильный и измерительный.
- Калибровочные данные: антенный фактор с шагом по частоте и срок поверки.
Кабель — часть измерения. Потери кабеля от антенны до приёмника входят в результат так же, как антенный фактор. Их измеряют на тех же частотах и хранят вместе с калибровкой антенны.
Модели KADAMM
Все серии — в разделах измерительных и рупорных антенн KADAMM.
| Частоты | 300 МГц – 2 ГГц |
| Моделей | 5 |
| Частоты | 20 МГц – 18 ГГц |
| Моделей | 8 |
| Частоты | 200 МГц – 4 ГГц |
| Моделей | 2 |
| Частоты | 500 МГц – 40 ГГц |
| Моделей | 8 |