ИЗМЕРИТЕЛЬ ВХОДНОЙ ПРОВОДИМОСТИ АНТЕНН Российский патент 2001 года по МПК G01R27/06 

Изобретение относится к измерительной технике и может быть использованo для измерения полной входной проводимости антенн.

Известны устройства измерения входной проводимости или входного сопротивления антенн. Например, известно устройство определения входного сопротивления антенны при помощи куметра. Обычно куметр используют для измерения входного сопротивления несимметричных антенн. Куметр содержит измерительный контур, состоящий из индуктивности (имеется в заявляемом устройстве) и конденсатора переменной емкости (в заявляемом устройстве это конденсатор постоянной емкости); к измерительному контуру подключены генератор и индикатор (имеются в заявляемом устройстве). Измерения проводят в следующем порядке. Сначала при отключенной антенне производят настройку измерительного контура куметра в резонанс на требуемой частоте ω при помощи конденсатора переменной емкости, и определяют добротность Q1 и емкость C1 этого контура. Затем параллельно конденсатору подключают антенну и вновь производят настройку всего контура в резонанс с частотой ω генератора и определяют новые значения добротности Q2 и емкости C2. По полученным данным определяют активную и реактивную составляющие входного сопротивления. Например, если входное сопротивление антенны состоит из емкости C_A и параллельно ей включенного сопротивления R_A, то
C_A = C1 - C2,

(Фрадин А. З. , Рыжков E.B. Измерение параметров антенно-фидерных устройств.- М.: Связь, 1972, с. 54-57).

Недостатком данного аналога является низкая точность измерений на частотах более 3-5 МГц. Это объясняется тем, что на высоких частотах начинает существенно сказываться влияние соединительных проводов, включаемых между куметром и антенной, и снижается точность измерительных сопротивлений. Кроме того, в куметре использован конденсатор переменной емкости, что усложняет конструкцию устройства.

Из известных устройств измерения входной проводимости антенн наиболее близким по технической сущности является устройство, описанное в патенте РФ N 2110805. Опубл. 10.05.98. БИ N 13, II ч., 1998 г.

Прототип, как и заявляемый объект, содержит измерительный контур, состоящий из индуктивности и конденсатора постоянной емкости; генератор с согласующим резистором, индикатор; амплитудный детектор; противовес антенны; емкости связи и соединительные кабели. Однако в прототипе оплетки кабелей, соединяющих генератор, детектор и индикатор подключены непосредственно к противовесу измеряемой антенны. При таком подключении соединительных кабелей они фактически выполняют роль дополнительного противовеса измеряемой антенны, что приводит к методической погрешности измерения, особенно при измерении проводимости антенн с малым противовесом. Кроме того, расчетные формулы прототипа получены в предположении, что при подключении антенны величина резонансной частоты установки изменяется незначительно. На практике это допущение не всегда выполняется, что увеличивает погрешность измерений.

Перед изобретателем стояла задача улучшения технических параметров измерителя входной проводимости антенн.

Технический результат изобретения заключается в повышении точности измерений.

Технический результат достигается тем, что в измеритель входной проводимости антенн, содержащий измерительный контур, состоящий из индуктивности и конденсатора постоянной емкости; генератор с согласующим резистором; амплитудный детектор; противовес антенны; первый конденсатор связи генератора с измерительным контуром и соединительные кабели, дополнительно введены второй конденсатор связи малой емкости, включенный между оплеткой соединительного кабеля генератора и противовесом несимметричной антенны (или второй половиной симметричной антенны); индуктивность связи, соединяющая амплитудный детектор и индуктивность измерительного контура; и радиопоглощающий материал, укрывающий соединительные кабели измерителя.

Благодаря введению второго конденсатора связи и индуктивности связи соединительные кабели получаются практически изолированными от противовеса измеряемой антенны и даже при их значительной длине существенно не влияют на величину противовеса антенны. Кроме того, измеритель может быть использован и для симметричных антенн. В этом случае вместо противовеса несимметричной антенны подключают вторую половину симметричной антенны. Следует заметить, что генератор может быть подключен к измерительному контуру и при помощи индуктивности связи, подобно амплитудному детектору. Однако индуктивная связь конструктивно сложнее. Для подключения амплитудного детектора нецелесообразно использовать емкости связи, так как при таком включении на широкополосный амплитудный детектор будут сильно влиять низкочастотные напряжения мешающих воздействий.

Использование радиопоглощающего материала позволяет уменьшить искажения электромагнитного поля вблизи измеряемой антенны, вносимые элементами измерителя, и в первую очередь соединительными кабелями.

Кроме того, расчетные формулы заявляемого устройства получены при физически более справедливом предположении о слабой зависимости сопротивления потерь индуктивности измерительного контура от частоты. При таком предположении расчетные формулы дают малую погрешность даже в случаях значительного изменения резонансной частоты измерительного контура при подключении антенны.

Наличие отличительных признаков обуславливает соответствие заявляемого технического решения критерию "новизна".

Заявляемое техническое решение соответствует также критерию "изобретательский уровень", поскольку не обнаружено решений с признаками, отличающими заявляемое техническое решение от прототипа.

Техническое решение соответствует критерию "промышленная применимость", поскольку может быть применено, например, для определения входной проводимости антенн с малым противовесом или тела человека, используемого в качестве несимметричной штыревой антенны. Определение входной проводимости подобных излучателей другими известными способами дает значительную погрешность.

Hа фиг. 1 показана функциональная схема измерителя входной проводимости антенн, где представлены генератор 1; соединительный кабель 2 между генератором и измерительным контуром; согласующий резистор 3; первый 4 и второй 5 конденсаторы связи генератора с измерительным контуром; измерительный контур, состоящий из конденсатора 6 и индуктивности 7; несимметричная антенна 8; противовес 9 несимметричной антенны (или вторая половина симметричной антенны); индуктивность связи 10; амплитудный детектор 11; соединительный кабель 12 между детектором 11 и индикатором 13; радиопоглощающий материал 14.

Сигнал генератора 1 через соединительный кабель 2 поступает на согласующий резистор 3, обеспечивающий в кабеле 2 режим бегущей волны. Конденсаторы связи малой емкости 4 и 5 соединяют резистор 3 с измерительным контуром, образованном конденсатором 6 и индуктивностью 7. К измерительному контуру подключены несимметричная антенна 8 и ее противовес 9 (или вторая половина симметричной антенны). Индуктивность связи 10 соединяет контур и амплитудный детектор 11, к выходу которого через соединительный кабель 12 подключен индикатор 13. Элементы измерителя укрыты радиопоглощающим материалом 14.

Эквивалентная схема измерителя показана на фиг. 2, где B_A и G_A - реактивная и активная составляющие входной проводимости антенны; C - полная емкость измерителя, включающая емкость конденсатора 6, паразитную емкость индуктивности контура 7, а также емкости, вносимые цепями генератора и детектора; L - индуктивность контура 7; r - сопротивление потерь измерительного контура, учитывающее потери в индуктивности 7, конденсаторе 6, а также элементах связи измерительного контура с генератором и детектором.

Процесс измерения состоит в следующем. При постоянной емкости и индуктивности измерительного контура определяют резонансную частоту и полосу пропускания измерительного контура при подключенной антенне и без нее. По этим данным вычисляют реактивную и активную составляющие входной проводимости испытуемой антенны. Для получения малой погрешности измерений добротность измерительного контура должна быть большой (Q >> 1). Поэтому в измерителе необходимо использовать высокодобротные конденсатор 6 и индуктивность 7, осуществлять слабую связь измерительного контура с генератором 1 и детектором 11. Обычно добротность конденсатора гораздо больше добротности индуктивности, так что сопротивление потерь контура r близко к сопротивлению потерь индуктивности. Величину этого сопротивления вблизи частоты измерения можно считать практически постоянной. В правильно сконструированной катушке основными являются потери на токи проводимости. Величина удельного поверхностного сопротивления проводников, как известно, пропорциональна Поэтому при изменении частоты, например, в 1,2 раза сопротивление потерь r меняется всего на 10%.

Известно, что резонансная частота высокодобротных колебательных систем с достаточной точностью (до величины порядка I/Q²) определяется параметрами только их реактивностей. При высокой добротности контура условия резонанса с антенной и без нее можно представить в следующем виде

ω²LC = 1.
Из этих уравнений можно определить реактивную составляющую входной проводимости антенны

где ω_A и ω - резонансные частоты измерительного контура при подключенной антенне и без нее.

Активная составляющая входной проводимости антенны равна
G_A = (G_A + G)-G,
где G_A + G и G - проводимости измерительного контура на частоте ω_A соответственно при подключенной антенне и без нее.

При выводе расчетных формул используем известные расчетные соотношения для высокодобротного контура. Добротность контура соответственно при подключенной антенне и без нее

сопротивление потерь контура

проводимость контура на частоте ω_A

Вид расчетных формул зависит от знака проводимости B_A.

При B_A < 0 проводимость антенны имеет индуктивный характер, и поэтому общая емкость контура при подключении антенны не изменяется. В этом случае G_A+G = ω_AC/Q_A = 2Δω_AC, и проводимость антенны равна

При B_A > 0 проводимость антенны имеет емкостный характер, и поэтому при подключении антенны не изменяется общая индуктивность контура. В этом случае , и проводимость антенны равна

Измеритель входной проводимости антенн содержит измерительный контур, состоящий из индуктивности и конденсатора постоянной емкости; генератор с согласующим резистором, амплитудный детектор, противовес антенны; первый конденсатор связи генератора с измерительным контуром и соединительные кабели, второй конденсатор связи малой емкости, включенный между оплеткой соединительного кабеля генератора и противовесом несимметричной антенны; индуктивность связи, соединяющую амплитудный детектор и индуктивность измерительного контура, и радиопоглощающий материал, укрывающий соединительные кабели измерителя, а реактивную и активную составляющие входной проводимости определяют по приведенным соотношениям с учетом значений резонансных частот и полос пропускания измерительного контура при подключенной антенне и без антенны. Технический результат заключается в повышении точности измерений. 2 ил.

Измеритель входной проводимости антенн, содержащий измерительный контур, состоящий из индуктивности и конденсатора постоянной емкости; генератор с согласующим резистором, амплитудный детектор, противовес антенны; первый конденсатор связи генератора с измерительным контуром и соединительные кабели, отличающийся тем, что в него дополнительно введены второй конденсатор связи малой емкости, включенный между оплеткой соединительного кабеля генератора и противовесом несимметричной антенны; индуктивность связи, соединяющая амплитудный детектор и индуктивность измерительного контура, и радиопоглощающий материал, укрывающий соединительные кабели измерителя, а реактивную и активную составляющие входной проводимости определяют по соотношениям

при B_A ≅ 0
при B_A ≥ 0
где ω и ω_A - резонансные частоты измерительного контура, соответственно без антенны и при подключенной антенне;
2Δω и 2Δω_A - полосы пропускания измерительного контура соответственно без антенны и при подключенной антенне;
С - полная емкость измерителя, включающая емкость конденсатора измерительного контура, а также паразитные емкости измерительных цепей.