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