Dodatek do ćwiczenia nr 3

Zasady pomiaru charakterystyk promieniowania i zysku

anten na zautomatyzowanym stanowisku pomiarowym

Opracował:

mgr inż. Witold Papierniak

Wstęp

Pomiary przeprowadza się w komorze bezodbiciowej ITA przy użyciu aparatury pomiarowej

firmy Hewlett-Packard, stolika obrotowego ze sterownikiem oraz programu komputerowego

nadzorującego całość procesu pomiarowego. Program działa w systemie operacyjnym MS-DOS.

Wyniki pomiarów są zapisywane do plików tekstowych w miejscu określonym ścieżką w pliku

konfiguracyjnym system.cfg. Wymienione pliki należy skopiować po zakończeniu ćwiczenia, a na

podstawie zebranych danych wykreślić charakterystyki promieniowania badanej anteny i wykonać

obliczenia zysku.

- 1 -

1. Opis metody pomiaru

Schemat elektryczny zautomatyzowanego stanowiska pomiarowego przedstawiono na rys. 1.

Ante na po miarow a (nadaw cza)

Ante na m ierzo na (odbiorcza)

X

G

G o

a

Y

P o

tory współosiowe w.cz.

D etektor

D HP11664A

kable m .cz.

S tolik obro tow y

S terow nik

stolika

P

g

D etektor HP 85037B

-7dB

-7dB

D

D zielnik moc y

HP 11667B

R

B A

HP-IB

G P-IB

S weeper HP83 50B

A nali zator

PC AT 286

(wkładka HP 83592B )

A /R-M

HP8757D

RS 232C

Rys. 1. Schemat elektryczny stanowiska do pomiaru charakterystyk promieniowania

anten w polu dalekim metodą częstotliwościową.

Sygnał w.cz. generowany w układzie pomiarowym przez generator HP8350B jest zmodulowany

amplitudowo sygnałem prostokątnym o częstotliwości 27 kHz i wypełnieniu 0,5. Pomiar mocy sygnału

w.cz. odbywa się poprzez detekcję obwiedni sygnału w detektorze HP11664A. Informacja o poziomie

sygnału jest przesyłana do analizatora sieci torem m.cz. Pomiar poziomów mocy sygnałów

mikrofalowych jest możliwy w zakresie od -40 dBm do +16 dBm, z błędem mniejszym od ±0,3 dB a

dla zakresu od -60 do -40 dBm z błędem do ±1,0 dB. Zastosowanie metody pomiaru z torem

odniesienia (kanał R w analizatorze) pozwala na uniezależnienie się od ewentualnych wahań poziomu

mocy źródła sygnału mikrofalowego (HP8350B), którego stabilność w funkcji czasu jest wysoka i

wynosi wg producenta ±0,1 dB dla poziomu mocy na wyjściu z przedziału od -2 dBm do +16 dBm.

1.1. Metodyka pomiaru

Pomiar przebiega w dwóch etapach. Pierwszy to kalibracja przeprowadzana na zwartym torze

w.cz. bez anten (po zwarciu punktów X i Y na rys.1). Jej wynikiem jest plik *.CAL (zob. p.2.2), w którym są zapisywane wartości mocy PCAL określone następująco:

PCAL = Pg – Tkab

(1)

gdzie:

Pg – moc wyjściowa z generatora (Uwaga! Pg nie powinno być większe od +16 dBm);

Tkab - tłumienie całego toru kablowego w. cz. w układzie pomiarowym.

Drugi etap to pomiary na rozwartym torze w. cz. z antenami, jak na rys. 1. Ich wynikiem są pliki *.dat

(zob. p.2.1), w których zapisywane są wartości:

Pdat = Po – PCAL

(2)

W powyższym równaniu Po oznacza poziom mocy zarejestrowany na wejściu detektora antenowego.

Wykorzystując bilans mocy dla układu pomiarowego, poziom ten można określić następująco:

- 2 -

Po = Pg – Tkab – L + Ga + Go

(3)

gdzie: L - tłumienie swobodnej przestrzeni między antenami;

Ga - zysk anteny nadawczej (wzorcowej);

Go - zysk anteny odbiorczej (badanej);

Podstawiając (1) i (3) do (2) otrzymujemy:

Pdat = Ga + Go – L

czyli:

Go = Pdat – Ga + L

(5)

Zależność (5) umożliwia wyznaczenie zysku anteny odbiorczej przy znanym zysku Ga. Jak widać przy

tej metodzie nie trzeba dodatkowo wyznaczać Tkab. Jedyna wielkość wyznaczana zwykle „ręcznie” to

odległość R pomiędzy antenami (niezbędna do wyznaczenia L). W ćwiczeniu będzie ona mierzona za

pomocą dalmierza laserowego HILTI PD 10 z dokładnością ±0,001 m.

UWAGA: wyniki pomiarów zapisane w pliku *.dat można skopiować na dyskietkę dopiero po

zakończeniu wszystkich pomiarów i wyjściu z programu.

Charakterystyki promieniowania

Informacja o charakterystykach promieniowania badanej anteny jest zapisana w pliku *.dat. W

celu wykreślenia charakterystyk promieniowania dla zadanej częstotliwości należy skopiować właściwą

kolumnę wyników pomiaru (np. do Origina lub Excela), unormować ją i wykreślić.

Zysk energetyczny

Zysk energetyczny badanej anteny wyznaczamy metodą jednej anteny wzorcowej i tłumienia

wolnej przestrzenni. Zysk obliczamy na podstawie danych zawartych w pliku *.dat otrzymanego w

procesie pomiary charakterystyk promieniowania. Ważne jest, aby wyniki pomiarów obejmowały w

całości wiązkę główną (listek główny) mierzonej charakterystyki promieniowania anteny. Do

wyznaczenia zysku wykorzystujemy rów.(5), do którego podstawiamy maksymalną wartość Pdat z

każdej kolumny danych pliku *.dat.

2. Sposób zapisu wyników

a) pliki *.dat

Wartości Pdat umożliwiają wykreślenie charakterystyki promieniowania anteny. Zapisywane są

one do pliku w następujący sposób:

Opis anteny: paraboliczna u=13 v p=16 dbm pol.podst

ITA Politechnika Wroclawska 27.10.2003/15:26

pasmo: 10500.00 MHz..12000.00 MHz

stolik: -15.00 15.00 0.50

Fpom: 10500.00 10800.00 11100.00 11400.00 11700.00 12000.00

-15.00 -41.82 -44.89 -43.84 -42.34 -41.21 -38.72

-14.50 -33.07 -40.24 -39.71 -38.77 -34.71 -34.47

-14.01 -33.34 -40.10 -39.38 -40.02 -45.75 -45.43

-13.49 -33.25 -38.00 -37.84 -39.71 -42.68 -45.80

-13.00 -32.81 -33.82 -33.81 -32.89 -32.14 -34.24

-12.50 -33.17 -34.31 -33.95 -32.20 -31.73 -33.39

-11.98 -33.46 -38.89 -39.57 -37.95 -38.99 -35.83

-11.50 -30.54 -29.26 -28.60 -27.47 -27.80 -28.44

- 3 -

Pierwszy wiersz po tekście Opis anteny: zawiera komentarz, który można wpisać przed rozpoczęciem

pomiaru (zob. p. 4.1 c). Kolejne trzy wiersze podają datę pomiaru z godziną, pasmo częstotliwości i

zakres kątów azymutu wraz z krokiem w stopniach w czasie pomiaru. W piątym wierszu po słowie

Fpom: zapisane są częstotliwości w MHz, dla których dokonał się pomiar.

Dalsza część pliku to macierz liczbowa. Pierwsza jej kolumna zawiera listę kątów azymutu, w

kolejnych zapisane są poziomy mocy w dB. Wszystkie wartości liczbowe w obrębie jednej kolumny

dotyczą jednej częstotliwości. Kolejnym wierszom odpowiadają zaś różne kąty azymutu.

b) plik *.CAL

Plik taki powstaje jako wynik kalibracji – przygotowania do właściwego pomiaru. Kalibracja

jest w gruncie rzeczy także pomiarem, jednak podczas niej stolik nie obraca się i dla każdej

częstotliwości zapisuje się tylko jedną wartość liczbową jako efekt obliczenia wartości średniej z ok.

300 pomiarów cząstkowych. Oto przykładowy plik tak utworzony:

Opis anteny: POZIOMY KALIBRACYJNE

ITA Politechnika Wroclawska 8.4.2002/14:43

pasmo: 1000.00 MHz.. 1070.00 MHz

stolik: 0.00 360.00 1.00

Fpom: 1000.00 1010.00 1020.00 1030.00 1040.00 1050.00 1060.00 1070.00

Poziomy: 11.97 11.72 11.56 11.38 11.35 11.32 11.28 11.26

Wiersze 2-5 nie różnią się od wierszy plików *.dat. Poziomy mocy w ostatnim – szóstym wierszu

również są zapisywane w dB. Gdyby kalibrację przeprowadzono na otwartym torze (jak na rys. 1)

i przy zwizowanych antenach (zob. punkty 3.6 i 3.7), to w plikach *.dat otrzymalibyśmy od razu

unormowaną charakterystykę. Wtedy jednak wyznaczenie zysku anteny byłoby trudniejsze i obarczone

większym błędem – należałoby określić dodatkowo tłumienie toru w.cz.

3. Przygotowanie stanowiska do pomiarów

Uruchomienie stanowiska należy przeprowadzić w następującej kolejności:

3.1 Włączyć aparaturę pomiarową oraz sterownik stolika i komputer.

3.2 Odczekać aż na sterowniku wyświetli się wartość kąta 0.000 a na ekranie monitora zgłosi się

system DOS i program Norton Commander (warto tu ustawić właściwą datę oraz czas za pomocą

komend DATE oraz TIME).

3.3 Określić z pomocą prowadzącego miejsce na dysku komputera, do którego mają być zapisywane

wyniki pomiarów - zmodyfikować ścieżkę w pliku konfiguracyjnym system.cfg.

3.4 Wywołać plik KOMORA.BAT.

Początkowo na ekranie pojawi się mrugający napis SYSTEM STARTUJE, a po niecałej minucie

ekran monitora będzie wyglądał tak:

- 4 -

Rys. 2.

Wybór właściwej opcji do pomiaru z programu.

Należy tak jak na powyższym rysunku wybrać za pomocą myszy opcję: Pomiar --> Pomiar

wieloczęstotliwościowy. Po takim wyborze ekran będzie wyglądał następująco:

Rys. 3.

Wygląd ekranu dla opcji Pomiar wieloczę stotliwoś ciowy.

3.5 W kolejnym etapie ustawiamy wszystkie istotne parametry procesu pomiarowego:

a) poziom mocy z generatora. Zalecana jej wartość to 15 dBm. Uwaga! Wartość ta musi pozostać

stała dla wszystkich pomiarów !!!

b) pasmo częstotliwości w MHz, to znaczy częstotliwość dolną fd, górną fg oraz liczbę częstotliwości

w paśmie. Ta ostatnia wielkość określa na ile części zostanie podzielony przedział [fd; fg]. Jej

- 5 -

maksymalna dopuszczalna wartość to 24. Np. wybierając liczbę 10, pomiar zostanie przeprowadzony dla 11 częstotliwości.

c) Można (ale nie koniecznie) wprowadzić współczynnik uśredniania, który określa liczbę pomiarów

cząstkowych przeprowadzanych przez system dla każdej zadanej potem (w p. 4.1) pozycji kąta

azymutu. Stolik podczas tych pomiarów jest nieruchomy, obliczana jest wartość średnia z tych

pomiarów i ona jest zapisywana do pliku jako wynik. Duża wartość tego współczynnika (np. 64) jest

ważna w przypadku poszukiwania zer charakterystyki promieniowania.

d) nazwę pliku wynikowego. Zawsze po włączeniu program proponuję nazwę proba.dat. Należy podawać tu własne nazwy i zmieniać je przed każdym nowym pomiarem. Nazwa może mieć

maksymalnie 8 znaków, kropkę i powinna mieć trzyznakowe rozszerzenie dat.

e) Opcje Apert. wygładzania i Lista azymutów z pliku są niedostępne.

3.6 Teraz należy zestawić na stanowisku pomiarowym w komorze zwarty tor (czyli

zewrzeć kablem w. cz. punkt X i Y na rys. 1).

3.7 Za pomocą myszy nacisnąć przycisk Kalibracja i wywołać ją. Odczekać aż na

ekranie pojawi się ponownie okno pokazane na rys. 3. Uwaga !!! Kalibrację

wykonujemy tylko jeden raz na początku całego ćwiczenia i nie powtarzamy

jej potem przed kolejnymi pomiarami charakterystyki promieniowania.

3.8 Rozewrzeć punkty A i B, kabel w.cz. z generatora doprowadzić do anteny nadawczej, a do

anteny badanej (odbiorczej) podłączyć detektor. Układ powinien teraz wyglądać jak na rys. 1.

Przeprowadzić wizowanie anten opisane w p. 6), Dokonać pomiaru odległości między nimi za pomocą dalmierza i zapisać otrzymany wynik.

4. Pomiary charakterystyk promieniowania

4.1 Wprowadzić z klawiatury:

a) nową nazwę dla pliku pomiarowego (rozszerzenie DAT);

b) zakres i krok kątów azymutu dla pomiaru. Chodzi tu o podanie trzech liczb rzeczywistych:

a1 - azymut start;

a2 - azymut stop;

kt - krok tablicowania. Wszystkie wartości podaje się w stopniach;

c) można wpisać własny komentarz (do 64 znaków) w polu Opis anteny:.

Na zakończenie wpisywania należy wcisnąć klawisz ENTER.

Do pierwszego pomiaru nie trzeba zmieniać nazwy pliku pomiarowego, program sam

dokona zmiany rozszerzenia nazwy podanej w p. 3.6 d) z CAL na DAT. Przed następnymi

pomiarami jest to jednak konieczne.

4.2 Za pomocą myszy wybrać przycisk Pomiar START.

Uwaga ! Za pierwszym razem WSZYSTKIE w/w czynności wykonuje się pod nadzorem

prowadzącego !!! Pomiar można przerwać w dowolnej chwili, przy pomocy klawisza Esc. Należy jednak przytrzymać go przez kilka sekund.

- 6 -

Czas trwania pomiaru zależy od długości listy kątów określonej przedziałem [a1; a2] i krokiem kt.

Dla przedziału [0°; +360°] i kroku 1° wynosi on ok. 43 minut, przy kroku 2° około 35 minut. Podczas

pomiaru na ekranie monitora wyświetlana jest aktualna wartość kąta azymutu:

Rys. 4.

Wygląd ekranu monitora w czasie pomiaru.

Po zakończeniu pomiaru ekran monitora ponownie przyjmuje postać, jak na rys. 3. Można wówczas

obejrzeć wyniki tego pomiaru (p. 4.3), zmienić parametry a1, a2, kt, można zmienić coś w konfiguracji

układu pomiarowego (np. polaryzację anten). Jeśli to wszystkie zmiany, to należy po nich wprowadzić

nową nazwę pliku wynikowego i rozpocząć kolejny pomiar (a więc powrót do punktu 4.1).

Jeśli jednak chcemy zmienić liczbę bądź zakres częstotliwości albo poziom mocy Pg, to trzeba

powrócić do p. 3.5 i przeprowadzić nową procedurę kalibracji układu pomiarowego.

4.3 Po każdym pomiarze można obejrzeć na ekranie wyniki. Należ w tym celu kliknąć myszą

przycisk Anuluj, powrócić do menu głównego (rys. 2) i wybrać tam opcję Wyniki. Ekran przyjmie

postać:

Rys. 5. Wygląd ekranu po wybraniu opcji Wyniki.

W okienku nazwa pliku wyświetlana jest zawsze nazwa ostatnich wyników pomiarowych. Jeśli nam

odpowiada, wybieramy OK i dokonujemy jeszcze wyboru częstotliwości (maksymalnie cztery):

- 7 -

Rys. 6.

Tak wyglądają wybrane częstotliwości, dla których zostana pokazane

wykresy zmierzonych charakterystyk.

Tu dokonano wyboru trzech częstotliwości: 10500, 11205 i 11895 MHz. Oto przykładowy wykres:

Rys. 7.

Przykładowy wykres zmierzonej charakterystyki promieniowania anteny

dla trzech częstotliwości

Jeśli chcemy obejrzeć inny plik, to na rys. 5 trzeba wybrać opcję Pliki. Nie można jednak szukać

plików po całym komputerze. Dostępne są tylko pliki w domyślnej kartotece, określonej w p. 3.3.

Powrót do menu głównego zapewnia klawisz ESC – wyjście.

- 8 -

Zalecana kolejność pomiarów po kalibracji to:

- pomiar dla polaryzacji podstawowej;

- pomiar dla polaryzacji ortogonalnej (po obrocie anteny mierzonej o 90°);

- pomiar dla polaryzacji podstawowej w drugim przekroju charakterystyki promieniowania.

W tym celu zostawiamy obróconą uprzednio badaną antenę bez zmian, natomiast obracamy o 90°

antenę nadawczą.

Ważne !!! Pomiary muszą przebiegać w przeciwnych kierunkach NA ZMIANĘ,

aby przewody (zwłaszcza mikrofalowe) nie poskrecały się, bo grozi to ich

zniszczeniem.

Jeśli zatem dla pierwszego pomiaru ustawimy a1 = -90°, a2 = 90°, to dla drugiego trzeba przyjąć

odwrotnie. Jeśli wybrano a1 = 0°, a2 = 360°, to w kolejnym pomiarze przyjąć a1 = 360° oraz a2 = 0°.

Niestety stolik obrotowy akceptuje ujemne kąty azymutu, ale nie mniejsze niż - 90°. Nie można

zatem przeprowadzić pomiaru dookólnego w zakresie kątów [-180°; + 180°], ale można zadać inne

przedziały, np.: [-90°; +270°] lub [0°; 360°].

5. Czynności końcowe

Po zakończeniu pomiarów należy:

- wyjść z programu

- wyłączyć sterownik stolika, generator i analizator;

- skopiować na dyskietkę wszystkie otrzymane pliki;

- skopiować dodatkowo plik z zyskiem anteny nadawczej (wzorcowej);

- wyłączyć komputer.

6. Wizowanie anten (Opracował: dr inż. Piotr Słobodzian)

Wizowanie anten na poligonie pomiarowym opartym na metodzie pomiaru anten w polu dalekim

polega na właściwym zainstalowaniu anteny pomiarowej (nadawczej) i badanej (odbiorczej) na

masztach stanowiska pomiarowego. Konieczność wizowania wynika z dwóch głównych przyczyn.

Pierwsza z nich jest rezultatem przyjętej metodyki pomiaru, a decydującą rolę odgrywa tu rodzaj

poligonu. Generalna zasada mówi, że anteny pomiarowa oraz badana powinny być skierowane do

siebie, tzn. listek główny charakterystyki promieniowania anteny pomiarowej powinien być

wycelowany w antenę badaną i na odwrót. W przypadku poligonu pomiarowego bez odbić (typu „free

space”) anteny pomiarowa i badana powinny być zawieszone na identycznych wysokościach, a oś

elektryczna anteny pomiarowej (wyznaczona przez kierunek maksymalnego promieniowania) powinna

przechodzić przez środek apertury anteny badanej (lub powinna być równoległa do podstawy poligonu).

Od opisanej zasady istnieją oczywiście wyjątki, głównie w przypadku poligonów z falą odbitą.

Druga z przyczyn odpowiedzialna za konieczność wizowania anten odnosi się głównie do anteny

badanej. Celem wizowania anteny badanej na stanowisku pomiarowym jest jednoznaczne ustalenie

odniesienia jej charakterystyk promieniowania względem struktury geometrycznej anteny. W tym

przypadku wizowanie jest przeprowadzane w odniesieniu do płaszczyzn lub osi geometrycznych

anteny, które są bardzo często ściśle powiązane z systemem mocowania anteny na maszcie. Wizowanie

anteny badanej ma zatem na celu, między innymi, umożliwienie oszacowania odchylenia osi

elektrycznej anteny względem jej osi geometrycznej (wymienione odchylenie jest nazywane

skrzywieniem wiązki). Oś geometryczna lub płaszczyzna odniesienia anteny jest z reguły definiowana

w oparciu o istniejące osie symetrii struktury geometrycznej anteny lub płaszczyzny odniesienia obrane

a priori w strukturze geometrycznej anteny. Istotną rolę w wyborze płaszczyzn odniesienia odgrywa również polaryzacja robocza anteny badanej oraz kierunek wektorów pól przez nią emitowanych

(obserwowanych w strefie pola dalekiego). W tym przypadku, jako płaszczyznę odniesienia można

- 9 -

obrać, na przykład, płaszczyznę wektora E lub H. Przykłady definicji osi geometrycznych i płaszczyzn

odniesienia różnych anten pokazano na rys.6.1. Wizowanie anteny badanej polega na odpowiednim

ustawieniu jej osi geometrycznej (lub płaszczyzny odniesienia) w stosunku do osi elektrycznej anteny

pomiarowej lub podstawy poligonu.

Zasilanie

z - oś geometryczna

z - oś geometryczna

anteny

anteny

- płaszczyzna apertury

- płaszczyzna azymutu (pł. wektora E)

- płaszczyzna azymutu (pł. wektora H)

- płaszczyzna elewacji (pł. wektora H)

- płaszczyzna elewacji (pł. wektora E)

(a)

(b)

Rys.6.1. Przykłady definicji osi i płaszczyzn odniesienia w strukturze geometrycznej anteny:

a) antena aperturowa (antena tubowa), b) antena drutowa (antena typu Uda-Yagi).

Procedura wizowania na opisanym wcześniej stanowisku pomiarowym jest przeprowadzana przy

pomocy poziomicy elektronicznej oraz dalmierza laserowego. Wymienione urządzenia pomiarowe

zapewniają dużą dokładność wizowania anten. Dalmierz laserowy jest wykorzystywany do pomiaru

odległości pomiędzy anteną pomiarową i badaną oraz do precyzyjnego wyznaczania kierunku osi

geometrycznej anten. Poziomica jest wykorzystywana głównie do wyznaczania oraz regulowania kątów

pochylenia płaszczyzn lub osi odniesienia anteny pomiarowej i badanej względem podstawy poligonu

pomiarowego lub masztów antenowych.

Podsumowując możemy stwierdzić, iż pomiary określonej charakterystyki promieniowania anteny

(np. charakterystyki w płaszczyźnie azymutu) muszą być poprzedzone precyzyjnym ustaleniem

polaryzacji roboczej (zamierzonej) anteny oraz jej odniesieniem do struktury geometrycznej anteny i

poligonu pomiarowego. Brak procedury wizowania przed rozpoczęciem pomiarów w praktyce

uniemożliwia późniejszą interpretację wyników pomiaru, a na pewno będzie źródłem błędów podczas

wyznaczania podstawowych parametrów opisujących charakterystyki promieniowania badanej anteny.

Literatura:

[1] Borowiec R., Słobodzian P.: Pomiary anten w strefie pola dalekiego. Stanowisko poligonowe do pomiaru anten w dziedzinie częstotliwości, KST‘96, Bydgoszcz 11-13 IX 1996. Materiały – tom B, cz. 3/9, ss. 155-164 (dostępne na

stronie internetowej).

[2] J. Modelski, Pomiary parametrów anten, Oficyna Wydawnicza Politechniki Warszawskiej, Warszawa, 2004.

[3] R. Borowiec, W. Krzysztofik, Z. Langowski, W. Papierniak, P. Słobodzian, Stanowisko poligonowe do pomiaru anten w strefie pola dalekiego metodą częstotliwościową, VII Wojskowa Konferencja Telekomunikacji i Informatyki, Zegrze

7-9 X 1998, Materiały cz. III, s. 345-354.

[4] D.J. Bem, P. Kabacik, A. Sowa, Wykorzystanie komory bezodbiciowej Instytutu Telekomunikacji i Akustyki do pomiarów antenowych, Raport nr I-28/SPR-029/95, ITiA Politechnika Wrocławska, 1995, (do zapoznania się na miejscu w czasie ćwiczenia).

[5] Jarosław Szóstka, Fale i anteny, WKiŁ, Warszawa, 2000 (rozdz. 14, Pomiary anten, s. 410-415).

- 10 -