ŽILINSKÁ UNIVERZITA V ŽILINEdiplom.utc.sk/wan/647.pdf · 2006-09-04 · LPDA logaritmicko – periodická dipólová anténa PA prijímacia anténa SNAS Slovenský národný akreditačný

Kalibrácia antén vo frekvenčnom rozsahu 200 MHz – 1GHz

DIPLOMOVÁ PRÁCA

Ján Haring

ŽILINSKÁ UNIVERZITA V ŽILINE Elektrotechnická fakulta

Katedra telekomunikácií

Študijný odbor: TELEKOMUNIKÁCIE Vedúci diplomovej práce: Ing. Pavel Riečan

Stupeň kvalifikácie: inžinier (Ing.) Dátum odovzdania diplomovej práce: 19.5.2006

Žilina 2006

Žilinská univerzita v Žiline Elektrotechnická fakulta

KATEDRA TELEKOMUNIKÁCIÍ

Univerzitná 1, 01026 ŽILINA Školský rok 2005/2006

ZADANIE DIPLOMOVEJ PRÁCE

Meno, priezvisko: Ján Haring

Študijný odbor: Telekomunikácie

Téma diplomovej práce: Kalibrácia antén vo frekvenčnom rozsahu 200 MHz – 1 GHz

Pokyny pre vypracovanie diplomovej práce:

1. Vytvorenie programu na ovládanie prístrojov určených na kalibráciu antén

v zadanom frekvenčnom rozsahu.

2. Vykonanie meraní podľa naštudovanej normy (ANSI C63.5 – 2004 American

National Standard for Calibration of Antennas Used for Radiated Emission

Measurements in Electromagnetic Interference (EMI) Control).

3. Realizovať výpočty kalibračných koeficientov antén.

4. Analyzovať a vypočítať neistoty merania.

5. Celkove vyhodnotiť výsledky meraní a zhrnúť odporúčania zistené pri riešení

predmetnej problematiky.

Vedúci diplomovej práce: Ing. Pavel Riečan, Výskumný ústav spojov, Banská Bystrica Dátum odovzdania diplomovej práce: 19.5.2006

prof. Ing. Milan Dado, PhD.

vedúci katedry Žilina 21. 11.2004

Žilinská univerzita v Žiline, Elektrotechnická fakulta,


ANOTAČNÝ ZÁZNAM - DIPLOMOVÁ PRÁCA

Priezvisko a meno: Ján Haring školský rok: 2005/2006

Názov práce: Kalibrácia antén vo frekvenčnom rozsahu 200 MHz – 1 GHz

Počet strán: 49 Počet obrázkov: 23 Počet tabuliek: 3

Počet grafov: 0 Počet príloh: 6 Počet použ. lit.: 17

Anotácia v slovenskom jazyku:

Táto diplomová práca sa zaoberá opisom metódy “troch antén“, ktorá je vhodná na

kalibráciu antén v zadanom frekvenčnom rozsahu 200 MHz – 1 GHz. Meranie je

realizované na základe normy ANSI C63.5 –2004. Kalibrácia je realizovaná na

logaritmicko – periodických anténach. Kalibračné prístroje medzi sebou komunikujú

prostredníctvom programu vytvorenom v Agilent VEE pro 7.0. V závere práce sú zhrnuté

výsledky meraní a odporúčania zistené pri riešení predmetnej problematiky.

Anotácia v anglickom jazyku:

The thesis deals with “three antennas” method which is appropriate for calibration

antennas in the entered frequency scale 200 MHz – 1 GHz. The measurement is executed

on the base ANSI C63.5 - 2004 standard. The calibration is executed at logarithmic-

periodic antennas. Calibration equipments communicate mutually by the program created

in the Agilent VEE Pro 7.0 development environment. The results of measurements and

recommendations obtained during of solve given problems are summarized in the

conclusion of the thesis.

Kľúčové slová: elektromagnetické vlnenie, logaritmicko – periodická anténa, norma

ANSI, riadiaci program, kalibrácia, anténový faktor, neistoty merania

Vedúci práce: Ing. Pavel Riečan, Výskumný ústav spojov, Banská Bystrica

Recenzent: doc. Ing. Ján Klima, CSc.

Dátum: 19. 05. 2005

Obsah

1. Úvod.......................................................................................................................................1

1.1 Všeobecne.......................................................................................................................1

1.2 Cieľ riešenia.....................................................................................................................2

2. Elektromagnetické pole........................................................................................................3

2.1 Vznik elektromagnetického poľa...................................................................................3

2.2 Polarizácia elektromagnetických vĺn.............................................................................4

3. Šírenie elektromagnetických vĺn .........................................................................................7

3.1 Elektromagnetická vlna..................................................................................................7

3.2 Šírenie elektromagnetických vĺn ( všeobecne ) .............................................................7

3.3 Klasifikácia EM vĺn vzhľadom na mechanizmus ich šírenia ......................................9

3.4 Šírenie EM vĺn v zadanom pásme 200 MHz – 1 GHz ................................................11

4. Antény ( kalibračná, logaritmicko - periodická anténa )................................................12

4.1 Základné vlastnosti antén.............................................................................................12

4.2 Základné rozdelenie antén ...........................................................................................12

4.2.1 Vodičové antény ......................................................................................................12

4.2.2 Plošné antény...........................................................................................................13

4.2.3 Anténne rady a sústavy ..........................................................................................13

4.3 Parametre antén ............................................................................................................13

4.3.1 Pracovné frekvenčné pásmo ..................................................................................13

4.3.2 Vstupná impedancia antény...................................................................................14

4.3.3 Polarizácia antény...................................................................................................14

4.3.4 Zisk antény ..............................................................................................................15

4.3.5 Účinnosť antény ......................................................................................................15

4.3.6 Smerovosť antény ...................................................................................................16

4.3.7 Anténový faktor ......................................................................................................17

4.4 Logaritmicko - periodická anténa ...............................................................................18

4.4.1 Rozbor LPDA..........................................................................................................18

4.4.2 Činnosť LPDA ........................................................................................................19

4.4.3 Ďalšie druhy kalibračných antén...........................................................................20

5. Program na ovládanie prístrojov určených na kalibráciu..............................................21

5.1 Celkový pohľad na Agilent VEE pro 7.0 ....................................................................21

5.2 Výhody použitia Agilent VEE pro 7.0 pre testovanie a vývoj ...................................22

5.3 Princíp vytvárania programu na riadenie prístrojov ................................................24

5.4 Vývojový diagram riadiaceho programu....................................................................30

5.5 Opis vývojového diagramu riadiaceho programu....................................................31

5.6 Komunikácia riadiaceho počítača a kalibračných prístrojov .................................33

5.6.1 Rozhranie HPIB......................................................................................................34

6. Kalibrácia antén...................................................................................................................35

6.1 Norma ANSI C63.5 - 2004 ..........................................................................................35

6.2 Štandardná metóda ( metóda troch antén ) ..............................................................36

6.3 Zapojenie meracích prístrojov...................................................................................37

6.4 Použité antény a meracie prístroje ............................................................................38

6.5 Vzájomná poloha kalibrovaných antén ....................................................................40

6.6 Postup kalibračného merania ....................................................................................41

6.7 Výpočet kalibračných koeficientov antén .................................................................44

6.8 Prepočet EDmax vzhľadom na zmenu polohy antén ..................................................45

7. Analýza neistôt merania......................................................................................................46

7.1 Vyhodnotenie typu A štandardnej neistoty ..............................................................46

7.2 Vyhodnotenie typu B štandardnej neistoty...............................................................47

8. Záver .....................................................................................................................................49

Zoznam použitej literatúry..........................................................................................................50

Zoznam obrázkov a tabuliek

Obr. 1. Elektricky nabitá častica v kľudovej polohe

Obr. 2. Pohyb elektricky nabitej častice

Obr. 3. Elektromagnetické pole v okolí vodiča

Obr. 4. Príklady lineárnej polarizácie ( Φ = 2k π )

Obr. 5. Príklady eliptickej polarizácie ( Φ = (2k+1) π/2 )

Obr. 6. Definícia ľavotočivej a pravotočivej polarizácie

Obr. 7. Šírenie rovinnej EM vlny v ideálnom homogénnom dielektriku

Obr. 8. Šírenie rovinnej EM vlny v reálnom nehomogénnom prostredí

Obr. 9. Módy šírenia elektromagnetických vĺn

Obr. 10. Definícia anténneho faktora

Obr. 11. Logaritmicko – periodická dipólová anténa

Obr. 12. Pracovné oblasti logaritmicko – periodickej antény

Obr. 13. Prostredie programu Agilent VEE pro 7.0

Obr. 14. Príklad funkčného bloku FORMULA

Obr. 15. Príklad funkčného bloku TO FILE

Obr. 16. Príklad funkčného bloku SPECTRUM ANALYSER

Obr. 17. Príklad funkčného bloku USER OBJECT

Obr. 18. Vývojový diagram riadiaceho programu

Obr. 19. Dátové prepojenie kalibračných prístrojov Obr. 20. Zapojenie meracích prístrojov

Obr. 21. Vzájomná poloha kalibrovaných antén

Obr. 22. Konfigurácia antén pre jednotlivé merania

Obr. 23. Opis vzájomnej polohy antén pre prepočet EDmax

Tab. 1. Namerané hodnoty tlmení pre jednotlivé frekvencie

Tab. 2. Vypočítané hodnoty anténových faktorov

Tab. 3. Neistoty merania a ich zdroje

Zoznam použitých skratiek

AF anténový faktor

ANSI American National Standard for Calibration of Antennas Used for

Radiated Emission Measurements in Electromagnetic Interference

Control – Americký národný štandard pre kalibráciu antén použitých

pre merania vyžiarenej energie pri kontrole elektromagnetickej interfer.

D, E, F označenie vrstiev ionosféry

EM elektromagnetický ( elektromagnetická )

EMI ElectroMagnetic Interference – Elektromagnetická interferencia

FM frekvenčná modulácia

GPIB General Purpose Instrumentation Bus – Základná zbernica pre meracie

zariadenia

HP Hewlett – Packard

HPIB Hewlett – Packard Interface Bus – Rozhranie Hewlett – Packard

IEEE Institute for Electrical and Electronics Engineers – Inštitút pre elektro –

technické a elektronické inžinierstvo

LPA logaritmicko – periodická anténa

LPDA logaritmicko – periodická dipólová anténa

PA prijímacia anténa

SNAS Slovenský národný akreditačný systém

SÚTN Slovenský ústav technickej normalizácie

TV televízia

UHF Ultra High Frequency – ultra vysoká frekvencia (označenie frek. pásma)

VA vysielacia anténa

VHF Very High Frequency –veľmi vysoká frekvencia (označenie frek.pásma)

VKV veľmi krátke vlny

Zoznam použitých symbolov

a, b osi elipsy

ax, ay označenie veľkosti vektora intenzity elektrického poľa

c rýchlosť šírenia elektromagnetickej vlny vo vákuu ( c = 2,998.108 m .s-1 )

f frekvencia

h výška antény nad povrchom

l dĺžka anténneho prvku logaritmicko – periodickej antény

n počet nezávislých meraní

r pomer poloosí elipsy

s vzdialenosť nasledujúcich prvkov logaritmicko – periodickej antény

uc celková neistota merania

uvys PSV chyba vznikajúca pri vysielaní

x, y, z súrandice karteziánskej súradnicovej sústave

A tlmenie

B šírka pásma

D smerovosť antény

E intenzita elektrického poľa

Ea intenzita elektromagnetického poľa vybudeného skúmanou anténou

Earef intenzita elektromagnetického poľa vybudená referenčnou anténou

Ex zložka vektora intenzity elektrického poľa v smere osy x

Ey zložka vektora intenzity elektrického poľa v smere osy y

G zisk antény

GdB zisk antény uvedený v dB

H intenzita magnetického poľa

K relatívna dielektrická konštanta povrchu

Ps hustota výkonu vyžiareného od skúmanej antény

Pstrat stratový výkon

Pref hustota výkonu vyžiareného od referenčnej antény

Pvst činný výkon zo zdroja do antény

PΣ činný vyžiarený výkon

PΣj celkový jalový výkon

PΣref celkový vyžiarený výkon referenčnou anténou

PΣs celkový vyžiarený výkon skúmanou anténou

R činiteľ odrazu

Rj tepelné straty v anténe prepočítané na vstup antény

R vst vstupný odpor antény

Rz straty v polovodivom zemskom povrchu alebo v zemniacom systéme

Rε dielektrické straty

X vst vstupná reaktancia antény

Z0 vlnový odpor

Z vst vstupná impedancia antény

ZΣ vst vyžarovacia impedancia antény vzťahujúca sa na vstup antény

γ uhol odrazu

ε0 permitivita vákua ( ε0 = 8,854 . 10-12 F . m-1 )

λ vlnová dĺžka

μ0 permeabilita vákua ( μ0 = 4 . 10-7 H . m-1 )

τ parameter štruktúry logaritmicko – periodickej antény

σ relatívna vzdialenosť prvku logaritmicko – periodickej antény

ϕ fázový posun

η účinnosť antény

ωr kruhová ( rezonančná ) frekvencia

Γ koeficient odrazu na konci kábla


1. Úvod

1.1 Všeobecne

Ľudia si od nepamäti medzi sebou vymieňali rôzne správy. V správe je

obsiahnuté veľké množstvo informácií. Tieto sa správou prenášajú z jedného miesta, od

odosielateľa, na iné miesto, ku príjemcovi. Správa môže mať rôzny charakter ( reč, obraz,

dáta, text ). Jednotlivé správy sa líšia nie len obsahom, ale aj fyzikálnymi vlastnosťami.

Tieto správy sú medzi odosielateľom a príjemcom prenášané pomocou rôznych metód

a systémov.

V poslednej dobe zažívajú búrlivý rozvoj hlavne mobilné rádiokomunikačné siete

a služby nimi poskytované. Vzhľadom na pevné komunikačné siete nám poskytujú dve

hlavné výhody. Jedna z výhod je mobilita účastníka. Ďalšia je tendencia smerovania

vývoja týchto sietí k vytvoreniu globálnej komunikačnej siete. Čím dokážeme vytvoriť

systém s celosvetovým pokrytím.

Spojenie medzi odosielateľom ( vysielač ) a príjemcom ( prijímač ) je

zjednodušene realizované pomocou rádiokomunikačného reťazca.

Jeho neoddeliteľnou súčasťou je anténa ( vysielacia / prijímacia ). Anténa je

zariadenie, ktoré prijíma elektromagnetické vlnenie zo vzduchu a prevádza časť

zachytenej energie do vlnovodu ( vodiča ), pomocou ktorého túto energiu dovedie

k prijímaciemu zariadeniu. Vysielacia anténa má opačnú funkciu.

Na to aby anténa pracovala efektívne musia byť jej parametre zvolené čo

najpresnejšie. Pri návrhu antény musíme brať do úvahy aj istý kompromis medzi

vlastnosťami, rozmermi a cenou.

Pri návrhu antén a opise ich správania sa využívajú rôzne kalibračné metódy.

Jednu z nich ( metódu troch antén ) opisuje táto diplomová práca. Pri meraniach sú

použité širokopásmové ( logaritmicko - periodické ) antény.

Katedra telekomunikácií 1


1.2 Cieľ riešenia

Úlohy, ktoré sa budú v tejto diplomovej práci realizovať sú rozdelené do štyroch

základných bodov.

1. Vytvorenie riadiaceho programu na kalibráciu antén.

Kalibračné meranie opisované touto diplomovou prácou je plne automatizované.

Automatizácia je prevedená na základe riadiaceho programu vytvoreného

v objektovom programovacom jazyku Agilent VEE pro 7.0.

2. Realizácia kalibračných meraní.

Kalibračné merania sú realizované pomocou štandardnej metódy (metóda troch

antén ). Všetky postupy sú vykonané na základe odporúčania ANSI C 63.5 -

2004. Pri meraní boli použité logaritmicko – periodické antény.

3. Výpočet kalibračných koeficientov.

Z nameraných hodnôt sa vypočítajú kalibračné koeficienty ( anténové faktory )

jednotlivých antén. Výpočty sú prevedené na základe vzťahov uvedených

v norme ANSI C 63.5 - 2004.

4. Vyjadrenie neistôt merania.

Neistoty merania sú vyjadrené pomocou odporúčania MSA 0104 – 97. Na

určenie štandardnej a rozšírenej neistoty merania sa použilo vyjadrenie neistôt

typu B.



2. Elektromagnetické pole

2.1 Vznik elektromagnetického poľa

Podľa súčasných predstáv sú nositeľmi (zdrojmi) elektromagnetického poľa

elementárne častice. Sú to hmotné častice s vlastným elektromagnetickým poľom,

ktorého veľkosť je vyjadrená veličinou elektrický náboj. To znamená, že elektrický náboj

je vlastnosť niektorých elementárnych častíc mať vlastné elektromagnetické pole.

Ak je elektricky nabitá častica v kľudovej polohe, vznikne okolo nej

elektrostatické pole. Toto pole sa rozprestiera teoreticky do nekonečnej vzdialenosti od

častice.

Obr. 1. Elektricky nabitá častica v kľudovej polohe

Ak sa nabitá častica pohne zo svojej polohy, elektrostatické pole ňou vytvorené

bude sledovať jej posun. Pole sa neposunie od častice okamžite, ale bude to trvať určitý

čas.

Obr. 2. Pohyb elektricky nabitej častice



Ak sa bude elektricky nabitá častica pohybovať bude okolo nej vznikať

magnetické pole. Toto pole sa rozprestiera od pohybujúcej sa častice teoreticky až do

nekonečna. Akékoľvek zmeny smeru či rýchlosti častice sa prejavia na zmene

magnetického poľa. Táto zmena sa od častice šíri rýchlosťou svetla.

Obidve zložky poľa elektrická ( elektrostatická ) a magnetická sú spolu

neoddeliteľne spojené a vytvárajú elektromagnetické pole . Elektrická zložka sa označuje

E a magnetická sa označuje H. Tieto zložky sú na seba kolmé. Elektrická zložka sa

vyžaruje rovnobežne s vodičom, ktorým preteká striedavý prúd ( Obr. 3 ). Magnetická

zložka je na vodič kolmá. [1], [14]

Obr. 3. Elektromagnetické pole v okolí vodiča

2.2 Polarizácia elektromagnetických vĺn

Pod pojmom polarizácia elektromagnetických vĺn sa rozumie priestorová

orientácia vektora intenzity elektrického poľa, daná polarizačnými vlastnosťami antén.

Základná polarizácia elektromagnetických vĺn je vzhľadom na zemský povrch

horizontálna alebo vertikálna.

Väčšina antén je navrhnutá tak, aby vyžarovali ( prípadne prijímali ) alebo

horizontálne, alebo vertikálne polarizované elektromagnetické vlny. Takéto antény sa

nazývajú antény s lineárnymi polarizačnými vlastnosťami (Obr.4.) . To znamená, že

lineárna polarizácia je polarizácia elektromagnetickej vlny, pri ktorej koniec vektora E

vzhľadom na pevne určený bod opíše priamku, ktorej stred sa prekrýva s týmto bodom.



Keď sa vektor intenzity elektrického poľa skladá z dvoch na seba kolmých

zložiek s nejakým fázovým posunom medzi nimi, tak antény, od ktorých takéto pole

vzniklo, sú anténami s eliptickými polarizačnými vlastnosťami ( Obr.5. ). To znamená, že

eliptická polarizácia je polarizácia elektromagnetickej vlny, pri ktorej koniec vektora E

vzhľadom na daný bod opíše elipsu, ktorej stred sa stotožňuje s týmto bodom.

Obr. 4. Príklady lineárnej polarizácie ( Φ = 2k π )

Obr. 5. Príklady eliptickej polarizácie ( Φ = (2k+1) π/2 )

Kruhová polarizácia je špeciálnym prípadom eliptickej polarizácie. Pre kruhovú

polarizáciu platí, že zložka vektora intenzity elektrického poľa v smere osi x má rovnakú

veľkosť, ako zložka vektora intenzity elektrického poľa v smere osi y.



Pri eliptickej polarizácii je treba ešte rozlíšiť smer otáčania vektora intenzity

elektrického poľa E v priečnej rovine. Je predpoklad, že vlna sa šíri pozdĺž kladného

smeru osi z. Ak sa vektor E pohybuje od osi Ex k ose Ey, jedná sa o pravotočivú

polarizáciu (Obr.6. b.,). Pri ľavotočivej polarizácii je smer otáčania vektora intenzity

elektrického poľa opačný (Obr.6. a.,).

Obr. 6. Definícia ľavotočivej a pravotočivej polarizácie

Polarizačný stav je určený troma nezávislými veličinami ax, ay, Φ. Niekedy sa

používajú aj koeficienty a, b, β. Okrem nich sa ešte k vyjadreniu polarizačnému stavu

používa pomer poloosí elipsy ( 2.1). Kde koeficienty a, b sú poloosi elipsy.

b tg = a

r α= ( 2.1 )

Ďalším parametrom je znamienko osového pomeru. Pri znamienku ( + ) je

polarizácia pravotočivá, pri znamienku ( – ) je polarizácia ľavotočivá. [2], [15]



3. Šírenie elektromagnetických vĺn

3.1 Elektromagnetická vlna

Elektromagnetická vlna je nositeľom informácie, ktorá sa šíri od vysielacej

antény ( vysielača ) ku prijímacej anténe ( prijímaču ). Elektromagnetické vlny majú

zložku elektrickú a magnetickú. Zložky reprezentované vektorom intenzity elektrického

poľa E a vektorom intenzity magnetického poľa H ležia v rovine vlnenia a sú navzájom

kolmé. Obidve zložky sú zároveň kolmé aj na smer šírenia elektromagnetickej vlny.

V dostatočnej vzdialenosti od vysielača je môžné zjednodušene považovať časť guľovej

vlnoplochy za rovinu. Potom sa hovorí o rovinnej elektromagnetickej vlne.

3.2 Šírenie elektromagnetických vĺn ( všeobecne )

Šírenie rovinnej elektromagnetickej vlny v ideálnom homogénnom dielektriku

( Obr. 7. ) možno charakterizovať nasledujúcimi parametrami.

• amplitúda vektorov E a H ostáva počas šírenia vlny konštantná

• Vlnový odpor ( charakteristická impedancia ) ako pomer amplitúd E a H

je konštantný a pre vákuum má hodnotu :

( 3.1 ) 0

00

120.E ZH

μ πε= = =

• rýchlosť šírenia je konštantná co = 3.108 m/s čo je rýchlosť svetla

Obr. 7. Šírenie rovinnej EM vlny v ideálnom homogénnom dielektriku



V reálnom nehomogénnom prostredí (Obr.8.) dochádza

k exponenciálnemu zmenšovaniu amplitúdy vektorov E a H. Elektrická zložka vlnenia

nie je vo fáze s magnetickou zložkou ( je medzi nimi fázový posun ϕ ) a vlnový odpor nie

je konštantný. Takéto prostredie mení svoje vlastnosti v závislosti od súradníc. Napríklad

ionosféra.

Obr. 8. Šírenie rovinnej EM vlny v reálnom nehomogénnom prostredí

Pri riešení praktických úloh sa dá stretnúť s tým, že rovinná elektromagnetická

vlna prechádza nehomogénnym prostredím, ktoré ovplyvňuje štruktúru vzniknutého

elektromagnetického poľa. Limitným prípadom nehomogénneho prostredia je náhla

zmena, t.j. rozhranie dvoch prostredí, ktorých parametre sa skokom menia. Ak dopadá na

takéto rozhranie rovinná elektromagnetická vlna, čiastočne sa odráža a čiastočne

prechádza.

Odraz elektromagnetickej vlny je charakterizovaný pomocou činiteľa odrazu.

Činiteľ odrazu R je definovaný ako pomer intenzity elektrického poľa odrazenej

elektromagnetickej vlny k dopadajúcej vlne. Vzťahy pre činiteľ odrazu sa líšia pre

vertikálnu a horizontálnu polarizáciu.

Okrem toho môžu nastať ešte ďalšie javy ako napríklad ohyb a lom vlny. [3], [4]



3.3 Klasifikácia EM vĺn vzhľadom na mechanizmus ich šírenia

Medzi vysielačom a prijímačom sa elektromagnetické vlny šíria

v nehomogénnom prostredí. Šírenie je v takomto prípade ovplyvnené mnohými faktormi (

zemským povrchom, atmosférou ). Pri analýze šírenia elektromagnetických vĺn nie je

možné súčasne zohľadňovať vplyv všetkých faktorov. Niektoré z nich možno zanedbať.

Tým sa analýza podstatne zjednoduší. Vzhľadom na túto skutočnosť možno šírenie

elektromagnetických vĺn rozdeliť na štyri základné módy.

Priama vlna

Je priama vlna, ktorá sa šíri v izotropnom a homogénnom prostredí priamočiaro.

Tento mód sa vyskytuje hlavne pri spojení s družicami. V tomto prípade môže nastať

čiastočná difrakcia, rozptyl a pootočenie polarizačnej roviny, keď priama vlna prechádza

zemskou atmosférou. Tieto vplyvy sa obyčajne zanedbávajú, lebo ich analytické

vyjadrenie je veľmi ťažké.

Prízemná vlna

Elektromagnetická vlna šíriaca sa v blízkosti zemského povrchu, t.j. v blízkosti

rozhrania polovodivý zemský povrch – vzduch. Rozdeľujú sa nasledovne:

• prízenmá ohybová vlna ( povrchová ) vlna. Elektromagnetická vlna šíriaca sa na

rozhraní zem – vzduch, ktorá sleduje zemské zakrivenie. Pri šírení stráca časť

svojej energie vplyvom strát v polovodivom zemskom povrchu. Tlmenie závisí

od parametrov zemského povrchu pozdĺž trasy šírenia.

• prízemná priama a prízemná odrazená vlna. Elektromagnetické vlny dosiahnu

prijímaciu anténu dvoma cestami – priamou vlnou a vlnou odrazenou od

zemského povrchu. Obidve, prízemná priama a prízemná odrazená vlna, sú

ovplyvňovanévlastnosťami troposféry a prízemná odrazená vlna je naviac

ovplyvnená elektrickými parametrami zemského povrchu v mieste odrazu.



Troposferické vlny

Elektromagnetické vlny šíriace sa na veľké vzdialenosti troposferickým

rozptylom a troposferickým vlnovodom. Tento mód šírenia sa vyskytuje len pri

elektromagnetických vlnách kratších ako 10 m. Malá časť vyžiarenej energie rozptýlená

nehomogenitami v nižších vrstvách atmosféry, nazývanými troposféra, dosiahne prijímač.

Ionosferické vlny

Elektromagnetické vlny šíriace sa väčšinou na veľké vzdialenosti jedným alebo

viacerými odrazmi od ionosféry. Šírenie ionosferických vĺn je ovplyvnené predovšetkým

vlastnosťami ionosferických vrstiev. Ionosféra obsahuje plynné zložky ionizované

žiarením z vonkajšieho priestoru, predovšetkým sa jedná o slnečné žiarenie. Ionosféra je

obsiahnutá od vzdialenosti 60 km nad povrchom až do vzdialenosti max. 300 km.

Ionosféra má iné vlastnosti v noci a vo dne, v zime, v lete a je tu aj 11- ročná perióda

slnečnej činnosti určovanej počtom slnečných škvŕn. V ionosfére sú 3 vrstvy D, E, F

poprípade vrstva F sa môže rozdeliť aj na F1, F2. [5]

Obr. 9. Módy šírenia elektromagnetických vĺn



3.4 Šírenie EM vĺn v zadanom pásme 200 MHz – 1 GHz

Zadané frekvenčné pásmo od 200 MHz – 1 GHz v podstate celé spadá

pod označenie ako VKV pásmo. Pásmo veľmi krátkych vĺn ( VKV ) sa rozdeľuje na

čiastkové subpásma. Na pásmo VHF (30 - 300 MHz ) a UHF (300 MHz - 3 GHz ).

Veľmi krátke vlny sa šíria priamymi priestorovými vlnami. S ionosferickým odrazom sa

dá stretnúť iba veľmi zriedka.

Prípady šírenia veľmi krátkych vĺn, ktoré sa vyskytujú v praxi, je výhodné

rozdeliť na tieto skupiny:

• šírenie na malé vzdialenosti, kedy možno považovať zemský povrch za rovinný.

• šírenie na väčšie vzdialenosti za priamej viditeľnosti pri rešpektovaní

krivosti povrchu Zeme a prihliadnutí na atmosférický lom.

• šírenie na vzdialenosť, ktorá prekračuje dosah priamej viditeľnosti.

VKV ( VHF ) od 30 MHz po 300MHz. Dosah zväčša len na priamu viditeľnosť,

málokedy viac ako 80 km od vysielača. Vyznačujú sa stabilnými podmienkami šírenia a

malým rušením. Využívajú sa na vysielanie FM rozhlasu, TV, dátové a ďalekopisné

služby, letecké a pozemné služby a rádiolokáciu.

VKV ( UHF ) od 300 MHz do 3GHz. Dosah len na priamu viditeľnosť. Vyššie

frekvencie sú citlivé na obsah vodných pár v atmosfére ( vyšší útlm

za dažďa a hmly ). Pri šírení cez prekážky však vznikajú ostré tiene prakticky

bez signálu. Použitie pri TV vysielaní, dátových prenosoch, mobilnej telefónii, leteckej,

kozmickej a pozemnej dopravnej službe, satelitnom vysielaní, rádiolokácii.

Pri šírení vĺn v danom VKV pásme sa do miesta prijímača dostáva vlna nielen

priamou ale aj odrazenou cestou. Odrazený lúč pôsobí v mieste príjmu nežiadúco na

celkovú výslednú intenzitu elektromagnetického poľa. Keďže v mieste odrazu nie je

zemský povrch hladký, dochádza k rozptylu elektromagnetických vĺn. Pre metrové vlny

sa môžu malé nerovnosti povrchu zanedbať, ale v pásme decimetrových a centimetrových

vĺn sú rozmery týchto nerovností porovnateľné s vlnovou dĺžkou. Pri šírení

elektromagnetického žiarenia sa posudzuje drsnosť povrchu Raylighovým kritériom.[6]



4. Antény ( kalibračná, logaritmicko - periodická anténa )

4.1 Základné vlastnosti antén

Informácie šíriace sa medzi vysielačom a prijímačom sú v súčastnosti prenášané

väčšinou pomocou elektromagnetických vĺn. Tieto vlny sa šíria pomocou

rádiokomunikačného reťazca. Aby mohlo nastať šírenie elektromagnetických vĺn je

potrebné, aby v priestore bolo také miesto, kde sa mení hustota elektrického prúdu.

Takéto miesto sa nazýva žiarič elektromagnetického poľa alebo anténa. Anténu

zjednodušene predstavuje vodič, v ktorom sa elektrický prúd s časom mení. [1]

Z hľadiska funkcie sa antény delia na vysielacie a prijímacie. Vysielacia anténa je

zariadenie transformujúce elektromagnetické vlnenie šíriace sa napájacím vedením (

koaxiálny kábel ) na elektromagnetické vlny šíriace sa voľným priestorom ( vzduch ).

Prijímacia anténa je zariadenie, ktoré transformuje elektromagnetické vlnenie šíriace sa

voľným prostredím do prípojného vedenia.

4.2 Základné rozdelenie antén

4.2.1 Vodičové antény

Elektromagnetické pole v týchto anténach vzniká v dôsledku prechodu

striedavého prúdu cez relatívne tenký vodič. Vodičové antény patria medzi

najjednoduhšie typy antén. Najjednoduchšou a najpoužívanejšou vodičovou anténou je

polvlnový dipól vyhotovený z kovových tyčí alebo rúrok. Pri polvlnovom dipóle sa

používa bočníkové napájanie. Ďalším variantom polvlnového dipólu je skladaný dipól. Je

to sústava zložená z dvoch rovnakých aktívnych polvlnových dipólov. V oblasti

metrových a decimetrových vĺn sa používajú aj nesymetricky budené antény – monopóly.

Symetrické dipóly možno napájať aj nesymetrickým koaxiálnym káblom. Na to sa

používajú rôzne druhy symetrizačných obvodov.



4.2.2 Plošné antény

Sú to antény vyžarujúce elektromagnetické vlny z veľkej plochy. Táto plocha sa

nazýva apertúra. Základné druhy apertúry používajúce sa na výpočet sú, kruhová

a obdĺžniková. Plošné antény sa používajú v pásme centimetrových a milimetrových

elektromagnetických vĺn. Základným znakom týchto antén je, že v konečnom dôsledku

vyžarovanie nastáva z pomerne veľkých plôch v porovnaní s vlnovou dĺžkou. Za plošné

antény je možné považovať šošovkové antény, lievikové a reflektorové.

4.2.3 Anténne rady a sústavy

Anténne rady a sústavy vznikajú za účelom zisku výhodnejších smerových

charakteristík. Takéto sústavy tvoria vhodne zoskupené relatívne jednoduché žiariče

diskrétne rozložené v priestore. Anténna sústava môže byť vytvorená z vodičových,

štrbinových alebo iných typov žiaričov. Vo všetkých prípadoch sa využíva interferencia

elektromagnetických vĺn, na základe ktorej sa komplexné amplitúdy vektorov E a H od

jednotlivých žiaričov v každom bode priestoru vektorovo spočítavajú. [5]

4.3 Parametre antén

Pri návrhu antén je snaha dosiahnuť, aby anténa mala určité parametre

a vlastnosti, ktoré sú potrebné pre jej správnu funkciu. Pri kalibrácii antén sa tieto

vlastnosti pomocou rôznych postupov overujú. Pri návrhu a kalibrácii je potrebné poznať

základné parametre antén.

4.3.1 Pracovné frekvenčné pásmo

Tento parameter sa opisuje pomocou frekvenčného pásma v ktorom anténa

pracuje, alebo pomocou frekvencie na ktorej anténa pracuje. Širokopásmové antény sú

väčšinou popísané pomocou frekvenčného pásma, pretože dokážu pracovať na širokom

rozsahu frekvencií. Dokážu pokryť pásmo desiatky až stovky MHz. Tento druh antén sa

používa ako televízne antény, meracie antény ( na meranie elektromagnetickej

kompatibility, elektromagnetickej interferencie ) a podobne.



Úzkopásmové antény pracujú v užších pásmach ako širokopásmové, preto sa

často opisujú pomocou jednej frekvencie na ktorej pracujú. Realizácia týchto antén je

jednoduchšia.

4.3.2 Vstupná impedancia antény

Ak platí: Z Σ vst + R strat vst = Z vst ( 4.1 )

kde Z Σ vst = R Σ vst + j X Σ vst je vyžarovacia impedancia antény vzťahujúca sa na vstup

antény,

R strat vst – stratový odpor vzťahujúci sa na vstup antény,

reprezentujúci celkové straty antény

Potom Z vst = R vst + j X vst je vstupná impedancia antény.

Vidno, že pre bezstratovú anténu sa vstupná impedancia rovná vyžarovacej.

Veličiny v rovnici ( 4.1 ) všeobecne závisia od frekvencie. Takže platí:

Z vst (ω) = R vst (ω) + j X vst (ω) = R Σ vst (ω) + R strat vst (ω) + j X Σ vst (ω) ( 4.2 )

V osobitnom prípade, keď energia nahromadená v blízkosti antény v elektrickom

poli sa rovná energii nahromadenej v magnetickom poli, čo je všeobecná podmienka

rezonancie, jalový výkon PΣj = 0, a teda X Σ vst = 0. Toto platí, keď ω = ωr. Potom:

Z vst = R vst = R Σ vst + R strat vst ( 4.3 )

Frekvencia v ktorej je vstupná impedancia antény reálna sa nazýva rezonančná frekvencia

antény. [5], [16], [17]

4.3.3 Polarizácia antény

Pod pojmom polarizácia rozumieme priestorovú orientáciu vektora intenzity

elektrického poľa ( magnetické siločiary ležia v rovine kolmej na os dipólu a elektrické

siločiary ležia v rovine dipólu ). Opisu polarizácie je venovaná kapitola 2.2.



4.3.4 Zisk antény

Je veľmi dôležitý parameter definujúci vyžarovacie alebo príjmové vlastnosti

antén. V technických parametroch sa obvykle udáva pre smer maximálneho vyžarovania,

zatiaľ čo pre ostatné smery je treba jeho hodnotu znížiť v porovnaní s diagramami

žiarenia.

Zisk antény G možno definovať ako súčin smerovosti a účinnosti,

alebo ako pomer druhých mocnín intenzít EM poľa vybudeného v rovnakej vzdialenosti

od referenčnej a skúmanej antény.

( 4.4 ) 2

2

*E

DG == ηaref

aE

D – smerovosť antény

η – účinnosť antény

Ea – je intenzita elektromagnetického poľa vybudeného skúmanou anténou

Earef – je intenzita elektromagnetického poľa vybudená referenčnou anténou

Vyjadrenie zisku antén v dB.

aref

adB E

EG log20= ( 4.5 )

Veľkosť zisku antén závisí aj na pomere ich mechanických rozmerov voči

vlnovej dĺžke a optimalizácii ich riešenia a prevedenia. Optimalizácia má svoje hranice

dané fyzikálne. Zisk G sa udáva väčšinou v dB ( rovnica ( 4.5 ) ). [5], [7], [16], [17]

4.3.5 Účinnosť antény

Účinnosť antény sa definuje ako pomer činného vyžiareného výkonu PΣ

k činnému výkonu dodanému zo zdroja do antény Pvst. Podľa Poytingovej – Umovej

teorémy sa tento výkon rozdelí na vyžiarený výkon PΣ a stratový výkon Pstrat, ktorý sa

premení v anténe na teplo. Teda účinnosť antény:

vst strat

P PP P P

η Σ Σ

Σ

= =+

( 4.6 )



Keď sa vyjadrí vyžiarený a stratový výkon druhou mocninou efektívnej hodnoty

vstupného prúdu, účinnosť antény možno určiť zo vzťahu:

vst

vst

vst strat

RR R

η Σ

Σ

=−

( 4.7 )

Stratový odpor možno rozdeliť na niekoľko častí podľa toho, kde straty vznikajú.

Rstrat vst = Rj + Rε + Rz ( 4.8 )

kde Rj – tepelné straty v anténe prepočítané na vstup antény

Rε – dielektrické straty

Rz – straty v polovodivom zemskom povrchu alebo v zemniacom systéme

prepočítané na vstup antény [5], [16], [17]

4.3.6 Smerovosť antény

Smerovosť, ako parameter vysielacej antény, vyjadruje schopnosť antény

sústrediť vyžarovanie do určitého smeru. Smerovosť možno definovať dvojako:

1. Smerovosť v danom smere je určená pomerom hustoty výkonu v bode

pozorovania ležiacom v zóne žiarenia od skúmanej antény Ps k hustote výkonu v tom

istom bode pozorovania od referenčnej antény Pref, za predpokladu, že vyžiarené výkony

od obidvoch antén sú rovnaké a antény sú umiestnené v tom istom mieste.

s

s s

refref

ref

PP PD PP

P

Σ

Σ

= = ( 4.9 )

2. Smerovosť v danom smere je určená pomerom vyžiareného výkonu

referenčnou anténou PΣref k vyžiarenému výkonu skúmanou anténou PΣs, za predpokladu,

že intenzity poľa v bode pozorovania, ležiacom v zóne žiarenia, sú od obidvoch antén

rovnaké. [5], [16], [17]

2

2

ref

ref ref

ss

s

PP E

D PPE

Σ

Σ

ΣΣ

= = ( 4.10 )



4.3.7 Anténový faktor

Tento parameter antény udáva prevod medzi veľkosťou intenzity poľa

dopadajúceho na anténnu a veľkosťou výstupného napätia meraného na svorkách antény.

Anténový faktor je základným parametrom akejkoľvek antény a jeho veľkosť a závislosť

od frekvencie patrí k základným poskytovaným údajom od výrobcu antén.

Podľa Obr. 10. anténa prijíma elektromagnetické pole s elektrickou zložkou Er

a prevádza ho na výstupné napätie Ur. Toto napätie je možné merať na výstupných

svorkách antény. Uvedené napätie je následne vyhodnocované prijímačom.

Obr. 10. Definícia anténového faktora

Anténový faktor sa potom vyjadrí pomocou nasledujúceho vzťahu.

r

r

EAF = U

⎛ ⎞⎜⎝ ⎠

⎟ [1/m; V/m, V] ( 4.11 )

Logaritmicky vyjadrené

[ ] [ ] [ ]r rAF dB/m = E dBV/m - U dBV ( 4.12 )

Skutočná hodnota anténového faktora závisí od mnohých faktorov. Napríklad na

podmienkach merania a usporiadania meracieho pracoviska, výšky antén nad zemou,

vodivosťou zeme, odrazov, polarizácie poľa. V praxi sa často udáva ekvivalentný

anténový faktor vo voľnom priestore. Je to hodnota anténového faktora platná pre úplne

voľný priestor bez prekážok, a rušivých faktorov. [11]



4.4 Logaritmicko - periodická anténa

LPA ( logaritmicko - periodická anténa ) je jeden druh z antén, ktorý rieši

problém širokopásmovosti. Najpoužívanejšou je logaritmicko - periodická dipólová

anténa. Skrátene LPDA. Uvedený druh antény vyvinul na konci päťdesiatych rokov D. E.

Issbell. Teoretický základ k tejto problematike vytvoril R. Carrel v roku 1961.

Logaritmicko - periodická anténa je systém pozostávajúci z budiacich prvkov

navrhnutý pre prácu v širokom frekvenčnom rozsahu. Veľká pracovná šírka pásma je

dosiahnutá tým, že dipóly tejto antény rezonujú každý v inom frekvenčnom rozsahu a sú

umiestnené tak, aby rezonovali postupne. Jednotlivé prvky antény pracujú na

frekvenciách opakujúcich sa s periódou prirodzeného logaritmu. Odtiaľ aj názov celej

antény. Tento druh antény sa vo veľkej miere používa pri kalibrácii a meraní EMC . [8]

4.4.1 Rozbor LPDA

Na Obr. 10. je uvedený príklad logaritmicko - periodickej dipólovej antény.

Anténa je zložená z rady rovnobežných striedavo napájaných dipólov s postupne

narastajúcou dĺžkou a rozostupom. Tieto musia mať charakteristické dĺžky v určitom

pomere.

1 1

n n

n n

R lR l

τ+ +

= = ( 4.13 )

Kde τ je parameter štruktúry a jeho veľkosť je menšia ako jedna. Pri τ blížiacom

sa jednej je štruktúra príliš veľká ( zmenšovanie dĺžky dipólu je pomalé ). Pri príliš

malom τ je síce štruktúra krátka, ale jej vlastnosti medzi jednotlivými rezonančnými

frekvenciami sa príliš menia. Je treba voliť kompromis. [16], [17]

Ďalšie rovnice charakterizujúce LPDA : ( 4.14 ) – maximálna dĺžka prvku LPDA

( 4.15 ) – minimálna dĺžka prvku LPDA

( 4.16 ) – šírka pásma LPDA

( 4.17 ) – relatívna vzdialenosť prvku



maxmax 2

l λ= ( 4.14 ) max

min

B λλ

= ( 4.16 )

minmin 3

l λ= ( 4.15 )

2.n

n

sl

σ = ( 4.17 )

Obr. 11. Logaritmicko – periodická dipólová anténa

4.4.2 Činnosť LPDA

Celá anténa sa môže rozdeliť na štyri oblasti. Prvú oblasť tvorí napájač, ktorý

predstavuje nezaťažené vedenie s rozloženými parametrami. V ďalšej oblasti je toto

vedenie zaťažené krátkymi dipólmi, ktoré môžeme nahradiť sústredenými kapacitami.

Táto oblasť sa javí približne ako vedenie s menšou fázovou rýchlosťou. Celková kapacita

na jednotku dĺžky je približne konštantná, pretože pri vrchole sú dipóly kratšie, ale sú

usporiadané s väčšou hustotou.



V tretej oblasti sú dipóly, ktorých dĺžka je približne rovná rezonančnej dĺžke. To

znamená, že ich impedancia má silnú odporovú zložku. Rozostupy dipólov sú väčšie,

takže dovoľujú, aby žiariče mali fázový posun približne 90° s tým, že kratšie majú

posunutie menšie ako 90° a dlhšie väčšie ako 90°. Maximum vyžarovania je smerom

k vrcholu.

Štvrtá oblasť má dipóly dlhšie ako rezonančné, takže ich impedancie majú

indukčný charakter a javia sa ako filter v útlmovej oblasti. Fázový posun na jednotku

dĺžky sa približne rovná nule. Tomu zodpovedá aj nekonečne veľká fázová rýchlosť.

Vlna, ktorá sa v tejto oblasti šíri je odrazená. [2]

Obr. 12. Pracovné oblasti logaritmicko – periodickej antény

4.4.3 Ďalšie druhy kalibračných antén

Logaritmicko – periodické antény majú v oblasti rádiokomunikácií veľké

zastúpenie. Tento typ antén je často používaný hlavne pre svoju širokopásmovosť.

Štruktúra tohto typu antén závisí od podmienok v akých bude pracovať a od

požadovaných vlastností a charakteristík. Preto sa používajú rôzne typy.



• Logaritmicko – periodická špirálová anténa

• Logaritmicko – periodická “V“ anténa

• Logaritmicko – periodická Yagi anténa

• Logaritmicko – periodická monopólová anténa

V skutočnosti existuje veľké množstvo modifikácií týchto antén. Uvedené typy

sú najpoužívanejšie.

Ako kalibračné antény sa vo veľkej miere používajú aj plošné lievikové antény

a bikonické dipóly.

5. Program na ovládanie prístrojov určených na kalibráciu

Pri kalibrácii antén a rôznych meraniach sa v súčasnej dobe dbá na

automatizáciu. Pri veľkom objeme vstupných dát by bolo nepraktické zadávať ich ručne.

Tak isto by nebolo praktické týmto spôsobom zapisovať výstupné ( namerané ) hodnoty.

Použitie výpočtovej techniky zjednodušuje každý proces vykonávaný počas merania.

Jedná sa o zadávanie vstupných hodnôt, odčítavanie výstupných hodnôt, vytváranie

tabuliek a grafov. Na vytváranie programov pomocou ktorých meracie zariadenia

komunikujú sa používa veľké množstvo textových alebo grafických programovacích

jazykov. Ja som sa pre svoju aplikáciu rozhodol použiť grafický programovací jazyk

Agilent VEE pro 7.0.

5.1 Celkový pohľad na Agilent VEE pro 7.0

Agilent VEE pro 7.0 je grafický programovací jazyk optimalizovaný pre

vytváranie testovacích a meracích aplikácií. Jeho výhoda je kompatibilita s mnohými

komunikačnými rozhraniami. Vďaka tejto výhode dokážu pomocou programov takto

vytvorených komunikovať rôzne meracie zariadenia. Tento grafický programovací jazyk

( Agilent VEE pro 7.0 ) je určený hlavne vývojárom a používateľom, ktorý pri svojej

práci potrebujú komplexný testovací a merací systém.



5.2 Výhody použitia Agilent VEE pro 7.0 pre testovanie a vývoj

Agilent Vee pro 7.0 ponúka veľa výhod pre použitie pri vývoji a testovaní. Pri

jeho použití na vytvorenie aplikácie slúžiacej na ovládanie kalibračných prístrojov som

vychádzal z nasledujúcich poznatkov.

1. Tento programovací jazyk zvyšuje produktivitu. Z praxe sa zistilo, že svojou

jednoduchosťou a prehľadnosťou znižuje dobu ladenia programu. Vďaka svojej

jednoduchosti a názornosti je vhodný nielen pre vývojárov, ale aj pre široké

spektrum používateľov. 2. Používa sa v širokej oblasti vrátanie testov funkčnosti zapojení meracích sústav,

overovania projektu, kalibrovania zariadení, zbere dát a riadení. 3. Pomocou tohto programovacieho jazyka je možná komunikácia s externými

zariadeniami. Táto komunikácia je tvorená prostredníctvom rôznych kariet,

portov a rozhraní. Ďalšou podmienkou pre komunikáciu je inštalácia „knižníc“ ,

ktoré dovoľujú spoluprácu s rôznymi typmi zariadení. Činnosť niektorých

zariadení je možné simulovať aj bez ich skutočného pripojenia. Dajú sa vytvoriť

z funkčných blokov ( generátory, zobrazovače priebehov ), ktoré obsahuje priamo

Agilent VEE pro 7.0. Vďaka týmto funkciám je možné riadiť spoluprácu

použitého generátora od firmy HP ( Hewlett - Packard ) a spektrálneho

analyzátora tej istej značky. Na základe tejto spolupráce kalibračných zariadení sa

môžu kalibračné merania realizovať automaticky bez väčších zásahov a korekcií.

To znamená, že stačí do programu zadať len vstupné hodnoty ( počiatočnú /

koncovú frekvenciu pásma, krok merania ) a kalibračné meranie prebehne

automaticky pre zadaný rozsah. 4. Použitím funkcie Active X ( technológia vyvinutá Microsoftom, umožňujúca

zdieľanie informácií medzi rôznymi aplikáciami ) na riadiacom počítači je možné

pracovať aj s aplikáciami určenými na prácu s nameranými dátami. Medzi takéto

programy patria Microsoft Excel, Microsoft Acces, Microsoft Word. Pomocou



týchto aplikácií sa dá pracovať s nameranými dátami, vytvárať tabuľky

s nameranými hodnotami, grafy, robiť štatistika. Takto spracované údaje je

možné vkladať do databáz. Hodnoty uvedené v databázach sa dajú použiť pri

ďalších meraniach, alebo môžu slúžiť na archiváciu. 5. Agilent VEE pro 7.0 obsahuje kompilátor a profesionálne vývojové prostredie

vhodné aj pre veľké a komplexné programy. Pri meraniach poskytuje široké

možnosti riadenia pripojených meracích prístrojov. 6. Tento programovací jazyk podporuje vizuálne programové prostriedky. To

znamená, že dokáže spolupracovať aj s vizualizačnými jazykmi prostredia

Internet. Takto môže spolupracovať aj so sieťovými prostriedkami. 7. Pri práci s Agilent VEE pro 7.0 nie je potrebné používanie externých

kompilátorov do textových programovacích jazykov. Agilent priamo podporuje

programovacie jazyky C / C ++, Visual Basic, Pascal, Fortran. Takisto

bezproblémovo pracuje aj so všetkými verziami MATLABu. Matlab je využitý

pri výpočtoch rovníc anténneho faktora. 8. Ďalšou výhodou uvedeného programovacieho jazyka je možnosť vytvorenia

ovládacieho panela. Po vytvorení programu a po jeho následnom odladení sa dajú

jednotlivé funkčné bloky po označení vložiť do ovládacieho panela.

Z praktického hľadiska je do panela vhodné dávať bloky, ktorých obsah

používateľ pred každým meraním mení a prvky potrebné pre kontrolu

prebiehajúceho merania. Napríklad bloky s rozsahmi meraných hodnôt, bloky

zobrazujúce aktuálny stav merania. Vytvorením ovládacieho panela sa práca

s programom pri samotnom meraní zjednoduší. [9]



Obr. 13. Prostredie programu Agilent VEE pro 7.0

5.3 Princíp vytvárania programu na riadenie prístrojov

Programovací jazyk Agilent VEE pro 7.0 patrí medzi grafické programovacie

jazyky. To znamená, že na pracovnej ploche sa nepracuje priamo s príkazmi v textovej

forme, ako napríklad v jazyku C alebo Pascale. Program sa skladá z objektov. Tieto

objekty majú rôzne funkcie. Základné objekty s ktorými som pracoval boli:

FORMULA

FORMULA je základný objekt, ktorý sa používa ako blok pre zápis a spracovanie

matematických operácií a funkcií. Pod matematickými operáciami sa rozumejú

aritmetické operácie, logické operácie, porovnávanie hodnôt ( relácie ). Funkcie sa

rozdeľujú na:

• preddefinované - práca s dátovými poľami

- Besselove funkcie

- bitovo orientované funkcie



- komplexné funkcie

- maticové funkcie

- logaritmické funkcie

- štatistické a pravdepodobnostné funkcie - funkcie na prácu s reťazcami

• funkcie MATLABu - grafy - transformácie

- funkcie pre IIR / FIR filtre

- špeciálne matematické funkcie

• používateľom definované funkcie

• používateľom importované funkcie

• funkcie pre zariadenia pripojené cez rôzne typy rozhraní

Vstupné dáta sa do objektu FORMULA dostávajú pomocou vstupov

umiestnených na ľavej strane objektu. Tieto vstupy si môže používateľ pomenovať,

pridávať a odoberať podľa potreby. Výstup dát z objektu je umiestnený na pravej strane.

Názov a parametre výstupu dát sa taktiež dajú meniť. Po vložení funkcie do objektu

FORMULA je umožnené používateľovi do zápisu zasahovať ( meniť čísla a matematické

symboly ). Objekt je možné minimalizovať pre ušetrenie miesta na pracovnej ploche. Tak

isto je možné s objektom pohybovať po pracovnej ploche.



Obr. 14. Príklad funkčného bloku FORMULA

DELAY

Objekt oneskorovacieho člena DELAY slúži na realizáciu časového oneskorenia.

Toto oneskorenie sa používa ak behom programu je potrebné získať čas na vykonanie

určitej operácie ( napríklad ustálenie prístroja ), alebo ak je potrebné aby sa operácia

vykonávala určitý čas a potom nasledovala ďalšia. Oneskorenie ( DELAY ) má v praxi

viacero možností použitia.

Objekt DELAY je vytvorený v podobe štvorca v ktorom je číselná hodnota

oneskorenia. Táto hodnota sa uvádza v sekundách. Názov tohto bloku je možné

používateľovi meniť. Blok oneskorenia sa pripája medzi objekty pomocou „ konektorov“,

ktoré sa nachádzajú na hornej a dolnej strane bloku. Objekt DELAY sa dá minimalizovať,

maximalizovať a je možné ho premiestňovať po pracovnej ploche.

ALPHANUMERIC DISPLAY

V programe Agilent VEE pro 7.0 je veľké množstvo rôznych druhov blokov

slúžiacich na zobrazovanie spracovávaných hodnôt. Tieto sa dajú rozdeliť na niekoľko

skupín. Sú to:

• alfanumerické zobrazovače – Zobrazujú pozorované hodnoty v číselnej forme.

Pozorované hodnoty sú zoradené pod sebou postupne od hora dole.

Tento alfanumerický display bol v programe použitý na zobrazovanie dát (

hodnôt ) vystupujúcich z generátora a na zobrazovanie hodnôt zapisovaných do

súboru. Alfanumerický display bol použitý len na názorné overenie správnosti

hodnôt.

• grafické zobrazovače – Grafické zobrazovače zobrazujú sledované priebehy

a grafy. Medzi najčastejšie používané grafické zobrazovače patria: x/y PLOT,

POLAR PLOT, COMPLEX PLANE. Grafické zobrazovače sa dajú použiť ako

obdoba osciloskopu.



• indikátory – slúžia na zvukové, svetelné indikovanie dosiahnutého stavu

Práca s blokmi všetkých druhov zobrazovačov je rovnaká ako u predchádzajúcich

blokov. Pri grafických zobrazovačoch sa dajú meniť názvy osí, opis osí a ich škálovanie.

TO FILE

Agilent VEE pro 7.0 obsahuje funkcie zápisu ( čítania ) do ( zo ) súboru. Blok TO

FILE je blok zápisu do súboru. Výsledné namerané hodnoty je potrebné pretransformovať

do formy vhodnej na ďalšie spracovanie. V tomto prípade to znamená pretransformovanie

na taký tvar, aby som mohol z nameraných hodnôt vypočítať koeficienty anténneho

faktora. Namerané hodnoty sú zapísané do súboru programu Microsoft Excel. Zápis je

realizovaný v tabuľke smerom od hora dole.

Práca s blokom TO FILE je rovnaká ako u predchádzajúcich blokov. Tento blok

sa dá minimalizovať, maximalizovať. Používateľ môže meniť jeho názov, veľkosť. Podľa

potreby je možné pridávať, alebo odoberať vstupy.

Pri bloku zápisu do súboru je potrebné definovať:

• meno súboru do ktorého sa zapisuje ( aj s cestou umiestnenia súboru )

• názov vstupu bloku ( vstup hodnôt, ktoré sa zapisujú do súboru )

• akciu, ktorá sa má vykonať (v mojom prípade WRITE).

• kódovanie ( v mojom prípade TEXT )

• formát zapisovaných údajov ( v mojom prípade REAL 64 FORMAT )

• nastavenie zápisu textu ( zobrazovanie znamienok, koniec riadku, formát čísel )

Pri zápise do súboru je dôležité nastavenie opätovného prepísania súboru. Ak je

táto položka označená, tak po novom spustení programu dôjde k prepísaniu obsahu

súboru určeného na zápis.



Obr. 15. Príklad funkčného bloku TO FILE

GENERATOR, SPECTRUM ANALYSER

Ako bolo uvedené programovací jazyk Agilent VEE pro 7.0 môže byť použitý na

tvorbu riadiacich aplikácií. V mojom prípade takáto aplikácia riadi meracie prístroje.

Tieto prístroje sú:

• generátor Hewlett – Packard ( Agilent ) 83640B

• spektrálny analyzátor Hewlett – Packard ( Agilent ) 8564E

Na riadiaci počítač pripojené kalibračné zariadenia figurujú v prostredí Agilent

VEE pro 7.0 ako funkčné bloky. Do týchto blokov používateľ zadá nastavovacie

parametre a funkcie, ktoré má uvedené zariadenie vykonať. Napríklad ( v tomto prípade )

sú v bloku spektrálneho analyzátora nastavené tieto hodnoty: funkcia reštartovania

zariadenia pred meraním, frekvencia ohraničujúca zadané pásmo z dola, frekvencia

ohraničujúca zadané pásmo z hora, funkcia MAX HOLD. Jednotlivé nastavovacie

parametre a funkcie sa do bloku zariadenia vkladajú pomocou príkazov, ktoré majú

jednoznačný syntax. Tieto príkazy sa nachádzajú v manuály reálneho programovateľného

zariadenia.

Obsluha funkčných blokov GENERATOR a SPECTRUM ANALYSER je taká

istá, ako u predchádzajúcich blokoch. Požívateľ môže meniť ich názov, opis, farbu bloku,



dajú sa minimalizovať a maximalizovať. K ostatným blokom sa pripájajú pomocou

konektorov, ktoré je možné pridávať, odoberať, meniť ich názov.

Obr. 16. Príklad funkčného bloku SPECTRUM ANALYSER

CONSTANT

Blok CONSTANT slúži na pevné nastavenie hodnoty. Zadaná hodnota môže byť

číselná, textová. Tento funkčný blok bol použitý na nastavenie hodnôt, ktoré sa v

priebehu vykonávania programu nemenia. Je to napríklad hodnota počiatočnej úrovne,

frekvencia ohraničujúca zadané pásmo z dola, frekvencia ohraničujúca zadané pásmo

z hora.

USER OBJECT

Programovací jazyk Agilent VEE pro 7.0 umožňuje vytvoriť funkčný blok USER

OBJECT ( POUŽÍVATEĽSKÝ OBJEKT). Je to prvok, ktorý si používateľ vytvorí ak

chce používať určitý súbor objektov opakovane. Takýto objekt bol použitý pre zápis do

súborov pre jednotlivé merania.

Pri vytváraní USER OBJECTu sa postupuje nasledovne:

1. Vytvoria sa objekty, ktoré budú vložené do bloku USER OBJECT.

2. Nastavia sa ich parametre a definujú sa vstupy a výstupy.

3. Objekty sa navzájom pospájajú

4. Objekty sa označia.

5. Edit → CreateUserObject



6. Zadá sa názov objektu.

Po „kliknutí“ na USER OBJECT sa otvorí okno s jeho obsahom. Potom je možné

na tento blok pridávať vstupy a výstupy. Uvedený objekt je možné premenovať,

minimalizovať, maximalizovať, meniť jeho polohu na pracovnej ploche, editovať jeho

obsah ( pridávať alebo odoberať objekty ).

Obr. 17. Príklad funkčného bloku USER OBJECT

5.4 Vývojový diagram riadiaceho programu

Vývojový diagram na Obr. 17. predstavuje algoritmus logickej postupnosti

krokov v riadiacom programe určenom na ovládanie kalibračných prístrojov.



Obr. 18. Vývojový diagram riadiaceho programu

5.5 Opis vývojového diagramu riadiaceho programu

Riadiaci algoritmus zobrazený vývojovým diagramom opisuje postupnosť

nasledujúcich krokov:



1. RESET – vykonanie reštartu kalibračných prístrojov. RESET je potrebné

vykonať pred každým meraním, pretože v pamäti prístrojov môžu byť uložené

rôzne dáta. Tieto by mohli skresliť namerané hodnoty, alebo mať negatívny vplyv

na samotné meranie.

2. NASTAVENIE f1 – nastavenie dolnej frekvencie ( 200 MHz ) zadaného

frekvenčného pásma. Túto frekvenciu je potrebné nastaviť na spektrálnom

analyzátore.

3. NASTAVENIE fN – nastavenie hornej frekvencie ( 1000 MHz ) zadaného

frekvenčného pásma. Tak isto sa nastavuje na spektrálnom analyzátore.

4. NASTAVENIE POČTU VZORIEK N – nastavenie počtu frekvencií na ktorých

sa bude merať. V programe sa tieto frekvencie zadávajú do bloku CONSTANT.

Podľa ich počtu sa nastaví cyklus opakovania merania. Týchto meracích

frekvencií je desať.

5. NASTAVENIE REF. ÚROVNE – nastavenie referenčnej hodnoty ( P = 0 dBm )

signálu vysielaného generátorom.

6. NASTAVENIE MXMH – nastavenie funkcie MAX HOLD. Táto funkcia

spektrálneho analyzátora zabezpečuje zobrazenie a zachytenie maximálnej

hodnoty pozorovaného signálu.

7. SÚ HODNOTY OK? – Tento krok má len logickú funkciu. V samotnom

riadiacom programe nie je konkrétne realizovaný. Jedná sa o to, že ak nie sú

vykonané predchádzajúce body nemá význam a ani nie je možné vo vykonávaní

programu pokračovať.

8. VYSLANIE f1 GENERÁTOROM – generátor vyšle merací signál o frekvencii f1

( 200 MHz ) s trvaním 100ms. Následne sa pomocou cyklu budú vysielať meracie

signály na ostatných frekvenciách.



9. ONESKORENIE – oneskorenie potrebné na prijatie meracieho signálu

spektrálnym analyzátorom.

10. PRIJATIE f1 – merací signál na frekvencii f1 je prijatý spektrálnym

analyzátorom.

11. VYHODNOŤ. f1 ( MXMH ) – merací signál na frekvencii f1 je vyhodnotený

a zobrazený na spektrálnom analyzátore pomocou funkcie MAX HOLD. Táto

funkcia spektrálneho analyzátora je podrobnejšie popísaná v bode 5.

12. ZÁPIS DO SÚBORU – hodnota získaná pomocou funkcie MAX HOLD je

zapísaná do súboru. Tieto dáta sú zapisované do súboru programu Microsoft

Excel. Takto spracované namerané hodnoty sú už pripravené na nasledujúci

výpočet anténneho faktora.

13. CYKLUS ( N–1 ) – zabezpečuje opakovanie merania pre všetky skúmané

frekvencie. Počet frekvencií pri mojom meraní je desať ( N ). To znamená, že po

zmeraní signálu na frekvencii f1 sa bude meranie ešte deväťkrát ( N-1 ) opakovať.

V uvedenom cykle sa opakovane realizujú body 7, 8, 9, 10, 11. Hodnota N je do

funkčného bloku cyklu privedená. Tak isto môže byť nastavená aj pevne. Použitý

cyklus je typu FOR RANGE.

5.6 Komunikácia riadiaceho počítača a kalibračných prístrojov

Ako už bolo vyššie uvedené programovací jazyk Agilent VEE pro 7.0 dokáže

spolupracovať aj s externými zariadeniami. V tomto prípade je to generátor signálov



a spektrálny analyzátor. Obidve meracie zariadenia sú od firmy Hewlett – Packard (

Agilent ). Pre pripojenie iných typov zariadení sú potrebné zodpovedajúce knižnice, ktoré

sa pred meraním nainštalujú.

Na to, aby bolo možné použité kalibračné prístroje riadiť, vysielať a prijímať

merané hodnoty je potrebná ich vzájomná komunikácia. Tak isto musia tieto zariadenia

komunikovať s počítačom na ktorom sa vykonáva riadiaci program.

Všetky spomenuté prvky spolupracujú vďaka rozhraniu HPIB. Cez kartu

obsahujúcu toto rozhranie je pripojený riadiaci počítač na generátor. Spojenie počítača

s generátorom je vytvorené pomocou dátového kábla HP 10833 B. Generátor je podobne

pripojený pomocou dátového kábla HP 10833 B na spektrálny analyzátor. Zjednodušená

schéma zapojenia je uvedená na Obr. 18.

Obr. 19. Dátové prepojenie kalibračných prístrojov

5.6.1 Rozhranie HPIB

Spoločnosť Hewlett – Packard vyvinula v roku 1960 rozhranie pre počítačmi

riadené meracie systémy. Toto rozhranie nazvali HPIB (Hewlett – Packard Interface

Bus). HPIB sa rýchlo stalo populárnym, preto z neho organizácia na tvorbu noriem IEEE



( Institute for Electrical and Electronics Engineers ) vytvorila štandard s označením GPIB

( General Purpose Instrumentation Bus ).

IEEE 488 ( štandard opisujúci toto rozhranie ) bol prvý krát zavedený v roku

1978. V roku 1980 bol tento štandard doplnený o nové skutočnosti. To viedlo k jeho

premenovaniu na IEEE 488.1. Najnovší štandard má označenie IEEE 488.2.

IEEE 488.2 zahŕňa minimálne požiadavky pre ovládače (kontroléry) a možnosti

(funkcie) zariadení (vysielač, prijímač, kontrolér). Takisto je v novej špecifikácii (oproti

IEEE 488.1) podrobnejšie definovaný formát, kódovanie údajov, štruktúra

komunikačného protokolu a správ medzi kontrolérom a zariadením.

Vlastnosti rozhrania HPIB

• prenosová rýchlosť 1 MB/s

• maximálne 14 meracích zariadení pripojených na 1 riadiaci počítač

• maximálna dĺžka zbernice je 20 m

• maximálna vzdialenosť medzi zariadeniami je 2 m

• dáta sa vysielajú po 1 bajte ( 8 bitov súčastne - paralelný prenos )

24 zbernicových vodičov sa delí na 4 skupiny:

• informačné / adresné vodiče ( DIO 1 – DIO 8 ) – prenos dát obojsmerne

• vodiče riadenia prenosu dát ( DAV, NDAC, NRFD )

• vodiče riadenia obecných funkcií sústavy ( ATN, IFC, REN, SRQ, EOI )

• uzemňovacie a tieniace vodiče

Zariadenia môžu byť pripojené na riadiaci počítač pomocou zbernice do hviezdy

alebo sériovo ( sekvenčne ) za sebou. V praxi je možné zapojiť maximálne tri konektory

jeden na druhý ( vzhľadom na dĺžku prepojovacieho kábla ). [10]

6. Kalibrácia antén

6.1 Norma ANSI C63.5 - 2004



Všetky merania, výpočty, a postupy spojené s kalibráciou antén spracovanou

v tejto diplomovej práci sú realizované podľa normy ANSI C63.5 - 2004. Tento

dokument bol vydaný americkým národným štandardizačným inštitútom a opisuje

kalibračné merania antén určených na merania elektromagnetickej interferencie.

Opisované postupy kalibrácie sú pre antény pracujúce vo frekvenčnom rozsahu od 9 kHz

až do 40 GHz.

Na základe tohto štandardu sú prevedené :

• vzájomná poloha antén pri meraní

• vzájomná konfigurácia antén pri meraní

• postup kalibračného merania

• výpočty anténového faktora

• prepočty anténového faktora vzhľadom na vzájomnú polohu antén a prostredie

• spracovanie nameraných a vypočítaných hodnôt

• určenie neistôt merania ( typ B )

Uvedené odporúčanie opisuje tri metódy kalibrácie antén. Tieto metódy sú určené

pre rôzne typy antén a rôzne frekvenčné rozsahy.

Opisované kalibračné metódy:

• Metóda s použitím referenčnej antény ( Reference Antenna Method )

• Kapacitne – substitučná metóda ( Equivalent Capacitance - Substitution Method )

• Štandardná metóda ( Standard Site Method )

Pre konkrétny zadaný frekvenčný rozsah a typ antén je najvhodnejšie použiť

Štandardnú metódu. Táto metóda je známa aj pod názvom Metóda troch antén. Jej opisu

sa podrobnejšie venuje nasledujúca kapitola.

6.2 Štandardná metóda ( metóda troch antén )

Štandardná metóda je vhodná na zisťovanie anténového faktora antén vo

frekvenčnom rozsahu od 30 MHz do 1000 MHz. Uvedený postup opisuje norma ANSI C

63.5 – 2004. Už z názvu vyplýva, že pri meraní sa používajú tri antény. Tieto antény



nemusia byť rovnakého typu a od rovnakého výrobcu. Ich parametre sa však musia

zhodovať. Metóda je schopná bez nutnosti poznania parametrov ktorejkoľvek antény

zistiť a matematicky vyhodnotiť anténový faktor, ako významný parameter antén.

Štandardnú metódu je možné rozdeliť na dve meracie procedúry.

• procedúra s využitím diskrétnych frekvencií ( Discrete Frequency Method )

• procedúra s využitím rozmietaného generátora ( Swept Frequency Method )

Pri prvej procedúre sa signáli vysielajú po jednotlivých frekvenciách (diskrétne ).

Na strane prijímacej antény sa tento signál vyhodnotí ( napr. pomocou výchylky

meracieho prístroja ). Potom sa medzi generátor a prijímač zapojí tlmiaci člen (atenuátor),

nastaví sa na ňom taká hodnota aby prijímač vykazoval rovnakú výchylku ako pri

pripojených anténach. Hodnota tlmenia z tlmiaceho člena ( atenuátora ) sa zaznamená.

Pri procedúre s rozmietaným generátorom sa vysiela celé spektrum. Toto

spektrum je na strane prijímacej antény vyhodnotené spektrálnym analyzátorom pomocou

funkcie MAX HOLD. Táto procedúra je jednoduchšia, ale je potrebný rozmietaný

generátor a spektrálny analyzátor s funkciou MAX HOLD prípadne PEAK SEARCH.

Anténový faktor bol pri tomto meraní určovaný pre horizontálnu polarizáciu.

Takto vykonané meranie je relatívne nezávislé od zmien polohy a výsledný anténny

faktor má prípustné hodnoty aj keď nie je vytvorené dokonale voľné prostredie pri

kalibrácii. Horizontálna polarizácia je pri kalibrácii metódou troch antén preferovaná

hlavne pre nasledujúce dôvody:

• Horizontálne polarizované odrazy od zeme sú menej citlivé na zmeny vodivosti

a permitivity roviny zeme ako vertikálne polarizované odrazy.

• Odrazy na rozhraní zeme sú menšie pre horizontálnu polarizáciu.

6.3 Zapojenie meracích prístrojov

Pri kalibračnom meraní boli použité prístroje uvedené v kapitole 6.4. Použité

meracie prístroje musia obsahovať rozhranie HPIB ( GPIB ) na ich vzájomnú



komunikáciu. Ďalšou podmienkou je aby mali všetky použité zariadenia nominálnu

impedanciu 50Ω. Pri zlom impedančnom prispôsobení môže dojsť k chybám merania.

Obr. 20. Zapojenie meracích prístrojov

Z obrázku vidno, že generátor signálu je pripojený na vysielaciu anténu.

Prijímacia anténa je pripojená na spektrálny analyzátor. Merací signál sa šíri z generátora

pomocou koaxiálneho kábla do prijímacej antény. Táto transformuje vlnenie šíriace sa

káblom na elektromagnetické vlny šíriace sa voľným prostredím. Vyslaný signál sa

dostane na prijímaciu anténu. Táto ho prevedie na vlnenie, ktoré sa bude šíriť koaxiálnym

káblom pripojeným na spektrálny analyzátor. Tu sa prijatý merací signál vyhodnotí.

Všetky kalibrované antény sú pripojené ku koaxiálnemu káblu pomocou

konektora typu N. Tento typ konektora je vhodný pre prenos signálov na frekvenciách až

do 18 GHz. Vyrába sa v 50 Ω a 75 Ω modifikácii. Vyznačuje sa konštantnou

impedanciou a veľmi dobrým tieniacim účinkom. Patrí medzi najkvalitnejšie

vysokofrekvenčné konektory.

Zapojenie riadiacej časti ( riadiaci počítač – generátor – analyzátor ) je popísané

v kapitole 5.6 na Obr. 18.

6.4 Použité antény a meracie prístroje

ANTÉNA 1

Typové označenie: CHASE CBL 6112 A



Konštrukcia: kombinovaná anténa ( logaritmicko – periodická + bikonická )

Frekvenčné pásmo: 30 MHz – 2 GHz

Impedancia: 50 Ω

Maximálny výkon: 150 W

Typ konektoru: N

ANTÉNA 2

Typové označenie: ROHDE & SCHWARZ HL 223

Konštrukcia: logaritmicko – periodická anténa

Frekvenčné pásmo: 200 MHz – 1,3 GHz

Impedancia: 50 Ω

Maximálny výkon: 600 W – 1,5 kW

Typ konektoru: N

ANTÉNA 3

Typové označenie: NEZNÁMY VÝROBCA

Konštrukcia: logaritmicko – periodická anténa

Frekvenčné pásmo: 200 MHz – 1,3 GHz

Impedancia: 50 Ω

POSUVNÝ STOJAN PRIJÍMACEJ ANTÉNY

Typové označenie: ROHDE & SCHWARZ STAND

Minimálna dosiahnuteľná výška: 1 m

Maximálna dosiahnuteľná výška: 4 m

GENERÁTOR SIGNÁLU

Typové označenie: HEWLETT - PACKARD ( AGILENT ) 83640 B

Frekvenčné pásmo: 10 MHz – 40 GHz

SPEKTRÁLNY ANALYZÁTOR

Typové označenie: HEWLETT - PACKARD ( AGILENT ) 8564 E

Frekvenčné pásmo: 30 Hz – 40 GHz



RIADIACI POČÍTAČ

Typové označenie: HEWLETT – PACKARD VECTRA

Procesor: PENTIUM III

Operačný systém: MS WINDOWS NT

RAM: 128 MB

RIADENIE POSUVNÉHO STOJANU

Typové označenie: ROHDE & SCHWARZ POSITIONING CONTROLLER

Výrobné číslo: 836620/003

6.5 Vzájomná poloha kalibrovaných antén



Presnosť kalibrácie antén je ovplyvňovaná ich vzájomnou polohou pri meraní.

Vzdialenosť R medzi anténami musí byť dostatočne veľká, aby sa kalibrované antény

navzájom negatívne neovplyvňovali. Odstupná vzdialenosť R je vzdialenosť medzi

anténami, na ktorých je myslene navrhnutý bod, medzi ktorými je táto vzdialenosť

odmeraná. U logaritmicko - periodických antén je tento bod umiestnený na základniach

pozdĺžnych osí. Vzájomná vzdialenosť je R =10 m. Pri iných odstupoch sa musia

realizovať korekčné prepočty ( kapitola 6.8 ). V praxi sa často používa vzájomná

vzdialenosť 3 m.

Výška vysielacej antény je konštantná ( h1 = 2m ). Prijímacia anténa je

umiestnená na stojane s vertikálnym posuvom. Pohybuje sa vo výške 1 – 4 m. Tento

posuv je realizovaný preto, aby bola v mieste prijímacej antény zabezpečená maximálna

intenzita elektrického poľa ( intenzita, ktorá vzniká interferenciou priamej a odrazenej

vlny ).

Čo sa týka meracieho priestoru, mal by mať rovinný povrch a veľkú plochu.

V priestore a v jeho blízkosti sa nesmú nachádzať objekty, ktoré by mohli spôsobiť odraz

elektromagnetických vĺn. Preto je vhodné celé meranie realizovať v bezodrazovej

komore, alebo na dostatočne rozľahlej ploche určenej na kalibráciu antén.

Obr. 21. Vzájomná poloha kalibrovaných antén

6.6 Postup kalibračného merania



1. Generátor signálu, spektrálny analyzátor a všetky meracie zariadenia sa uvedú do

pohotovostného stavu. Meranie je doporučené začať až po dobe, ktorá je potrebná

na stabilizáciu meracích prístrojov. Tento čas je špecifikovaný výrobcom.

Rozsahy meracích prístrojov nie je potrebné nastavovať manuálne. Po spustení

programu sa toto vykoná automaticky.

2. Pomocou vhodného adaptéra sa priamo prepojí kábel spájajúci generátor signálu

a vysielaciu anténu s káblom spájajúcim prijímaciu anténu a spektrálny

analyzátor. Po spustení podprogramu na meranie tlmenia kábla sa z generátora

vyšlú meracie signály na jednotlivých frekvenciách. Pomocou spektrálneho

analyzátora budú vyhodnotené. Týmto postupom sa zmeria tlmenie použitého

koaxiálneho kábla.

3. Meranie A1 - Na vzdialenosť R = 10m od seba sa umiestnia antény ( Obr. 20. ).

Vysielacia anténa je vo výške h1 = 2m. Prijímacia anténa sa umiestni na

vertikálne posuvný stojan ( h2 = 1m ). Anténa č. 1 je vysielacia, anténa č. 2

prijímacia. Po spustení podprogramu na meranie A1 sa dá do pohybu stojan

prijímacej antény a zároveň generátor začne vysielať meracie signály na

jednotlivých frekvenciách. Po dosiahnutí maximálnej výšky ( h2 = 4m ) stojanom

prijímacej antény bude meranie na tomto páre antén ukončené. Hodnoty tlmenia

pre jednotlivé frekvencie vyhodnotené spektrálnym analyzátorom pomocou

funkcie MAX HOLD budú zapísané do súboru. Čas merania trvá približne 500

sekúnd. Behom tohto intervalu ( posun stojanu z výšky 1m do 4m ) generátor

neustále vysiela meracie signály na všetkých frekvenciách. Takto spektrálny

analyzátor zaznamená hodnoty tlmení pri maximálnej intenzite elektrického poľa

v oblasti prijímacej antény. Toto meranie bolo zopakované aj pri posuve

prijímacej antény smerom dole.

4. Meranie A2 - Postup z kroku 3 sa opakuje. Anténa č. 1 je zapojená ako

vysielacia, anténa č. 3 prijímacia. Meranie sa realizuje po spustení podprogramu

na riadenie merania A2.



5. Meranie A3 - Postup z kroku 3 sa opakuje. Anténa č. 2 je zapojená ako

vysielacia, anténa č. 3 prijímacia. Meranie sa realizuje po spustení podprogramu

na riadenie merania A3.

6. Hodnoty tlmenia káblom namerané v kroku 2 sa odčítajú od hodnôt tlmení

nameraných v krokoch 3, 4, 5.

7. Na základe nameraných hodnôt sa vypočítajú kalibračné koeficienty ( anténové

faktory ) pre každú z troch kalibrovaných antén.

Obr. 22. Konfigurácia antén pre jednotlivé merania

meranie A1 meranie A2 meranie A3 fm [MHz] A1 [dB] A2 [dB] A3 [dB] tlmenie kábla [dB]

200 28,67 29,67 30,50 6,17 250 31,00 33,00 32,33 6,83 300 31,00 33,50 32,83 7,83 400 36,17 37,50 38,33 9,33 500 39,00 40,83 41,17 10,67 600 44,50 45,17 46,33 11,83 700 44,17 44,67 47,00 12,83 800 45,83 54,17 53,33 14,17 900 46,83 49,33 50,00 15,17

1000 46,33 51,00 52,50 16,00

Tab. 1. Namerané hodnoty tlmení pre jednotlivé frekvencie

Hodnoty tlmení v tabuľke sú uvedené, ako kladné čísla. V takomto tvare sa

používajú aj na ďalšie výpočty kalibračných koeficientov antén.



6.7 Výpočet kalibračných koeficientov antén

Hlavnou úlohou kalibrácie antén je zistenie kalibračných koeficientov. Tieto sa

v záverečnej fáze kalibrácie získavajú výpočtom z nameraných hodnôt. Takýmto

kalibračným koeficientom je aj anténový faktor. Viac o anténovom faktore je uvedené

v kapitole 4.3.7.

Pri výpočte anténových faktorov jednotlivých antén sa používajú nasledujúce

rovnice.

( max1 10log 24,46 1/ 2M D )1 2 3AF f E A A= − + + + − A

)1 3 2

( 6.1 )

( max2 10log 24,46 1/ 2M DAF f E A A= − + + + − A

)2 3 1

( 6.2 )

( max3 10log 24,46 1/ 2M DAF f E A A= − + + + − A ( 6.3 )

kde

− EDmax je maximum prijatého poľa generovaného vysielacou anténou meraného

v oblasti prijímacej antény v jednotkách dB [μV/m]. Ak vzájomná vzdialenosť

antén je R = 10m. Hodnota EDmax pre jednotlivé frekvencie je uvedená v použitej

norme.

− A1, A2, A3 sú merané tlmenia v jednotkách dB. Vo výpočtoch sa používajú

kladné hodnoty tlmení.

− AF1, AF2, AF3 sú anténové faktory jednotlivých antén v jednotkách dB ( 1/m ).

− fM sú frekvencie v jednotkách MHz.

anténa č.1 anténa č. 2 anténa č. 3 fm [MHz] Edmax [dB] AF1 [dB] AF2 [dB] AF3 [dB]

200 2,63 10,700 11,530 12,530 250 2,68 13,279 12,609 14,609 300 2,71 14,200 12,916 15,416 400 2,71 15,921 16,751 18,081 500 2,57 17,810 18,150 19,980 600 2,63 20,392 21,552 22,222 700 2,67 20,910 22,161 22,661 800 2,69 22,166 21,326 29,666 900 2,71 21,932 22,602 25,102 1000 2,72 21,315 22,815 27,485

Tab. 2. Vypočítané hodnoty anténových faktorov



6.8 Prepočet EDmax vzhľadom na zmenu polohy antén

Všetky kalibračné merania uvedené v tejto diplomovej práci boli realizované pri

vzájomnej polohe antén uvedenej v kapitole 6.5. Keďže hodnota EDmax je závislá nielen

od frekvencie, ale aj od vzájomnej polohy kalibračných antén je potrebné urobiť pre iné

rozloženie antén prepočty. Prepočty sa realizujú na základe rovnice ( 6.4 ).

( ) 1/ 222 22 1 1 2 2 1max

1 2

49,2 2 cosh h h

DH

d d d d d dE

d d

ρ ρ φ β+ + − −⎡ ⎤⎣=

⎦ ( 6.4 )

kde

( )( )

1/ 22

1/ 22

sin 60 cos

sin 60 coshj

h h

K je

K jϕ

γ λσ γρ ρ

γ λσ γ

− − −= =

+ − − ( 6.5 )

1 2arccos h hR

γ +⎛= ⎜⎝ ⎠

⎞⎟ ( 6.6 )

− K je relatívna dielektrická konštanta povrchu.

− σ je vodivosť povrchu v jednotkách [S/m].

− γ je uhol odrazu.

− λ je vlnová dĺžka v jednotkách [m].

− β = 2π/λ

Obr. 23. Opis vzájomnej polohy antén pre prepočet EDmax



7. Analýza neistôt merania

Neistota merania je parameter súvisiaci s výsledkom merania, ktorý

charakterizuje rozsah hodnôt, ktoré možno racionálne priradiť k meranej veličine. Merané

veličiny sú konkrétne veličiny, ktoré sú predmetom merania. Pri kalibrácii sa obyčajne

vyskytuje len jedna meraná veličina – výstupná veličina, ktorá závisí od niekoľkých

vstupných veličín.

Neistoty kalibračných meraní realizovaných v tejto diplomovej práci sú

vyhodnotené podľa normy MSA 0104 – 97. Táto norma bola vydaná Slovenskou

národnou akreditačnou službou a opisuje dva typy vyhodnotenia štandardnej neistoty

merania.

• vyhodnotenie typu A štandardnej neistoty

• vyhodnotenie typu B štandardnej neistoty

7.1 Vyhodnotenie typu A štandardnej neistoty

Vyhodnotenie typu A štandardnej neistoty je metóda vyhodnotenia neistoty

vychádzajúca zo štatistickej analýzy série pozorovaní. V tomto prípade predstavuje

štandardná neistota výberovú smerodajnú odchýlku strednej hodnoty, ktorá sa získa

spriemerovaním, alebo vhodnou regresnou analýzou.

Vyhodnotenie typu A štandardnej neistoty možno použiť v prípade, že bolo

uskutočnených n nezávislých meraní veličín. Ak v procese merania dôjde

k dostatočnému rozlíšeniu, získané hodnoty vykazujú viditeľné rozptýlenie, alebo

rozhádzanie. Vo všeobecnosti platí, že ak počet n opakovaní meraní je nízky ( n ≤ 10 ),

treba vziať do úvahy nepresnosť vyhodnotenia typu A. Ak počet meraní nie je možné

zvýšiť, treba použiť inú metódu vyhodnotenia štandardnej neistoty merania.

Keďže pre nedostatok času a náročnosť nebolo možné merania viackrát opakovať

( n ≤ 10 ) na vyhodnotenie neistôt bol použitý typ B. Opísaný je v nasledujúcej kapitole.



7.2 Vyhodnotenie typu B štandardnej neistoty

Vyhodnotenie typu B štandardnej neistoty je vyhodnotenie neistoty pomocou inej

metódy ako je štatistická analýza série meraní. Neistota merania sa určuje pomocou

racionálneho úsudku na základe všetkých dostupných informácií o možnej variabilite

meranej veličiny. Vyhodnotenie typu B sa robí na základe nasledujúcich údajov.

• skúseností a všeobecných poznatkov o príslušných materiáloch a prístrojoch

• údajov z predchádzajúcich meraní

• technických údajov výrobcu

• údajov získaných z kalibrácie a iných certifikátov

• neistôt referenčných údajov získaných z príručiek a literatúry

Správne používanie existujúcich informácií pri vyhodnocovaní typu B

štandardných neistôt vyžaduje uplatnenie skúseností a všeobecných poznatkov. Uvedený

typ vyhodnotenia môže byť rovnako spoľahlivý ako vyhodnotenie typu A, hlavne ak

vyhodnotenie typu A vychádza len z malého počtu štatisticky nezávislých meraní. [12]

Pri vyhodnocovaní neistôt boli brané do úvahy nasledujúce zdroje neistôt

ovplyvňujúce meranie.

1. Relatívna amplitúdová presnosť spektrálneho analyzátora – Hodnota

relatívnej amplitúdovej presnosti spektrálneho analyzátora bola zistená z manuálu

použitého spektrálneho analyzátora Hewlett – Packard ( Agilent ) 8564E. Táto

hodnota sa vždy uvádza pre určitý frekvenčný rozsah. Presná hodnota je uvedená

v Tab. 3.

2. Amplitúdová stabilita zdroja signálu – Hodnota amplitúdovej stability zdroja

signálu je uvedená na základe údaja z manuálu od výrobcu použitého signálneho

generátora Hewlett – Packard ( Agilent ) 83640B. Jej presná hodnota je v Tab. 3.



3. Chyby vznikajúce pri vysielaní – Tieto chyby sú najviac spôsobené vplyvom

stojatých vĺn. Pri určovaní ich vplyvu na celkovú neistotu merania sa vychádza

z pomeru stojatých vĺn 1,8 : 1. Na základe tejto hodnoty sa vyjadrí činiteľ odrazu

na konci použitých káblov.

( )( )1,18 1

0,0821,18 1

−Γ = =

+ ( 7.1 )

Potom hodnota chyby vznikajúcej pri vysielaní sa vypočíta nasledovne.

[dB] ( 7.2 ) ( )( )2 PSV 20log 1 0,082 0,06vysu = + =

4. Chyby vznikajúce pri prijímaní – Tieto chyby majú rovnakú hodnotu, ako

chyby vznikajúce pri prijímaní. Preto nie je potrebné ich ďalej opisovať. Hodnota

chyby je uvedená v Tab. 3.

5. Celková neistota merania – Celková neistota merania je vyjadrená ako

odmocnina zo súčtu jednotlivých neistôt podelených koeficientom K. Koeficient

K sa nazýva koeficient pokrytia.

2 2 2 20,8 0,02 0,06 0,06 0,46

3 3 2 2Cu ⎛ ⎞ ⎛ ⎞ ⎛ ⎞ ⎛ ⎞= + + + =⎜ ⎟ ⎜ ⎟ ⎜ ⎟ ⎜ ⎟⎝ ⎠ ⎝ ⎠⎝ ⎠ ⎝ ⎠

[dB] ( 7.3 )

6. Rozšírená neistota merania – Rozšírená neistota merania sa určí tak, že celková

štandardná neistota merania sa vynásobí koeficientom pokrytia K. Použije sa

normovaný koeficient pokrytia K = 2. Jej hodnota jej uvedená v Tab. 3.

Zdroj neistoty K Hodnota nepresnosti [dB]Relatívna amplitúdová presnosť spektrálneho analyzátora √3 0,80 Amplitúdová stabilita zdroja signálu √3 0,02 Chyby vznikajúce pri vysielaní √2 0,06 Chyby vznikajúce pri prijímaní √2 0,06 Celková neistota merania 0,46 Rozšírená neistota merania 2 0,92

Tab. 3. Neistoty merania a ich zdroje



8. Záver

Úlohou tejto diplomovej práce bola realizácia kalibrácie antén vo frekvenčnom

rozsahu 200 MHz – 1GHz. Podmienkou bolo, aby celé kalibračné meranie bolo

automatizované.

Automatizácia je vyriešená pomocou programu určeného na riadenie meracich

prístrojov ( generátor signálu, spektrálny analyzátor ). Tento program je vytvorený

v grafickom programovacom jazyku Agilent VEE pro 7.0. Pri vytváraní programu sa

kládol dôraz na jeho jednoduchosť, prehľadnosť a všestrannosť. Po malých zmenách

v štruktúre programu a nastavení vstupných hodnôt je možné ho použiť aj pri podobných

kalibračných meraniach. Prácu s riadiacim programom zjednodušuje aj vytvorený

ovládací panel. Riadiaci počítač komunikuje s meracími prístrojmi pomocou rozhrania

HPIB ( GPIB ).

Samotné meranie bolo realizované podľa normy ANSI C63.5 – 2004. Ako

najvhodnejšia bola vybratá štandardná metóda ( metóda troch antén ). Použité boli tri

logaritmicko – periodické antény. Tieto antény sa používajú pri presných laboratórnych

meraniach. Celé meranie bolo vykonané v bezodrazovej komore vo VÚS Banská

Bystrica. Z nameraných údajov sa vypočítali kalibračné koeficienty ( anténové faktory )

jednotlivých antén ( Tab. 2. ).

Po výpočte kalibračných koeficientov sa vyhodnotila na základe normy MSA

0104 – 97 štandardná a rozšírená neistota merania. Použilo sa vyhodnotenie typu B.

V prílohe 5. sú uvedené porovnania anténového faktora vypočítaného a certifikovaného

výrobcom. Z tabuliek vyplýva, že vypočítané hodnoty sú v tolerancii danej neistotami

merania. Na základe tohto porovnania som zistil, že uvedený postup kalibračného

merania, ako aj prostredie, kde sa toto meranie konalo je vhodný na kalibráciu antén vo

frekvenčnom rozsahu 200 MHz – 1 GHz. Týmto sa overila aj funkčnosť vytvoreného

riadiaceho programu.

Celá táto diplomová práca je vytvorená, ako odporúčanie na základe poznatkov

získaných pri praktickej realizácii zadaných úloh. Tieto odporúčania sú v niektorých

prípadoch vhodné nielen pre špecifické kalibračné merania, ale aj pre široké spektrum

meraní v rádiotechnike. Preto dúfam, že táto diplomová práca bude prínosom nielen pre

zadávateľa, ale aj pre tých, ktorý sa budú v danej problematike pohybovať.



Zoznam použitej literatúry

[1] www.kutil.borec.cz : šírenie elektromagnetických vĺn

[2] PROKOP, J. – VOKURKA, J.: Šíření elektromagnetických vln a antény. Praha:

SNTL/ALFA, 1980. ISBN 04-521-80

[3] www.sev.wz.cz : šírenie elektromagnetických vĺn

[4] www.spse-ke.fei.tuke.sk : teória elektromagnetického poľa

[5] VAVRA, Š. – TURÁN, J.: Antény a šírenie elektromagnetických vĺn. Bratislava:

SNTL/ALFA, 1989. ISBN 80-05-00131-2

[6] www.spse-ke.fei.tuke.sk : šírenie rádiových vĺn v pásme VKV

[7] ŠMIČEK, B.: Antény pre televízne a rozhlasové vysielanie na VKV. Praha:

NADAS, 1990.

[8] KRISCHKE, A. – ROTHAMMEL, K.: Rothammels Antennen Buch. Baunatal:

DARC VERLAG, 2003. ISBN 3-88692-033-X

[9] www.adn.tm.agilent.com : manuály meracích prístrojov

[10] www.sk.wikipedia.org : rozhranie HPIB (GPIB)

[11] AMERICAN NATIONAL STANDARDS INSTITUTE.: norma ANSI C63.5.

New York: IEEE, 2004. ISBN 0-7381-4514-9

[12] SLOVENSKÁ NÁRODNÁ AKREDITAČNÁ SLUŽBA.: MSA 0104 - 97

Vyjadrovanie neistôt merania pri kalibrácii. Bratislava: SNAS, 1997.

[13] Kalibračné certifikáty použitých antén

[14] NEVESELÝ, M.: Analýza elektrických obvodov 1. Žilina: EDIS, 2001.

ISBN 80-7100-841-9

[15] FRANCISCI, C. – LEGÍŇ, M. – KLIMA, J.: Medzinárodný elektrotechnický

Slovník STN IEC 60050 – 705. Bratislava: SÚTN, 2002.

[16] SÚTN.: Matematické značky používané vo fyzikálnych vedách a v technike

STN ISO 31 – 11. Bratislava: SÚTN, 1998.

[17] SÚTN.: Elektrina a magnetizmus STN ISO 31 – 5. Bratislava: SÚTN, 1997.


http://www.kutil.borec.cz/vf_technika/vf_technika/ant0_1.htm

http://www.sev.wz.cz/

http://www.spse-ke.fei.tuke.sk/elektro/Radiote/elmag/elmag.htm

http://www.spse-ke.fei.tuke.sk/elektro/Radiote/elmag/dv_sv_kv/dv_sv_kv.htm

http://adn.tm.agilent.com/index.cgi?CONTENT_ID=832

http://sk.wikipedia.org/wiki/Zbernica_IEEE_488_(GPIB_-_General_Purpose_Instrumentation_Bus)


ČESTNÉ VYHLÁSENIE

Vyhlasujem, že som zadanú diplomovú prácu vypracoval samostatne, pod

odborným vedením vedúceho diplomovej práce Ing. Pavla Riečana a používal som len

literatúru uvedenú v práci.

Súhlasím so zapožičaním diplomovej práce.

V Žiline, dňa 19.5. 2006

podpis diplomanta



POĎAKOVANIE

Touto cestou by som sa chcel poďakovať Ing. Pavlovi Riečanovi za jeho cenné

rady, pripomienky a pomoc pri získavaní materiálov, potrebných ku vypracovaniu mojej

diplomovej práce.


ŽILINSKÁ UNIVERZITA V ŽILINE Elektrotechnická fakulta


DIPLOMOVÁ PRÁCA Prílohová časť

2006 Ján Haring

Zoznam príloh

Príloha 1. Ukážka programu na riadenie kalibrácie antén

Príloha 2. Fotografie meracích prístrojov a meracieho pracoviska

Príloha 3. Fotografie prepojenia prístrojov pomocou rozhrania HPIB ( GPIB )

Príloha 4. Fotografie kalibrovaných antén

Príloha 5. Porovnanie certifikovaných a nameraných hodnôt anténového faktora

Príloha 6. Diplomová práca a riadiaci program kalibrácie v elektronickej forme

Príloha 1.

Príloha 1. Ukážka programu na riadenie kalibrácie antén

Príloha 2.

Príloha 2. Fotografie meracích prístrojov a meracieho pracoviska

Príloha 3.

Príloha 3. Fotografie prepojenia prístrojov pomocou rozhrania HPIB ( GPIB )

Príloha 4.

Anténa č. 1

Anténa č. 2

Anténa č.3

Príloha 4. Fotografie kalibrovaných antén

Príloha 5.

fm [MHz] AF1 [dB] namerané neistota merania [dB] AF1 [dB] certifikované 200 10,700 +/- 0,920 10,500 250 13,279 +/- 0,920 13,230 300 14,200 +/- 0,920 14,190 400 15,921 +/- 0,920 16,870 500 17,810 +/- 0,920 17,880 600 20,392 +/- 0,920 19,450 700 20,910 +/- 0,920 20,160 800 22,166 +/- 0,920 21,110 900 21,932 +/- 0,920 22,070 1000 21,315 +/- 0,920 22,990

Porovnanie certifikovaných a nameraných hodnôt ( anténa č. 1 )

fm [MHz] AF2 [dB] namerané neistota merania [dB] AF2 [dB] certifikované 200 11,530 +/- 0,920 11,130 250 12,609 +/- 0,920 12,710 300 12,916 +/- 0,920 13,830 400 16,751 +/- 0,920 16,750 500 18,150 +/- 0,920 17,980 600 21,552 +/- 0,920 19,290 700 22,161 +/- 0,920 20,680 800 21,326 +/- 0,920 21,510 900 22,602 +/- 0,920 22,340 1000 22,815 +/- 0,920 23,350

Porovnanie certifikovaných a nameraných hodnôt ( anténa č. 2 )

závislosť AF1 od frekvencie

0

5

10

15

20

25

200 250 300 400 500 600 700 800 900 1000

fm [MHz]

AF1

[dB

]

Zobrazenie závislosti anténového faktora od frekvencie ( anténa č. 1 )

Príloha 5. Porovnanie certifikovaných a nameraných hodnôt anténového faktora

Documents

ŽILINSKÁ UNIVERZITA V ŽILINEdiplom.utc.sk/wan/647.pdf · 2006-09-04 · LPDA logaritmicko – periodická dipólová anténa PA prijímacia anténa SNAS Slovenský národný akreditačný