POLITECHNIKA WROCŁAWSKA INSTYTUT TELEKOMUNIKACJI, TELEINFORMATYKI I AKUSTYKI Katedra Radiokomunikacji i Teleinformatyki LABORATORIUM ANTEN Instrukcja do ćwiczenia nr 1 Temat: Pomiary geometrii anteny reflektorowej oraz wyznaczanie jej charakterystyk promieniowania. 1. Cel ćwiczenia Celem ćwiczenia jest zapoznanie się z metodami szacowania parametrów polowych (charakterystyk promieniowania) anten reflektorowych w oparciu o pomiary parametrów geometrycznych reflektora. Ćwiczenie polega na wyznaczeniu parametrów geometrycznych wskazanego przez prowadzącego reflektora parabolicznego (pomiar krzywizny reflektora w jego głównych przekrojach), a następnie dokonaniu obliczeń charakterystyk promieniowania anteny z przykładowym promiennikiem (źródłem oświetlającym reflektor). 2. Przebieg ćwiczenia Grupa ćwiczeniowa wykonuje pomiar krzywizny reflektora badanej anteny parabolicznej przy pomocy suwmiarki elektronicznej na specjalnie przygotowanym stanowisku pomiarowym. Pomiar wykonujemy wzdłuż głównych przekrojów reflektora. Następnie, po zakończeniu pomiarów, w sprawozdaniu obliczamy podstawowe parametry opisujące geometrię anteny, a w kolejnym kroku jej charakterystyki promieniowania. Obliczenia wykonuje się za pomocą - 1 -
skryptów programu obliczeniowego MathCAD: PARABOLA.mcd i SOLVE.mcd. Pomocne mogą być również następujące skrypty: PARAOBR, PARAOBR1 i PARABOL3. Krótkie opisy wymienionych skryptów zamieszczono w Dodatku I oraz w pracach [4,5]. Przygotowanie sprawozdania polega na doborze źródła oświetlającego aperturę badanej anteny (promiennik + konwerter) na podstawie danych o geometrii anteny. Zakładamy, że charakterystyki promieniowania promiennika n w głównych płaszczyznach E i H można aproksymować funkcjami cos ( θ ) m i cos ( θ ). W sprawozdaniu należy dokonać aproksymacji charakterystyk promiennika, a następnie na ich podstawie obliczyć charakterystyki promieniowania całej anteny. Obliczona charakterystyka promieniowania anteny wyposażonej w wybrany promiennik powinna spełniać normy dla anten odbiorczych do bezpośredniego odbioru telewizji satelitarnej DBS, zalecane przez CCIR (zalec. nr 652 patrz [2], str.30-31). Ta część ćwiczenia przebiega w następujących etapach: Etap I: Dobór promiennika Rozpoczynamy od aproksymacji charakterystyk promieniowania promiennika dla następujących konwerterów: a) LNB-F firmy Continental Microtechnology b) DBF KUH 038 firmy Micro Electronics c) BSCH 86 Z-10 firmy SHARP Charakterystyki promieniowania w głównych płaszczyznach promiennika dla wymienionych konwerterów zamieszczono w Dodatku II. Procedura aproksymacji jest następująca: charakterystyki promieniowania należy zapisać w postaci danych w plikach tekstowych (wartości odczytać z wykresu): jeden plik dla pł. E, drugi dla pł. H pliki powinny zawierać po trzy charakterystyki promieniowania, tj. dla częstotliwości dolnej, środkowej i górnej w kolejnym kroku należy przygotować program dokonujący aproksymację n zapisanych danych funkcją cos ( θ ) ; poszukiwaną wielkością jest n, które będzie wykorzystywane w wymienionych wcześniej skryptach obliczeniowych (program taki można napisać pod arkuszem MathCAD - powinien on umożliwić następujące czynności: - odczyt zapisanych w pliku charakterystyk promieniowania promiennika - przeliczenia wartości zapisanej w pliku ze skali logarytmicznej na liniową - wykreślenie charakterystyki dla wybranej częstotliwości wraz z funkcją n cos ( θ ) na wspólnym wykresie dla odpowiednio dobranego n (odpowiednie n można wyznaczyć np. na podstawie kryterium minimalizacji błędu średniokwadratowego) Powyższą procedurę powtarzamy dla drugiego pliku i wyznaczamy w ten sposób drugi współczynnik, tj. m. Wyznaczone współczynniki powinny być rzeczywiste i na ogół inne dla każdej częstotliwości. - 2 -
Wyniki aproksymacji uzyskane dla wszystkich konwerterów należy podsumować we wspólnej tabeli. W tabeli należy również zamieścić poziomy oryginalnych charakterystyk promieniowania promienników dla kąta oświetlenia wyznaczonego na podstawie pomiarów krzywizny reflektora (poziomy te można wykorzystać jako kryterium wyboru promiennika patrz literatura [12]). W oparciu o przygotowaną tabelę wybieramy promiennik. Etap II: Obliczenia charakterystyk promieniowania anteny parabolicznej za pomocą programu OF.mcd Jeżeli promiennik umieszczony jest w ognisku reflektora, to do obliczeń należy wykorzystać skrypt OF.mcd. Jeśli natomiast jest wysunięty poza ognisko, to należy użyć skryptów OF1.mcd lub OF2.mcd. Krótkie opisy wymienionych skryptów znajdują się w Dodatku I. Obliczenia przeprowadzamy dla dwóch głównych przekrojów reflektora, tj. dla Φ = 0 i Φ =π 2, oraz dla każdej z 3 częstotliwości, dla których wyznaczaliśmy m i n. Charakterystyki promieniowania obliczać tylko w otoczeniu listka głównego (z reguły wystarcza zakres kątowy ±10, krok obliczeń nie większy niż 0.2 ). Na zakończenie obliczeń należy: - wyznaczyć kąty połowy mocy dla każdej obliczonej charakterystyki promieniowania w polaryzacji podstawowej (wyniki zestawić w formie tabeli), - porównać na wspólnym wykresie obliczone charakterystyki promieniowania z normami CCIR (dla każdej z 3 częstotliwości oraz dla obu polaryzacji). 3. Zawartość sprawozdania Sprawozdanie należy przygotować zgodnie z zaleceniami przekazanymi przez prowadzącego na zajęciach wprowadzających (patrz również strona internetowa). Sprawozdanie powinno zawierać (oprócz elementów formalnych): - dołączony do sprawozdania autoryzowany przez prowadzącego protokół relacjonujący przebieg ćwiczenia oraz zawierający wyniki pomiarów reflektora parabolicznego w dwóch jego przekrojach, - wyniki obliczeń za pomocą skryptu PARABOLA.mcd (wystarczy podać tylko dane wejściowe do obliczeń oraz obliczone parametry geometryczne), - wyniki obliczeń za pomocą skryptu SOLVE.mcd, - tabele z danymi opisującymi charakterystyki wybranego w ćwiczeniu promiennika, - wyniki aproksymacji charakterystyk promieniowania, tj. listing skryptu z procedurą aproksymującą w załączniku do sprawozdania oraz tabelka z wartościami m i n dla kolejnych częstotliwości, - wyniki obliczeń za pomocą skryptu OF.mcd, tj. tylko wykresy, - tabelka z wartościami kąta połowy mocy θ 3dB w dwóch płaszczyznach dla kolejnych częstotliwości, - 3 -
- wspólne wykresy norm CCIR i obliczonych charakterystyk promieniowania badanej anteny, - oszacowanie zysku energetycznego anteny za pomocą co najmniej dwóch różnych zależności (patrz literatura), - wnioski końcowe należy stwierdzić, czy antena spełnia te normy (a jeśli nie, to z jakiego powodu). UWAGA: do sprawozdania nie wolno kopiować wykresów ani wydruków generowanych przez skrypty MathCad-a. 4. Wymagane przygotowanie Każdy student w grupie ćwiczeniowej musi być przygotowany do zajęć i mieć opanowany zakres wiedzy teoretycznej związanej z realizowanym ćwiczeniem. W ćwiczeniu wymagana jest znajomość następujących zagadnień (patrz literatura w pkt.6): - budowa i zasada działania anteny reflektorowej (parabolicznej, symetrycznej i niesymetrycznej), w tym rodzaje anten reflektorowych (przy omawianiu zasady działania można się posłużyć podejściem stosowanym w optyce geometrycznej), - geometria anteny parabolicznej (opis istotnych wielkości: układ współrzędnych, osie i kąty), - budowa i parametry promiennika oraz jego wpływ na parametry anteny; praktyczne sposoby montażu promiennika w antenie, - porównanie parametrów elektrycznych i mechanicznych anteny parabolicznej symetrycznej i podświetlanej o tej samej średnicy reflektora, np. 1.5 m (koniecznie podać przybliżone zależności do szacowania zysku energetycznego anteny na podstawie jej średnicy oraz na podstawie szerokości kątów połowy mocy). UWAGA: ostatni z wymienionych punktów grupa przedstawia prowadzącemu w formie pisemnej. 5. Pomoce do ćwiczenia Programy (pliki *.mcd) wykorzystywane do obliczeń są dostępne pod hasłem POMOCE na stronie internetowej Laboratorium Anten. 6. Literatura [1] D.J. Bem, Anteny i rozchodzenie się fal radiowych, WNT Warszawa 1973. [2] D.J. Bem, Radiodyfuzja satelitarna, WKiŁ, Warszawa 1990. [3] C. Balanis, Antenna theory: analysis and design, 2nd ed., John Wiley & Sons, Inc., New York, 1997. - 4 -
[4] R.S. Elliott, Antena theory and design, 2nd. ed., IEEE Press/Wiley-Interscience, John Wiley & Sons, Inc., New Jersey, 2003. [5] R.E. Collin, F.J. Zucker, Antenna theory, McGraw-Hill Book Co., Inc., New York, 1969. [6] H. Jasik, Antenna engineering handbook, McGraw-Hill Book Co., Inc., New York, 1961. [7] T. Milligan, Modern antenna design, IEEE Press/Wiley Interscience, John Wiley & Sons, Inc., 2005. [8] P. Lepper, Technika telewizji satelitarnej (tłum. z niem.), Wyd. HAPRO, Gliwice 1991. [9] M. Kolasiński, Antena podświetlana do telewizji satelitarnej w zakresie 10.95-11.7 GHz, Raport I- 28/S-038/90. PWr., Wrocław 1990. [10] R. Walęga, P. Tokarski, Parametry geometryczne i charakterystyka promieniowania anteny parabolicznej podświetlanej, Raport I-28/S-029/93, PWr., Wrocław 1993. [11] W.J. Krzysztofik, Z. Langowski, D. Grabarczyk, Zbiór programów wyznaczających geometrię podświetlanej parabolicznej anteny jednoreflektorowej, Raport I-28/SPR-/91, PWr., Wrocław 1991. [12] Książka zamieszczona na stronie internetowej: http://www.ece.rutgers.edu/~orfanidi/ewa/ - 5 -
Program PARABOLA.mcd Dodatek I Krótkie opisy programów do ćwiczenia nr 3 Dane: a - długość małej osi elipsy (apertury anteny) w [mm]; b - długość dużej osi elipsy (apertury anteny) w [mm]; z oo - głębokość reflektora (rys. 1) dla x=y=0 w [mm] (rys. 1). Obliczane są współczynniki A, B, C, P, E ogólnego równania powierzchni paraboloidy: A x 2 + y 2 + Bz 2 + Cxz + Pz + E = 0 oraz wartości θ o, θ *, F/D, długość wspornika i promień anteny wolny od zacienienia apertury OA i OAp. Uwaga: Obliczać tylko do uzyskania kątów θ o, θ * oraz wartości OA i OAp. Dalsze obliczenia po komentarzu Następnym krokiem jest... nie są już potrzebne (tekst w skrypcie). Program SOLVE.mcd Służy do zweryfikowania wyników uzyskanych programem parabola.mcd. Dane: plik z dwoma kolumnami liczb x i i z i, tj. z wynikami pomiaru głębokości reflektora z rys. 1 dla y=0. Przykładowy plik z danymi to z dane.prn. Ważne jest, aby wartości x obejmowały przedział [A ; B ] (układ współrzędnych jak na rys. 1) i by w jego środku znajdowało się zero (liczba A ujemna, B dodatnia). Skrypt oblicza współczynniki A, B, C, F, P, E innego równania: Ax 2 + Bz 2 + 2Cxz + 2Fx + 2Pz + E = 0, które można porównać z wynikami skryptu PARABOLA.mcd dla ustalonego E lub dla F=0. Należy w programie samemu dokonać wyboru poprzez wyłączenie z obliczeń odpowiedniego równania. (uwaga: F nie jest teraz ogniskową, tylko współczynnikiem równania paraboloidy). Następnie program aproksymuje otrzymane równanie z min. błędem średniokwadratowym i podaje wykresy aproksymowanego przekroju i błędu, tj. różnicy między powierzchnią faktycznej paraboloidy (zmierzonej) a powierzchnią idealną. W razie potrzeby można zmienić granice x i celem uzyskania lepszego wykresu końcowego. Rys.1. Niesymetryczny wycinek paraboloidy - antena offsetowa w układzie współrzędnych XYZ. - 6 -
Program OF.mcd Oblicza unormowaną charakterystykę promieniowania anteny offsetowej (podświetlanej) w układzie współrzędnych (θ,φ) dla ustalonego Φ. Zakładamy, że źródło oświetlające ma charakterystyki promieniowania w dwóch przekrojach aproksymowane funkcjami cos n Φ' m i cos θ '. Dane: f - częstotliwość [Hz] F - ogniskowa reflektora [m]; θ g - kąt oświetlenia anteny [stopnie], θ o - kąt podświetlenia anteny [stopnie], Φ - kąt ustalający płaszczyznę (przekrój) obliczanej charakterystyki [radiany], m i n - dwie liczby całkowite lub rzeczywiste określające rząd charakterystyki konwertera (źródła oświetlającego reflektor). Uwaga! Powinien być spełniony warunek: θ o > θ g. Jeśli jest odwrotnie, oznacza to, że źródło oświetlające będzie częściowo zasłaniało aperturę, a antena będzie miała gorszy zysk i być może nie spełni normy CCIR. Dodatkowo za pomocą liczb ł i kr można określić podział kąta ω (ω θ), w funkcji którego obliczana będzie charakterystyka promieniowania. Oprócz charakterystyki podstawowej (zapisanej ostatecznie jako M ł,1 ) obliczana jest także cha-ka ortogonalna (M ł,2 ), ale tylko dla przekroju Φ=π/2 przyjmuje ona realne wartości (tzn. nie mniejsze niż -100 db). Wyniki obliczeń otrzymuje się na wykresie i w postaci pliku (nazwę pliku należy zmieniać przed rozpoczęciem nowych obliczeń!). Obliczenia trwają długo. Na komputerze z zegarem 1400 MHz przy zmiennych 0 ł 100 i kr = 0.2 (co odpowiada przedziałowi kąta θ [-10 ;+10 ] z krokiem 0.2 ) czas obliczeń wynosi ok. 10 minut. Im argument ω bardziej oddala się od zera, tym dłuższy czas obliczeń. Programy OF1.mcd, OF2.mcd oraz OF_F.mcd Założenia i dane - jak do programu OF.mcd. Dodatkowo można podać t i z [m] - przesunięcia źródła oświetlającego poza ognisko. W programie OF2.mcd normowanie obliczonej charakterystyki odbywa się inaczej, natomiast OF_F.mcd umożliwia obliczenie charakterystyk promieniowania w strefie pośredniej - podaje się dodatkowo odległość r [m] od anteny. Obliczenia trwają jeszcze dłużej. - 7 -
Dodatek II Charakterystyki promieniowania w głównych płaszczyznach dostępnych konwerterów (do ćwiczenia nr 1) - 8 -
- 9 -
- 10 -
- 11 -
- 12 -
- 13 -