Электродинамика, антенны и СВЧ-устройства СБЛ

Министерство науки и высшего образования Российской Федерации 

НОВОСИБИРСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ 

 
 
 
 
 
 
Л.В. ШЕБАЛКОВА, В.Б. РОМОДИН 
 
 
 
 
 
 
ЭЛЕКТРОДИНАМИКА,  
АНТЕННЫ 
И СВЧ-УСТРОЙСТВА СБЛ 
 
Учебно-методическое пособие 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
НОВОСИБИРСК 
2020 

 

УДК 537.8:621.396.67(075.8) 
         Ш 361 
 
 

Рецензенты: 

д-р техн. наук В.П. Ющенко 
канд. техн. наук М.М. Кузнецов 
 
 
Работа подготовлена на кафедре автономных измерительных  
управляющих систем и утверждена Редакционно-издательским  
советом университета в качестве учебно-методического пособия 
 
 
Шебалкова Л.В. 
Ш 361   
Электродинамика, антенны и СВЧ-устройства СБЛ: учебнометодическое пособие / Л.В. Шебалкова, В.Б. Ромодин. – Новосибирск: Изд-во НГТУ, 2020. – 75 с. 
 
ISBN 978-5-7782-4142-8 
 
Приведены краткие теоретические и практические сведения по методам измерения характеристик антенн в дальней и ближней зоне, а 
также параметров СВЧ-устройств, представлен цикл работ для дисциплин «Антенны и СВЧ-устройства СБЛ» и «Электродинамика». 
Издание предназначено магистрантам и студентам, обучающимся по 
направлению 27.00.00 «Управление в технических системах» (специализация «Автономные информационные и управляющие системы»), студентам направления 17.00.00 «Оружие и системы вооружения» (специальность 17.05.01 «Боеприпасы и взрыватели», специализация «Автономные системы управления действием средств поражения»).  
 
 
УДК 537.8:621.396.67(075.8) 
 
ISBN 978-5-7782-4142-8  
 
 
 
 
 
© Шебалкова Л.В., Ромодин В.Б., 2020 
© Новосибирский государственный 
    технический университет, 2020 

 

ВВЕДЕНИЕ 

Прогресс в создании крупных сложных и многофункциональных антенных устройств, используемых в радиолокации, радионавигации, радиоастрономии и связи, ставит все более сложные задачи перед теорией 
и техникой антенных измерений. Главные из них – это повышение точности измерений параметров антенн, расширение динамического диапазона достоверно измеряемого уровня бокового излучения, повышение эффективности антенных измерений. 
При испытании антенн необходимо не только зафиксировать их параметры, но также выявить и устранить причину отклонения параметров от требуемых значений. 
Для антенных измерений требуется высокочувствительная и стабильная аппаратура, а также максимальная автоматизация измерительных процессов. В автоматизированных измерительных установках и 
комплексах ведущее место отводится компьютеру, в функции которого 
входит управление процессом измерений, регистрация, обработка и 
отображение полученных данных. 
Для выполнения точных измерений необходимо создавать соответствующее метрологическое обеспечение, в частности эталоны, образцовые и рабочие измерительные средства, методики метрологической аттестации измерительных комплексов. 
Диаграмма направленности (ДН) F(, ) представляет собой нормированную функцию от координат  и  в сферической системе координат с центром, совпадающим с фазовым центром (центром излучения) антенны. Для приемной антенны функция нормированной ДН характеризует относительное изменение интенсивности принимаемых 
сигналов в зависимости от направления прихода сигналов. Для передающей антенны функция нормированной ДН характеризует относительное изменение интенсивности сигналов, излучаемых в различных 

направлениях относительно центра антенны. Диаграмма направленности представляет векторную комплексную функцию, описывающую 
амплитудную, поляризационную и фазовую структуру поля антенны 
в дальней зоне.  
В основном измеряется амплитудная ДН на одной согласованной 
поляризации передающей и приемной антенны. При измерении комплексной ДН проводятся совместные измерения амплитуды и фазы: при 
измерении векторной ДН – измерения амплитуды, фазы и поляризационные параметры в каждом направлении пространства (коэффициент 
эллиптичности и т. д.). 
Для оценки качества антенной системы в ряде случаев достаточно 
проводить измерения ДН вида F(
0
 , ) и F(, 
0
 ). Эти ДН соответствуют взаимно-ортогональным сечениям пространственной ДН, проходящим через направления 
0
,   главного максимума ДН антенны, и 
обычно называются главными сечениями. ДН может быть измерена в 
режиме передачи и приема; наиболее распространен режим приема. 
Чтобы обеспечить измерения в разных сечениях, измерительные комплексы оборудуют опорно-поворотными устройствами, позволяющими 
вращать испытываемую антенну вокруг вертикальной и горизонтальной 
оси, и датчиками углового положения. 
Внешние параметры измеряются в дальней и ближней зоне излучения антенн. К методам дальней зоны относятся наземный, облетный, радиоастрономический и радиометрический, к методам ближней зоны – 
голографический и коллиматорный. Для измерения характеристик зеркальных антенн и ФАР используется метод фокусировки.  
Проанализируем возможности и ограничения этих методов.  
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

1. МЕТОДЫ ИЗМЕРЕНИЙ 
 В ДАЛЬНЕЙ ЗОНЕ 

В методах измерений дальней зоны источник излучения располагается на расстоянии более 

2

Д
2D
R 

, 

где D – диаметр раскрыва испытываемой антенны;  – длина волны излучения.  
Источник излучения формирует в области расположения испытываемой антенны волну со сферическим фронтом. Распределение амплитуды облучающей волны в пределах раскрыва испытываемой антенны 
близко к равномерному, а неравномерность плавно меняющегося фазового распределения не превышает /8. При таких условиях, если пренебречь влиянием земли и окружающих предметов, измеряемые значения 
параметров антенны будут близки к значениям, которые были бы измерены в поле плоской облучающей волны. 
Измерения в дальней зоне позволяют определять большинство 
внешних параметров антенн и в настоящее время наиболее распространены. Эти измерения проводятся при различном расположении антенн 
с используемыми различными источниками излучения и измерительной 
аппаратурой.  
Имеются следующие виды измерений в дальней зоне:  
 наземные на полигоне с источником монохроматического излучения и соответствующими измерительными приемниками или индикаторами; 
 облетные, когда источник излучения или приемник расположен 
на летательном аппарате; 

  радиоастрономические, когда используются естественные источники теплового радиоизлучения или искусственные, располагаемые на 
полигоне. 
Принципиальной проблемой при наземных измерениях является 
учет и уменьшение влияния земли, но это не относится к антеннам, 
максимум ДН которых при работе направлен вдоль поверхности земли 
или под небольшим углом к ней. Отраженная от земли волна в этом 
случае в значительной степени определяет реальные свойства радиосистемы, в составе которой работает антенна, и, следовательно, параметры такой антенны должны измеряться при наличии отражений от 
земли. Их можно уменьшить, используя вспомогательную антенну с 
низким уровнем излучения в сторону земли. При этом обе антенны 
должны располагаться на относительно большой высоте над земной 
поверхностью (поднятый полигон) так, чтобы волна, отраженная от 
земли и попадающая в испытываемую антенну, имела малую амплитуду по сравнению с прямой волной от вспомогательной антенны 
(рис 1). Поднятый полигон применяется для измерения параметров антенн малых и средних размеров. 

 
Рис. 1. Открытый поднятый полигон для антенных измерений 

Наибольшие трудности вызывают измерения в дальней зоне крупногабаритных антенн с большими электрическими размерами раскрыва, 

в особенности с сильно вытянутым раскрывом. Для таких антенн расстояние 
Д
R  может составлять сотни метров, а иногда и десятки километров, а угол между поверхностью земли и направлением на испытываемую и вспомогательную антенну из точки зеркального отражения – 
единицы градусов. Избежать интенсивных отражений при таких углах 
и расстояниях в большинстве случаев невозможно. 
Другой путь ослабления влияния земли состоит в использовании так 
называемого наклонного полигона, на котором одна из антенн располагается на мачте, а вторая – вблизи земли на определенной высоте. Облучающая антенна размещается и ориентируется таким образом, чтобы 
максимум ее ДН в свободном пространстве был направлен в центр испытываемой антенны, а первый минимум ДН – в точку зеркального отражения на земле. В качестве облучающей антенны применяют интерферометр, состоящий из двух одинаковых антенн, расположенных по 
вертикали на определенном расстоянии одна от другой. 
Для ослабления волны, отраженной от земли, на трассе между антеннами устанавливают щиты, которые поглощают или отражают 
волну, идущую от земли в сторону испытываемой антенны. Следует заметить, что при расчете схемы с отраженной волной предполагается 
зеркальный характер отражения от поверхности земли. Для этого необходима тщательная планировка полигона, значительную часть которого 
рекомендуется покрыть металлическими листами. 
Таким образом, для практической реализации наклонного полигона 
необходимо решить ряд сложных технических задач, в том числе выполнить большие и дорогостоящие проектные и строительные работы. 
Закрытые полигоны представляют собой безэховые камеры (БЭК) 
прямоугольной или иных форм, внутренние стенки которых покрыты 
радиопоглощающим материалом для устранения переотражения от стен 
и обеспечения в безэховой зоне заданного малого отражения для имитации свободного пространства (рис. 2). Открытые и закрытые полигоны 
имеют как преимущества, так и недостатки. Открытые полигоны не защищены от воздействия окружающей среды, а закрытые ограничены в 
пространстве. 
Во многих случаях измерения в БЭК позволяют сократить или исключить полностью натурные испытания. Измерения в БЭК свободны 
от различных естественных и искусственных электрорадиопомех благодаря экранировке. Гарантированный малый уровень отраженного сигнала при проведении измерений является основной характеристикой 

безэховой камеры и называется коэффициентом безэховости. Качество 
безэховой камеры характеризуется уровнем отражения в безэховой 
зоне – паразитным отраженным сигналом в безэховой зоне камеры при 
приеме на всенаправленную антенну. 

 
Рис. 2. Безэховая камера 

Разновидность измерений в дальней зоне – это облетные измерения, 
выполняемые с помощью индикаторной антенны, установленной на самолете, вертолете или другом летательном аппарате. При практической 
реализации облетного метода измерений возникает ряд технических 
трудностей, основные из которых: калибровка вспомогательной антенны; измерение в реальном времени координат носителя индикаторной антенны с точностью 0,1…0,02 от ширины главного лепестка ДН; 
движение носителя по заданной траектории; создание математического 
обеспечения для обработки результатов измерений. Эти трудности связаны со спецификой перемещения индикаторной антенны в пространстве. Результат измерения уровня ДН испытываемой антенны зависит 
от ориентации индикаторной антенны относительно направления на испытываемую антенну. Ориентация меняется в процессе полета вследствие эволюции носителя. Для восстановления ДН испытываемой антенны ДН вспомогательной антенны должна быть известна для всех возможных ориентаций носителя. 

Калибровка вспомогательной антенны (ВА) производится путем выполнения полетов с использованием образцовой наземной антенны, работающей в режиме автосопровождения носителя. Погрешность такой 
калибровки может составлять несколько децибел. Расчет ДН индикаторной антенны практически невозможен из-за сложного влияния корпуса носителя. 
Трудности в разработке математического обеспечения результатов 
измерений, полученных облетным методом, обусловлены нерегулярным расположением точек отсчета в поле испытываемой антенны. Для 
восстановления ДН антенны применяются алгоритмы двумерной цифровой фильтрации и интерполяции на основе обобщенного ряда Котельникова. Таким образом, для облетных измерений требуются весьма 
сложные измерительные комплексы и соответствующее математическое обеспечение. Этот способ измерений целесообразно применять при 
испытании уникальных неподвижных антенн. 
Радиоастрономический и радиометрический методы основаны на 
измерении приращения шумовой температуры антенны при приеме сигналов от естественных и искусственных источников радиоизлучения с 
помощью специальных приемников – радиометров. 
При радиоастрономическом методе используется радиоизлучение 
дискретных космических источников радиоизлучения (КИР), при радиометрическом – излучение искусственных источников из поглощающего 
электромагнитные волны материала, а также шумовых генераторов.  
Радиоастрономический метод позволяет измерять ДН, коэффициент 
усиления, шумовую температуру антенны, определять направление 
электрической оси антенны.  
Источниками служат наиболее мощные КИР (Солнце, Луна, Кассиопея, Лебедь-А, Телец-А, Дева-А). Распределение яркостной температуры КИР – это сложная функция угловых координат. Поэтому для аналитического описания шумовой температуры этих источников чаще 
всего используют двумерную функцию Гаусса. 
Радиометрический метод с использованием так называемых «черных 
дисков» – искусственных источников шумового радиоизлучения – дает 
возможность определить кроме перечисленных выше такие важные параметры, как коэффициент рассеяния, КНД и т. п. Черные диски представляют собой щиты, изготовленные из поглощающих электромагнитные 
волны материалов (черное тело). Яркостная температура источника равна 
температуре окружающей среды, т. е. постоянна вдоль диска.  

Существенным ограничением радиоастрономического и радиометрического метода (исключая схему с шумовым генератором) является 
их применимость только к антеннам, которые могут работать в режиме 
приема. Это ограничение не позволяет, в частности, применить эти методы к передающим ФАР и их модулям, а также антеннам, содержащим 
невзаимные элементы. Как и в рассмотренном выше традиционном методе измерений, при определении ДН, КНД и коэффициента усиления 
источник теплового излучения должен находиться в дальней зоне антенны, следовательно, по-прежнему необходим полигон соответствующих размеров. В связи с высокой чувствительностью радиометров радиоастрономический и радиометрический методы измерений подвержены влиянию индустриальных и других видов помех. 
Проблема антенных измерений в настоящее время столь же сложна, 
как и проблема проектирования антенн, поскольку требования к разрабатываемым системам наряду с сокращением сроков разработки стали 
включать в себя в качестве обязательного пункта проведение точных измерений. В настоящее время часто используют методы измерений в 
ближней зоне излучения антенн и методы измерений в частотной и временной области. Эти методы разработаны для преодоления технических 
трудностей, связанных с удаленностью источника излучения от испытуемой антенны при измерениях ее параметров в данной зоне, например, для снижения влияния окружающих предметов на измерение. 
 
 
 

2. МЕТОДЫ ИЗМЕРЕНИЙ В БЛИЖНЕЙ ЗОНЕ 

Существует несколько методов измерения в ближней зоне. Прежде 
всего, амплифазометрический метод, успешно применяемый на практике для определения характеристик небольших антенн и некоторых 
средних по размерам антенн в условиях безэховых камер. 
При использовании этого метода небольшая антенна-зонд перемещается вдоль испытываемой антенны. Для высокоточного перемещения 
зонда предназначены специальные сканеры.  
На рис. 3 показан планарный сканер, обеспечивающий перемещение зонда в вертикальном и горизонтальном направлении. Для каждого пространственного положения измерительной антенны измеряется и записывается в памяти компьютера амплитуда и фаза сигнала