ZOZNAM POUŽITÝCH SYMBOLOV
frez
rezonančná frekvencia
G
zisk antény
z
vstupná impedancia
R
vyžarovací odpor antény
c
rýchlosť svetla vo vákuu
f
frekvencia
λ
vlnová dĺžka
E
intenzita elektromagnetického poľa
U1
napätie na meranej anténe
U0
napätie na referenčnej anténe
P1
výkon na meranej anténe
P0
výkon na referenčnej anténe
P
výkon vyžiarený anténou
I
prúd vmieste napájania antény
W
najväčší rozmer meranej antény
C2
konštanta určujúca požadovanú presnosť merania
Pr
prijatý výkon [W]
Po
vstupný výkon na vysielacej anténe[W]
R
vzájomná vzdialenosť medzi anténami
g(θ,Φ)
zisk vysielacej antény v smere (Θ, Φ )
g’(θ‘,Φ‘)
zisk prijímacej antény v smere (Θ′, Φ ′)
Lr
úroveň signálu na výstupe prijímacej antény [dBm]
Gmax
maximálny zisk vysielacej antény [dB]
G´max
maximálny zisk meranej antény [dB]
Ga
zisk meranej antény
Gr
zisk referenčnej antény
Ad
rozdiel ziskov meranej a referenčnej antény
As
nameraný útlm [dB]
Gs
zisk voči izotropnému žiariču[dB]
1
Ke
lineárna hustota povrchového prúdu
H
vektor intenzity magnetického poľa
L0
rovinná vlna vzniknutá odrazom guľovej vlny od reflektora
F
bodový zdroj guľovej vlny
S
odrazová plocha
2
ZOZNAM POUŽITÝCH SKRATIEK
PSV
pomer stojatého vlnenia
VB
Visual Basic
TP
Turbo Pascal
KM
Krokový motor
MK
mikrokrokovanie
R1,R2
rezistor
T1,T3
tranzistor NPN
T2,T4
tranzistor PNP
Dt
priemer reflektorových antén
3
1. ÚVOD
Anténa je neoddeliteľnou súčasťou rádiokomunikačného reťazca na bezdrôtový
prenos informácií. Je definovaná ako prvok , ktorý transformuje elektromagnetické vlny
vedené napájačom na elektromagnetické vlny šíriace sa voľným priestorom a naopak. Preto
je anténa najdôležitejšou časťou rádiokomunikačného zariadenia a nemôže sa nahradiť
žiadnym iným elektronickým obvodom. Antény patria obyčajne k pasívnym prvkom
a možno ich podľa parametrov rozdeliť do rôznych
skupín. Jedným s najdôležitejších
parametrov je smerová charakteristika a zisk antény
Cieľom automatizovaného pracoviska je presnejšie a rýchlejšie meranie parametrov
antén, kde sa ľudský faktor nahradí výpočtovú techniku a tým sa pri meraní eliminujú chyby
spôsobené človekom, ktorý meranie vykonával.
Cieľom tejto práce bol návrh automatizovaného pracoviska na meranie smerovej
charakteristiky a zisku antén vo frekvenčnom pásme 1 až 40 GHz. Pôvodné pracovisko
obsahovalo vysielaciu anténu s generátorom upevnenú na pevnom stožiari a prijímaciu
anténu so spektrálnym analyzátorom upevnenú na otočnom stožiari, kde sa prijímacia anténa
ručne otáčala na stožiari o určitý stupeň a so spektrálneho analyzátora sa odčítavala hodnota
signálu, prijímaného z vysielacej antény a zapisovala do tabuľky z ktorej sa neskôr vytvoril
graf.
Súčasné pracovisko obsahuje otočný stožiar, otáčaný pomocou krokového motora,
ktorý je riadený počítačom a namerané hodnoty sa zaznamenávajú na počítač, z ktorých sa
vytvorí graf pomocou softvéru, vytvoreného pre súčasné pracovisko. Softvér bol napísaný
v programovacom jazyku Delphi 5 a Agilent VEE pro 7.0 a obsahuje algoritmy, ktoré riadia
krokový motor, komunikujú s meracími prístrojmi, vykresľujú grafy a ďalšie, ktoré sú
potrebné pre bezproblémový chod automatizovaného pracoviska.
Projekt bol realizovaný na pracovisku vo VÚS Banská Bystrica.
4
2. ZÁKLADNÉ PARAMETRE ANTÉN A PRINCÍP ČINNOSTI
Anténa je zariadenie, ktoré transformuje elektromagnetické vlnenie šíriace sa pozdĺž
vedenia na elektromagnetické vlnenie, šíriace sa vo voľnom priestore a naopak. Preto je
anténa najdôležitejšou časťou rádiokomunikačného zariadenia a nemôže sa nahradiť žiadnym
iným elektronickým obvodom.[1]
Anténa tvorí základnú súčasť rádiokomunikačného systému, a preto musí splňovať
celý rad požiadaviek na technické parametre, ktoré umožňujú chod celého systému v daných
podmienkach. Parametre sa kontrolujú pri výrobe alebo za chodu meraním, pre ktoré boli
vypracované rôzne meracie metódy a medzinárodné odporučenia. [1]
Každú anténu charakterizujú tieto hlavné elektrické parametre :
− Rezonančná frekvencia (frez) a šírka pásma antény
− Zisk antény (G)
− Vstupná impedancia (z)
− Vyžarovací odpor antény (R)
− Pomer stojatého vlnenia (PSV)
Pri smerových anténach :
− Predozadný pomer
− Šírka hlavného zväzku v horizontálnej a vertikálnej rovine
Rádiové komunikačné systémy pokrývajú v súčasnej dobe veľmi široké frekvenčné
pásmo. Rozmery príslušných anténnych systémov sú v zásade závislé na dĺžke vlny
pracovnej frekvencie, takže aj meracie metódy budú rôzne (napr. pre antény rozhlasových a
KV vysielačov, alebo naproti tomu antény pre cm, mm vlny). Hlavnú pozornosť budeme
venovať meraniu antén pre frekvenčné pásma 30 MHz až 30 GHz. Meracie metódy pre
pásma nad 30 GHz sa podstatne nelíšia od metód pre pásma okolo 30 GHz. Nároky na
presnosť mechanickej výroby meracích zariadení sú však podstatne vyššie. [1]
5
Za základné elektrické parametre antén, ktoré je nutné overovať meraním,
považujeme:
- vstupní impedanciu
- smerový diagram (polarizáciu elektromagnetického poľa, zisk).
Okrem uvedených parametrov existujú tiež izolačné vlastnosti (uzemnenie, ochrana
proti prepätiam a pod.). Týmito parametrami sa zaoberať nebudeme, lebo sú súčasťou
celkových izolačných požiadaviek na systém. [1]
Pretože elektromagnetické pole vyžarované alebo prijímané anténou pôsobí na diaľku, je
presnosť merania parametrov antény závislá na polohe, vzdialenosti antény vzhľadom
k okolitým objektom a teda aj na vzdialenosti od zeme. Vzdialenosť sa určuje dĺžkou vlny
meracej frekvencie. Čím je vlna dlhšia, tým je kritickejší vplyv relatívne blízkych predmetov
a naopak. [1]
2.1
REZONANČNÁ FREKVENCIA
Anténa je otvorený rezonančný obvod, ktorého indukčnosť a kapacita sú realizované
vodičom o dĺžke l a priemerom d (l>>d). Ak má byť anténa v rezonancii, musí byť dĺžka
vodiča celým násobkom polovici vlnovej dĺžky. [1]
l=
λ
λ=
2
Kde :
c
[m]
f
f =
1
2π LC
[Hz ]
l
dĺžka antény
C
kapacita [F]
λ
vlnová dĺžka
f
frekvencia
c
rýchlosť svetla vo vákuu
L
indukčnosť [H]
Aj keď má anténa vlastnú rezonančnú frekvenciu, tak účinne pracuje len v určitom
frekvenčnom pásme, ohraničenom frekvenciami fmin a fmax. V charakteristike intenzity
elektromagnetického poľa E môžeme na krivke, určujúcej závislosť napätia od frekvencie
(obr. 2.1) označiť body fmin a fmax , kedy intenzita elektromagnetického poľa poklesne o 3dB.
Takto definované frekvencie ohraničujú šírku frekvenčného pásma antény. [1]
6
Obr. 2.1 Rezonančná charakteristika antény
2.2 ZISK ANTÉNY
Hlavným parametrom charakterizujúcim účinnosť antény je jej zisk G. Jedná sa
o relatívnu hodnotu, vzťahujúcu sa na určitú referenčnú anténu. Zisk antény v dB je daný
pomerom napätí (E1/E0), alebo výkonov (P1/P0) na záťaži pripojenej jednak k meranej anténe
a potom k referenčnej anténe, umiestnenej vtom istom mieste. [1]
G[dB ] = 20 log(U 1 / U 0 ) = 10 log(P1 / P0 )
Kde :
U1
napätie na meranej anténe
U0
napätie na referenčnej anténe
P1
výkon na meranej anténe
P0
výkon na referenčnej anténe
Za referenčnú anténu sa považuje buď izotropická anténa so ziskom G = 0 dBi
(anténa vyžarujúca vysokofrekvenčnú energiu rovnomerne do všetkých smerov ), alebo
polvlnový dipól so ziskom G = 0dBd (2,14 dBi).
7
2.2.1 SUBSTITUČNÁ METÓDA
Pre túto metódu platí opäť zákon reciprocity, takže nezáleží na tom, či meraná anténa
je prijímacia alebo vysielacia. Meraná anténa spolu s jej nosným systémom sa umiestni do
meracieho priestoru popísaného v kapitole „2.3.3 MERACIE PROSTREDIE“ a je vystavená
dopadu rovinnej elektromagnetickej vlny, ktorá má polarizáciu odpovedajúcu polarizácii
meranej antény. Výstupný výkon antény, dodávaný do špecifikovanej záťaže, sa porovnáva s
výkonom substitučnej referenčnej antény. Referenčnú anténu je treba substitučne umiestniť
do rovnakého miesta, ako bola umiestnená meraná anténa. Zisk referenčnej antény musí byť
presne známi, rovnako ako jej smerovosť, polarizácia a charakteristika krížovej polarizácie.
Polarizácia referenčnej antény pri meraní musí byť totožná s polarizáciou meranej antény.
Doporučuje sa, aby sa referenčná anténa typom nelíšila od meranej antény. Ak je to možné,
je treba, aby fázové stredy oboch antén (meranej aj referenčnej) boli pri substitúcii v rovnakej
polohe. Spojovacie vedenie medzi meranou a referenčnou anténou a meracím prijímačom by
malo byť rovnaké. V opačnom prípade musíme poznať útlm vedenia pre každú meraciu
frekvenciu. Je treba zaistiť, aby spojovacie vedenie pri meranej anténe zaujalo normálnu
pracovnú polohu. V prípade, že nie je táto poloha špecifikovaná, musí sa dbať na to, aby
poloha spojovacieho vedenia mala na merané hodnoty čo najmenší vplyv. Ak sa použije
nesymetrické vedenie k pripojeniu symetricky napájanej antény, je treba použiť symetrizačný
člen. [3]
Pri meraní je treba kontrolovať elektrickú stabilitu meracieho zariadenia. Preto je pri
meraní vhodné použiť prijímaciu monitorovaciu anténu a umiestniť ju do polohy, kde
neovplyvní rozloženie poľa v mieste meranej antény. Stupeň impedančného neprispôsobenia
medzi meranou anténou, vedením a meracím zariadením nemá na oboch stranách vedenia
prekročiť koeficient odrazu 0,1. To isté platí pre obvody referenčnej antény. Príklad
zapojenia meracích prístrojov a antén je na obr. 2.2.1. [3]
8
Obr.2.2.1 Schéma meracej sústavy substitučnou metódou
Zoslabovačom zaradeným do vedľajšieho vedenia nastavíme rovnakú úroveň signálu
na vstupe prijímača pre obe polohy prepínača S, ktorý pripojuje na prijímač jednak
monitorovaciu anténu am a jednak referenčnú anténu ar. Zoslabovač A3 je spravidla
nemenný, s útlmom 3 dB a zmenšuje prípadný vplyv impedančného neprispôsobenia
referenčnej a meranej antény aa. Zoslabovač A2 je presný premenný zoslabovač. Týmto
zoslabovačom nastavíme rovnakú výchylku indikátora prijímača jednak po pripojení
referenčnej antény a jednak po pripojení meranej antény. Rozdiel medzi oboma
zoslabovačmi Ad udáva rozdiel medzi ziskom referenčnej antény Gr a meranej antény Ga.
Výsledný zisk meranej antény je daný
Ga = Gr +( - Ad) (3)
Tomuto prípadu sa spravidla vyhýbame a za referenčnú anténu volíme anténu s
väčším ziskom, než je očakávaný zisk meranej antény. Zisk meriame väčšinou pre niekoľko
frekvencií v pracovnom (Pozn.: znamienko - predpokladá, že zisk meranej antény je menší
než zisk referenčnej antény). pásme antény a niekoľko meraní opakujeme, vždy s kontrolou
signálu monitorovacej antény. Namerané zisky zapíšeme do tabuľky alebo do grafu. Rozptyl
nameraných údajov pre danú frekvenciu ukazuje na stabilitu našich prístrojov. Špeciálne
meracie prijímače majú pre tieto účely vedľajší vstup pre signál z monitorovacej antény a ich
citlivosť je priebežne riadená podľa prípadnej odchýlky signálu vysielača. Pri meraní zisku
rozmerných antén (napr. parabolického reflektora s priemerom D =100 cm ) je treba meniť,
najlepšie priebežne, polohu referenčnej antény naprieč vertikálnym rozmerom meranej
antény a štatisticky vyhodnotiť namerané hodnoty. [3]
9
2.2.2 RECIPROČNÁ METÓDA
K tomuto meraniu potrebujeme dve totožné antény. Jedna je použitá ako prijímacia a
druhá ako vysielacia. Každá anténa je umiestnená spolu s upevňovacou konštrukciou na
stožiar (teleskopický) a sú na seba vzájomne nasmerované (maximom smerového diagramu).
Výšku antén nad zemou je možné nastaviť tak, že obe antény sú v rovnakej výške nad
zemou. Minimálna výška nad zemou má byť najmenej 2 λ. Vzájomná vzdialenosť medzi
anténami R musí byť známa a má byť najmenej 3λ alebo 4b2/λ, kde b udáva najväčší rozmer
antény. Z oboch hodnôt použijeme tu väčšiu. Vplyv odrazov od zeme kontrolujeme súčasnou
zmenou výšky oboch antén z minima 2 λ a zaznamenáme relatívnu zmenu na indikátore
prijímača. Zmeny by nemali prekročiť ±0,5 dB. Za týchto podmienok zanedbateľného vplyvu
odrazov od zeme je útlm medzi oboma anténami daný:
As = 20 log(
4πR
λ
) (4)
•
As je nameraný útlm [dB]
•
Gi je zisk voči izotropnému žiariču[dB]
•
R je vzdialenosť medzi fázovými stredmi oboch antén
•
λ je vlnová dĺžka meracej frekvencie
V praxi môžeme vzdialenosť R merať medzi napájacími svorkami antén (s výnimkou
„apertúrových antén“, napr. lievikové antény, šošovkové, reflektorové apod.). Zisk antény
(dB) voči izotropnému žiariču je daný:
Gi = 10 log(
4πR
λ
)−
As
(5)
2
alebo voči polvlnovému dipólu
Gi = 10 log(
4πR
λ
)−
As
− 2,15 (6)
2
Útlm As medzi oboma anténami môžeme merať rôznymi spôsobmi podľa toho, aký merací
prístroj použijeme. [3]
10
2.3 VÝSTUPNÁ IMPEDANCIA A VYŽAROVACÍ ODPOR
Anténa pripojená na vysielač ho zaťažuje, tak ako každý spotrebič svojím odporom
(impedanciou). Pretože impedancia antény má dve zložky, odporovú a reaktančnú
(induktívnu alebo kapacitnú), je celkové zaťaženie súčtom oboch zložiek. Vstupný odpor R
antény je súčtom vyžarovacieho (užitočného) odporu a (neužitočného) stratového (premieňa
vysokofrekvenčnú energiu na tepelné straty). Pri výpočte vyžarovacieho odporu
vychádzame zo základných vzorcov elektrických zákonov. [3]
R=
U
[Ω]
I
P = U .I [W ]
⇒
R=
P
[Ω]
I2
Kde :
R
vyžarovací odpor [Ω]
P
výkon vyžiarený anténou [W]
I
prúd vmieste napájania antény [A]
2.3.1 IPEDANCIA A KOEFICIENT ODRAZU
Impedanciu antény meriame vrátane mechanickej podpery. Ak má anténa symetrické
napájanie, musíme použiť symetrizačný člen (ak použité meracie zariadenie nemá pre
meranie súmerne zaťažený vstup). Vplyv určitého symetrizačného členu je treba brať do
úvahy práve pri meraní v širšom frekvenčnom pásme. K meraniu impedancie sa najskôr
používali rôzne mostíky alebo reflektomery, prípadne meracie vedenia na cm vlnách.
V súčasnej dobe poskytuje priemysel veľký výber meracích prístrojov tzv. Network
analyzátorov, ktoré v spojení s počítačom vyhodnotí meranú impedanciu rovno na grafickom
zázname, napr. na Smithovom diagrame. Renomovanými firmami sú napr. Hewlett Packard
alebo Rohde Schwarz. [3]
11
2.3.2 MERANIE IMPEDANCIE
Aby
sa
zmenšil
vplyv
zeme
a okolitých
predmetov
schopných
odrážať
elektromagnetické vlny, doporučuje sa, aby vzdialenosť k týmto predmetom nebola menšia
ako:
d = C2 . W
•
W je najväčší rozmer meranej antény
•
C2 je konštanta určujúca požadovanú presnosť merania
Hodnoty C2 pre požadovanú presnosť
•
10 % 0,5
•
5 % 0,8
•
3 % 1,3
Pri meraní antén menších rozmerov (napr. ožarovače reflektorových antén) postačí
zatieniť blízke meracie prístroje absorpčnými doskami alebo sa presvedčiť pohybom rovinnej
kovovej dosky v blízkosti meranej antény, ako sa mení nameraná impedancia. Podľa toho
nastavíme potom polohu antény. Samotná poloha napájacieho vedenia má často vplyv na
meranú impedanciu. [3]
2.3.3 MERACIE PROSTREDIE
Meracím prostredím (measuring site, range) nazývame blízke aj vzdialené okolie
meranej antény. Podľa druhu antény, dĺžky vlny a použitej meracej metódy volíme meracie
prostredie. Iné nároky sú kladené na prostredie pri meraní impedancie, iné pri meraní
smerových diagramov a zisku. Iné nároky sú kladené pre meranie rozmerových antén pre cm
vlny a iné pre meranie stacionárnych alebo mobilných antén. [3]
2.4 SMEROVÁ CHARAKTERISTIKA ANTÉNY
Pri meraní smerového diagramu musí byť meraná anténa zapojená napr. ako
prijímacia, umiestnená do homogénneho elektromagnetického poľa s polarizáciou
odpovedajúcou pracovnej polarizácii antény. Pokiaľ je meraná anténa zapojená ako
vysielacia, platí predošlé pre prijímaciu anténu indikátora. Na základe princípu reciprocity sú
12
smerové diagramy meranej antény zapojené ako prijímacie totožné s diagramy antény
zapojenej ako vysielacej. Meraná anténa sa spravidla umiestňuje na tzv. otočný stožiar, ktorý
je konštruovaný tak, že umožňuje jednak natáčanie antény v horizontálnej rovine, v ktorej je
meraný diagram, a ďalej umožňuje natočenie antény okolo vodorovnej osy, tak aby mohli
byť merané rôzne rezy priestorovým diagramom (obr.2.4). [3]
Obr.2.4. Bloková schéma pracoviska na meranie smerového diagramu antén
Veľmi výhodné je, keď otočný stožiar umožňuje naklonenie antény vo vertikálnej
rovine. Toto naklonenie sa využíva pri meraní so zvýšenou polohou meranej antény, ktoré
obmedzuje odraz od zeme. Konštrukcia otočného stožiara by mala byť z izolačného
materiálu, aby kovová konštrukcia neovplyvňovala rozloženie poľa okolo meranej antény.
Otáčanie stožiara s anténou je prenášané na zapisovacie zariadenie spojené s výstupom
prijímača. Naklonenie vo vertikálnej rovine nemožno často
realizovať pre zložitosť
konštrukcie - musíme sa uspokojiť s meraním len v horizontálnej rovine. Presné zameranie
na ožarovanú anténu je treba dodržať vždy, hlavne pri meraní antény s veľmi úzkym
vyžarovacím lalokom. Požiadavka celo izolačnej konštrukcie narazí často na ekonomické
13
problémy a preto musíme dbať na to, aby aspoň meraná anténa bola dostatočne vzdialená od
kovových súčastí otočného stožiara a upevnená na izolačnom držiaku. Vertikálna os otáčania
by mala prechádzať fázovým stredom meranej antény. Pokiaľ to pozdĺžne rozmery antény
neumožňujú (práve pri nižších frekvenciách), je treba polohu antény voči ose otáčania
označiť na nameraných diagramoch. Ožarovacia anténa je umiestnená na podstavci, ktorý
umožňuje nastavenie výšky antény tak, aby maximum jej žiarenia bolo na spojnici medzi
meranou anténou a ožarovacou anténou. Upevnenie ožarovacej antény, alebo jej konštrukcie
má umožniť natáčanie antény pozdĺž vodorovnej osy tak, aby sa mohla meniť orientácia
polarizácie vlnenia dopadajúceho na meranú anténu. Schematické znázornenie meracej
sústavy je na obr.2.4. [3]
Prístrojové vybavenie meracieho pracoviska je závislé na frekvenčnom pásme, v
ktorom sa bude merať, a na veľkosti meraných antén. Zásadne ide o určenie potrebného
výkonu vysielača a citlivosti prijímača. Výkon na výstupe meranej, prijímacej anténe
vyvolaný vysielacou anténou je daný vzorcom:
2
 λ 
Pr = P0 
 g (Θ, Φ )g ′(Θ′, Φ ′)
 4πR 
(1)
•
Pr je prijatý výkon [W]
•
Po je vstupný výkon na vysielacej anténe[W]
•
R je vzájomná vzdialenosť medzi anténami
•
λ je vlnová dĺžka
•
g (Θ, Φ ) je zisk vysielacej antény v smere (Θ, Φ )
•
g ′(Θ′, Φ′) je zisk prijímacej antény v smere (Θ′, Φ ′) za predpokladu, že obe antény
majú rovnakú polarizáciu.
Táto rovnica sa dá upraviť pre stanovenie minimálnej úrovne prijatého signálu a úrovne
vysielacieho výkonu tak, aby sa určil dynamický rozsah, v ktorom sa dá merať smerový
diagram. Ak požadujeme napr. dynamický rozsah merania aspoň 40 dB, ktorý určuje
najmenšiu úroveň merania postranných lalokov smerového diagramu, bude rovnica (1)
vypadať nasledovne:
 4πR 
′ − 40dB − 20 log
Lr = Gmax + Gmax

 λ 
(2)
14
•
Lr je úroveň signálu na výstupe prijímacej antény [dBm]
•
Gmax je maximálny zisk vysielacej antény [dB]
•
G´max je maximálny zisk meranej antény [dB]
Uvedená úroveň signálu Lr prijatého meranou anténou platí pre orientáciu prijímacej
antény v smere minima
smerového diagramu -40 dB. Namerané diagramy zobrazujeme buď v ortogonálnom alebo
polárnom zobrazení. Úzko smerové diagramy (napr. parabolické reflektory) je výhodné
zobraziť vždy v ortogonálnom zobrazení. [3]
2.4.1 MERANIE SMEROVÝCH DIAGRAMOV
Meraná anténa má byť umiestnená v homogénnom elektromagnetickom poli.
Homogénne elektromagnetické pole je charakterizované nulovou zmenou intenzity a fázy
poľa v danom priestore. Napr. pre antény Yagi by to znamenalo priestor s rozmermi
pravouhlého kvádra, do ktorého sa dá anténa umiestniť, zväčšeného na každej strane o štvrť
vlny. Pre antény parabolického typu ide o plochu ústia antény, pričom priečny rozmer je
zväčšený aspoň o štvrtinu priemeru. Homogénne elektromagnetické pole zhora uvedených
parametrov ide v praxi ťažko vytvoriť. Najlepšie sa tieto požiadavky splnia vytvorením
rovinnej vlny priečne polarizovanej (TEM vlna), šíriaca sa pozdĺž spojnice oboch antén
meranej (prijímacej) a vysielacej (ožarovacej). Rovinná vlna TEM je v podstate teoretický
fenomén a v praxi ich nahradzujeme guľovou vlnou s veľmi veľkým polomerom R. Ukázalo
sa, že dostatočnú presnosť merania zaistíme, ak povolíme v danom priestore merané antény
maximálnu zmenu fázy danej pomerom λ/16. Aby sa toho dosiahlo, musí platiť pre
najmenšiu meraciu vzdialenosť:
R≥
•
2(W 12 + W 2 2 )
λ
W1 a W2 sú maximálne rozmery meranej a vysielacej antény alebo pre väčšie
vzdialenosti:
R≥
•
2W 2
λ
W je maximálny rozmer meranej antény
15
W=D
•
D je priemer ústia napr. reflektorovej antény.
Malé fázové odchýlky spôsobia malé deformácie v štruktúre postranných lalokov smerového
diagramu. Väčšie odchýlky spôsobí podstatné chyby pri meraní zisku a v štruktúre
postranných lalokov diagramu. [3]
Zhora povolená odchýlka λ/16 spôsobí napr. u reflektorovej antény chybu v nameranom
zisku 0,1 dB. Naopak u antén s veľkým fázovým posuvom v ústí, ako je napr. lieviková
anténa, môže vlastný fázový posun v ústí antény spôsobiť značnú chybu v nameranom zisku
( 0,3 až 0,8 dB). Maximálna zmena intenzity v tomto kvázi homogénnom poli by nemala
prekročiť ±0,5 dB pre frekvencie pod 300 MHz a ±0,25 dB pre frekvencie nad 300 MHz.
Výpočtom sa dá stanoviť, že maximálna chyba na smerovom diagrame na úrovni -20 dB
hlavného laloku je +3,9 dB až -7,3 dB pre zmeny poľa ±0,5 dB a 2,2 dB až -3 dB pre zmeny
poľa ±0,25 dB. [3]
Meranie týchto chýb nie je jednoduchou záležitosťou. K meraniu musíme použiť
sondy (dipólové alebo malú lievikovú anténu), ktorá by nemala ovplyvňovať svojou
prítomnosťou merané pole a to je obtiažne. Preto musíme hľadať také meracie prostredie,
ktoré samo o sebe zaistí zhora uvedené požiadavky. Fázovú podmienku λ/16 dodržíme ľahko
zaistením potrebnej vzdialenosti R, aj keď často aj táto podmienka obmedzí veľkosť antén,
ktorú sme schopní merať. Zmeny intenzity poľa sú zavinené predovšetkým odrazmi
elektromagnetických vĺn od zeme, prípadne od vzdialenejších objektov. Na obr. 2.4.1 je
znázornený základný jednoduchý prípad usporiadania meracieho pracoviska (merací
polygón). [3]
16
Obr.2.4.1 Usporiadanie meracieho pracoviska (merací polygón)
V tomto prípade kontrolujeme odraz od zeme pri meraní vyžarovacieho diagramu
vysielacej antény vo vertikálnom smere.
Obr. 2.4.1 usporiadanie meracieho pracoviska (merací polygón), vlny odrazené od zeme
budú utlmené absorpciou, prípadne rozptýlením na povrchu zeme. Vysielacie a prijímacie
antény bývajú umiestnené na stožiaroch, budovách alebo kopcoch. Ideálny prípad nastane, ak
zvolíme výšku umiestnenia antény h tak, aby prvé minimum smerového diagramu vysielacej
antény smerovalo do miesta zrkadlového odrazu. Prvé minimum u reflektorových anténach s
priemerom Dt nastane približne pre uhol λ/Dt (rad.) meraný od maxima smerového
diagramu, takže podľa obr. 2.4.1 platí výška:
h≈
λR
2 Dt
Situáciu podľa obr. 2.4.1 v praxi ťažko splníme. Ak sa ukáže kontrola intenzity poľa
v mieste meranej antény väčšia než povolené výchylky, môžeme v mieste zrkadlového
odrazu priečneho k smeru šírenia umiestniť tzv. difrakčnú prekážku alebo zúžiť smerový
diagram vysielacej antény. [3]
Práve popísané meracie prostredie nie je jediné a existuje celý rad ďalších možností,
kde merať antény. Namiesto zväčšovania vzdialeností antén od zeme je možné umiestniť obe
antény veľmi nízko nad zem, zaistiť veľmi hladký a rovný povrch medzi anténami. Tu sa
využije skutočnosť, že koeficient odrazu bude rovný 1 a jeho fáza bude 180 °. V tomto
17
prípade a za ďalších predpokladov sa vytvorí výhodné rozloženie poľa v mieste meranej
antény. Tam, kde nemožno nájsť vhodný vonkajší priestor alebo kde časté merania ohrozujú
vplyvy počasia, sa používajú tzv. bezodrazové komory. Bezodrazová komora je miestnosť,
ktorej veľkosť je daná maximálnou veľkosťou meranej antény a ktorá má všetky steny
obložené bezodrazovým útlmovým materiálom. Moderné bezodrazové komory sú často
veľmi veľké a umožňujú meranie antén i na mobilných prostriedkoch, vozidlách, lietadlách
apod. [3]
Problém s obmedzenou vzdialenosťou medzi meranými anténami bol do určitej miery
vyriešený tzv. kompaktnou meracou komorou (compact range).
2.5 ANTÉNY PRE FREKVENČNÉ PÁSMO VYŠŠIE AKO
1GHz
Antény, ktoré sú najčastejšie používané pre frekvenčné pásmo nad 1 GHz sú:
•
Lievikové antény
•
Štrbinové antény
•
Reflektorové antény (paraboly)
2.5.1 LIEVIKOVÉ ANTÉNY
V technike veľmi krátkych vĺn sa veľmi často používajú na prenos energie
vlnovody. Vlnovody môžeme použiť nielen pre vedenie , ale aj pre vyžarovanie el.mg.vĺn.
Otvorený koniec vlnovodu si môžeme predstaviť ako plôšku ožiarenú el.mg. poľom. Pre
približné riešenie sa predpokladá , že pole na konci vlnovodu je tvorené súčtom dopadajúcej
a odrazenej vlny dominantného vidu. Vyššie typy vĺn vznikajúce na konci vlnovodu, a prúdy
na vonkajšej strane vlnovodu sa obvykle neuvažujú.[9]
Riešením by sme zistili že otvorený koniec vlnovodu je len málo smerová anténa. Pre
štandardný vlnovod (a = 22,9mm; b = 10,2mm; λ = 32mm) vychádza šírka zväzku v rovine
18
H 80° a v rovine E 140°. Preto by otvorený koniec vlnovodu mohol byť použitý len ako
ožarovacia anténa k inej smerovej anténe, ale aj tu by vadil príliš veľký koeficient odrazu,
preto sa sním ako s anténou stretneme len zriedka. [9]
Obr.2.5.1 a) plochý lievik E, b) plochý lievik H, c) ihlanový lievik
Aby sme dostali ostrejšiu smerovú charakteristiku , musíme zväčšiť žiariacu plôšku.
Jeden zo spôsobov je použitie lievikového vlnovodu. V lievikovom vlnovode sa zachováva
celkový charakter poľa. Pozvoľné zväčšovanie rozmerov vlnovodu zlepšuje aj jeho
prispôsobenie k vonkajšiemu prostrediu. Modul koeficientu odrazu je daný:
λ
λg
Γ =
λ
1+
λg
1−
•
λg je vlnová dĺžka vo vlnovode
Zväčšovaním rozmerov vlnovodu
sa λg blíži k λ a tým Γ → 0 . Môžme povedať, že
lievikové antény majú nielen väčšiu smerovosť, ale aj lepšie prispôsobenie k vonkajšiemu
prostrediu. [9]
19
2.5.2 ŠTRBINOVÉ ANTÉNY
Štrbinové antény patria medzi antény vyžarujúce s ožiarenej plochy, ale vzhľadom
k ich zvláštnym tvarom (úzke dlhé štrbiny ) je ich analýza trochu odlišná od analýzy iných
plošných antén. Ak rozmery žiariacej plochy boli veľké s rozmermi pri porovnaní s vlnovou
dĺžkou , zanedbali sme vplyv prúdov prechádzajúce po obvode plochy. U štrbinových antén
je naopak tento príspevok obvodového prúdu rozhodujúci. [9]
Obr.2.5.2 Štrbinová anténa
Majme úzku štrbinu v tenkom nekonečne veľkej vodivej platni. Štrbinu napájame
koaxiálnym káblom podľa obr.2.5.2. V štrbine sa vybudí elektrické pole podobné
dominantnému vidu v obdĺžnikovom vlnovode, je kolmé ku štrbine a pozdĺž nej sa jeho
veľkosť mení podľa sínusovky. V okolitom priestore má elektrické pole polkruhový
charakter. Magnetické pole v štrbine má len kolmú zložku a svojím charakterom pripomína
elektrické pole dipólu. V tejto analógii by sme mohli pokračovať a zistili by sme, že oba
útvary – štrbina a dipól- sú navzájom duálne. Ale aj tak je analógia obmedzená, pretože oba
útvary majú rôzne hraničné podmienky pre elektrické a magnetické pole. U pásikového
dipólu je okolitý priestor spojitý, ale u štrbiny sú oba priestory od seba oddelené vodivou
doskou. [9]
20
2.5.3 REFLEKTOROVÉ ANTÉNY
Reflektorové antény sú také antény, u ktorých el.mg. pole v ústí vznikne odrazom
primárneho vlnenia od reflektora špeciálneho tvaru. Za zdroj žiarenia slúži neveľká anténa
primárny žiarič. Elektromagnetická vlna vyžarovaná primárnym žiaričom, dopadá na povrch
reflektoru a indikuje v ňom prúdy, ktoré vytvárajú odrazené elektromagnetické pole. Čelo
odrazenej vlny v ústí reflektora je buď rovinné, alebo má taký špeciálny tvar, aby sa vytvorila
požadovaná smerová charakteristika. [9]
Elektromagnetické pole vyžiarené reflektorovou anténou môžeme nájsť dvoma
spôsobmi. Prví spôsob spočíva vtom, že z dopadajúceho primárneho žiariča najprv určíme
prúdy na povrchu reflektora podľa vzťahu:
K e = 2n × H
•
Ke je lineárna hustota povrchového prúdu
•
H je vektor intenzity magnetického poľa dopadajúceho na reflektor
Tento vzťah platí len pri dopade vlny na nekonečne vodivú rovinu. Reflektor je však
krivá konečná plocha. Ak sú však polomery krivosti reflektorovej plochy a ich veľkosť
omnoho väčšia ako vlnová dĺžka , sú vzniknuté chyby zanedbateľné. Zo známeho rozloženia
prúdov nájdeme vektor N a potom aj zložky vyžarovaného poľa. [9]
Druhý spôsob spočíva vtom, že najprv nájdeme rozloženie poľa v ústí reflektora
a potom na základe vyžarovacích vlastností ožiarenej plochy určíme vyžarované pole. Pole
v ústí reflektora sa obvykle zisťuje pomocou zákonov geometrickej optiky. [9]
Ako sme už uviedli, platia zákony geometrickej optiky len v prípade, že λ → 0 .
V anténnej technike sa táto podmienka prevádza na podmienku vlnovej dĺžky zanedbateľne
malej vzhľadom k rozmerom reflektora a v našom prípade aj s polomerom krivosti
reflektorovej plochy. [9]
21
Pozrime sa, aký tvar musí mať reflektor, aby premenil guľovú vlnoplochu primárneho
žiariča na rovinnú vlnoplochu. Riešenie úlohy sa robí pomocou geometrickej optiky
(obr.2.5.3).
Obr.2.5.3. Geometria parabolického reflektora
Nech je bodový zdroj guľovej vlny označený ako F, S je odrazová plocha, L0 rovinná
vlna vzniknutá odrazom guľovej vlny od reflektora. Táto vlna bude rovinná, ak bude dĺžka
optickej dráhy všetkých lúčov idúcich z bodu F k reflektoru a po odraze k ploche L0 rovnaká.
Aby sme našli profil reflektora, zrovnáme dĺžku optickej dráhy z F do L0 prvého lúča,
idúceho pozdĺž osy z, a druhého lúča, idúceho pod uhlom φ. Nakoniec dostaneme
f + l = p + r podľa obr.2.5.3 platí
r = p cosψ − f + l
Odtiaľ
p=
2f
=
1 + cosψ
f
cos 2
ψ
2
Je to rovnica paraboly v polárnych súradniciach. Plocha reflektora musí byť teda rotačný
paraboloid, vzniknutý rotáciou paraboly okolo osy z. Bodový zdroj guľovej vlny musí byť
v ohnisku paraboly. [9]
22
3. PROGRAMOVACÍ JAZYK DELPHI 5
Delphi je vývojovým nástrojom, ktorého prvá verzia bola vyrobená firmou Borland v
roku 1994. Dnes patrí Delphi k najpoužívanejším programovacím prostriedkom, pretože je
založený na programovacom jazyku Pascal, ktorého popularita stále rastie. Delphi je
komplexné vizuálne programovacie prostredie pre operačný systém Windows. Jeho hlavná
sila spočíva predovšetkým vo význame slova vizuálny. Vzhľad, rozhrania, prostredia vašej
aplikácie, ktorú by ste v Turbo Pascale, alebo v podobnom programovacom jazyku tvorili
týždeň, zvládnete v Delphi vytvoriť za hodinu. [4]
3.1 PREČO DELPHI
V dobe, keď bolo vytvorené prvé Delphi, si programátor mohol vyberať z veľkého
množstva vývojových nástrojov. Programátori musia mať mnoho dôvodov, prečo preferovať
práve Delphi:
•
firma Borland je známym výrobcom spoľahlivých a osvedčených kompilátorov pre
programovacie jazyky Pascal a C
•
jednoduchý návrh vizuálneho prostredia aplikácie s využitím vlastností operačného
systému
•
objektovo orientovaný prístup
•
podpora databáz, v posledných verziách
•
veľké množstvo integrovaných nástrojov
•
významná podpora Internetu (napr. integrovaný komponent WebBrowser)
•
možnosť vytvárania vlastných komponentov
3.2 ZAČIATKY DELPHI
Delphi vychádza zo skoršieho programovacieho jazyka Turbo Pascalu (ďalej len TP),
veľmi kvalitného Pascalovského kompilátora. Firma Borland, výrobca TP, svoj produkt
neustále zdokonaľovala. Bol veľmi rýchly a jedným príkazom dokázal vytvoriť hotové
programy. V tejto dobe boli na trhu aj ďalšie jazyky ako napr. C, Prolog a Basic. Konkurent
23
Borlandu, firma Microsoft, prišla s novou koncepciou programovania. Uviedli Visual Basic
(ďalej len VB), v ňom bolo programovanie veľmi zjednodušené hlavne komponentmi. Prišla
doba, kedy sa už
mohlo rozhranie programu zostavovať graficky na obrazovke. To
urýchľovalo a zjednodušovalo vývoj aplikácií. Už sa nemuseli namáhavo programovať
všetky prvky programu - a tak vzniklo Delphi. [5]
Borland ale išiel s komponentmi v Delphi ešte ďalej. Ich použitie bolo jednoduchšie,
než vo VB. Každý komponent ponúka radu vlastností, na ich základe je možno meniť
chovanie komponentu a udalostí, na ktoré môže komponent reagovať.
Delphi je vizuálnym kompilátorom Object Pascalu. Delphi má ďalšiu výhodu oproti
VB. Komponenty pre VB sa programujú v jazyku C, ale programátori v Delphi si môžu v
Object Pascale naprogramovať svoje vlastné komponenty. V niektorých verziách Delphi sú
dokonca priložené zdrojové texty komponentov.
Existuje niekoľko verzií Delphi 16 bitové
alebo 32 bitové. Delphi sa rozlišujú aj podľa oblasti použitia. Napr. Delphi 5 sa rozlišuje na
verzie Standard, Profesional, Enterprise. Líšia sa počtom a typom komponentov a
samozrejme tiež cenou.
3.3 PROGRAMOVANIE V DELPHI
Práca v Delphi je zjednodušená už spomínanými
komponentmi a vizuálnym
prostredím. Delphi má v sebe integrovaný kompilátor jazyka Pascal, konkrétne Object
Pascal. Komponenty sú softvérové stavebné diely, ktoré umiestňujeme do formulára a ktoré
doplňujeme zdrojovým kódom. Komponenty sa môžu jednoducho vybrať a umiestniť na
formulár. [5]
3.4 VIZUÁLNE VYTVÁRANIE PROGRAMU
Komponenty umiestňujeme na Formulár (Form). Ten prakticky odpovedá jednému
oknu vo Windows. Môže sa používať už dopredu pripravené, s Delphi dodávané
komponenty, alebo si vytvoriť vlastné. Dnes je trh s komponentmi pre Delphi veľmi široký.
Komponenty majú určitú formu (Type). Podľa tejto formy sa vytvorí komponent na
formulári a môžete u nej meniť vlastnosti a reagovať na udalosti. Mená komponentov môžete
24
meniť, avšak mená typov musia zostať nezmenené. Tvar, farbu, text komponentov môžeme
meniť pomocou jej vlastností(Properties). Komponent môže reagovať na rôzne udalosti
(Events). [5]
3.5 OBJEKT PASCAL
Príkazy, na ktorých spočíva všetka práca počítačov, sú natoľko jednoduché, že by s
nimi bolo programovanie veľmi komplikované. Preto existuje mnoho programovacích
jazykov, ktoré zjednodušujú vytváranie programov. Väčšinou pripomínajú prirodzenú reč
(výhradne angličtinu). Texty napísané v tomto jazyku nemajú až do doby prekladu žiadny
zmysel. Aby vaše programy mohli fungovať, musí ich kompilátor preložiť do strojového
jazyka. Delphi časť programu, tzv. kostru programu vygeneruje. [5]
3.6 GRAFICKÉ VÝVOJOVÉ PROSTREDIE AGILENT VEE
PRO
Spoločnosť Agilent Technologies uviedla na trh už siedmu verziu populárneho
grafického vývojového prostredia pre meracie a riadiace aplikácie Agilent VEE Pro 7.0.
Medzi zásadné inovácie, ktoré prináša nová verzia, patrí priama podpora komunikácie s
prístrojmi po zbernici USB (pomocou USB TMC protokolu) a po sieti LAN
(prostredníctvom protokolu VXI-11). Ďalšou novinkou je podpora IVI-COM ovládačov pre
meracie prístroje. Staršie ovládače typu VXI plug&play či DLL ovládače sú samozrejme
i naďalej podporované. Ďalej bola inovovaná spolupráca a integrácia s Microsoft .NET
Framework a vylepšené niektoré editačné funkcie. Software Agilent VEE Pro je graficky
orientované vývojové prostredie pre tvorbu programových aplikácií pre automatizáciu
meracích procesov, spracovanie dát a riadenie. Tvorba programu zjednodušene odpovedá
vytváraniu vývojového diagramu automatizovaného meracieho procesu. Maximálny dôraz je
kladený na jednoduchosť prepojenia s meracími prístrojmi prostredníctvom zberníc GPIB,
LAN, USB, RS-232 či VXI, k dispozícii sú ovládače pre viac než 1000 meracích prístrojov
od 70 rôznych výrobcov. Veľká pozornosť je venovaná funkciám pre grafické zobrazenie a
matematické spracovanie nameraných dát. Z tohto dôvodu je do prostredia VEE Pro
integrovaný MATLAB Script od spoločnosti MathWorks vrátane The MathWorks Signal
25
Processing Toolbox. Vďaka tomu má užívateľ k dispozícii pre spracovanie výsledkov
merania viac ako 500 analytických a vizuálnych funkcií z programu MATLAB. Pre
uľahčenie komunikácie s ostatnými aplikáciami a zdrojmi dát obsahuje VEE Pro Active X
Automation Server a Microsoft .NET Framework, vďaka ktorým je možné ľahko získavať
dáta z iných aplikácií, generovať automatické E-mailová hlásenia či automaticky obnovovať
dáta na webových stránkach. [6]
26
4. KROKOVÉ MOTORY
Krokové motory (KM) sú z pravidla používané ako výkonové prvky v štruktúrach
elektrických pohonov pre nastavovanie polohy a rýchlosti bez spätnej väzby. Ich oblasť
použitia siaha od jednoduchých pohybov od bodu k bodu cez rýchle časovo krátke posuvy (v
textilnom oboru, počítačoch a kancelárskych zariadeniach) až k presným dvoj a trojosovým
polohovacím robotom. Ďalším okruhom aplikácií je riadenie otáčok s realizáciou priameho
pohonu rôznych dávkovačov, čerpadiel, navíjačiek apod. [7]
Krokové motory sa vyznačujú s rýchlim uvedením do chodu bez náročného nastavovania
parametrov regulátoroch s relatívnou nezávislosťou na zaťažení a pripojených momentoch
zotrvačnosti.
Pracujú
s
minimálnou
údržbou
po
celú
dobu
svojej
životnosti.
Charakteristickou vlastnosťou motora je otáčanie hriadeľa po krokoch. Jedna otáčka je
zložená z pevne definovaného počtu krokov, ktorý odpovedá konštrukcii a spôsobu riadenia.
Nehovoríme tu teda o rýchlosti otáčok (otáčkach), ale o frekvencii krokovania. Motory
využívajú svoj maximálny moment už od najnižších rýchlostí, čo je jednou z ich špecifických
vlastnostiach. [7]
V jednoduchých aplikáciách sú väčšinou používané dvojfázové krokové motory. V
pohonoch s mikrokrokovým pohybom majú uplatnenie päťfázové motory. Rastúce
požiadavky na moderné KM, najmä
zníženie hlučnosti a zvýšenie výkonu, vedú k
používaniu trojfázových krokových motorov, ktoré v sebe zlučujú všetky najlepšie vlastností
používaných 2f a 5f motorov. Sú schopné odovzdať o 30-50 % vyšší výkon. Vďaka svojej
vyššej účinnosti sú tak rozmerovo menšie pri rovnakom krútiacom momente. [7]
4.1 PRINCÍP A FUNKCIA KROKOVÝCH MOTOROV
Základným princípom KM je pohyb rotora o jeden krok. Krok je definovaný ako
mechanická odozva rotoru KM na jeden riadiaci impulz riadiacej jednotky, pri ktorej vykoná
rotor pohyb z magnetickej kľudovej polohy do najbližšej magnetickej kľudovej polohy.
Zmena polohy sa dosahuje zmenou napájania vinutia jednotlivých fáz statoru. Po zopnutí
určitej fázy sa rotor snaží natočiť tak, aby výsledný magnetický odpor bol minimálny. U
nezaťaženého motoru sa teda zosúladí poloha zubov statoru a rotoru. V tejto polohe má
27
motor nulový statický väzobný moment a pri vychýlení vonkajšej záťaži moment stroja
narastá a maximálna hodnota statického väzobného momentu odpovedá natočenie o štvrtinu
kroku. Jedno mechanické otočenie hriadeľa KM o 360° predstavuje určitý počet krokov,
ktorých počet je daný konštrukciou motora a spôsobom riadenia. Riadiaca frekvencia je
definovaná ako frekvencia riadiaceho signálu v Hz alebo v kHz. [7]
Počet otáčok je definovaný:
kde: f z ... frekvencia krokov [Hz]
α ... uhol kroku [°]
Princíp je zobrazený na nasledujúcom obrázku:
Obr. 4.1 Princíp krokovania
4.2 RIADENIE KROKOVÝCH MOTOROV
Najjednoduchším spôsobom riadenia KM je spínanie budenia pre celé kroky. V tomto
režime je vždy napájané len vinutie jednej fázy statoru (A, B nebo C) a to menovitým
prúdom kladnej alebo zápornej polarity (obr. 4.2). Pri tomto režime je počet krokov na
otáčku daný vzťahom: z = k . p . m
kde: k ... konštanta pre riadenie po celých krokoch (k = 2)
p ... počet pol párov
m ... počet fáz motora
28
Obr. 4.2 Spínanie fáz krokového motora pre celý krok
Tento spôsob krokovania je zastaraný pre svoje výrazné prechodové deje, pulzujúci
moment a nestabilitu KM pri rôznych budiacich frekvenciách. [7]
So zvýšenými nárokmi na presnosť pohybu sa dnes používa systém riadenia
mikrokrokovania (MK) (obr.4.2.1), ktoré odstraňuje nežiaduce javy riadenia po celých
krokoch. Najpoužívanejším typom MK v riadiacich jednotkách je postupné zvyšovanie
respektíve znižovanie budiaceho prúdu pre generovanie rotujúceho magnetického poľa
pomocou trojfázovej sínusovej funkcie metódou PWM (impulzne šírkovej modulácie).
Napájanie sínusovým prúdom vedie k zníženiu obsahu vyšších harmonických, zníženie strát,
zníženie hlučnosti a rovnomernejšiemu momentu. Čím je viac zmien na periódu, tým môže
byť frekvencia krokovania väčšia. [7]
Počet zmien na periódu v praxi býva k = 4, 8, 10, 20 a u presnejších aplikáciách aj viac.
Počet krokov na otáčku pri tomto spôsobe riadenia je:
kde: k ... počet zmien prúdu (mikrokrokov) na jednu periódu prúdu
p ... počet pol párov krokového motora
29
Obr.4.2.1 Spínanie fáz krokového motora v režime mikrokrokovania sínusovou funkciou
4.3 ROTAČNÝ KROKOVÝ MOTOR
Jedná sa o hybridný krokový motor s axiálne polarizovaným magnetom na rotore.
Rotor má dva permanentné magnety z materiálu AlNiCo. Stator má 12 hlavných pólov
striedavo s 3 a 4 jemnými zubmi na póle smerom do vzduchovej medzery, čo spôsobuje
optimálny pomer medzi stratami v medi a železe. Medzera medzi krajnými zubmi susedných
hlavných pólov je 2/3 zubovej vzdialenosti rotorových zubov, čo spôsobuje minimálny
30
rozptyl magnetického toku. Lisovaná konštrukcia statora umožnila zníženie hlučnosti,
zníženie vzduchovej medzery a tým zvýšenie magnetického toku. [7]
Obr.4.3 Tvar statora trojfázového krokového motora
4.4 LINEÁRNY KROKOVÝ MOTOR
Lineárne krokové motory sú určené pre pomalé, ale veľmi presné polohovanie. Jedná
sa o kompaktné lineárne rozvinuté systém trojfázového krokového motora. Pozostáva z
pevného lineárneho statora, nad ktorým sa pohybuje po tenkom vzduchovom vankúši bežec.
Pri pohybe bežca nedochádza k žiadnym mechanickým stratám ani opotrebeniu a funkciu
neobmedzuje ani malé znečistenie povrchu. Motory tohto typu sa vyznačujú pomerne
vysokou účinnosťou a dlhou životnosťou a sú prakticky bez údržbové. [7]
4.5 PRINCÍP DVOJFÁZOVÉHO KROKOVÉHO MOTORA
Dvojfázový lineárny krokový motor s permanentnými magnetmi je známy ako
Sawyer lineárny motor. Jeho princíp je znázornený na obr. 4.5.1. Bežec je tvorený
permanentným magnetom a elektromagnetmi A a B. Magnetický tok prechádza z
permanentného magnetu a elektromagnetu A cez vzduchovú medzeru do statora, kde sa cez
31
vzduchovú medzeru a elektromagnet B vracia späť do permanentného magnetu. Ak cievkou
neprechádza prúd, magnetický tok prechádza cez oba zuby elektromagnetu, ako napr. pri
elektromagnete B v prípade obr. 4.5.1. Akonáhle cievkou začne pretekať prúd, magnetický
tok prechádza iba jedným zubom elektromagnetu obr. 4.5.1. Zuby statora a bežca sú
zarovnané a prechádza nimi maximálny magnetický tok, zatiaľ čo na ďalšom zube je
redukovaný na zanedbateľnú hodnotu. [7]
Obr.4.5.1 Princíp dvojfázového lineárneho krokového motora
Obr.4.5.2 Princíp dvojfázového lineárneho krokového motora
Na obrázku 4.5.1 je zub 1 elektromagnetu A zosúladený so statorovým zubom. Ak je
prúd prepnutý na elektromagnet B, bežec sa posunie doprava o jednu štvrtinu zubovej
vzdialenosti tak, aby sa zub 4 zosúladil s najbližším statorovým zubom (obr.4.5.2). Následne
32
elektromagnetom B neprechádza prúd a elektromagnetom A prechádza prúd zápornej
polarity. To spôsobí zarovnanie zuba 2 so statorom. V ďalšej fáze posunu neprechádza prúd
elektromagnetom A a prúd zápornej polarity prechádza elektromagnetom B. [7]
33
5. CIELE PRÁCE
Diplomová práca sa zaoberá návrhom a zostrojením demontovateľného a prenosného
pracoviska na meranie zisku a smerovej charakteristiky antén s automatickým ovládaním
natáčania a riešenie spôsobu spracovania
výsledkov z meracích prístrojov pomocou
výpočtovej techniky.
Vykonať porovnávacie merania aspoň v dvoch vybraných lokalitách otvorených
meracích miest.
Vyhodnotiť (analyzovať) získané poznatky, navrhnúť spôsob výpočtu chýb merania
vo vybraných lokalitách s cieľom vymedzenia optimalizovaných podmienok pre výber lokalít
v praxi.
34
6. AUTOMATIZOVANÉ PRACOVISKO
Základnou funkciou automatizovaného pracoviska je meranie zisku a smerovej
charakteristiky antén. Pri meraní smerovej charakteristiky sa meracia anténa upevní na
otočný stožiar a nasmeruje sa na vysielaciu anténu tak, aby anténne osi oboch antén ležali na
jednej priamke (Obr.6.). Vysielacia anténa je upevnená na pevnom stožiari a počas merania
sa jej poloha ani úroveň signálu z generátora nemení. Meracia anténa sa počas merania na
otočnom stožiari otáča o dopredu zvolený uhol až do 180°, potom sa anténa vráti do
pôvodnej polohy (anténne osi oboch antén ležia na jednej priamke) a začne sa otáčať o určitý
uhol na druhú stranu až do -180°. Pri každom otočení antény o zvolený uhol sa pomocou
spektrálneho analyzátora do počítača zaznamená úroveň signálu z meranej antény. Z
nameraných hodnôt sa vykreslí graf (Obr. 6.0.1.).
Obr.6. Bloková schéma automatizovaného pracoviska
•
generátor: HP 836440B (10MHz-40GHz)
•
spektrálny analyzátor.: HP 8564E (30Hz-40GHz)
Pri meraní zisku antény sa zmeria úroveň signálu na meranej (neznámej) anténe,
meraná anténa sa nahradí za anténu so známym ziskom a namerané hodnoty sa porovnajú.
35
Nameraná hodnota známej antény sa odčíta od nameranej hodnoty meranej antény a výsledná
hodnota je zisk meranej (neznámej) antény.
Obr.6.0.1. Graf smerovej charakteristiky meranej antény
6.1AUTOMATICKÉ NATÁČANIE
Aby bolo možné prijímaciu (meranú) anténu natáčať, je na otočný stožiar cez
prevodovku pripojený krokový motor ktorý natáča stožiar aj s prijímacou anténou do
požadovaného smeru. Krokový motor je ovládaný pomocou programu cez sériový port a cez
blok ovládania krokového motora (Obr.6.1.).
Obr.6.1. Bloková schéma ovládania krokového motora
36
6.2 SÉRIOVÉ ROZHRANIE RS232
Pomocou tohto rozhrania sa počítač prepojuje s ostatnými perifériami - môže to byť
modem, iný počítač, merací prístroj, myš atď. Sériové sa volá preto, že posiela dáta bit po
bite na rozdiel od paralelného, kde sa posiela zároveň viacej bitov (väčšinou osem). Výhodou
sériového rozhrania je, že ku komunikácii s perifériami väčšinou potrebuje len 3 vodiče
(prijímané a vysielané dáta, zem). Dnešné počítače majú väčšinou dve sériové rozhrania COM 1 a COM 2. COM 1 má obvykle deväťkolíkový konektor a COM 2
dvadsaťpäťkolíkový (väčšina ATX - počítačov má oba konektory deväťkolíkové).
Obr.6.2 Sériové rozhranie deväťkolíkový konektor
9-kolíkový
konektor
25-kolíkový
konektor
Označení
I/O
1
8
DCD - Detektor prijímaného signálu
Vstup
2
3
RxD - Prijímané dáta
Vstup
3
2
TxD – Vysielané dáta
Výstup
4
20
DTR – Pohotovosť terminálu
Výstup
5
7
GND – Zem
---
6
6
DSR - Pohotovosť vysielača
Vstup
7
4
RTS - Výzva k vysielania
Výstup
8
5
CTS - Pohotovosť k vysielaniu
Vstup
9
22
RI - Indikátor volania
Vstup
Zdroj: Minasi Mark: PC - Velký průvodce hardwarem. Praha, Grada publishing 1996
37
6.3 OVLÁDANIE KROKOVÉHO MOTORA
Krokový motor je tvorený rotorom z permanentných magnetov a statorom, ktorý
tvoria vinutia dvoch fáz. Aby sa krokový motor otáčal musí sa na jeho fázy privádzať so
sériového portu RS232 signál (Obr.6.3.).
Obr.6.3. Ovládanie krokového motora
Ak sa na prvú fázu krokového motora ( označenú 1,1’ ) privedie kladné napätie rotor
motora sa otočí o jeden krok doprava. Potom sa musí kladné napätie priviesť na druhú fázu
označenú ako 2,2’ podľa (Obr.6.3.) a rotor KM sa otočí o jeden krok doprava. Aby sa rotor
KM otočil o ďalší krok doprava, musí sa na prvú fázu priviesť záporné napätie a následne aj
na druhú fázu. Keď sa bude tento cyklus opakovať rotor KM sa bude otáčať stále doprava.
Aby sa rotor otáčal doľava použije sa tento istý cyklus len sa zamenia fázy. Prvú fázu ovláda
štvrtý pin (označený ako DTR) a druhú fázu ovláda siedmi pin (označený ako RTS)
(Obr.6.2).
38
6.4 VYTVÁRANIE SIGNÁLU NA OVLÁDANIE
KROKOVÉHO MOTORA V PROGRAME DELPHI 5
Aby bol na požadovaných pinoch správny signál, zabezpečuje nasledovná procedúra.
form1.vacomm1.portnum:=1;
Nastaví číslo sériového portu. V tomto prípade je zvolený
sériový port COM1.
vacomm1.open;
Sprístupní sériový port COM1.
vacomm1.SetDTR(true);
Nastaví pin DTR na logickú úroveň 1.Pri RS232 je to +12V.
delay(5);
Program čaká 5 milisekúnd.
vacomm1.SetRts(false);
Nastaví RTS na log. Úroveň 0. Pri RS232 je to -12V.
delay(5);
Program čaká 5 milisekúnd.
vacomm1.SetDTR(true);
Nastaví DTR na log. 1.
delay(5);
Program čaká 5 milisekúnd.
vacomm1.Setrts(true);
Nastaví RTS na log. 1.
delay(5);
Program čaká 5 milisekúnd.
vacomm1.SetDTR(false);
Nastaví DTR na log. 0.
delay(5);
Program čaká 5 milisekúnd.
vacomm1.SetRts(true);
Nastaví RTS na log. 1.
delay(5);
Program čaká 5 milisekúnd.
vacomm1.SetDTR(false);
Nastaví DTR na log. 0.
delay(5);
Program čaká 5 milisekúnd.
vacomm1.Setrts(false);
Nastaví RTS na log.úroveň 0.
delay(5);
Program čaká 5 milisekúnd.
Takto vytvorený signál otáča rotor KM o štyri mikrokroky (jeden krok) doprava. Aby
sa rotor KM otočil o 360°, je potrebné túto procedúru zopakovať 50 krát. Krokový motor je
pripojený na stožiar s meranou anténou cez prevodovku s prevodovým pomerom 1:216,
a preto na otočenie meranej antény o 360° je potrebné až 10800 krokov.
39
6.5 BLOK OVLÁDANIA KROKOVÉHO MOTORA
Blok ovládania krokového motora je tvorený komplementárnym zapojením
výkonových tranzistorov, ktoré sú pripojené cez rezistor na sériový port RS232.
Sériové rozhranie RS232 má výstupné napätie -12V a +12V a maximálny prúd
10mA, preto sa KM nemôže priamo pripojiť na sériový port. Napájacie napätie pre KM
motor je +5V a -5V a nominálny prúd 2A. Z tohto dôvodu sa medzi KM a sériové rozhranie
pripojí blok ovládania krokového motora(Obr. 6.5.).
Obr.6.5 Blok ovládania krokového motora
Pri nastavení štvrtého pinu sériového rozhrania (DTR) na logickú úroveň 1 (+12V) sa
cez rezistor R1 prenesie kladné napätie na bázu tranzistorov T1 a T2.V tomto prípade sa
otvorí tranzistor T1, pretože je typu NPN. Pri otvorení tranzistora T1 sa napätie zo zdroja
+5V prenesie cez kolektor a emitor na prvú fázu KM označenú ako 1 a 1’. Keď príde na pin
DTR logická 0 (-12V) otvorí sa tranzistor T2 a na prvú fázu KM sa prenesie záporné napätie
zo zdroja (-5V). Identicky funguje aj zapojenie, ktoré je zapojené na siedmi pin sériového
rozhrania RTS.
40
7.0 PRINCÍP ČINNOSTI PROGRAMU PRE
AUTOMATIZOVANÉ PRACOVISKO
Program pre automatizované pracovisko ( Obr.7.0.) bol napísaný v programovacom
jazyku Delphi 5, ktorý priamo ovláda krokový motor (KM) cez sériový port RS232
a komunikáciu s meracím prístrojom zabezpečuje program napísaný vo vývojovom
grafickom prostredí Agilent VEE Pro spoločnosti Agilent Technologies.
Obr.7.0. Vývojový diagram programu pre automatizované pracovisko
41
Vývojový diagram nám stručne popisuje funkciu programu a niektoré dôležité
procedúry. Pri spustení programu sa spustí počiatočná procedúra (Obr.7.0.2.), ktorá nastavuje
číslo sériového portu podľa zadanej hodnoty. Objaví sa hlásenie, ktoré vyžaduje číslo
voľného sériového portu (Obr.7.0.1.).
Obr.7.0.1. Úvodné hlásenie na zadanie sériového portu
Začiatok úvodnej procedúry
Hodnota z úvodného hlásenia sa
zapíše do premennej COM1.
Podmienka
ktorá
porovnáva
premennú COM1 s číslami 1,2,3,4
a ak sa hodnota zapísaná v COM1
nerovná ani jednému číslu tak sa
načítavanie hodnoty zopakuje. Ak
sa
hodnota
niektorému
program
v COM1
z čísel
pokračuje
rovná
1,2,3,4
ďalej.
Do
premennej COM sa zapíše celé
číslo a podľa tohto čísla sa nastaví
sériový port. Posledný príkaz
sprístupní sériový port nášmu
programu.
Obr.7.0.2. Vývojový diagram úvodnej procedúry
42
7.1 ZADÁVANIE VSTUPNÝCH PARAMETROV
Aby program mohol správne pracovať je nutné aby sa vstupné hodnoty zadali
správne. Pre samotné meranie sú dôležité hodnoty označené ako Krok, C.Frek a Span.
Označenie hodnôt v programe je zhodné ako na tlačidlách spektrálneho analyzátora a preto
zadanie hodnoty do programu je také isté ako stlačenie tlačidla na meracom prístroji.
Hodnota označená v programe ako Krok určuje po koľkých stupňoch sa bude anténa
otáčať a zadáva sa v stupňoch. Optimálny krok je 1° ale je možné nastaviť od 0,1° až po
180°. Tu je dôležité si uvedomiť že rotor krokového motora na otočenie o 360° potrebuje 50
krokov. Stožiar na ktorom je upevnená meraná anténa je na rotor krokového motora
upevnený cez prevodovku s prevodovým pomerom 1:216. Keď to prepočítame zistíme, že na
otočenie stožiaru potrebujeme 10800 krokov na krokovom motore.
50 ∗ 216 = 10800 [Krokov]
•
10800 je počet krokov aby sa stožiar otočil o 360°
•
50 krokov na KM sa rovná 360° na rotore krokového motora
•
1:216 je prevodový pomer na prevodovke a preto musíme počet krokov rotora KM
vynásobiť číslom 216
•
Ak celkový počet krokov podelíme 360° stupňami zistíme, že aby sa stožiar otočil
o 1° musí rotor KM vykonať 30 krokov.
10800 / 360 = 30 [Krokov]
•
Podobne sa dá vypočítať aj otočenie stožiara o 0,1°
10800 / 3600 = 3 [Kroky]
•
Najmenší uhol o ktorý sa dokáže stožiar otočiť je 0,03333°
360 / 10800 = 0,03333°
Program si tieto výpočty robí automaticky a preto nemusí používateľ rozmýšľať nad
prevodmi medzi stupňami a krokmi KM.
43
Ďalšou dôležitou hodnotou pre meranie je hodnota označená ako C.Frek (Centrálna
frekvencia). Táto hodnota sa zadáva v jednotkách MHz a nastavuje frekvenciu spektrálneho
analyzátora na akej frekvencii sa bude meranie vykonávať. V našom prípade to je od 1GHz
až do 40 GHz, ale dajú sa tam nastaviť všetky frekvencie, ktoré je spektrálny analyzátor
schopný zmerať.
Posledným parametrom, ktorý sa v programe môže nastaviť je označený ako Span.
Tento parameter určuje šírku obrazu na spektrálnom analyzátore. Hodnota sa zadáva
v jednotkách kHz. Pri spustení programu je táto hodnota automaticky nastavená na 100 kHz,
to znamená že šírka obrazu bude od centrálnej frekvencie 50kHz doprava a 50kHz doľava.
Centrálna frekvencia sa nachádza v strede zobrazovacej obrazovky meracieho prístroja.
V programe ešte môžeme zadať a následne merať takzvaný detail. Toto meranie sa
využíva pri meraní antén s veľmi úzkym vyžarovacím lalokom. Vtedy sa anténa meria od 0°
do 10° a od 0° do -10° po 0,1° aby meranie bolo presnejšie. Hodnota detailu sa zadáva
v stupňoch.
7.2 KONTROLA SPRÁVNOSTI ZADANÝCH HODNOT
Po stlačení tlačidla Štart sa spustí meranie a program kontroluje či sú zadané hodnoty
správne. Každú hodnotu kontroluje zvlášť a ak je niektorá zle zadaná zobrazí sa hlásenie, že
hodnota bola zle zadaná a musí sa opakovane zadať(Obr.7.2.2).
Obr.7.2.2. Chybové hlásenie pre zle zadanú frekvenciu
44
Ak sú všetky hodnoty zadané správne program pokračuje bez akýchkoľvek hlásení až
do konca merania a netreba už ďalej do programu zasahovať. Podľa správne zadaných
hodnôt sa nastaví spektrálny analyzátor na požadované parametre.
7.3 AUTOMATICKÉ HĽADANIE MAXIMA
Táto procedúra sa využíva na automatické nastavenie prijímanej antény do
požadovaného smeru. Ak je táto procedúra zapnutá, tak pred začatím merania sa meraná
anténa otáča až do 360° po kroku , ktorý sme zadali, a pri každom pootočení sa meria
hodnota úrovne signálu a následne aj zapisuje do súboru HODNOTY.TXT. Takto namerané
hodnoty sa porovnávajú a meraná anténa sa natočí na hodnotu s najväčším ziskom.
Z nameraných hodnôt je možné vykresliť graf. Po takomto natočení antény už prebieha
samotné meranie.
Ak je procedúra „automatické hľadanie maxima“ vypnutá je možné nastaviť polohu
antény manuálne pomocou tlačidla s názvom Manual a následne tlačidlami doľava a lebo
doprava. Po manuálnom nastavení polohy antény sa tlačidlom s názvom Štart môže spustiť
meranie.
7.4 MERANIE SMEROVEJ CHARAKTERISTIKY ANTÉNY
Samotné meranie smerovej charakteristiky prebieha nasledovne. Meraná anténa sa
z polohy, ktorú program určil ako polohu s najväčším ziskom, alebo sme ju určili manuálne,
natáča o uhol, ktorý sme zadali až do 180°. Pri každom natočení meranej antény sa zapisuje
úroveň signálu. Keď anténa dosiahne 180°, vráti sa do pôvodnej polohy a meranie sa opakuje
do -180°. Takto namerané hodnoty sa zapisujú do súboru
HODNOTY1.XLS a z nich
program vykreslí graf. Program zapisuje namerané hodnoty do súboru XLS a preto sa dajú
otvoriť v programe Microsoft Office Excel a vykresliť z nich graf. Čím je menší krok
natočenia antény, tým má meranie viac nameraných hodnôt, meranie je presnejšie, ale tým aj
samotné meranie dlhšie trvá.
45
8. PREPOJENIE POČÍTAČA SO SPEKTRÁLNYM
ANALYZÁTOROM
Pri meraní smerovej charakteristiky je potrebné merať intenzitu elektromagnetického
poľa pomocou spektrálneho analyzátora. Spektrálny analyzátor komunikuje po GPIB
zbernici a je pripojený na počítač pomocou USB TMC protokolu (obr.8.).
Obr.8. Bloková schéma komunikácie medzi počítačom a spektrálnym analyzátorom
8.1 SYSTÉM GPIB
Pre vytvorenie meracieho systému založeného na GPIB je nutné mať adaptér tohto
rozhrania vhodný pre zbernicový systém PC (ISA, PCI) so špeciálnym ovládačom pre
operačný systém a špeciálny 24-žilový kábel. Toto hardwarové vybavenie je značne
nákladné. Týmto spôsobom sa dá pripojiť až 15 zariadení. Po fyzickom prepojení je nutné
manuálne nakonfigurovať všetky tieto zariadenia a nastaviť im unikátnu GPIB adresu
v rámci daného meracieho systému, aby nedošlo k konfliktnému stavu. Maximálna
prenosová rýchlosť môže byť 6Mb/s.[8]
8.2 USB ZBERNICA
USB je najrozšírenejším rozhraním slúžiacim k pripojeniu externých zariadení
k počítaču a jeho obľuba neustále rastie. S príchodom režimu High Speed ponúka vysokú
prenosovú rýchlosť, ktorá je dostačujúca aj pre prenos veľkých dátových objemov. Periférie
počítača a vôbec elektronika pripojiteľná k počítaču zažívajú masívny rozvoj a tým sa rozvíja
aj komunikačné rozhranie. Vďaka tomu vznikajú nové pridružené štandardy k USB, ako
USB OTG alebo USB TMC, ktoré sú len istým prispôsobením stávajúceho rozhrania na danú
oblasť použitia. [8]
46
8.2.1 SYSTÉM USB TMC
Nový štandard USBTMC ponúka neporovnateľne priaznivejšie vlastnosti. Fyzická
úroveň je zhodná s klasickým USB, preto je tu vysoký užívateľský komfort v oblasti
konektivity, existuje možnosť pripojenia až 127 periférnych zariadení a má značnú
prenosovú rýchlosť až 480Mb/s. Na rozdiel od GPIB či RS-232 vyžaduje pripojenie
zariadenia minimálny užívateľský zásah. Podpora plug-and-play umožní pripojiť zariadenie
do systému za chodu a následne prebehne zavedenie všetkých potrebných informácií
z deskriptora zariadenia a len pri prvom pripojení k počítaču môže vyžadovať jeho operačný
systém ovládač. Po úspešnom zavedení dôjde automaticky k adresovaniu všetkých
pripojených zariadení bez nutnosti zásahu užívateľa.USB488 je podtrieda špecifikácie
USBTMC a dokáže kompletne prispôsobiť model GPIB do prostredia USB. Na základe tejto
podtriedy pracujú prevodníky USB/GPIB, ktoré je možné využiť pre pripojenie meracích
systémov GPIB na počítač s USB portom. Konkrétna aplikácia je uvedená na obrázku 8.2.1,
kde je prevodník USB/GPIB integrovaný priamo do zakončenia kábla. Prenosová rýchlosť sa
prispôsobí pomalšej zbernici GPIB. Tento prevodník vystupuje v operačnom systéme ako
virtuálny GPIB adaptér a tým sú zaistené všetky funkcie GPIB softvéru a nie je nutný žiadny
zásah do softvérového vybavenia meracieho systému GPIB. [8]
Obr.8.2.1 Konkrétna aplikácia prepojenia počítača s meracím prístrojom
47
8.3 KOMUNIKÁCIA SO SPEKTRÁLNYM ANALYZÁTOROM
Pre komunikáciu medzi počítačom a meracím prístrojom bol navrhnutý softvér
Agilent VEE Pro 7.0 od firmy Agilent Technologies. Softvér Agilent VEE Pro je graficky
orientované vývojové prostredie pre tvorbu programových aplikácií pre automatizáciu
meracích procesov, spracovanie dát a riadenie. Tvorba programu zjednodušene odpovedá
vytváraniu vývojového diagramu automatizovaného meracieho procesu. Maximálny dôraz je
kladený na jednoduchosť prepojenia s meracími prístrojmi prostredníctvom zberníc GPIB,
LAN, USB, RS-232 či VXI, k dispozícii sú ovládače pre viac než 1000 meracích prístrojov
od 70 rôznych výrobcov.
Hlavný program je napísaný v programovacom jazyku Delphi 5 a nevie komunikovať
s meracími prístrojmi, preto je program napísaný tak aby komunikoval s programom
vytvoreným v grafickom prostredí Agilent VEE Pro. Táto komunikácia sa realizujem
pomocou súborov, ktoré sú spoločné pre oba programy. Ak chceme nastaviť spektrálny
analyzátor na požadovanú frekvenciu program napísaný v Delphi 5 zapíše požadovanú
hodnotu frekvencie do súboru „frekvencia.txt“ a následne spustí program vytvorený
v prostredí Agilent VEE Pro, ktorý načíta hodnotu zo súboru „frekvencia.txt“ a zapíše túto
hodnotu do spektrálneho analyzátora (obr. 8.3).
Obr.8.3.1 Komunikácia medzi oboma programami a meracím prístrojom
Ak chceme načítať hodnotu so spektrálneho analyzátora, program napísaný v Delphi 5 na to
používa nasledovnú procedúru :
1. ShellExecute(Application.Handle,'open','dp2.vxe','','',SW_SHOWNORMAL);
2. delay(2000);
3. AssignFile(fis5,'citahod.txt');
4. reset(fis5);
5. readln(fis5,b);
48
6. closefile(fis5);
Prvý riadok nám spustí program nazvaný ako dp2.vxe (vytvorený v prostredí Agilent
VEE Pro), ktorý prečíta so spektrálneho analyzátora aktuálnu úroveň elektromagnetického
poľa a zapíše ju do súboru „citahod.txt“. Druhý riadok procedúry čaká 2000ms, kým program
dp2.vxe prečíta s meracieho prístroja hodnotu a zapíše ju do súboru a sám sa ukončí. Riadok
tri prepojí „vnútornú“ premennú typu súbor v Pascale so skutočným súborom na disku. Riadok štyri otvorí
existujúci súbor a nastaví sa na jeho začiatok. Riadok päť prečíta hodnotu so súboru a zapíše ju do
premennej v programe označenej ako „b“. Šiesty riadok procedúry ukončí prepojenie zo súborom, aby
sním mohli pracovať iné programy, v našom prípade je to program dp2.vxe.
Program dp2.vxe (obr.8.3.2
) je vytvorený v prostredí Agilent VEE Pro a priamo
komunikuje so spektrálnym analyzátorom.
Obr.8.3.2 Program dp2.vxe vytvorený v prostredí Agilent VEE Pro
V prvom okne sú príkazy pre spektrálny analyzátor a v druhom okne sú príkazy pre súbor
„citahod.txt“. Prvý príkaz v prvom okne WRITE TEXT „aunits dbm“ EOL zapíše do
spektrálneho analyzátora údaj, ktorý obsahuje informáciu že hodnoty ktoré sa budú čítať
budú v jednotkách dBm. Ďalší príkaz v prvom okne WRITE TEXT „mkpk“ EOL nastaví na
spektrálnom analyzátore ukazovateľ na maximálnu hodnotu úrovne signálu. Nasledujúci
príkaz v prvom okne WRITE TEXT „mka?“ EOL číta hodnotu úrovne signálu zo
spektrálneho analyzátora. Posledný príkaz v prvom okne READ TEXT x REAL64 zapíše
prečítanú hodnotu do premennej označenej v tomto programe ako „x“. Príkaz v druhom okne
WRITE TEXT a EOL zapíše hodnotu z premennej „a“ do súboru „citahod.txt“. Po vykonaní
všetkých príkazov sa program sám zatvorí. Hodnota je takto zapísaná v súbore a môže ju
načítať program napísaný v programovacom jazyku Delphi 5.
49
9. SPRACOVANIE VÝSLEDKOV
Program napísaný pre automatizované pracovisko dokáže hneď po ukončení merania
vyhodnotiť namerané hodnoty a vykresliť z nich graf (obr.9.0.1). Antény, ktoré pracujú na
vyšších frekvenciách ako 1GHz sú väčšinou úzko smerové a preto sa graf vykresľuje
v karteziánskych súradniciach, aby sa šírka hlavného laloka lepšie odčítavala (obr.9.0.2).
Namerané hodnoty sa zapisujú do súboru s príponou XLS a preto sa z nameraných hodnôt
môže v programe EXCEL vykresliť akýkoľvek graf (obr.9.0.2).
Obr.9.0.1. Vykreslenie smerového diagramu v programe pre auto. pracovisko
0
-10
-20
Zisk[dBm] ...
-30
-40
-50
-60
-70
-80
-90
149
164
179
104
119
134
44
59
74
89
0
14
29
-45
-30
-15
-105
-90
-75
-60
-150
-135
-120
-180
-165
-100
Uhol[°]
Obr.9.0.2. Vykreslenie smerového diagramu v programe EXCEL
50
Smerový diagram (obr.9.0.1 a obr.9.0.2) bol meraný na parabolickej anténe
s horizontálnou polarizáciou pri frekvencii 23 GHz. Zisk antény sa vypočíta pomocou
prijímacej antény so známym ziskom. V tomto prípade to bola lieviková anténa so ziskom
17,4 dBi pri frekvencii 23 GHz. Nameraná maximálna hodnota na parabolickej anténe je
- 25,33 dBm a na lievikovej anténe -47,93 dBm.
-25,33 - (-47,93) = 22,6 dB
22,6 + 17,4 = 40 dBi
Parabolická anténa má o 22,6 dB väčší zisk ako lieviková anténa a o 40 dB väčší ako
izotropný žiarič.
Obr.9.0.3. Smerový diagram parabolickej antény v polárnych súradniciach
Pri zobrazovaní vyžarovacieho diagramu v polárnych súradniciach sa ťažko odčituje
šírka hlavného laloka (pokles o 3dB) a preto sa vyžarovací diagram vykresľuje
karteziánskych súradniciach. Aby bolo odčítavanie šírky hlavného laloka ešte jednoduchšie
v programe je možné merať tzv. detail popísaný v kapitole 7.1. Vykreslenie smerového
diagramu pri meraní detailu je na obrázku 9.0.4.
51
0,00
Zisk[dBm]...
-10,00
-20,00
-30,00
-40,00
-50,00
-60,00
-70,00
10,00
9,00
8,00
7,00
6,00
5,00
4,00
3,00
2,00
1,00
0,00
-1,00
-2,00
-3,00
-4,00
-5,00
-6,00
-7,00
-8,00
-9,00
-10,00
-80,00
Uhol[°]
Obr.9.0.4. Smerový diagram z nameraných hodnôt z procedury „detail“
Z takto vykresleného grafu môžeme určiť šírku hlavného laloku, keď poklesne zisk
o 3 dB oproti maximálnej úrovni. V tomto prípade je šírka hlavného laloku 2°.
0
3503550
340345
335
-5
330
325
320
-10
315
-15
310
305
-20
300
-25
295
290
-30
285
280
5 10
15 20
25
30
35
40
45
50
55
60
65
70
75
-35
275
-40
270
-45
80
85
90
265
95
260
100
255
105
250
245
240
235
230
225
220
215
210
205
200195
190185
110
115
120
125
130
135
140
145
150
155
165160
175170
180
Obr.9.0.5. Smerový diagram GSM antény v otvorenom priestore
52
0
3503550
340345
335
330
-5
325
320
315
-10
310
305
-15
300
295
-20
290
285
280
5 10
15 20
30
35
40
45
50
55
60
65
70
-25
75
80
-30
275
270
25
85
-35
90
265
95
260
100
255
105
250
245
240
235
230
225
220
215
210
205
200195
190185
110
115
120
125
130
135
140
145
150
155
165160
175170
180
Obr.9.0.6. Smerový diagram GSM antény v hale
Pri meraní GSM antény v dvoch rôznych meracích prostrediach, vo voľnom priestore
(obr.9.0.5) a v hale (obr.9.0.6) pri frekvencii 960 MHz je zrejmé, že hala nie je vhodným
prostredím pre meranie vyžarovacieho diagramu antény, pretože meranie ovplyvňujú
odrazené signály od stien haly, alebo od rôznych predmetov či potrubí. Zo smerového
diagramu nameraného v hale (obr.9.0.6) je napr. pri 180° pokles zisku o 4dB a pri tej istej
anténe meranej v otvorenom priestore (obr.9.0.5) je pokles o 18 dB. Pri iných uhloch sú tieto
rozdiely rovnako viditeľné. Z týchto dôvodov hala nie je vhodná pre meranie vyžarovacieho
diagramu.
Meranie smerového diagramu lievikovej antény (obr.9.0.7) je meraný vo voľnom
priestore pri frekvencii 10 GHz s vertikálnou polarizáciou. Na obrázku 9.0.8. je smerový
diagram tej istej antény udávaný výrobcom pri frekvencii 10 GHz a s vertikálnou
polarizáciou.
53
0
355
345350
0
340
335
-5
330
325
-10
320
315
-15
310
-20
305
300
295
290
5 10
15
20
25
30
35
40
45
50
55
60
-25
-30
65
70
-35
-40
-45
-50
285
280
275
270
75
80
85
90
265
95
260
100
255
105
250
110
245
115
240
235
230
225
220
215
210
205
200
195190
185
120
125
130
135
140
145
150
155
160
165
175170
180
Obr.9.0.7. Smerový diagram lievikovej antény vo voľnom priestore
Obr.9.0.8. Smerový diagram lievikovej antény udávaný výrobcom
54
Záver
Táto práca opisuje návrh automatizovaného pracoviska na meranie parametrov antén
vo frekvenčnom pásme 1GHz až 40GHz. Teoretická príprava riešenia projektu pozostávala
zo štúdia literatúry ohľadom programovania v programovacom jazyku Delphi 5 a vývojovom
grafickom prostredí Agilent VEE Pro 7.0, preštudovanie princípu a ovládania krokových
motorov, preštudovanie komunikácie počítača s meracími prístrojmi, oboznámiť sa
s meraním parametrov antén, pochopiť princíp šírenia el.mg. poľa a vyhodnotiť, kde je
možné takéto meranie uskutočniť.
Praktická časť spočívala v návrhu a zostrojení automatizovaného pracoviska. Bolo
nutné navrhnúť program v programovacom jazyku Delphi 5, ktorý by pomocou sériového
rozhrania ovládal krokový motor a tým aj natáčanie stožiara s meranou anténou. Pomocou
grafického vývojového prostredia Agilent VEE Pro 7.0 bola vyriešená komunikácia
s meracím prístrojom a tým aj čítanie nameraných hodnôt. Aby bolo možné ovládať krokový
motor pomocou sériového rozhrania RS232, museli sme navrhnúť a zostrojiť blok ovládania
krokového motora. Museli sme odvodiť rôzne vzorce pre prepočítavanie krokov na stupne,
alebo pri vykresľovaní grafov z nameraných hodnôt. Pri programovaní bolo vytvorených
mnoho algoritmov, ktoré sú potrebné nielen pre uľahčenie merania ale, aj pre samotnú
funkčnosť programu.
Týmto prístupom sa podarilo zvládnuť proces návrhu automatizovaného pracoviska,
zostrojiť ho a vykonávať samotné merania. Program, ktorý bol zhotovený pre toto
automatizované pracovisko je napísaný v modernom programovacom jazyku Delphi 5, ktorý
pracuje pod operačným systémom Windows a nie je žiadny problém ho v budúcnosti
zdokonaľovať.
55
ZOZNAM POUŽITEJ LITERATÚRY
[1] JACEK MATUSZCZYK : Antény prakticky 2.české vydání, nakladatelství BEN –
technická literatúra, Praha 2003
[2] STN IEC 60050-712 Medzinárodný elektrotechnický slovník prír.č. N 2773
Kapitola 712: Antény
[3] Ing. M. Procházka, CSc. : Měření elektrických parametrů antén, Praktická
elektronika A Radio - 2/99
[4] Václav Kadlec: Umíme to s Delphi, WWW: http://web.redbox.cz/petr.brant
[5] Dalibor Čičala: Programovanie v Delphi (verzie 1.0 až 5.0), NITRA, 1999
[6] http://www.htest.cz/page.php?s1=novinky&isflash=no
[7] Ing. Jan Novotný, Ing. Jiří Hnízdil : Rotační a lineární krokové motory, VUT v
Brně, Fakulta elektrotechniky a komunikačních technologií
[8] http://www.hw.cz/docs/usb/usb.html
[9] Prof. Ing. Miloš Mazanek, csc.,Ing. Pavel Pechač, Ph.D.,
Prof.Ing.JaroslavVokurka, DrSC.: Antény a šíření vln, ČVUT
56
Download

ZOZNAM POUŽITÝCH SYMBOLOV