Możliwości wykorzystania anten logoperiodycznych i dipolowych w
Transkrypt
Możliwości wykorzystania anten logoperiodycznych i dipolowych w
Sławomir Musiał* Możliwości wykorzystania anten logoperiodycznych i dipolowych w odniesieniu do wymagań zawartych w dokumentach normalizacyjnych Wraz z opublikowaniem nowego wydania dokumentu MILSTD-461F Requirements for the control of electromagnetic interference characteristics of subsystems and equipment, a zaraz po nim normy obronnej NO-06-A500 Kompatybilność elektromagnetyczna. Procedury badań zakłóceń elektromagnetycznych i odporności na narażenia elektromagnetyczne, pojawiły się pewne wątpliwości związane z celowością zmiany anteny pomiarowej na nową, ściśle zdefiniowaną w obu dokumentach. Warto zauważyć, że dotychczasowe wydania wspomnianych dokumentów pozostawiały pewną dowolność wyboru anten wykorzystywanych w pomiarach. Artykuł ma na celu określenie zasadności stosowania nowego typu anteny. W tym celu wykonano odpowiednie badania, których wyniki umożliwiły przeprowadzenie analiz błędów pomiarowych. W analizach porównawczych wykorzystano trzy rodzaje anten przeznaczonych do pracy w zakresie częstotliwości od 200 MHz do 1 GHz (rys.1). stosowania w siłach zbrojnych, będąca odpowiednikiem dokumentu MIL-STD-461F, nie dopuszcza jednak możliwości stosowania anten dipolowych zamiast anteny tubowej. W dalszej części artykułu zostaną przedstawione wady oraz zalety wynikające z nowych zapisów normy NO-06-A500:2012. Wygoda użytkowania Na wielu płaszczyznach życia istotnym elementem jest ergonomika posługiwania się wszelkimi urządzeniami. Dotyczy to również pomiarów w zakresie kompatybilności elektromagnetycznej i wykorzystywanych w nich urządzeń i elementów pomocniczych, jakimi bez wątpienia są anteny pomiarowe. Jedną z takich anten jest antena tubowa. Charakteryzuje się ona wymiarami ok. 70 x 95 x 95 cm, co przy masie wynoszącej ok. 16 kg czyni ją bardzo niewygodną w użytkowaniu. Jej obsługa przez jedną osobę (przestawianie, zmiana polaryzacji) jest praktycznie niemożliwa, chyba że zostanie ona doposażona w specjalny statyw (co wiąże się z dodatkowymi kosztami). Dla porównania – aktywna antena dipolowa, przedstawiona na rys. 1c, charakteryzuje się wymiarami ok. 45 x 25 x 40 cm oraz masą ok. 1,6 kg. Takie parametry czynią antenę bardzo wygodną w użyciu. Wyniki pomiarów Najważniejszą cechą anteny pomiarowej jest możliwość uzyskania właściwych, powtarzalnych wyników pomiarów. Teoretycznie pomiary tego samego natężenia pola elektromagnetycznego każdą z anten, przy uwzględnieniu odpowiednich współczynników korekcyjnych, powinny zapewnić identyczny wynik. Rys. 1. Anteny wykorzystywane w pomiarach: a) antena tubowa zgodna z wymaganiami NO-06-A500:2012, b) antena dipolowa dopuszczona do badań w NO-06-A500:2008, c) antena logarytmicznoperiodyczna, niespełniająca wymagań norm NO-06-A500 Zgodnie z zapisami normy NO-06-A500:2008 (równoważna MIL-STD-461E) do badań zaburzeń promieniowanych należy wykorzystywać anteny tubowe (rys.1a) lub anteny dipolowe, których maksymalny wymiar (rozpiętość ramion) nie przekracza 1 m (rys.1b). Norma wprowadzona w 2012 r. do obowiązkowego * Wojskowy Instytut Łączności, Zegrze, e-mail: [email protected] PRZEGLĄD TELEKOMUNIKACYJNY ROCZNIK LXXXVII nr 7/2014 Rys. 2. Układ pomiarowy wykorzystywany do badań 679 W celu sprawdzenia poprawności tego stwierdzenia, przeprowadzono badania w kabinie bezodbiciowej, w układzie pomiarowym zgodnym z zawartym w normie NO-06-A500. Na stole pomiarowym, zamiast badanego urządzenia, umieszczono antenę nadawczą (elektrycznie krótki monopol i dipol), przyłączoną do generatora sygnałowego zsynchronizowanego z odbiornikiem pomiarowym (rys. 2). Jako anteny odbiorcze wykorzystano anteny przedstawione na rys. 1. Podczas pomiarów zachowywano stałą odległość pomiędzy antenami równą 1 m. Antena nadawcza była pobudzana napięciem 100 dBµV. W celu uniknięcia niepożądanego wpływu aparatury pomiarowej na uzyskiwane wyniki, zarówno generator, jak i odbiornik, znajdowały się na zewnątrz kabiny. Uzyskane wyniki pomiarów przedstawiono na rys. 3. Na podstawie uzyskanych wyników pomiarów przeprowadzono analizę błędów popełnianych podczas pomiarów różnymi antenami. Do analizy wybrano wyniki zmierzone anteną tubową oraz dipolową. Analizowano tylko te wartości, które znalazły się co najmniej 3 dB powyżej zaburzeń środowiskowych układu pomiarowego z anteną tubową (ich wartość przedstawiono na rys. 4). Do wyznaczenia odchylenia średniokwadratowego wykorzystano zależność (1), natomiast do określenia błędu pojedynczej pary pomiarów – zależność (2). (1) (2) gdzie: s – odchylenie standardowe, b – błąd pojedynczej n-tej pary pomiarów, PT – pomiar anteną tubową na n-tej częstotliwości, PD – pomiar anteną dipolową na n-tej częstotliwości, n-ta częstotliwość z zakresu od 200 MHz do 1000 MHz z ustalonym krokiem z wyłączeniem częstotliwości, dla których PD jest mniejsze od zaburzeń własnych układu powiększonych o 3 dB. Rys. 3. Wyniki pomiarów pola elektromagnetycznego wybranymi antenami pomiarowymi: a) pomiary w polaryzacji pionowej, gdy źródłem był elektrycznie krótki monopol, b) pomiary w polaryzacji poziomej, gdy źródłem był elektrycznie krótki dipol Rys. 4. Poziom zaburzeń środowiskowych przy pomiarach anteną tubową i dipolową 680 Rys. 5. Błędy pomiarowe pomiędzy wynikami uzyskiwanymi przy zastosowaniu anteny tubowej i dipolowej; (a) polaryzacja pionowa; (b) polaryzacja pozioma PRZEGLĄD TELEKOMUNIKACYJNY ROCZNIK LXXXVII nr 7/2014 Obliczone odchylenie średniokwadratowe wynosi 1,15 dB oraz 0,98 dB odpowiednio dla pomiarów w polaryzacji pionowej i poziomej. Błędy pojedynczych par pomiarów dla obu polaryzacji przedstawiono na rys. 5. Możliwości pomiarowe Możliwości pomiarowe anten w dużym stopniu zależą od ich czułości. Im większą czułością charakteryzuje się antena, tym mniejsze poziomy pola elektromagnetycznego może ona odbierać. Pod tym względem anteny aktywne są bezkonkurencyjne. Poziom zaburzeń układu pomiarowego (szumy własne) w przypadku takich anten jest ok. 15, a nawet 20 dB poniżej zaburzeń układów pomiarowych z antenami pasywnymi (rys. 4). W przypadku anten pasywnych – w celu poprawy czułości układu pomiarowego, można stosować odpowiedni wzmacniacz antenowy. Należy jednak zwrócić uwagę na dwa aspekty tego rozwiązania: dodatkowe koszty, wprowadzenie dodatkowych szumów do układu pomiarowego. Z punktu widzenia zaburzeń własnych układu pomiarowego szczególnie ten drugi aspekt jest bardzo istotny. Zastosowanie • • wzmacniacza np. 20 dB nie musi oznaczać, że zaburzenia własne obniżą się o 20 dB. Z powodu szumów własnych wzmacniacza, czułość układu pomiarowego może się poprawić przykładowo jedynie o 5 czy 10 dB. Z tego względu, przy wyborze wzmacniacza, należy zwracać dużą uwagę na jego parametry szumowe. Zalety anten tubowych Wykazano też, że anteny tubowe nie przewyższają swoimi możliwościami pomiarowymi anten dipolowych, a pod względem wygody użytkowania ustępują miejsca lżejszym i mniejszym antenom dipolowym. Co więc przemawia za stosowaniem tych anten? Wydaje się, że bez wątpienia zaletą jest ich duża kierunkowość (duże wzmocnienie w odniesieniu do anteny izotropowej). Porównanie kierunkowych charakterystyk promieniowania anteny tubowej i dipolowej, w płaszczyźnie pionowej i poziomej, przedstawiono na rys. 6. Tak duża kierunkowość anten tubowych czyni je wręcz idealnymi do stosowania na otwartych poligonach pomiarowych. Dobierając właściwy kierunek odbioru anteny, można w bardzo dużym stopniu stłumić niepożądane sygnały, pochodzące od nadajników radiowo-telewizyjnych, urządzeń przemysłowych i innych. *** Na podstawie analizy uzyskanych wyników badań doświadczalnych wydaje się, że antena dipolowa z powodzeniem może być stosowana zamiennie z anteną tubową. Dotyczy to szczególnie badań prowadzonych w kabinach ekranujących, w których antena tubowa traci główny atut w stosunku do anteny dipolowej – zysk kierunkowy. Do badań na otwartych poligonach pomiarowych z powodzeniem można stosować anteny tubowe, których kierunkowość umożliwia odseparowanie się od zaburzeń dochodzących z kierunków innych niż kierunek odbioru anteny (kierunek głównego listka). Niestety, wymiary anteny tubowej nie czynią z niej typowego sprzętu mobilnego – wymagana duża przestrzeń ładunkowa w pojeździe. Najgorzej w testach wypada natomiast antena logarytmicznoperiodyczna. Ze względu na jej gabaryty nie była ona dopuszczana do stosowania nawet w poprzednich wydaniach normy NO-06-A500. Maksymalne błędy w porównaniu z innymi antenami przekraczają 4 dB. Ponadto również parametry szumowe tej anteny są najgorsze wśród analizowanych. Należy jednak zwrócić uwagę, że odległość pomiarowa wynosiła podczas badań 1 m, a to przy gabarytach tej anteny powodowało, że elementy odpowiadające za pomiary wysokich częstotliwości znajdowały się w odległości ok. 20 cm od źródła sygnału. Można przypuszczać, że wraz ze zwiększeniem odległości pomiarowej obserwowane błędy będą coraz mniejsze. Podsumowując, można stwierdzić, że przynajmniej w przypadku badań w kabinach ekranujących stosowanie anten dipolowych zapewnia uzyskiwanie powtarzalnych i wiarygodnych wyników. Literatura Rys.6. Kierunkowe charakterystyki promieniowania anteny tubowej i dipolowej: a) polaryzacja pionowa, b) polaryzacja pozioma PRZEGLĄD TELEKOMUNIKACYJNY ROCZNIK LXXXVII nr 7/2014 [1] Kubiak I., Musiał S.: Badania kompatybilności elektromagnetycznej w świetle obowiązujących dokumentów normalizacyjnych, Wojskowa Akademia Techniczna, Biuletyn nr 4, 2009 [2] Musiał S.: Field disturbances caused by conducting elements placed near the testing area, EMD, Białystok, 2004 [3] Norma Obronna NO-06-A500:2012: Kompatybilność elektromagnetyczna. Procedury badań zakłóceń elektromagnetycznych i odporności na narażenia elektromagnetyczne, 2012 [4] Norma Obronna NO-06-A500:2008: Kompatybilność elektromagnes tyczna. Procedury badań zakłóceń elektromagnetycznych i odporności na narażenia elektromagnetyczne, 2008 681