4. Экспериментальное исследование и автоматизированное проектирование устройств свч и антенн

Экспериментальное исследование устройств СВЧ и антенн

Экспериментальные исследования антенн и устройств СВЧ производятся с целью определения действительных значений их параметров и характеристик. Основным задачами являются:

определение диаграмм направленности антенн и их параметров; определение коэффициентов усиления;

определение комплексных коэффициентов отражения или входных сопротивлений двухполюсников СВЧ в том числе входных сопротивлений антенн;

определение комплексных коэффициентов передачи и коэффициентов отражения многополюсных устройств СВЧ (или. экспериментальное нахождение их матриц рассеяния).

Значительно реже требуется нахождение таких показателей, как коэффициент рассеяния, шумовая температура приемной антенны, КПД антенны и некоторые другие.

Измерения параметров антенн и устройств СВЧ имеет ряд важных особенностей, отличающих их проведение от измерений в электрических целях низкочастотных диапазонов. Во-первых, это волновой характер явлений излучения и приема электромагнитных полей, требующий использования приемов, не имеющих аналогов при измерениях в электрических цепях низких частот. Во-вторых, это отсутствие однозначности понятий напряжения тока, а следовательно, и понятия сопротивления. Это обстоятельство в ряде случаев делает невозможным непосредственное измерение входных сопротивлений как отношение напряжения в нагрузке к току в ней. В-третьих, это свойства большинства устройств СВЧ как цепей с распределенными параметрами, что вынуждает существенным образом считаться с наличием эффектов временного запаздывания, соизмеримого с периодом высокочастотного колебания. Есть еще ряд отличий менее принципиального характера.

Измерения на СВЧ можно разделить на две группы. При непосредственных измерениях величина выходного напряжения измерительного прибора либо пропорциональна измеряемой величине, либо монотонно зависит от нее. При реконструктивных измерениях измеряются некоторые вспомогательные величины или характеристики, а искомые величины находят путем вычислений согласно функциональным зависимостям, связывающим измеряемые и искомые величины. В последние два десятилетия в связи с прогрессом в вычислительной технике использование реконструктивных методов значительно расширилось. Рассмотрим кратко основные способы экспериментального определения параметров антенны и устройств СВЧ.

Автоматизированное проектирование устройств свч и антенн

Отличия разных систем автоматизированного проектирования СВЧ-устройств касаются, главным образом, уровней выделения типового элемента. В наиболее "простых" пакетах программ соответствующих уровню электрической схемы, типовым элементом является конкретное , хотя и простейшее устройство: отрезок линии передачи, разветвление линий передачи, с нерегулярностью задаваемой ее эквивалентной схемой и т.д. Такие пакеты достаточно удобны при выборе электрической схемы сложного устройства, сравнению различных вариантов схем по ожидаемым свойствам и т.д. В более детализированных пакетах типовым элементом может являться элемент полосковой линии передачи, задаваемый геометрическими размерами, изменение размеров (скачок), нерегулярность, задаваемая геометрическими размерами и т.д. Библиотека элементов состоит из готовых описаний их в ….. пакетах простейшие конкретные устройства также состоят из ряда типовых элементов. При проведении расчетов пользователь «собирает» анализируемое устройство из имеющихся типовых элементов. Работа с такими пакетами предполагает, что схема устройства, как правило, уже определена и задачей проектирования является выбор геометрических размеров элементов. Наконец, в ряде пакетов, преимущественно для анализа сложных волноводных узлов анализируемые элементы составляются пользователем, расчет их показателей производится численными методами решения электродинамических задач. Системы автоматизированного проектирования антенн. Системы этого типа не обладают той степенью универсальности, которая характерна для систем проектировании устройств СВЧ. Это объясняется тем, что не существует общих процедур, позволяющих использовать их для анализа антенн различных классов. Поэтому существующие пакеты программ являются специализированными, например, для проектирования зеркальных антенн, вибраторных антенн и решеток вибраторных антенн и т.д. К настоящему времени разработаны и широко используются на практике различные компьютерные системы автоматизированного проектирования СВЧ-устройств и антенн. Использование их позволяет не только избавить разработчика от рутинной работы, ускорить процесс проектирования, но и позволяет улучшить качество проектирования за счет использования моделей и методов, нереализуемых при "ручном" проектировании. Рассмотрим кратко особенности этих систем и принципы, положенные в основу их построения Системы автоматизированного проектирования СВЧ-устройств. Созданы и используются ряд пакетов, например, "ПРАМ", "ПАРУС", «microwave office” и др. Указанные пакеты во многом отличаются: ориентацией на определенные классы устройств, уровнем детализации, сервисными функциями и т.д. Общим для любых систем автоматизированного проектирования устройств СВЧ является следующее: – большинство из них является достаточно универсальными в том смысле, что позволят анализировать и проектировать широкий круг устройств СВЧ. Упоминаемая выше ориентация на классы устройств чаще относится к типу линий передачи, являющихся базой для построения: пакеты для анализа волноводных устройств или полосковых; – использование языка высокого уровня. Используя изобразительные средства этого языка пользователь "собирает" анализируемое устройство из имеющихся типовых элементов, задавая только тип элемента, его основные параметры, а также способы соединения элементов и параметры соединительных линий; – наличие библиотек типовых элементов, представляющих собой математические описания последних, например, в виде зависимостей матриц рассеяния от задаваемых параметров; – использование при проведении расчетов матричных методов, например, с использованием аппарата матриц рассеяния. – наличием для выбранной схемы возможности организации циклических расчетов, например, расчетов частотных зависимостей искомых коэффициентов отражения и передачи; – в достаточно совершенных пакетах наличием возможностей для оптимизации анализируемых параметров путем автоматического варьирования рядом параметров типовых элементов; – наличием различных сервисных функций, включая трехмерную графику и др. 5. Проблемы электромагнитной совместимости Влияние свойств антенн и устройств СВЧ на уровни помех

При рассмотрении вопросов влияния свойств антенн и устройств СВЧ на уровни помех, создаваемых радиопередающими устройствами и принимаемых помех радиоприемными устройствами следует различать две принципиально различные ситуации.

1. Частоты основных излучений радиопередатчиков и основных каналов приема радиоприемников совпадают или близки друг другу. Для этих случаев надлежащим выбором параметров антенн и устройств СВЧ можно существенно улучшить ситуацию, а именно, снизить уровни помех, как создаваемых, так и принимаемых радиоприемными устройствами. Отметим некоторые возможности такого рода:

– снижение уровней излучаемых помех на частотах основного излучения и полосах частот, примыкающих к ним, для определенных направлений за счет выбора формы ДН и параметров передающей антенны. Например, путем снижения уровней боковых лепестков, уменьшения ширины ДН, формированием глубокого провала в ДН в направлении на конкретный источник или рецептор и ряд других;

– снижение уровней принимаемых помех в полосе частот основного канала приема и на частотах, примыкающих к основному каналу аналогичным образом;

– использованием различий "своих" сигналов и помех по поляризации поля излучения. Как следует из соотношения (4.28) использование для "своей" передачи и приема от мешающей радиолинии ортогонально поляризованных волн позволяет значительно снизить уровень принимаемых помех (теоретически сколь угодно, практически до 15…20 дБ, в силу влияния различного рода вторичных факторов);

– ослабление принимаемых помех за счет использования фильтров-преселекторов в приемном устройстве, ослабление излучаемых помех на частотах, примыкающих к полосе частот основного излучения радиопередающих устройств и ряд других.

Важная особенность ситуации, когда частота "своего" и "чужого" излучений и, соответственно, полосы частот приема близки друг другу, состоит в том, что и антенны и устройства СВЧ в этих полосах частот работают в "штатных" режимах. Это означает, что:

– поведение, характеристики и параметры антенн и устройств СВЧ известны в том смысле, что могут быть определены расчетами или экспериментально на основе известных методик и процедур.

– в процессе проектирования могут быть реализованы антенны и устройства СВЧ с требуемыми пространственными и частотными характеристиками.

2. Частоты основного канала приема и основного излучения значительно отличаются. Примером такой ситуации является создание помех радиоприемнику с частотой основного канала приема fпр радиопередатчиком, частота основного излучения fou которого имеет в несколько раз меньшее значение: . В этом случае возможен прием излучений, создаваемых радиопередатчиком на кратных частотах, так называемых, гармониках основной частоты . Эта ситуация принципиальным образом отличается от рассмотренной выше:

– поведение и свойства антенн на частотах основного излучения и частотах далеких от fou могут существенно отличаться. Помимо отличия ширины ДН и КУ, антенны на частотах могут иметь также заметно отличающуюся форму ДН и ориентацию ее максимума;

– в настоящее время не существует сколь–нибудь общих методик анализа поведения антенн на частотах, далеких от частот основного канала приема или передачи;

– в настоящее время в процессе проектирования, производства и приемо-сдаточных испытаний антенн не задаются и, соответственно не проверяются значения основных параметров и характеристик антенн на частотах, далеко отстоящих от частот основного канала;

– устройства СВЧ также могут иметь сильно отличающиеся значения своих показателей на частотах, значительно превышающих частоты основного излучения и приема. Одной из причин является то, что в пределах основных полос частот линии передачи и устройства СВЧ, как правило, функционируют в одномодовом режиме. Это означает, что может распространяться только волна основного типа. Это условие обеспечивается выбором размеров поперечного сечения волновода. На частотах, в несколько раз больших, как правило, становится возможным распространение волн нескольких разных типов, т.е. имеет место многомодовый режим волновода. Поэтому свойства различных устройств СВЧ на частотах, далеких от частоты основного канала излучения или приема могут иметь сильно отличающиеся значения. Расчеты поведения даже простейших устройств СВЧ в многомодовом режиме чрезвычайно сложны.

Для устройств СВЧ, как правило, на стадии проектирования не задаются и, соответственно, не проверяются на стадии производства и испытаний параметры СВЧ устройств для частот, далеко отстоящих от частот основного канала приема и передачи.

Резюмируя сказанное можно отметить то, что в этих случаях с принципиальных позиций также возможно улучшение ситуации за счет выбора свойств антенн и устройств СВЧ. Однако практическая реализация этой идеи в настоящее время вряд ли возможна из-за чрезвычайной сложности анализа.

Роль параметров антенн и устройств СВЧ при обеспечении ЭМС

Понятие электромагнитная совместимость радиоэлектронных средств означает их способность одновременно и совместно функционировать без существенного снижения качества работы каждого из средств. Иными словами это означает, что радиоэлектронные средства не снижают существенно качество функционирования при воздействии на них электромагнитных полей со стороны других средств и, в свою очередь, не создают недопустимых помех другим средством. Проблема электромагнитной совместимости уделяется большое внимание особенно в связи с общей тенденцией к увеличению общего числа используемых радиоэлектронных средств в современном обществе.

В тех случаях, когда источники помех являются радиопередатчиками а рецепторы помех, т.е. устройства, на которые воздействуют внешние электромагнитные поля, соответственно, радиоприемниками, важную роль играют свойства используемых антенн и фидеров. Для любого рецептора можно указать такой уровень помех на его входе Рпом доп, при котором еще не происходит недопустимого снижения качества его работы. Эта величина называется допустимой помехой . Величина мощности помехи на выходе приемной антенны ( в случае расположения антенн источника и рецептора помех в дальней зоне) определяется соотношениями Из этих соотношений видно, что на уровень принимаемых помех существенно влияют значения коэффициентов усиления обеих антенн, форма ДН, взаимная ориентация и поляризационные свойства. Надлежащим выбором значений этих показателей можно значительно ослабить уровень принимаемой помехи и тем самым способствовать обеспечению совместной работы радиотехнических устройств.