Необходимость определения полосы пропускания АУ по чувствительности (а не по мощности) имеет место тогда, когда именно коэффициент эффективности, а не коэффициент усиления определяет ее работоспособность. Таким образом, полосу пропускания в зависимости от соотношения уровней внешних шумов, шумов усилителя в АУ и шумов приемника, можно определять в качестве автономного параметра АУ как полосу пропускания по мощности или полосу пропускания по чувствительности (последняя определяется с учетом шумовых характеристик внешнего пространства и приемника). При большом усилении активной схемы полезным параметром является полоса пропускания по шуму [10, 81, 82], которая определяется из условия (Т'ва+Т'у)<2Г, .где Г - шумовая температура внешнего пространства, а (Гэа + + Ту)--эффективная шумовая температура АУ, приведенная к внутреннему сопротивлению собственно антенны. Полосу пропускания АУ в самом общем виде как параметр, определяемый чувствительностью приемной системы в диапазоне частот, практически целесообразно определить как полосу пропускания ио коэффициенту эффективности, т. е. как полосу частот, в которой Кэ превышает заданное значение (обычно единицу). При таком определении полоса пропускания по мощности будет совпадать с полосой пропускания но /Сэ, когда последний совпадает с коэффициентом усиления АУ Goth ау относительно эталонной (опорной) антенны.

Коэффициент эффективности использования АУ в приемной системе является параметром, окончательно определяющим качество АУ (как законченного устройства) по усилительным и шумовым характеристикам для работы его в данной пр.иемной системе.

Усилительные и шумовые характеристики АУ безотносительно к какой-либо приемной системе можно характеризовать раздельно автономными параметрами; коэффициентом усиления Gay и эффективной шумовой температурой Гау, которые определены в гл. 3. Раздельные характеристики усилительных и шумовых свойств Gay (или GoTiiay) И Гау (или Тда + Ту) целссообразно применятьдля оценки качества АУ в тех случаях, когда они предназначены для работы в приемных системах с нерегламснтированными характеристиками. По результатам измерений Сотнау и Гау можно определить меру шума АУ отросительно опорной антенны. Действительно,

Используя выражения (3.25) и (3.27), представим выражение (5.6) в виде:

Afay== ( Гау/ Goth ay-Та on) / (1 - 1 / Goth ay). (8.1)

Величина May численно равна эффективной шумовой температуре части приемной системы, расположенной за АУ (приемника с линией передачи), выше которой использование АУ дает выигрыш в чувствительности приемной системы относительно использования в ней антенны, выбранной в качестве опорной. Отметим, что при Тв.уIGoTiiау<Твon и GoTHay>l использование АУ улучшает чувствительность приемной системы с любым, сколь угодно чувствительным приемником (ио сравнению с чувствительностью этой системы с опорной антенной).

Наоборот, если GoTHay<l и Т'ау/Goth ауТ'э ОП, ТО АУ

В любом случае ухудшает чувствительность приемной системы. Последнее понятно из тех соображений, что усилитель в АУ вносит в приемную систему дополнительный шум.

Как указывалось в гл. 5, если опорная антенна и собственно антенна в АУ идентичны по параметрам (Тдоп-Тэа, Ga=Gon), ТО мсра шума АУ переходит в шумовое число усилителя My (5.1).

В отличие от коэффициента эффективности, мера шума является автономным параметром, который характеризует как усилительные, так и шумовые свойства АУ. При этом ее диапазонные свойства можно характеризовать полосой пропускания по мере шума относителыго опорной антенны. Например, если мера шума некоторой АУ относительно полуволнового вибратора не больше 1000К в полосе частот А/, то во всей этой полосе частот использование данной АУ будет улучшать чувствительность приемной системы с приемниками, у которых Гпр>1000К.

Обобщая результаты рассмотрения, следует признать наиболее целесообразной следующую группировку параметров АУ:

- автономные параметры, определяющие собственные характеристики АУ,

- относительные параметры, характеризующие качества АУ относительно эталонных (опорных) антенн,

- комплексные параметры, характеризующие АУ с точки зрения работы в приемной системе.

к afetoiioMHbiM парймётраМ относй1ся диаграмма йа правленности, поляризационные характеристики, коэффициент направленного действия, динамический диапазон по перекрестной и взаимной модуляции, коэффициент стоячей волны, измеренный на выходе АУ, коэффициент усиления (Gay), эффективная шумовая температура (Lay), к относительным параметрам принадлежат относительный коэффициент усиления (GoTnay) и мера шума (May) относительно опорной антенны. Полосой пропускания АУ, учитывающей ее усилительные и шумовые свойства относительно опорной антенны, является полоса пропускания по мере шума. К комплексным параметрам относится коэффициент эффективности использования АУ, значение которого в общем случае является окончательным критерием качества АУ по усилительным и шумовым свойствам. Наиболее общей с этой точки зрения является и полоса пропускания по коэффициенту эффективности, которая может быть измерена так же просто, как и Кв- Очевидно, полоса пропускания по мере шума совпадает с полосой пропускания по Kg, если последняя определяется для приемной системы с учетом приемника, чувствительность которого равна тому значению меры шума, по которому определяется полоса пропускания АУ.

8.2. ИЗМЕРЕНИЕ КОЭФФИЦИЕНТА ЭФФЕКТИВНОСТИ И ОТНОСИТЕЛЬНОГО КОЭФФИЦИЕНТА УСИЛЕНИЯ

Для определения коэффициента эффективности (см. гл. 3) сравнивают отношения сигнал/шум на выходе приемной системы с антенной-усилителем и с опорной антенной. Он характеризует выигрыш (или проигрыш) от использования АУ вместо опорной антенны в конкретной схеме. Поэтому при измерениях необходимо использовать то радиоприемное устройство, в котором данная ЛУ будет использована, или такой приемник (с линией передачи), который нормирован по чувствительности и согласованию соответственно реальному радиоприемному устройству. Например, если норма иа предельную чувствительность реального приемника 1 мкВ. при полосе пропускания канала (ио ПЧ) 40 кГц, то эффективная шумовая температура Тпр составит (из выражения Ujsp=4kTrrpAfRTip) около ЮООК; следовательно, при измерениях можно использовать любой измеритель-

Мый приемник, чувствительность которого устаиавлйва* ется (например, регулировкой его усиления) на величину Ь'2ипр=4/гГпрД;/ипрРипр. Если на практике чувствительность реального приемника будет лучше нормы (1 мкВ), то реальный Кэ при этом уменьшится, хотя чувствительность приемной системы с АУ улучшится. Поэтому при измерениях Кэ желательно использовать именно нормированную по чувствительности аппаратуру. Величина Кэ является более полной характеристикой АУ по сравнению с коэффициентом усиления Gay (или GoTHay) и совпадает с ним по значению теоретически только при очень больших Тпр .или шумах внешнего пространства, поступающих в АУ (и опорную антенну). Практические измерения показывают в каждом конкрет-гюм случае, насколько Кэ близок к Сотнау (как например, на рис. 7.6) и при каких чувствительностях аппаратуры можно ограничиться измерением Сотнау-

Перейдем непосредственно к методике измерения коэффициента эффективности. Количественно его можно определить как квадрат отнощения чувствительности приемной системы с опорной антенной к чувствительности приемной системы с АУ:

Кэ={Еоп1Еау) (8.2)

Как видно, Кэ не зависит от того, рабочая или предельная (по отношению сигнал/шум) чувствительность приемной системы имеется в виду. Это значительно упрощает измерения.

Перепишем формулу (8.2) в виде:

101g/<,=20lg(£oH/£o)-201g(£ay/£o), (8.3)

где Ео-удобный для отсчета произвольный уровень напряженности поля.

Таким образом, Кэ в децибеллах определяется разницей относительных напряженностей полей, ггеобходи-мых для обеспечения на выходе линейной части приемной системы заданного отношения сигнал/шум.

При линейном передающем тракте (генератор - линия передачи - передающая антенна) Кэ определяется разницей уровней выходной мощности генератора в децибеллах, необходимых для обеспечения на выходе линейной части приемной системы заданного отношения сигнал/шум. Обычно при .измерениях это отношение задается равным 2. Рассмотрим схему измерения Кэ

(рис. 8.1). Регулировка уровня сигнала при измерениях осуществляется в передающем тракте калиброванным аттенюатором генератора или отдельным калиброванным аттенюатором, включенным в линию передачи, так как регулировка уровня сигнала в приемном тракте связана с изменением чувствительности измерительного приемника. Чувствительность (шумовая температура) измерительного приемника перед измерениями должна быть установлена равной чувствительности профессионального приемника, для которого разрабатьшается АУ. Во всех случаях, когда это возможно, более целесообразно использовать именно профессиональный приемник, чувствительность которого должна быть равной заданной для данной аппаратуры, как и длина линии передачи (затухание в линии передачи) между испытуемой АУ и этим приемником. Методика измерения /Сэ следующая.

На стенде (Ст1) устанавливается эталонная (опорная) антенна и ориентируется максимумом диаграммы направленности на передающую антенну (ПА). Установка настраивается на частоту измерения, после чего генератор (Г) выключается. С помощью вольтметра (В) фиксируется уровень шума на выходе приемной системы с опорной антенной. Затем включается генератор и б передающем тракте с помощью аттенюаторов (Ат) устанавливается затухание Аоп такое, чтобы показания вольтметра превысили замеренный уровень шума в 2 раза (в общем случае в а раз).После этого вместо опорной антенны на стенде устанавливается АУ и процесс измерений повторяется, причем при измерении включается блок питания (БП) и ио миллиамперметру (мА) контролируется потребляемый АУ ток. Если обо-

Г - /1т

авп

Рис. 8.1. Схема измерения коэффициента эффективности АУ

значить затухание аттенюаторов в передающем тракте при измерениях с АУ через Аау, то

Кэ=Аау-Аоп [дБ]. (8.4)

При измерениях необходимо контролировать постоянство уровня выходной мощности генератора.

На рис. 8.1 УВП означает устройство ввода питания в линию передачи, различные конструкции которых описаны в § 7.5. В качестве измерительной аппаратуры в диапазонах частот 30 ... 1000 МГц можно применять генераторы типа Г4-107А, Г4-8, приемники Х4-4, П5-1, П52, SMV-7(8), вольтметры В7-17, ВЗ-13 и др.

Измерения относительного коэффициента усиления *-Отн ау (эффективности) проводятся по той же структурной схеме. Чувствительность измерительного (или профессионального) приемника должна быть при этом ухудшена настолько, чтобы уровень щумов, фиксируемый на его выходе, не изменялся при замене опорной антенны на АУ или чтобы этот уровень не изменялся при включении питания АУ. Обычно для измерения Goth ay достаточно ввести в линию передачи между испытуемой АУ и приемником затухание порядка 10 ... 30 дБ. Необходимо иметь в виду, что введение слишком большого затухания может вызвать необходимость работы при уровнях напряженности поля у АУ, выводящих ее в нелинейный режим. При измерении относительного коэффициента усиления (и коэффициента эффективности) необходимо учитывать еще то, что фазовые центры АУ и опорной антенны при установке их на стенде могут не совпадать. Если измерения проводятся в безэховой камере, то это не столько существенно, однако в других случаях ка сигнал, принимаемый опорной антенной ir АУ, по-разному будет влиять подстилающая поверхность.

Точность измерений в условиях открытых площадок можно увеличить, если усреднить показания, изменяя высоту расположения передающей антенны.

8.3. ИЗМЕРЕНИЕ ДИАГРАММ НАПРАВЛЕННОСТИ И ПОЛЯРИЗАЦИОННЫХ ХАРАКТЕРИСТИК

В основе измерения диаграмм направленности и поляризационных характеристик АУ лежат традиционные методы измерения аналогичных параметров обычных

пассивных антенн. Некоторые особенности измерения состоят в следующем:

- вследствие неприменимости к АУ принципа взаимности измерения можно производить только при работе исследуемой АУ в реальном режиме - режиме приема,

- измерительные установки необходимо дополнить устройствами, с помощью которых можно осуществить питание активных элементов в АУ,

- чувствительность измерительного приемника должна быть ухудшена настолько, чтобы шумы усилителя в АУ не регистрировались индикатором приемника.

Определенные методологические трудности связаны на практике с учетом влияния подстилающей поверхности при измерении поляризационных характеристик. Опыт разработки и исследований АУ показывает, что такие измерения целесообразно производить путем фиксации одного и того же показания индикатора приемного устройства измерительной установки при изменении мощности генератора. Вывод расчетных соотношений, позволяющих на данной частоте учитывать различные условия распространения поляризационных составляющих векторов поля передающей измерительной антенны, рассмотрим для измерения кросс-поляризационной составляющей вектора поля горизонтально линейно-поляризованной АУ. Для этого используем две идентичные антенны (например, полуволновые вибраторы), одна из которых в дальнейше-м применяется в качестве liepe-даюихей антенны измерительной установки. При размещении антенн горизонтально относительно подстилающей поверхности (рис. 8.2,а) мощность сигнала, поступающая в приемное устройство 4,

Рг пр = Л Gr nepGr пр-Рг пер, (8.5)

где А - коэффициент пропорциональности, учитывающий в том числе и условия распространения горизонтально поляризованной волны в присутствии подстилающей поверхности, над которой на высоте h установлены антенны / и Grnep, Grnp -коэффициент усиления передающей и приемной антенны для такого расположения, Ргпер - выходная мощность генератора 3.

При размещении антени вертикально относительно подстилающей поверхности (рис. 8.2,6) мощность сигнала, поступающая в приемное устройство,

jPBi3p=.BGBnepGBiipjPBnep, . (8.6)

где В - коэффициент пропорциональности, учитывающий в том числе и условия распространения вертикально поляризованной волны в присутствии подстилающей поверхности при прежней высоте h расположения антенн / и Се пер, Свпр - коэффициснты усилсния передающей и приемной антенны для такого расположения, Явпер - выходная мощность генератора.

При замене в схеме на рис. 8.2 приемной антенны / на испытуемую АУ мощность сигнала, поступающая в приемное устройство, определяется для горизонтального и вертикального положения передающей антенны / следующими соотношениями:

Ргпр=ЛСгперСг ауРгпер, (8-7)

Рвпр=5СвперСвауРвпер, (8-8)

где Gray И Свау - коэффициснты усиления АУ для горизонтально и вертикально поляризованной составляющей вектора поля, Ргпер, Рв пер - выходная мощность генератора при измерениях испытуемой АУ.

Кросс-поляризованную составляющую вектора поля испытуемой АУ можно рассчитать исходя из соотношений (8.7) и (8.8) с учетом соблюдаемого при измерениях равенства

Рг Пр=Рв Пр=Рг П15=Рк пр . , (-9)

следующим образом:

г вау GpnepPrnep /о,п\

t = i7---STj-5- (p.W)

т ay --в пер'в пер

Учитывая, что передающая и приемная антенны одинаковы, уравнения (8.5) и (8.6) можно записать:

5, р=ЛС2гРгпер. (8.11) где Сг=Сгпер=Сгпр;

Лпр-С^вЛпер, (8.12) Св=Св пер=Св пр.

Из выражений (8.11) и (8.12) с учетом равенства (8.9) находим:

/Gbnep/CrPpncp. (8.13)

Используя выражение (8.13), получаем соотношение для измеряемой величины

. в пер Рт пер

впер р

(8.14)

5 2

v y /

y /7/W> } /7y y,.

Рис. 8.2. Схема измерения поляризационных характеристик:

1, 1 - антенны, 2 - аттенюатор, 3 - генератор, 4 - приемник

ИЛИ

C=10Ig

Рв пер f г пер

в пер пер G,

(8.15)

При Gn=Gr расчетное соотношение несколько упрощается:

C=101g

в пер

пер

D пер пер

[дБ].

Таким образом, фиксируя выходную мощность генератора (или показания аттенюатора 2, рис. 8.2) при четырех последовательных измерениях, по выражению (8.15) определяется искомая кросс-полярйзационная составляющая вектора поля АУ.

Результаты проведенного анализа позволяют непосредственно получить соотношение для угла наклона плоскости поляризации АУ при измерениях в условиях влияния подстилающей поверхиости:

С = arctg

/р р \

пер г пер \Рв пер Рг пер'

(8.16)

Рассмотренные соотношения полезны при измерении поляризационных характеристик в условиях, например, открытого полигона.

8.4. ИЗМЕРЕНИЕ ШУМОВОЙ ТЕМПЕРАТУРЫ

АНТЕНН-УСИЛИТЕЛЕЙ

Чувствительность приемных устройств обычно характеризуется шумовой температурой, приведенной ко входу первого каскада усиления, и с этой точки -зрения

шумовые характеристики АУ логично определять в сечении между собственно антенной и активной схемой (рис. 8.3). Шумы в этом сечении складываются из принятых собственно антенной шумов внешнего пространства (Гэа) и шумов активной схемы, характеризуемых эффективной шумовой температурой Ту (приведение к сечению а - а), т. е.

Гаа=Гэа+Гу. (8.17)

Шумовая температура на выходе (Гау) связана с То известным соотношением Tay=GyTaa, где Gy -номи нальный коэффициент усиления активной схемы (от сечения а - а к согласованной нагрузке).

При измерении Таа можно использовать методы измерений и аппаратуру, применяемые при исследовании шумовых параметров активных четырехполюсников.

Наиболее широкое применение в выпускаемых промышленностью измерителях коэффициента шума (ИКШ) получил модуляционный метод, который позволяет увеличить чувствительность измерительной установки. При использовании серийных ИКШ измерение коэффициента шума активных четырехполюсников сводится к калибровке шкалы измерителя и последующему определению коэффициента шума по показаниям ИКШ при выключенном ГШ. Модуляция (включение и выключение) генератора шума осуществляется с помощью модулятора МГШ. Так как коэффициент шума считывается при выключенном ГШ, то изложенный принцип измерений в полной мере можно применить и для определения Таа-

Рассмотрим порядок измерения температуры шума АУ МВ и ДМВ диапазонов модуляционным методом (рис. 8.3).

Режим калибровки измерителя коэффициента шума проводится согласно инструкции по эксплуатации прибора ИКШ-1 при последовательном включении следую-ишх приборов: генератора шума, трансформатора полных сопротивлений ТПС-1, дополнительного активного элемента (АЭ1) и непосредственно ИКШ. Если рабочая частота АУ лежит вне диапазона ИКШ-1, необходимо применить измерительный приемник (Пр), промежуточная частота которого лежит в рабочем диапазоне этого ИКШ. Особенностью регкима калибровки АУ является необходимость применения трансформатора полных сопротивлений ТПС-1 и дополнительного АЭ1. Перед ка-