Dodatek1 - LA_cw3 - ZST - Politechnika Wrocławska

Dodatek1 - LA_cw3 - ZST - Politechnika Wrocławska

Dodatek do ćwiczenia nr 3
Zasady pomiaru charakterystyk promieniowania i zysku
anten na zautomatyzowanym stanowisku pomiarowym
Opracował:
mgr inŜ. Witold Papierniak
Wstęp
Pomiary przeprowadza się w komorze bezodbiciowej ITA przy uŜyciu 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 ścieŜką w pliku
konfiguracyjnym system.cfg. Wymienione pliki naleŜy 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.
X
Ante na m ierzo na (odbiorcza)
Ante na po miarow a (nadaw cza)
Go
Ga
Y
Po
tory współosiowe w.cz.
kable m.cz.
S tolik obro tow y
D
D etektor
HP11664A
S terow nik
stolika
Pg
D etektor HP 85037B
-7dB
-7dB
D
D zielnik moc y
HP11667B
S weeper HP8350B
(wkładka HP83592B)
R
HP-IB
B A
Anali zator
A/R-M
HP8757D
G P-IB
PC AT 286
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 moŜliwy 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 uniezaleŜnienie 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
gdzie:
(1)
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 powyŜszym równaniu Po oznacza poziom mocy zarejestrowany na wejściu detektora antenowego.
Wykorzystując bilans mocy dla układu pomiarowego, poziom ten moŜna 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)
ZaleŜność (5) umoŜliwia 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 moŜna 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 naleŜy 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. WaŜne 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
kaŜdej kolumny danych pliku *.dat.
2.
Sposób zapisu wyników
a) pliki *.dat
Wartości Pdat umoŜliwiają 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 moŜna 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 róŜne kąty azymutu.
b) plik *.CAL
Plik taki powstaje jako wynik kalibracji – przygotowania do właściwego pomiaru. Kalibracja
jest w gruncie rzeczy takŜe pomiarem, jednak podczas niej stolik nie obraca się i dla kaŜdej
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
Poziomy: 11.97
11.72
11.56
11.38
11.35
1050.00
11.32
1060.00
11.28
1070.00
11.26
Wiersze 2-5 nie róŜnią się od wierszy plików *.dat. Poziomy mocy w ostatnim – szóstym wierszu
równieŜ 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 – naleŜałoby określić dodatkowo tłumienie toru w.cz.
3.
Przygotowanie stanowiska do pomiarów
Uruchomienie stanowiska naleŜy przeprowadzić w następującej kolejności:
3.1
Włączyć aparaturę pomiarową oraz sterownik stolika i komputer.
3.2 Odczekać aŜ 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 ścieŜkę 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.
NaleŜy tak jak na powyŜszym rysunku wybrać za pomocą myszy opcję: Pomiar --> Pomiar
wieloczęstotliwościowy. Po takim wyborze ekran będzie wyglądał następująco:
Rys. 3.
3.5
Wygląd ekranu dla opcji Pomiar wieloczęstotliwościowy.
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) MoŜna (ale nie koniecznie) wprowadzić współczynnik uśredniania, który określa liczbę pomiarów
cząstkowych przeprowadzanych przez system dla kaŜdej 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. DuŜa wartość tego współczynnika (np. 64) jest
waŜna w przypadku poszukiwania zer charakterystyki promieniowania.
d) nazwę pliku wynikowego. Zawsze po włączeniu program proponuję nazwę proba.dat. NaleŜy
podawać tu własne nazwy i zmieniać je przed kaŜdym nowym pomiarem. Nazwa moŜe 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 naleŜy 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 aŜ 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) moŜna wpisać własny komentarz (do 64 znaków) w polu Opis anteny:.
Na zakończenie wpisywania naleŜy 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 moŜna przerwać w dowolnej chwili, przy pomocy klawisza Esc. NaleŜy
jednak przytrzymać go przez kilka sekund.
-6-
Czas trwania pomiaru zaleŜy 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. MoŜna wówczas
obejrzeć wyniki tego pomiaru (p. 4.3), zmienić parametry a1, a2, kt, moŜna zmienić coś w konfiguracji
układu pomiarowego (np. polaryzację anten). Jeśli to wszystkie zmiany, to naleŜy 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 kaŜdym pomiarze moŜna obejrzeć na ekranie wyniki. NaleŜ 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 moŜna 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.
WaŜne !!!
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 niŜ - 90°. Nie moŜna
zatem przeprowadzić pomiaru dookólnego w zakresie kątów [-180°; + 180°], ale moŜna zadać inne
przedziały, np.: [-90°; +270°] lub [0°; 360°].
5. Czynności końcowe
Po zakończeniu pomiarów naleŜy:
- 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 inŜ. 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, Ŝe 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, umoŜliwienie 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
równieŜ polaryzacja robocza anteny badanej oraz kierunek wektorów pól przez nią emitowanych
(obserwowanych w strefie pola dalekiego). W tym przypadku, jako płaszczyznę odniesienia moŜna
-9-
obrać, na przykład, płaszczyznę wektora E lub H. Przykłady definicji osi geometrycznych i płaszczyzn
odniesienia róŜnych 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
anteny
z - oś geometryczna
anteny
- płaszczyzna apertury
- płaszczyzna azymutu (pł. wektora H)
- płaszczyzna azymutu (pł. wektora E)
- 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 duŜą 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 moŜemy stwierdzić, iŜ 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
uniemoŜliwia 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 -