Методичка - лаб.СВЧ_Е2

(паразитной) поляризацией. Он располагается под углом Q относительно нормали к поверхно­ сти антенны ; этот угол определя­ ется из соотношения

	t in в	Ао / j g
	При использовании			прямо­
угольных волноводов			обычно
К 1*8 ~ °» 7		и Угол	®	45°-			Рис. 5
	Для уменьшения		паразитной
составляодей		поля излучения при­
меняют антенны с углами				наклона щелей IOJ		^	15й,	при этом мощность,
теряемая на паразитную поляризацию, составляет менее 1%.
	Диаграмма направленности исследуемой антенной решетки может быть
записана в виде произведения двух функций:							F	( 0	, У }	~
=	( в ) '	( $ 0	Вид функций		/ ° ( 9 )	и ^ ( 9 )			определяется
амплитудно-фазовым распределением					в плоскостях		X0Z и		yQZ	соот­

ветственно ; эти функции представляют диаграммы направленности решет­ ки в указанных плоскостях.

		Список литературы
1 . Марков Г .Т .,		Сазонов Д.М. Антенны. М.: Энергия, 1 9 7 5 .-	528 с .
2 . Антенны и устройства СВЧ/Под ред. Д.И,Воскресенского. М .:
Рвдио и связь, 1981.		- 431 с .
Р а б о т а	6 .	Определение полей антенны по резуль­
		татам измерений в ближней зоне
Цель работы -	ознакомление с методикой измерения амплитуды		и

фазы ближнего поля антенны и определение по найденному распределению поля в дальней зоне.

Традиционные методы измерения характеристик направленности ан­ тенны в зоне излучения часто усложняются тем, что расстояние до даль­ ней зоны велико и трудно обеспечить необходимые условия эксперимента. Эффективным решением этой проблемы является переход к измерениям

ближних полей и дальнейшему восстановлению поля излучения. Успешно осуществить это удается путем использования принципов голографии, оптической и машинной обработки информации.

Существенними особенностями этих методов являются: а) возмож­ ность проведения измерений характеристик антенны в ближней зоне, что позволяет значительно уменьшить размеры помещения, которые определя­ ются размерами антенны, а не расстоянием до дальней зоны ; б) возмож­ ность проводить проверку работоспособности антенны по характеру ам­ плитудно-фазового распределения поля в апертуре антенны, что особен­ но удобно для выявления неточностей, возникших при изготовлении,и дефектных элементов.

Как правило, измерения ближнего поля антенны производятся при помощи слабонаправленной измерительной антенны (зон да), механически перемещаемой перед исследуемой антенной; совокупность положений зон­ да образует некоторую поверхность, которая может быть плоской, сфе­ рической или цилиндрической. Сигнал на выходе измерительной антенны характеризует распределение поля исследуемой антенны на выбранной поверхности. Обработка данных измерений выполняется на ЭВМ по програм­ мам, составленным на основании соотношений, связывающих ближнее и дальнее поле. Например, если поле измеряется на плоскости, диаграм­ ма направленности в дальней зоне находится как преобразование Фурье измеренных данных [ i ]

Теоретическая часть. Принципиальная возможность восстановления поля произвольной системы токов в дальней зоне по известному распре­

делению тангенциальных составляющих электрмогнитного поля		Е т ,	И7
на замкнутой поверхности $	, охватывающей эту систему	токов,	сле­

дует из решения граничной задачи электродинамики и теоремы эквива­ лентности. Строгое решение уравнений Максвелла дает следующее интег­ ральное представление поля в дальней зоне через значения упомянутых составляющих:

( i )

где	Ъс	- расстояние от начала системы координат до			точки няблк>
дсния ; J)		-	радиус-вектор точек поверхности ;	cZo	-	единичный
вектор	из начала системы координат в точку наблюдения ;					п -	еди­
ничный	вектор		внешней нормали к поверхности S	\ к —2 jf /л			, л -
длина	волны ;		£ f JA - диэлектрическая и магнитная проницаемости
среды	вне	5	(предполагается, что среда однородная		и изотропная)

[ 2 ]

Замкнутая поверхность должна охватывать исследуемую излучающую систему.

Для определения поля в дальней зоне необходимо подставить в (1) функции распределения тангенциальных составляющих векторов электри­ ческого и магнитного полей на поверхности S и выполнить интег­ рирование.

Рассмотрим, как преобразуются соотношения (Я) и (2 ) для случая,

когда

S

является

плоскостью. Измерение поля на плоскости

Z = О

осуществляется в системе

координат

Ху

IJ

Поле в дальней

зоне

рассматривается

как функция

ортогональных

координат

оСу f i

(угол «I

отсчитывается от оси 2

в

плоскости

XOZ

именяется в

преде­

лах от

-

Otj2

до

Я / 2

»

угол

уЗ

- от

оси

Z 1

в плоскости

Y 0 Z ' и меняется

в

пределах

от - ии/2

до

31/2

(рис Л ) .

Для плоской

поверхнос­

ти измерения ( h = const)

при расчете поля по формулам

( J ) , (2 )

достаточно

знать

распределение тангенциальной

составляющей только

одного

вектора

поля: электрического

или магнитного.

Представляя

тангенциаль­

ную составляющую вектора

элек­

трического поля

в виде

Е- ЕX

г•-

иучитывая, что

ОС COScL> Сjp S in Jin fl j Рис.1

V/*" О°j V lA~C0Sfl »

где £x t Ly t

Tp - op™ выбранных систем координат.

из ( I ) в системе				координат oL			р	можно получить следующие вы­
ражения для		составляющих вектора электрического поля в дальней зоне:
^ 2 я Т 0 е Jkz°Jf(ii£ x№ ^ exp[№ xsindcosfi+ys^									,	о )
	j/ (	-jkx.
А	2я г ® €		1кг° Л щ expfckfxsindcosp+f/swfijjdxdy,							<4 >
					s °3Ly
где	ул *	COSf i		,	y z = S i n d Sin f i			, У3 = COSU
Eа	При переходе			к	переменным		U ~ SindcOS f i , V- s in p		функции E^,
	выражаются через двумерные						преобразования Фурье-распределений
£ ,	И f y
	s				*	expLjk(ux+ iry)] d x d y			>	С5)
f )6= A		JjEy exp[jk(ux-tyy)] dxdtj r								(6)
где	A -	jk / 2 я г0				exp [~jkzc]
	Соотношения			(5 ), (6)		справедливы		при произвольной поляризации.

В случае линейно-поляризованного поля антенны с линейным раскрывом полученные выражения существенно упрощаются. Измерения для этого

типа антенн достаточно производить					не на	всей плоскости		ХОУ ,		а
вдоль одной из осей, например,				оси	х
Будем считать, что псле в ближней зоне							поляризовано	вдоль		оси у.
Полагая	р = О,	Ех = 0	в выражениях ( 5 ) ,				( 6 ) , находим, что		ком­
плексная	амплитуда	поля	F (ы .}	в дальней		зоне с точностью до			по­

стоянного несущественного множителя связана с комплексной амплиту­

дой тангенциальной составляющей		поля	F(x^)	следующим образом:
• ,	«	г	_ ’	j k S i n d ас

F (d ) = cos°lJЕ(х)е

Таким образом, для		определения F(U ) достаточно измерить
составляющие	комплексной	амплитуды поля Е ( л ) в отдельных точках
вдоль оси JO	и провести численное интегрирование. По результа­

там интегрирования можно найти амплитудную и ф-езовую диаграммы на­

правленности	антенны.
Описание лабораторной установки. Упрощенная структурная схема
для измерения	квадратурных	составляющих t/1 ^ I Е I sin	( а ъ у Е
U2 ^ lE l COS	( а г а Е )	представлена на рис.2 . Перед	исследуемой

Рис. 2

антенной в плоскости, параллельной ее раскрыву, установлен зонд с механизмом перемещения. Высокочастотный сигнал от генератора посту­ пает на двойной Т-образный мост, где разветвляется на два тракта: тракт опорного сигнала (служащий для определения фазы методом срав­ нения) и тракт основного сигнала, поступающего на исследуемую антен­ ну. Основной сигнал промодулирован напряжением типа ’’меандр", фор­ мируемым в низкочастотном блоке БНЧ. Излученный антенной сигнал при­

нимается зондом,		поступает в 3-децибельный мост, на		выходах которо­
го	поля сдвинуты	по фазе	на 9 0 °, и далее на двойные	Т-образные	мос­
ты,	к которым подводится		опорный сигнал. На выходе Т-образных		мос­
тов	исследуемый	и опорный сигналы суммируются, после чего поступают

на СВЧ детекторы. Продетектированные сигналы далее поступают на уси­ лители низкой частоты и фазовые детекторы, на выходе которых обра­ зуются два сигнала, пропорциональные I El Sin (агдЕ) и }Ejcos(a г д Е ) ,

где Е - комплексная амплитуда поля, принимаемого зондом. Эти на­ пряжении, а также данные о положении зонда поступают в систему ре­ гистрации и обработки. Для восстановления знака синусного и косинус­

ного	сигналов	в БНЧ используются фазовые детекторы, опорным напря­
жением для них		является тот же сигнал типа "меандр", который модули­
рует	основной	сигнал СВЧ. "Меандр" вырабатывается генератором опор­

ного напряжения. Используемые в схеме ферритовые вентили и согласо­ ванные двойные Т-образные мосты обеспечивают высокую степень развяз­ ки между опорным и исследуемым каналами.

При прохоадении зондом.точек с фиксированными координатами ска­ нирующее устройство ьыдает импульсы в систему регистрации и обработ­ ки на запуск цифровых вольтметров. Система регистрации и обработки результатов измерений построена на основе специализированного вы­ числительного устройства ВУ "Искра 1256". Сигналы, пропорциональные

составляющим IE I sin (&'l $ Е )	у I Е I COS (сьъу	Е )	, поступают	на
аналого-цифровые преобразователи, входящие в состав			ВУ "Искра ‘1256".
Считывание информации с	АЦП происходит,	как уже	отмечалось,	в

момент подачи импульса управления, формируемого сканирующим устрой­ ством. В ЬУ "Искра 1256" импульсы управления нумеруются, что позволя­ ет привязать данные по комплексной амплитуде поля к положению зоцца на раекрыве антенны. После снятия амплитудно-фазового распределения происходит автоматическая распечатка результатов измерений. Затем в ВУ производится расчет диаграммы направленности исследуемой антенны в дальней зоне. Результаты расчета также распечатываются.

Амплитуда и фаза исследуемого поля связаны с результатами из­

мерений очевидными соотношениями
I Е I = А л / U , 2 + u f	i	(8)

az g E = * a z c tg u, / ы2i

(9)

где А - постоянный множитель ; Uf и Uz - величины выходных сигналов синусного и косинусного каналов блока низкой частоты. Для обеспечения правильности расчетов необходимо обеспечение совпадения сквозных коэффициентов передачи этих каналов. Сквозной коэффициент передачи составляют: коэффициент передачи СВЧ-детектора, коэффициент усиления низкочастотного усилителя и коэффициент передачи фазового детектора. Изменение сквозного коэффициента передачи может быть осу­ ществлено за счет коэффициента усиления низкочастотного усилителя. Контроль за совпадением сквозных коэффициентов передачи производит­ ся по равенству максимальных выходных сигналов синусного и косинус­ ного каналов при изменении фазы исследуемого СВЧ-сигнала. Отметим, что для изменения выходного сигнала от нуля до максимального значе­

ния СВЧ-фаза должна		изменяться	на 9 0 °.
		Список	литературы
4 .	ТУрчин В .И ., Цейтлин И.М. Амплифаэометрический метод антен­
ных измерений^ Радиотехника			и электроника.	1979. Т .24 . №42 .
С .2381.
2 .	Бахрах	Л .Д ., Курочкин А.П. Голография в микроволновой тех­
нике. М.:	Сов.радио,	1979.

Р а б о т а 7 .. Исследование ферритового фазовращателя

Цель работы - исследование ферритового фазовращателя, в кото­ ром используется продольно намагниченный феррит, в диапазоне частот.

Свойства ферритов в диапазоне СВЧ. Ферриты отличаются от маг­ нитных материалов чрезвычайно высоким удельным сопротивлением (обыч­ но 40 Ом.см, тогда как у железа оно составляет 40*”^ Ом.см). Если железо представляет для электромагнитной волны идеальный отражатель, то феррит пропускает волну без значительных потерь. Волна при про­ хождении через феррит может активно взаимодействовать со спинами электронов, которые определяют магнитные свойства вещества. В резуль­ тате этого взаимодействия наблюдается эффект Фарадея (вращения плос­ кости поляризации волны) и другие явления, позволяющие управлять фа­ зой и амплитудой волны. Кроме высокого удельного сопротивления, фер­ риты в диапазоне СВЧ характеризуются также и довольно высокой диэ­

лектрической проницаемостью (обычно 'v 1 0 -2 0 ).

Высокая диэлектрическая проницаемость может привести к значи­ тельным отражениям энергии на границе воздух-феррит. Поэтому при конструировании волноводных устройств, содержащих ферриты, обычно

применяют специальные меры для улучшения согласования (заострение концов ферритового стержня, применение диэлектрических конусов и т . д . ).

Устройство и принцип действия Ферритового (Ьазовращателя на пря­ моугольном волноводе. Фазовращатели, использующие продольно-намаг­

ниченный феррит в	прямоугольном волноводе, были исследованы Реджиа
и Спенсером в 1957	году. Вид фазовращателя представлен на рис.1.

Устройство состоит из отрезка прямоугольного волновода, вдоль оси которого расположен ферритовый стержень, волновод возбуждается вол­ ной TEJ Q , к стержню прикладывается продольное управляющее магнитное поле.

Принцип действия фазовращателя основан на изменении магнитной проницаемости феррита при изменении напряженности подмагничивапцего поля. Известно, что длина электромагнитной волны, распро­ страняющейся в среде, определяется выражением

где	- длина волны	в воздухе;	£ Cf> - относительная диэлек­
трическая	проницаемость	среды; J J Cf>	- относитепьная магнитная
проницаемость среды.
Если приложить .'продольное магнитное поле к ферритовому стержню,
расположенному внутри осесимметричной			волноводной системы, возбуж­

даемой волной с линейной поляризацией, то это вызовет поворот плос­ кости поляризации распространяющейся волны. Однако, если ферритовмй стержен помещен внутри прямоугольного волновода и диаметр стержня не очень велик, то эффект вращения плоскости поляризации не наблюда­

ется.
При уменьшении длины волны	(увеличении	частоты) происходит по­
вышение концентрации высокочастотной энергии		в	ферритовом стержне
( аналогичный эффект наблюдается	при увеличении		диаметра стержня).

При этом снижается влияние стенок прямоугольного волновода на процесс распространения электромагнитной волны. Если отношение ферритового стержня к длине волны превышает некоторую величину, стенки прямо­ угольного волновода перестают играть роль в подавлении вращения пло­ скости поляризации распространяющейся волны, что приводит к сущест­ венным изменениям уровня сигнала на выходе устройства, так как вслед­ ствие поворота плоскости поляризации яюлбю*ие WORST 'без отражения распространяться по -прямоугольному чюлноводу,, тахсдашемуся за сек­ цией с ферритом.

Ферритовый ^фазовращатель с продольным подмагничиввнием является обратимым,т.е. можно изменять направление подмагничрпзающего поля и направление распространения волны без ‘изменения фазового сдвига. Из­ менение величины поля подмагкичивания приводит к изменению фазовой скорости волны, а следовательно, и ее фазы на выходе устройства.

На рис.2 приведен вид зависимости фазового сдвига фазовращате­ ля от напряженности подмагничивающего поля. При создании быстродей­ ствующих систем весьма существенным параметром является время ус­ тановления фазы в фазовращателях. Это время в основном связано с появлением контурных токов в стенках волноводов. Для ослабления вли­ яния эффекта контурных токов приходится принимать специальные меры, которые позволяют не только сократить время запаздывания., но и эко­ номить мощность подмогничивания. Существует два способа уменьшения токов, циркулирующих по стенкам волноводов. Первый - использование

волноводов с разрезными стенками. Paaj эы стенок	вмполн^зтитт т*ч<,
чтобы не пересекать линий 04 токов, исключив тем	утечиу -высоко-

частотной энергии.

Другой способ уменьшения контурных токов заключается в повыше­ нии омического сопротивления стенок волновода, толщина которых может лишь немного превышать глубину проникновения высокочастотного поля. Параметры распространения электромагнитного поля при этом практичес­ ки не меняются. Для эффективного подавления контурных токов желатель­ но иметь стенки толщиной 0 ,0 0 2 мм. В работе исследуется эффективность первого способа уменьшения времени установления фазы.

Измерение фазового сдвига фазовращателя. Блок-схема установки дяя измерения фазового сдвига приведена на рис.З. Сигнал от генера­ тора СВЧ распределяется мевдг двумя трактами: трактом опорного сиг­ нала и трактом, в котором включен исследуемый фазовращатель. Основ­ ным элементом первого из них является управляемый фазовращатель, свойства которого известны. Будем в«дальнейшем называть его эталон­ ным. Принцип действия, используемого в работе эталонного фазовраща­ теля, ясен из рис. 3 Для исключения отражений в элементах схемы в ка­ честве развязывающих устройств применяются аттенюаторы. Схема изме­ рений работает следующим образом. Сигнал, прошедший через исследуе­ мый фазовращатель, поступает в одно из плеч волноводного тройника, в другое плечо которого поступает опорный сигнал. Сумма сигналов, образующаяся на выходе тройника, попадает в детекторную секцию, под­ ключенную к измерительному усилителю или другому регистрирующему прибору. Если сигналы, поступающие в плечи тройника, противофазны и равны по амнлитуле, то показания прибора будут равны нулю. Атте­ нюатор, включенный на выходе фазовращателя, служит для регулировки уровня сигнала, поступающего в плечо тройника, и для согласования тракта за фазовращателем.

При измерении фазового сдвига необходимо провести размагничи­ вание ферритового стержня, для чего нужно подать на катушку подмогничивания переменный ток (переключатель на блоке управления в положе­ нии "размагничивание") и плавно уменьшить величину тока до нуля. За­ тем переключатель перевести в положение "работа", т .е . подать на ка­ тушку подмагничивания постоянный ток. При проведении измерений из­ менение тока проводить только в сторону увеличения, чтобы двигаться по восходящей кривой петли гистерезиса, не допуская в ходе установки нужного значения тока даже незначительного его уменьшения. (Аналоги­ чно в сторону уменьшения при измерениях на нисходящей части петли).

Для сравнения амплитуд сигналов, поступающих в плечи тройника,