Методичка - лаб.СВЧ_Е2

Расчет проще проводить в режиме передачи. Один из вибраторов, подсоединенный к источнику э . д . с . , будет активным, второй вибратор, возбуждаемый полем активного вибратора, пассивным. Обозначим рассто­

яние между вибраторами через

d

, длину активного

вибратора

2 t1 ,

а пассивного

?Л2

Так

как расстояние между

вибраторами

значительно

меньше расстояния до точки наблюдения, направления

‘г 1

и

%г

в точ­

ку М можно считать параллельными. Тогда разность

расстояний

от

виб­

раторов до точки наблюдения можно определить

как

А 2= %г - Z, - cL sin 6f

где

6

- угол

между

осью вибратора и направлением на точку

наблюде­

ния.

•Напряженность поля

в точке М может быть

представлена

в

веде

где

^1,^2 ”

напряженности

полей,

излученных

первым и

вторым виб­

раторами

в точке И.

Для определения

£/

и

£ 2

нужно знать

характер

распределения

токов вдоль вибраторов. У активного вибратора распределение тока близ­ ко к синусоедальному и может быть приближенно представлено в веде:

где 1а - ток в точке питания антенны.

Тогда поле излучения активного вибратора [ i ]

или с точностью до 8$

(2 )

Распределение тока по длине пассивного вибратора отличается от

распределения передающего типа, и отличие	тем заметнее, чем больше
длина антенны отличается от резонансной,	т .н . от ^ /2

На рис.2 приведено распределение тока по вибратору длиной к б - -150° в ршиме передачи и приема, причем последнее может быть аппрок­

симировано

выражением [ 2 ]

г

г

\

г

COS

COS к б г

'

О

V „

„

О

, . т е «,7

где

I

-

ток в центре антенны.

Можно рассчитать, что при таком распределении тока поле излу­

чения

определяется

выражением.

F

"

•

—

601Л

;

Stn a

fsin[k £ z(l+oos8)]

+

“ i

;--------£

<--------------------------

2

Z ^ I - C O S K CI )

[

2 ( 1 + c o s G )

S L n [ n 6 2 (1 - C O S 9 )]

С О б к 6 2

$ С п ( к в г

СО6 0 )

1

+

2 ( l - c o $ 9 )

cose

В направлении

Q = 90°

r

a

>

6 0 1 Ay

S i n

и 6 2 ~ К 62 COS К

1 2

- i x i

Е ,( 9 0 ) - 1-= —*

----------

»-—

e

l - C O S K G z

Так как длина пассивного вибратора обычно не очень сильно от­

личается от

половины длины

волны, угловвя

зависимость Е2 ( 6 )

близ­

ка к

Sin

в

и с

достаточной

степенью точности можно считать

,

.

6 0 I A 2

п

S i n

к б 2 -

K 62 COS к б г

- с к г г

Е, (в У = i —

Sin. в

6

(4)

Тогда,

складывая

поля

первого

и второго вибраторов,

найдем

s

s i n и б г - к б 2 c o s

- i * < c i s i n & \

£ ~ Е Л 1 + Т ^

1 - СП5

е

)

( 5 )

Коэффициент,

входяший

в формулу ( 5 ),

обозначим через

^

д р

1Ч)

S i n к б г

- к б 2 с о з

кб<г

Я ~ Я Л * > ГА, “ 9 ' е ’ h

i - c 0 S K t z

При изменении к 6 2	от 60 до 120° ty?		меняется	в пределах
от 0 ,6 8 до 1 ,2 7 . Очевидно,	что при	к в 2 = 90°	(j,^-	1 ,0 , так как

в этом случае распределения тока в режимах приема и передачи одина­ ковые .

Определяя ДН как зависимость модуля напряженности поля от угла

Q , найдем

F ( e ) - sin в -jn уг+ 2(р cosfy-K dsin &)=/, (о) ^2(в)} (в)

где } Л в )	- диаграмма направленности одиночной		антенны ;	f 2 ( 0 ) -
множитель решетки.
Таким образом, задача		определения ДН сводится	к определению
отношения токов в пассивной		и активной антеннах. Напомним,		что	1^12
есть токи в центрах антенн.
Системы	из двух вибраторов широко применяются для создания				од­

нонаправленного излучения. Из приведенной формулы видно, что для по­ лучения однонаправленного излучения должен выполняться ряд условий. Токи в вибраторах должны иметь определенную величину и фазу по отно­

шению друг к другу.		В частном случае при			необходимо вы­
полнение условия	J	1	и	~ ±90°. При этом	похожа
на кардиоиду. Однако такое			соотношение между токами может быть до­
стигнуто только при независимом питании двух вибраторов.
Величины (£г		и	для пассивного вибратора		зависят от рас­
стояния между пассивным и активным				вибратором и от	величин активно­

го и реактивного сопротивлений пассивного вибратора. Эти величины можно регулировать, изменяя длину пассивного вибратора, от которой зависит его реактивное сопротивление. Действительно, ток во втором вибраторе можно определить из уравнений:

	%if +	%12	7	0 ~~ IA j %J2		Ifyz %22		>	^
где	- напряжение на входе			первого	вибратора ;		*?« “	* «	+ i x » -
входное сопротивление		первого		вибратора ; 2 22 =			+' ^ Хг2		- сопро­
тивление	второго вибратора,		отнесенное		к его	центру ; Z12 =* R1z+ i Х12~
взаимное сопротивление между первым и вторым вибратором,								отнесенное
к центру.
П*ф составлении’системы уравнений					было учтено,		что	входные за ­

жимы пассивного вибратора замкнуты и напряжение на этих зажимах рав­ но ,нулю.

IV

или

	* п +	*	12		1Z			k22
9 f	+	х	иг	= at + azctcj	R12	- arc t1 R 2 2
В том случае, если размер первого вибратора равен							половине дли­
ны волны	2 и -	(73,1 + i 4 2 ,5 ) Ом, напряжение и ток					на	входе сов­
падают с напряжением и током в пучности тока.					2 22
Для	определения			входного сопротивления		нужно		воспользо­
ваться эквивалентной				схемой Щелкунова для симметричного				вибратора

(см.описание к работе I) ; для ч. Zi2 ~ таблицей взаимных сопротивле­

ний полуволнового вибратора и вибратора произвольной длины								(табл .1).
Так как значения этих сопротивлений приведены к значениям тока в
центре вибратора, никаких дополнительных пересчетов проводить не
следует.							Таблица 1
	Взаимные сопротивления полуволнового вибратора и вибратора
	длиной Z t2		в зависимости от		расстояния d,		между антеннами
d /jb	2е2/л	0,20	0,30	0 ,4 0	0 ,50	0 ,60	0 ,70	0,80
0,10	Rf2	22,8	35,4	4 9 ,9	67 ,5	90,8	125,5	186,8
	X 12	- 1,9	-1 A	1 ,2	7 ,7	20,0	41,0	80,1
0 ,1 5	R 12	20,4	3 1 ,8	4 4 ,8	GO,6	81,4	152,5	169,0
		- 4,9	6 ,7	- 7 ,5	-7 ,0	-4 ,5	0 ,5	1 0,6
0 ,2 0	R 12	17,4	27,1	38,1	51,5	6 9 ,2	95,4	142,9
	Х , 2	- 7 ,9	-1 1 ,7	-1 5 ,4	-19,1	-23,1	-2 0 ,3	-3 7 ,2
0 ,2 5	Riz	13,9	2 1,5	30,3	40,9	54,7	7 5 ,3	112,4
	X f2	-1 0 ,4	-1 5 ,8	-2 1 ,7	-2 8 ,4	-3 6 .7	-4 8 ,7	-7 0 ,3
о ,ээ	R 12	10,0	15,5	21,8	2 9 ,3	39,1	53,5	7 9 .3
	x «	-Т2Л	-1 0 ,6	-2 5 ,9	-3 1 ,5	-4 5 ,6	-6 1 ,9	-91,4
0 ,3 5	R 17	6 ,0	9,4	13,1	17,5	23 .2	31 .3	45,7
0, Л.5Г	X 17	-1 2 .9	-2 0 ,0	-2 7 ,9	•37.5	-4 9 ,9		- :o i .8

Как видно иэ формулы (6 ), значения множителя решетки			/ г (90°)
и	(270°) будет наиболее сильно отличаться, e c « модуль		£	бли­
зок к	единице. При заданном расстоянии между	вибраторами cL/ л		ус­
ловие	минимума излучения поля "назад", т .е .	в направлении	& = 270 ,

можно найти приближенно,			полагая COS ( у -KdSin6)--1 или
Тогда	a 'L c t^ ~	- a%ctcj -J&- + x d - 0			Получение условие	прибли­
женно определяет2		2 2г	пассивного	вибратора, исп:льзуемого		в каче­
стве	рефлектора.	Следует	отметить,	что	выполнение указанного	условия

не обеспечивает экстремального значения отношения «элучения в направ­ лении "вперед/наэад", так как условие минимума напряженности поля "назад" не обязательно совпадает с максимумом поля "вперед".

Значение минимума напряженности поля "вперед"в направлении

в = 90° получим при VJ - K d - U t ♦ тогда

atctcj^ j^ - azc£ < j-~ - Hd = 0

Это условие определяет Z %% пассивного вибратора, используе­ мого в качестве директора. Как в случае рефлектора, так и в случае директора величина 2 2Z зависит от длины антенны.

Итак, пассивный вибратор, усиливающий излучение в направлении Q = £Ю° (см .р и с.!) и ослабляющий излучение в обратном направлении,

называется рефлектором. Ток в пассивном рефлекторе должен опережать

по фазе	ток в активном вибраторе. Анализ показывает, что при 0 .I 5 J U
4 d- <	0 ,25 .А пассивный вибратор будет рефлектором только тог­

да, когда его полное входное сопротивление будет иметь индуктивный характер. Для получения индуктивного сопротивления длина вибратора должна быть больше половины длины волны.

Пассивный вибратор, ослабляющий излучение в набавлении Q=90°, называется директором. Ток в директоре должен отставать по фазе от

тока в активной антенне. При расстояниях ОЛЛ < U ^		0,25J\	со­
противление пассивного вибратора должно иметь емкостный		характер, а
его длина быть менее	половины длины волны.
Следует иметь в	виде, что величина необходимого удлинения		или

зависит также от расстояния между вибраторами и от их ди-

аметра.

Как известно, диаграмма направленности, коэффициент направлен­ ного действия и другие характеристики антенны не зависят от того, работает антенна на прием или передачу. Однако требования, предъяв­ ляемые к приемным и передающим антеннам, могут быть разными! Для приемной антенны более важным может оказаться свойство "однонаправ­ ленности" приема сигнала, а именно - настройка антенны на минимум излучения "назад** (рефлектор) или минимум излучения "вперед" (дирек­ тор). Для передающей антенны предпочтительным является достижение максимума коэффициента направленного действия.

Экстремум отношения "впередСЛтзад" и максимальное значение ко­ эффициента направленного действия не достигаются одновременно. По­ этому обычно на практике для приемопередающей антенны принимают компромиссное решение.

В данной работе исследуется приемная антенна. При эксперимен­ тальной настройкё антенны добиваются экстремума отношения "впередУ

’назад", т .е . отношения
(90°) _	I	1 + с^+^в' cos (V -k d )
j-z (270 )	j	j + cf + 2(j, cos (W+KCL)

Использование пассивного вибратора в качестве рефлектоЪа или директора отвечает соответственно максимуму или минимуму отношения. На практике это достигается за счет выбора длины пассивного вибра­ тора и расстояния, на котором он будет находиться от активного виб­ ратора .

Для расчета поля излучения трехэлементной антенны (рис.З) мож­ но использовать выражение

Г	’■ (V f.ef Kd pc<pS i n B )	+	$ in в ) j
S - £ , [ l ^	e		j

где

_ I 1 peep I 5 Ш к С р €ф ~ K ^ p c i p Q OS К С p e g ?

ш

J J J -

1_ со$

		I	I g u p f	S t n		K £ gup - К Pgup 0 0 3 K t g u p
% af,“			11AI			1- cos к е дир
Ц)		■= ага		—p e t p		У		= а г а	L
									-ггЯ“ Р
^pe<p			д	Г		Г аир		У	X
d	ре<р		и d gUp		-	расстояния, на		которых	рефлектор	и директор
находятся			от активного		вибратора.
							Тогда диаграмма направленнос­
						ти трехэлементной антенны:
F(в) = sin в[i*						с^и + 2^pef, cosfypxrT«dp*?sin &У
						+4		w 005 ( ¥ W > + Kdr P sin9^
							•gup
						+ 4 p " P % u p C 0 S ( % ^ - ^ s i n e
									7	1/2
						-V y u p -x ctfu p S in 6)]

Для упрощения расчетов и на­ стройки трехзлементной антенны мож­ но не учитывать взаимную связь ре­ флектор-директор и размеры трехэле­ ментной антенны взять такими же, как у рефлекторной и директорной антенн

Величины токов определяются формулами:

р е< Р	а р	l-(z.	4р Z 9	)
		i ~ ( Z p 3 / Zp 2 g )
9иР		( ^ A p Z p g /	% Ag Z p	)

~ z 7 1- ( Z p 3 / Zp z 9 )

где Zp	и Zg ~ собственные сопротивления рефлектора	и директора;
%лр ,	~ взаимные сопротивления полуволновая	антеннв-ре-
флектор,	полуволновая антенна-директор и рефлектор-директор.

Описание лабораторной установки. Структурная схема измеритель­ ной установки аналогична схеме, приведенной в разделе 1. Исследуе­ мая вибраторная антенна (ее тип изменяется за счет сменных элемен­ тов) с симметрирующим устройством и встроенным детектором установле­ на на поворотном стенде. Продетектированный сигнал поступает на из­ мерительный прибор, чувствительность которого может изменяться в 10 раз. Передающая часть установки состоит из генератора типа Г4-37А и вспомогательной вибраторной антенны. Измерения проводятся в деци­

метровом диапазоне волн. Так как в установке используется прибор по­

стоянного тока,	в генераторе	применяется режим немодулированных ко­
лебаний. ’^Рабочая длина волны		генератора подбирается рввной			удвоенной
длине активного	вибратора.
	Список	литературы
1 . Фрадин А.З. Антенно-фццерные устройства. NT.: Связь,					1977.
2 . Щелкунов С .А ., Фрис		Г .Т . Антенны. М.: Сов.редио,		1955.
Р а б о т а	3 . Рупорные	и линзовые	антенны
Введение. Рупорные антенны - один из			основных видов	антенн сан­

тиметрового диапазона волн. Простота конструкции, удобство выполне­

ния расчетов	при хорошем совпадении теории и эксперимента,			отсутст­
вие потерь в	тракте питания - вот	те	преимущества, которые	позволя­
ют использовать даншй тип антенн		для	различных практических целей

и применять их в качестве эталонных для проведения различных измере­ ний. Единственным недостатком рупорной антенны является ее большая длина. Уменьшить длину рупора можно за счет помещения в ее раскрыв (апертуру) диэлектрической линзы, выравнивающей распределение фазы. Равномерность фазы может быть осуществлена как при использовании однородного диэлектрика переменной толщины, так и за счет использо­ вания неоднородных сред.

Цель работы - приобретение навыков измерения и расчета диаграмм направленности и коэффициенте усиления руноргпос и рупорно-литовых антенн.

Рупорные антенны относятся к классу апертурных антенн, у кото­ рых направленное излучение формируется плоской поверхностью раскрыва S Простейшей апертурной антенной является открытий конец вол­ новода. Однако, введу сравнительно малых размеров излучающей апер­ туры по отношению к длине волны, такая антенна имеет слабую направ­ ленность. Для увеличения направленности применяют рупорные антенны.

На рис Л ,а показан		Е -секториальннй рупор,		расширяющийся		в плос­
кости вектора	Е	с постепенным увеличением		размера В	;	И -
секториальный	рупор	(см .ри с.1 ,6 )	расширяется	в плоскости	вектора Н
с постоянным увеличением размера			CL

Рис. 1

Если увеличить оба размера волновода, то получим пирамидальный

рупор с раскрывом Э*=и6 (р и сЛ ,в ). В отличие	от	секториальиых	ру­
поров, диаграмма направленности сужается как в	Е~	, так и в	Н -
плоскостях.

Направленные свойства рупорной антенны приближенно можно оце­ нить, используя метод Гюйгенса-Кирхгофа. В соответствии с этим ме­ тодом поле излучения любой апертурной антенны можно рассчитать путем сложения полей излучения элементарных площадок, расположенных не­ прерывно по всей излучающей поверхности антенны. В данном случае из­ лучающей поверхностью является поверхность раскрыва рупора. Поскольку в рупоре ,в основном сохраняется тот же характер поля, что и в вол­ новоде, то принимают, что на апертуре существуют две взаимно перпен­

дикулярные	тангенциальные	составляющие	поля	Еу и	Нх , амплиту­
ды которых	не зависят от	координаты у	, а	вдоль	координаты X из­

меняются по закону косинуса. Однако, в отличие от поверхности откры­ того конца волновода, апертура рупора не может быть возбуждена синфаэно, так как в рупоре распространяется цилиндрическая (в оекториальных) или близкая к сферической (в пирамидальных) волня.

Для расчета фазового распределе­ ния по апертуре рупора (рис.2) найдем фазу поля в точке М на расстоянии X от центра апертуры, причем фазу поля в точке X = 0 примем за нуле­ вую. Из геометрических соображений нетрудно найти, что

Рис. 2

тазе	Л	а
	Ifл	R

Видно, что распределение фазы пЬля по апертуре рупорной ан­ тенны подчинено квадратичному закону, причем фазовая ошибка тем меньше, чем больше длина антенны R При аналогичных расчетах, проведенных для пирамидального рупора ,

V	Я	Г		х 2	.	У	}
¥ ( * , У )	= Т	{	1	^	+	~R~£	)	’
где Rи и Re - длина рупора			в	Н-	и	£ -плоскостях. Макси­
мальный сдвиг фазы имеет место при					i	CL/ 2	и	U - — 6 / 2
Тог* а	^		,	г		р2
ntQX	/ / J	\		Rh		Re	J

Диаграмма направленности излучащей поверхности с квадратичным фаговым распределением, рассчитанная по методу Гюйгенса-Кирхгофа, определяется математическим выражением, содержащим интегралы Френе-

ля [ 1 ]	Следует иметь гг вцду, что диаграммы направленности							в плос­
костях	Е- и Н-		оказываются несовпадающими в силу различного ха­
рактера	распределения амплитуды поля от координат					х	и у	Из
р и с.3,а,б видно, что ширина диаграммы направленности больше								(при
равных	л и	6	), а уровень	бокового излучения		рупорной антенны
меньше	в плоскости		Н * чем	в плоскости £	,	причем это		разли­
чие вызвано только характером распределения поля по апертуре.
При отсутствии квадратичных фазовых ошибок					(	RH и	Rf	очень

велики, тогда рупорная антенна носит				название идеальной) формулы
для расчета диаграммы направленности			значительно упрощаются. Для
плоскости £	«		.	и 5 Sin
	1 + C O S V e	S L n 2

нб	S i n
2