Электродинамика, антенны и СВЧ-устройства СБЛ. Учебно-методическое пособие

на выходе испытываемой системы. После окончания измерений набор данных (массив комплексных чисел) подвергается обработке на компьютере. В результате определяется массив значений необходимого параметра (ДН, КУ).

Рис. 3. Планарный сканер

Пространственное распределение ближнего поля антенны связано с диаграммой направленности и распределением поля на раскрыве.

Характер указанных соотношений зависит только от геометрии поверхности сканирования и свойств измерительной антенны. На практике в настоящее время в основном применяются три вида поверхностей: плоская, цилиндрическая и сферическая, что связано с простотой схем сканирования. Наибольшее внимание уделяется преобразованиям именно для этих типов поверхностей. Кроме того, вероятны случаи, когда в созданной установке (если она имеет большие размеры) геометрия поверхности сканирования будет отличаться от заданной (например, изза весовых деформаций элементов конструкции); такие отклонения

11

можно определить точно, но устранение их, возможно, будет связано с большими трудностями. Поэтому представляет интерес разработка методов вычислений, пригодных для поверхности сканирования.

Алгоритмы восстановления ДН в ближней зоне зависят от типа поверхности сканирования, при восстановлении используются функции для описания соответствующих граничных условий (полиномы Лежандра, функции Бесселя, Ханкеля и пр.).

На рис. 4 показан состав комплекса измерения амплитуды и фазы в КВЧ-диапазоне.

Рис. 4. Состав измерительного комплекса

Наряду с амплифазометрическим методом в практике антенных измерений применяют прямой метод получения коллимированного пучка лучей, получивший название коллиматорного. В этом случае участок плоского фронта формируется специальной антенной, чаще всего зеркальной. Если, например, исходить из допустимой погрешности

12

определенияфазыполявраскрыве 3 ,топоверхностьзеркаладолжна

быть выполнена с погрешностью не хуже / 240 , т. е. значительно

лучше, чем обычно допускается для зеркальных антенн; такого порядка точность изготовления зеркал коллиматора обычно и рекомендуется.

Коллиматорный метод применяется обычно для антенн сантиметрового диапазона в условиях безэховых камер (рис. 5). Физические принципы, лежащие в основе метода, довольно просты. Для создания коллимированного пучка используются зеркальные антенны с несимметричным параболическим зеркалом; смещение облучателя относительно центра зеркала необходимо для предотвращения затенения последнего.Всенеизлучающиеэлементыконструкциитщательноукрываются радиопоглощающим материалом. В качестве коллиматоров можно использовать и другие типы антенн, например, линзы или антенные решетки, по размерам коллиматор должен быть не меньше испытываемой антенны. При коллиматорном методе характеристики антенны измеряются в поле, близком к полю плоской волны.

Рис. 5. Компактный полигон, реализующий коллиматорный метод

Диаграмманаправленностиантенны, помещенной вколлиматорный пучок, обычно измеряется путем вращения антенны в двух плоскостях. Этим, собственно, коллиматорный метод отличается от амплифазометрического, где диаграмма определяется путем «качания» плоскости фазового фронта синтезированного коллиматора в процессе обработки.

13

Основное преимущество этого метода – простота выполнения измерений. Эффективность его применения обусловлена соотношением между снижением затрат на изготовление безэховой камеры за счет сокращения ее размеров и дополнительными затратами на изготовление коллиматора, поэтому для средних и крупных антенн использование коллиматорного метода весьма проблематично, так как затраты на изготовление крупного коллиматора (например, зеркала) могут превысить затраты на изготовление контролируемого изделия.

Требования к коллиматору, в особенности при измерениях ДН антенн с низким уровнем бокового излучения, являются весьма жесткими. Для достижения приемлемой точности измерений ДН антенн с электри-

ческими размерами (10…30) линейные размеры коллиматора должны, как правило, в 2 раза и более превышать размеры раскрыва антенны. При измерении в секторе углов, охватывающем угол наклона главного максимума и несколько ближних к нему боковых лепестков, в диапазоне уровней до –(25…30) дБ с точностью (0,5…1) дБ допуск на изго-

товление коллиматора должен составлять (0,01…0,02) . По указанным причинам коллиматорный метод целесообразно применять в основном для сравнительно небольших антенн с размерами раскрыва до 2…3 м. Однако в некоторых и ситуациях коллиматорный метод можно применять и для крупногабаритных антенн.

Важным элементом коллиматора является облучатель, характеристики которого существенно влияют на равномерность облучающего поля в раскрыве антенны, а значит, и на точность измерения ее параметров.

Одним из основных источников погрешности при измерениях параметров антенн служит ограниченный размер отражателя. Существует ряд приемов, позволяющих уменьшить эту составляющую погрешности, называемую погрешностью ограничения. Один из таких приемов состоит в профилировании кромки отражателя. Другой способ ослабления краевых эффектов основан на том, что поверхность отражателя коллиматора выполняется с определенными отклонениями от идеальной параболической поверхности так, чтобы волны, обусловленные этими отклонениями, компенсировали волны от краев отражателя.

14

3.ИЗМЕРЕНИЕ S-ПАРАМЕТРОВ АНТЕНН

ИСВЧ-УСТРОЙСТВ

Системы ближней локации состоят из большого числа различных СВЧ-устройств. К их числу относятся отрезки линий передачи, разъемы,изгибыиволноводныескрутки,согласующиеустройства,фазовращатели, фильтры СВЧ, делители и сумматоры мощности, волноводнокоаксиальныепереходы,невзаимныеустройстваСВЧсиспользованием ферритов и пр. Общим для этих и им подобных устройств является то, что они принадлежат к классу устройств с распределенными параметрами. Геометрические размеры таких устройств сравнимы с длиной волны электромагнитных колебаний. Это определяет всю специфику расчета и проектирования устройств СВЧ, так как процессы, происходящие в них, имеют волновой характер.

Изучение внешних характеристик устройств СВЧ может производиться без конкретизации их внутренней структуры. Это позволяет рассматривать устройство СВЧ как некий «черный ящик», имеющий определенное число входных и выходных портов, к которым присоединяются СВЧ-линии передачи. Это могут быть волноводы, коаксиальные кабели, микрополосковые линии и пр.

Каждая из таких линий передачи – это также устройство с распределенными параметрами, для которого непременным является волновой характер электромагнитных процессов. Это приводит к необходимости фиксировать продольные координаты поперечного сечения линии передачиилиплоскостиотсчетафаз,котораярасположенанаэлектрическом расстоянии z l от условной точки сочленения. Относительно этих

плоскостейпроводитсянетолькоотсчетфаз,ноивнекоторыхслучаях– и амплитуд падающих и отраженных волн. Выбранные плоскости отсчета фаз служат одновременно входами и выходами (портами) СВЧустройства. В большинстве случаев во входных линиях передачи устройствСВЧединственнаяраспространяющаясяволна–этоволнаос- новного типа. Волны остальных типов находятся в режиме отсечки и быстро затухают по мере удаления от плоскости отчета фаз. В дальнейшем будем рассматривать пассивные линейные устройства СВЧ. Устройство СВЧ называется пассивным, если в его состав не входят активные преобразующие или усиливающие элементы, например, транзисторы, электронные устройства.

15

Решение уравнений Максвелла для линий передачи содержит больше информации, чем требуется для оценки работоспособности СВЧ-тракта. Разработчикам интересны следующие параметры: мощность, ослабление, коэффициент отражения, фазовая задержка, именно эти параметры можно определить экспериментальным путем, а структуры полей и поляризация волн важны для теоретических исследований. Для описания процесса передачи мощности с помощью падающих и отраженных волн была предложена универсальная математическая модель, учитывающая продольное изменение поля и интегральные характеристики поля в поперечном сечении линии передачи СВЧ.

Принято считать мерой интенсивности электромагнитного поля в любой регулярной линии передачи нормированное напряжение бегу-

щей волны uп,о , которое рассчитывается с помощью интегрирования вектора Пойнтинга по сечению S линии передачи при 0:

принимаетсяравнойфазепоперечногокомпонентаэлектрическогополя в какой-либо характерной точке сечения линии передачи.

Падающую и отраженную волны можно выразить как

vp – фазовая скорость; g – длина волны в линии передачи.

В линии передачи с потерями вводятся коэффициент затухания и комплексная постоянная распространения i .

К основным внешним характеристикам СВЧ-устройства относится матрица сопротивлений Z, матрица проводимостей Y, матрица рассеяния S, классическая матрица передачи А и волновая матрица передачи T. Каждая из этих матриц связывает линейной зависимостью входные воздействия и реакцию на них СВЧ-устройства.

16

Матрицы сопротивлений и проводимостей. Матрицы сопротивле-

ний и проводимостей связывают линейными соотношениями напряжения и токи в клеммных плоскостях эквивалентного многополюсника:

U ZI, I YU .

В развернутом виде эти соотношения для матрицы сопротивлений можно записать следующим образом:

В общем случае матрицы Zи Yявляются комплексными и их можно представить в виде

Z = R + iX, Y = G + iВ,

где R, X, G и В – действительные квадратные матрицы порядка N, определяющие активные и реактивные части входных и взаимных сопротивлений и проводимостей.

Следует отметить, что не для всех устройств СВЧ определены матрицы сопротивлений и проводимостей, так как входные сопротивления или проводимости некоторых устройств могут принимать бесконечные значения. Примером таких устройств могут служить короткозамкнутые четвертьволновый и полуволновый отрезки линий передачи. В технике СВЧ не всегда удобно пользоваться матрицами Z и Y, поскольку в ряде случаев непосредственно измерить напряжения и токи на входах некоторых устройств СВЧ весьма затруднительно.

Кроме того, при измерениях на СВЧ отсутствуют приборы, эквивалентные генератору тока или генератору напряжения. Именно эти приборы необходимы для экспериментального определения элементов матриц Z и Y.

Матрица рассеяния, или S-матрица. Название происходит от ан-

глийского слова «Scattering» (рассеяние). При изучении теории линий передачи СВЧ характеристика режимов работы линии определяется соотношением амплитуд падающей и отраженной волны. Амплитуды этих волн и требуемые соотношения между ними в СВЧ-диапазоне

17

могут быть измерены с помощью стандартной измерительной аппаратуры. Поэтому в технике СВЧ к числу основных внешних характеристик устройства СВЧ относят его матрицу рассеяния. Матрица рассеяния связывает линейной зависимостью амплитуды падающих и отраженных волн на входах многополюсника:

U SU ,

где U+ и U – векторы-столбцы нормированных амплитуд напряжения

падающихиотраженныхволн.Вразвернутомвидеданноесоотношение можно записать так:

Отсюда следует, что матрица рассеяния S – квадратная и имеет тот же порядок N, равный числу входов устройства СВЧ, что и матрицы Z и Y. Так как амплитуды падающих и отраженных волн имеют одинаковые единицы измерений, элементы матрицы рассеяния безразмерны,

smn – коэффициентпередачи поамплитудесп-говходаустройстваСВЧ на т-й. При т = п snn – коэффициент отражения от п-го входа. Следо-

вательно, диагональные элементы матрицы рассеяния являются коэффициентами отражения от соответствующих входов устройства СВЧ. Элементы матрицы рассеяния являются комплексными величинами.

Матрицу рассеянияоченьудобноприменятьдляописаниябольшого класса пассивных и активных СВЧ-элементов, и поэтому она широко используется при расчетах. Во многих случаях матрица рассеяния позволяет полностью описать СВЧ-устройства без строгой формулировки электромагнитной задачи и определения граничных условий.

Элементы матрицы рассеяния многополюсника представляют собой набор величин, связывающих падающие и отраженные волны у полюсов многополюсника. Такая матрица описывает поведение СВЧ-устрой- ства при любых заданных значениях его нагрузки. Элементы, расположенные по главной диагонали матрицы, представляют собой коэффициенты отражения, в то время как элементы другой диагонали являются

18

коэффициентамипередачи.Длякаждойлинейнойинеизменяющейсяво времени цепи может быть составлена матрица рассеяния. Общие свойства многополюсной цепи определяются из рассмотрения таких характеристик цепи, как обратимость, симметрия и сохранение мощности.

К двухпортовым устройствам (рис. 6) относятся отрезки линий передачи, аттенюаторы, усилители, микроволновые фильтры и т. п.

Рис. 6. Двухпортовое СВЧ-устройство

Для характеристики качества согласования СВЧ-устройств широко пользуются двумя понятиями: коэффициентом стоячей волны по напряжению и коэффициентом отражения.

s-параметры описывают параметры отраженной и падающей волны в тестируемых устройствах и пути прохождения энергии через многопортовые тестируемые устройства.

Для измерения входных параметров СВЧ-устройств (s-параметров, КСВН) используютскалярныеивекторныеанализаторыцепей, импульсные рефлектометры и измерители КСВН и ослабления, а также измерительные линии.

Существует много стандартных способов отображения измеренных s-параметров на экране векторного анализатора цепей: график КСВН или ослабления в полосе частот, диаграмма Вольперта–Смита, групповое время задержки и др. s-параметры выражаются и измеряются через модуль коэффициента передачи/отражения (в децибелах или разах) и фазу (градусы) либо через вещественную и мнимую часть.

Для того чтобы выполнить измерение в частотной области, анализатор электрических цепей подает на тестируемое устройство синусоидальный сигнал и измеряет сигнал, который отразился, и сигнал, который прошел через устройство. Оба сигнала (отраженный и прошедший) будут различаться по амплитуде и фазе от тестового синусоидального сигнала. Если анализатор электрических цепей может измерять только амплитуду, то он называется скалярным. Если анализатор может измерять и амплитуду, и фазу, то он называется векторным. Практически все

19

современные анализаторы электрических цепей являются векторными, так как именно векторный анализатор позволяет наиболее полно измерить характеристики тестируемогоустройства в заданном диапазоне частот. С их помощью можно также проводить измерение уровня поглощенияиотражениярадиоволн отразличныхматериалов,например,элементовконструкциисамолетовилиракет,специальныхпокрытийикрасок. Для выполнения этого вида измерений к портам анализатора цепей необходимо подключить передающую и приемную антенну, анализаторы цепей широко используются и при проведении измерений параметров диаграммы направленности антенн.

На рынке измерительной аппаратуры присутствует достаточно много изготовителей и в России, и за рубежом, например, Kеуsight Technologies (рис. 7), Rohde & Schwarz, Anritsu, Микран, Планар. Все анализаторы цепей имеют широкий диапазон частот от десятков мегагерц до десятков гигагерц. В последнее время в связи с развитием ГВЧ-устройств появились анализаторы терагерцевого диапазона, например, анализаторы цепей серии PNA Kеуsight Technologies имеют диапазон от 900 Гц до 1,5 ТГц.

Рис. 7. Четырехпортовый анализатор цепей PNA-X 5247А

Для присоединения испытываемого устройства к измерительному порту и проведения процедуры калибровки используются дополнительные аксессуары СВЧ-тракта: коаксиальные переходы между трактами (например, тип III (розетка) – тип IX вариант 3 (вилка)), коаксиальные переходы в тракте (например, тип N (розетка) – тип N (розетка)), волно- водно-коаксиальные переходы, согласованные и рассогласованные

20