Феслер П.Г, научный сотрудник лаборатории измерения характеристик антенн ООО «НПП НИФРИТ», помощник хранителя Государственного эталона П1-531
В настоящее время на российском рынке представлены антенны биконические измерительные в частотном диапазоне от 9 кГц до 2,5 ГГц в основном трех производителей. Это ООО «РусИнтелл», ООО «Измериловка» и ООО «НПП НИФРИТ». Антенны каждого из производителей имеют свои достоинства и свои недостатки.
Замечания, представленные в этой статье, могут помочь потребителям данной продукции выделить те метрологические и технические характеристики антенн, которые конкретный потребитель сочтет для себя наиболее важными.
ООО «РусИнтелл» представляет три антенны: АИ5-0, АИ5-1, АИ5-3. Первые две антенны на рынке более 20 лет без конструктивных изменений. Долгое время антенны АИ5-0 и АИ5-1 были безальтернативны и сыграли важнейшую роль в обеспечении измерительных и испытательных лабораториях по всей стране. В их достоинствах простота конструкции, высокая надежность и невысокая стоимость. Однако существенным недостатком этих антенн является то, что питание осуществляется через сетевой адаптер и устройство развязки. При такой схеме сетевые помехи, особенно низкочастотные, вызываемые импульсными источниками питания, пролезают на усилитель, интегрированный с антенной и избавится от них порой непросто. Кроме того, основная антенна АИ-5-0 по паспортным значениям коэффициента калибровки не соответствует современным требованиям и вероятно поэтому она не проходила испытания в целях утверждения типа.
Антенна АИ5-3 конструктивно прямая наследница предыдущих версий, вобравшая в себя родовые особенности АИ5-0 и ее характеристики удовлетворяют современных требований к активным антеннам. Однако, в описании типа на АИ5-3 не нормирована шумовая характеристика, а также нормировано выходное сопротивление антенны как «номинальные 50 Ом». При грубых оценках, при КСВ более 3,0 только погрешность за счет рассогласования даст составляющую погрешности измерения коэффициента калибровки антенны более ±2 дБ, не говоря о других составляющих. Таким образом, с точки зрения любого метролога, работающего с АИ5-3, достоверность измерений необходимо подкреплять дополнительными исследованиями характеристик антенны, но уже самостоятельно и за свой счет.
ООО «Измериловка» представляет на рынке антенны АИГ-2М, АИГ-6М, АИГ-12М. Антенны АИГ-6М, АИГ-12М являются гибридными, работающими в диапазоне частот от 9 КГц до 2, до 6 и 12 ГГц соответственно. К достоинствам антенны можно отнести их малые габариты и удобно организованное питание (два заменяемых аккумулятора серии 18650).
Гибридными антенны называются в связи с тем, что их принципиальная схема складывает сигналы, идущие от двух антенн: от дипольной антенны и от логопериодической. Расчетный замысел антенн заключается в том, что от 9 КГц до 2 ГГц в этих антеннах работает диполь, а выше, до 6 или до 12 ГГц, работает логопериодическая. При этом, оконечный усилительный каскад для обеих антенн общий. Как следствие, такая антенна имеет несколько фундаментальных недостатков.
- Поскольку частотная характеристика дипольной антенны, кроме выраженного резонанса, имеет последовательный ряд кратных «малых» резонансов на высших частотах с расщеплением диаграммы направленности на два, четыре и т.д. максимумов и все эти резонансы складываются с диаграммой логопериодической антенны, то суммарная диаграмма направленности в дальней зоне этих антенн на частотах выше 2 ГГц не имеет выраженного основного лепестка. В связи с эти, максимум диаграмм направленности на частотах выше 2 ГГц, далеко не на всех частотах совпадают с геометрической осью симметрии антенны. А любая поверочная лаборатория, в соответствии с методикой поверки, будет проводить измерения относительно геометрической оси и приписывать значение коэффициента калибровки именно относительно геометрической оси. Метролог, работающий с антеннами АИГ-6М и АИГ-12М не может быть уверен, что он достоверно измеряет уровни сигналов, идущих напрямую от объекта исследований, или суперпозицию сигналов, идущих от объекта и от отражающих поверхностей (пол или потолок) при том, что при некоторых угловых положениях максимум диаграммы направленности может быть ориентирован на отраженный помеховый сигнал.
- В связи с вышеизложенными техническими особенностями антенн АИГ-6М, АИГ-12М, возникает еще один немаловажный аспект: поскольку дипольная и логопериодическая антенны под кожухом антенны разнесены на 15 см, а их сигналы складываются, то и фазовый центр является результатом сложения фазовых центров двух антенн. При этом фазовый центр на каждой частоте не будет локализован, а будет представлять собой неопределенную область, размером, соответствующем размеру кожуха антенны. Такая неопределенность положения фазового центра при поверке при размещении поверяемой антенны от излучающей на расстоянии до 3 м может внести дополнительную погрешность измерения. Именно поэтому в методике поверки зафиксировано расстояние, при котором проводится поверка равное 5 м. А поскольку не все поверочные лаборатории имеют такую рабочую зону, погрешность значения коэффициента калибровки может превышать указанную в описании типа погрешность ±2 дБ.
Даже, если предположить, что поверочная лаборатория приписала правильные значения коэффициента калибровки, измерять такой антенной сигналы достоверно можно только от объектов, находящихся в дальней зоне антенны, а это не менее 3 м.
Следует отметить, что биконическая антенна, входящая в структуру антенн АИГ, измеряет суперпозицию бегущей и стоячей волны. Логопериодическая же антенна — это антенна бегущей волны. Гибридное смешение антенн, измеряющих разные по структуре поля, создает дополнительные неопределенности измерения напряженности поля (особенно на закрытых измерительных площадках, на которых достаточно переотражений), вычислить которые не всегда представляется возможным. Именно поэтому, подобные гибридные антенны не выпускаются ответственными производителя ни в одной стране мира и их свойство называться измерительными весьма условно. - Еще один немаловажный метрологический фактор антенн АИГ-2М, АИГ-6М, АИГ-12М это симметричность их частотной характеристики при повороте антенн относительно их оси симметрии на 180°. Конечно, при испытаниях в целях утверждения типа, такая характеристика не указана ни в одном типе антенн. Однако, большая разница в значениях коэффициента калибровки при симметричных положениях 0° и 180° дает большую дополнительную погрешность. Как правило, при разнице более чем 2,5 дБ, обеспечить измерение коэффициента калибровки ±2 дБ весьма проблематично.
Таким образом, с точки зрения любого метролога, работающего с АИГ-2М, АИГ-6М, АИГ-12М, достоверность измерений необходимо подкреплять дополнительными исследованиями характеристик антенны на ее симметрию, но уже самостоятельно и за свой счет.
ООО «НПП НИФРИТ» выпускает в настоящее время антенну НБА-02М в частотном диапазоне от 9 кГц до 2.0 ГГц. Эта антенна является наследницей ранее выпускавшейся антенны НБА-02, во многом повторяет ее конструкцию и внесена в реестр средств измерений с характеристиками, удовлетворяющими самым современным требованиям.
Эксплуатация предыдущей версии антенны НБА-02 выявило ряд ее недостатков, таких как слабая устойчивость антенны к транспортным и ударным воздействиям, а также нестабильность значений коэффициента калибровки на частотах от 2.0 до 2.5 ГГц.
В новой версии НБА-02М применены устойчивые к механическим воздействиям биконусы, внутренние элементы конструкции надежно зафиксированы компаундом. Частотный диапазон снижен с 2,5 до 2,0 ГГц, чтобы исключить расщепление диаграммы направленности.
Большое внимание в новой антенне НБА-02М уделено симметрии антенны (значение коэффициента калибровки при симметричных положениях 0° и 180°). Во всем частотном диапазоне ΔК (1/м) не превышает ±0,6 дБ. Это достигается балансировкой входного усилительного каскада, выполненного на полевых транзисторах с двойным затвором.
В целях уменьшения КСВ по выходу антенны разработана новая топология усилителя, а токовый режим выходного каскада подобран таким образом, чтобы с одной стороны получить оптимальное усиление, а с другой минимизировать фазовые шумы.
| F, МГц | АИ5-3 К дБ (1/м) | АИГ-2М К дБ (1/м) | НБА-02М К дБ (1/м) | F, МГц | АИ5-3 К дБ (1/м) | АИГ-2М К дБ (1/м) | НБА-02М К дБ (1/м) |
| 0,009 | 20,9 | 19,5 | 20,0 | 400 | 16,7 | 12,9 | 5,7 |
| 0,01 | 20,1 | 16,4 | 18,8 | 500 | 13,9 | 13,4 | 3,2 |
| 0,02 | 16,7 | 17,8 | 12,1 | 600 | 13,2 | 10,4 | 2,1 |
| 0,05 | 16,5 | 12,8 | 6,7 | 700 | 12,9 | 10,9 | 2,0 |
| 0,1 | 16,2 | 11,3 | 5,4 | 800 | 13,6 | 12,5 | 4,0 |
| 0,2 | 16,0 | 10,1 | 5,2 | 900 | 18,4 | 11,8 | 6,3 |
| 0,5 | 15,6 | 10,1 | 4,9 | 1000 | 22,3 | 14,8 | 9,0 |
| 1 | 15,3 | 9,9 | 4,9 | 1100 | 25,8 | 16,5 | 12,7 |
| 2 | 15,2 | 9,5 | 4,8 | 1200 | 27,6 | 18,4 | 14,5 |
| 5 | 15,4 | 10,2 | 4,7 | 1300 | 30,1 | 21,5 | 15,5 |
| 10 | 15,2 | 9,8 | 4,8 | 1400 | 29,9 | 21,9 | 14,9 |
| 20 | 16,2 | 10,7 | 4,7 | 1500 | 29,3 | 23,7 | 12,8 |
| 30 | 15,8 | 10,8 | 5,3 | 1600 | 30,8 | 24,5 | 12,9 |
| 50 | 16,3 | 11,1 | 4,0 | 1700 | 32,2 | 25,4 | 17,3 |
| 100 | 15,5 | 11,5 | 6,2 | 1800 | 34,2 | 30,9 | 21,9 |
| 200 | 17,5 | 12,1 | 7,3 | 1900 | 36,0 | 31,9 | 27,6 |
| 300 | 16,5 | 12,8 | 7,4 | 2000 | 34,1 | 33,5 | 34,1 |
ООО «НПП НИФРИТ» разработал и изготовил новую антенну НБА-03, работающей в диапазоне частот от 9 кГц до 2,0 ГГц. Характерной особенностью этой антенны является ровная (сглаженная частотная характеристика), КСВН ниже, чем 1,4 во всем частотном диапазоне, симметричность при повороте антенны на 180° не более ± 0,35 дБ (что достигается схемой двойного симметрирования). Такие технические характеристики антенны НБА-03, позволили провести измерения коэффициента калибровки во ФГУП «ВНИИФТРИ» с неопределенностью 0,7 дБ (сертификат калибровки в приложении 1). Таким образом антенну НБА-03 можно использовать как эталонную при прецизионных измерениях напряженности электрического поля, а также использовать как эталон-переносчик при аттестации рабочих эталонов.
ООО «НПП НИФРИТ» разработал и изготовил рабочие эталоны для измерения коэффициента калибровки измерительных антенн в диапазоне частот от 9 кГц до 300 МГц (четырехпроводная линия) и в диапазоне частот от 300 МГц до 3200 МГц (открытая измерительная площадка в полубезэховой камере в которой размещены две стойки с юстировочными механизмами и комплектом излучающих и эталонных антенн).
Наличие собственной эталонной базы позволит ООО «НПП НИФРИТ» выйти на новый качественный уровень контроля метрологических характеристик выпускаемых антенн НБА-02М, позволит проводить метрологический контроль каждой антенны в процессе производства и выпуска продукции.