Измерения радиотехнических характеристик антенны KU-диапазона в измерительных комплексах ближнего и дальнего поля

Инфокоммуникации являются одной из важных отраслей современной экономики ввиду непрерывного развития и совершенствования информационных и телекоммуникационных технологий, включающих в себя сбор, хранение и передачу информации. Для передачи информации потребителю широко используют спутники связи и ретрансляции. В состав полезной нагрузки космических аппаратов (КА) входят перспективные антенные системы, точность проектирования и изготовления которых должна постоянно расти. В этой связи важны точность и эффективность наземной экспериментальной отработки, включающей измерения РТХ антенн.

К настоящему времени довольно полно изучены методы измерения РТХ антенн в ближней и дальней зонах [1-2]. Кроме того, некоторые из них реализованы в промышленных измерительных комплексах [3-4]. В АО «ИСС» создана и успешно эксплуатируется мощная экспериментальная база, являющаяся неотъемлемой частью производства космических аппаратов (КА). В нее входят сверхширокополосные автоматизированные измерительно-вычислительные комплексы (СШП АИВК) ближнего поля (БП). Кроме того, в АО «ИСС» создан полигон для проведения измерений РТХ антенн в дальней зоне (ДЗ). Однако каждый измерительный комплекс по-своему уникален и имеет как достоинства, так и недостатки. Кроме того, результаты измерений на измерительных комплекс ах в БП и ДЗ могут отличаться для различных типов антенн и условий их измерения. Между тем в рамках предприятия АО «ИСС» сравнение

РТХ антенн в БП и в ДЗ, применяемых для обеспечения космической связи, ранее не выполнялись. В этой связи актуально провести измерения и сравнительный анализ РТХ антенны в дальней и ближней зонах.

Метод вышки является одним из традиционных методов измерения антенн в ДЗ. Антенны располагают высоко от земли, чтобы исключить ее влияние, в зоне прямой видимости друг напротив друга на большом расстоянии. При измерениях в ДЗ в состав оборудования входят: измеряемая антенна, вспомогательная антенна, генератор сигнала, векторный анализатор цепей. Исследуемая антенна имеет круговую поляризацию, располагается на опорно-поворотном устройстве, с помощью которого осуществляется сканирование путем поворота антенны в плоскости азимута, после чего исследуемая антенна поворачивается на 90° по поляризации и вновь сканируется в плоскости азимута. В результате формируются две ДН, характерные для азимутальной и угломестной плоскостей исследуемой антенны. Вспомогательная антенна закрепляется неподвижно и, как правило, является передающей.

В АО «ИСС» преобладают остронаправленные антенны, использующиеся на КА, поэтому полигон представляет собой две поднятые высоко над землей вышки с падающим рельефом между ними (см. схему на рис. 1) [5]. Такой полигон позволяет уменьшить нежелательные переотражения сигнала. В АО «ИСС» на полигоне для измерений в ДЗ расстояние между вышками для вспомогательной и исследуемой антенн составляет 2500 м.

Рис. 1. Полигон с падающим рельефом [5]

При определении главных сечений ДН измеряется комплексный коэффициент передачи 5_?, (со, 0) высокочастотного тракта, включающего в себя измеряемую антенну. Она вращается в заданном секторе углов ^min — ^ — ^max ’ а частота гармонического сигнала меняется в заданном диапазоне ^тш ^ ^ ^ ^тах ' Вспомогательная и измеряемая антенны устанавливаются так, чтобы измерять требуемую поляризационную компоненту поля в требуемой плоскости сечения.

По окончании измерений накапливается массив измерительной информации в виде значений модуля и фазы комплексного коэффициента передачи по мощности на заданных частотах. Далее для требуемой частоты ^к определяется максимальное значение кмС соответствующее направлению главного максимума О о, и вычисляется ДН:

„ m I^S21^)|

^(дБ) ^^Юк 1 ^) 201g .

I^?/60!-’^)! тах

Для сравнительного анализа двух измерительных комплексов проведены измерения двухзеркальной антенны Кассегрена Кu-ди-апазона в ДЗ на полигоне и на плоскости в БП в безэховой камере (БЭК) по методике, описанной в [3; 6]. Антенна такого типа хорошо зарекомендовала себя и наиболее часто используется в полезной нагрузке перспективных космических аппаратов, поскольку позволяет добиться более высокой кросспо-ляризационной развязки, имеет более компактную схему построения, в результате чего упрощается подводка питания к облучателю. Результаты измерений представлены в виде сечений ДН в главных плоскостях (см. рис 2) и основных РТХ (см. таблицу 1).

Таблица 1. РТХ антенны при измерениях в ДЗ, БП

Заключение

Из рис. 2 следует, что максимальное расхождение ДН составляет 0,5 дБ вблизи уровня минус 27 дБ в азимутальной плоскости и 0,4 дБ в угломестной плоскости, что соответствует аппаратной погрешности комплексов (0,5 дБ для уровней ДН от минус 10 дБ до минус 30 дБ).

Из таблицы 1 видно, что максимальное расхождение ШДН составляет 0,08º, что превышает погрешность измерений (0,02º для комплексов ДЗ и БП). Максимальное расхождение КНД составляет около 0,3 дБ, что незначительно превышает погрешность измерений (0,2 дБ для комплексов ДЗ и БП). Поскольку антенна измерялась в разных условиях (в БЭК для БП и на полигоне для ДЗ), сказывается влияние рабочего места, а именно: при измерениях на полигоне в ДЗ появляются мешающие переотражения сигнала от подстилающей поверхности. Поэтому заметен небольшой рост уровней боковых лепестков антенны при измерениях в ДЗ, что приводит к расширению ДН и спаду КНД. Однако можно утверждать, что оба измерительных комплекса дают практически идентичные результаты при измерениях характеристик направленности антенн и, соответственно, могут использоваться при наземной экспериментальной отработке антенн подобного типа. В перспективе предполагается провести сравнение результатов измерений РТХ нескольких типов антенных систем в ДЗ и БП.