Описание лабораторной установки

Описание лабораторной установки приведено в лабораторной работе № 3.

Порядок выполнения лабораторной работы Подготовка к лабораторной работе

Для эффективного выполнения работы в лаборатории необходимо предварительно произвести подготовку к лабораторной работе:

а) изучить по рекомендованной литературе и конспекту лекций основные характеристики диэлектрических стержневых антенных устройств;

б) ознакомиться со всеми разделами настоящего описания лабораторной работы, изучить схему лабораторной установки и порядок проведения экспериментальных исследований;

в) подготовить миллиметровую бумагу.

Подготовка аппаратуры

Получите у преподавателя антенну для проведения исследований и значения частот, на которых необходимо провести исследования. Проведите подготовку аппаратуры согласно правилам, приведенным в лабораторной работе № 3.

Исследование диаграммы направленности антенны

Проведите исследование диаграммы направленности антенны согласно указаниям, данным в лабораторной работе № 3.

Полученные результаты занесите в табл. 4.1.

Таблица 4.1

Результаты экспериментального исследования диаграммы направленности антенны

Угол , градусы	, дБ
0
+ 2
---
+ 180
- 2
---
- 180

Обработка результатов измерения

По результатам эксперимента (см. табл. 4.1) рассчитайте нормированную диаграмму направленности исследуемой антенны по формуле

, дБ, (4.8)

где _макс() - максимальное значение (см. табл. 4.1).

Измерьте геометрические размеры исследуемой антенны и узнайте у преподавателя тип материала, из которого изготовлен диэлектрический стержень исследуемой антенны.

Рассчитайте теоретическую нормированную диаграмму направленности по формуле

, дБ. (4.9)

Результаты расчетов по выражениям (4.8) и (4.9) занесите в табл. 4.2.

Таблица 4.2

Результаты расчетов диаграммы направленности антенны

Угол , градусы	Fэксп , дБ	F т.н, дБ
0
+ 2
---
+ 180
- 2
---
- 180

По данным из табл. 4.2 постройте экспериментальную и теоретически рассчитанную диаграммы направленности.

На экспериментальной диаграмме направленности определите ее ширину по уровню «-3 дБ» (по уровню половинной мощности) 2_0.5.

Рассчитайте ширину теоретической диаграммы направленности по выражению (4.6). Рассчитайте коэффициент направленного действия D_макс исследуемой антенны по выражению (4.7).

Окончание лабораторной работы

С разрешения преподавателя выключите лабораторную установку и сдайте рабочее место лаборанту.

Содержание отчета

В письменном отчете должны быть отражены:

1) структурная схема лабораторной установки;

2) таблицы с результатами измерений и расчетов;

3) графики, построенные по результатам измерений и расчетов;

4) выводы по результатам измерений и расчетов.

КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ

1. К какому типу антенн относятся диэлектрические стержневые антенны?

2. Какие типы волн используются в диэлектрических стержневых антеннах?

3. Какими свойствами должны обладать диэлектрические материалы, применяемые при изготовлении диэлектрических стержневых антенн?

4. Чем определяются диапазонные свойства диэлектрических стержневых антенн?

5. С помощью каких устройств производится возбуждение требуемого типа волны в диэлектрических стержневых антеннах?

ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА № 5

ИССЛЕДОВАНИЕ ЗЕРКАЛЬНЫХ АНТЕННЫХ

УСТРОЙСТВ СВЧ-ДИАПАЗОНА

Цель работы -экспериментальное исследование электрических характеристик зеркальных антенных устройств.

Зеркальные антенные устройства широко используются в технике радиолокации, радионавигации, радиотелеуправления, радиотелеметрических линиях, системах радиосвязи и других радиотехнических системах приема и передачи сигналов.

ОСНОВНЫЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ ЗЕРКАЛЬНЫХ АНТЕННЫХ УСТРОЙСТВ

Зеркальными антеннами называются антенны, у которых поле в раскрыве формируется в результате отражения электромагнитной волны от металлической поверхности специального рефлектора (зеркала).

Источником электромагнитной волны служит небольшая антенна – облучатель. Зеркало и облучатель являются основными элементами зеркальной антенны.

Зеркало обычно изготавливается из алюминиевых сплавов, для уменьшения парусности зеркало может быть не сплошным, а решетчатым.

Поверхности зеркала придается форма, обеспечивающая формирование нужной диаграммы направленности. Наиболее распространенными являются зеркала в виде параболоидов вращения, усеченного параболоида, параболического цилиндра или цилиндра специального профиля.

Электромагнитная волна, излученная облучателем, достигнув проводящей поверхности зеркала, возбуждает в ней токи, которые создают вторичное поле, называемое полем отраженной волны.

Рассмотрим, какую форму должно иметь зеркало, предназначенное для преобразования сферической волны в плоскую. Используем метод геометрической оптики. Вследствие круговой симметрии (первичная волна сферическая) достаточно рассмотреть картину на плоскости (рис. 5.1).

Рис. 5.1. К выводу уравнения профиля зеркала

На рис. 5.1 обозначены: F– точечный источник сферической волны,S– отражающая поверхность зеркала,L₀– плоская волновая поверхность, в которую преобразуется сферическая волна.

Отраженная от зеркала волна будет плоской, если длина оптического пути всех лучей, идущих от точки F до зеркала и после отражения - до поверхности L₀, будет одинаковой.

Для нахождения профиля зеркала приравняем длину оптического пути от F до L₀ 1-го луча, идущего вдоль оси Z зеркала, и 2-го луча, идущего из F под углом  к этой оси.

; (5.1)

. (5.2)

Подставляя (5.2) в (5.1) найдем :

. (5.3)

Уравнение (5.3) является уравнением параболы в полярной системе координат. Следовательно, поверхность зеркала должна быть поверхностью параболоида вращения параболы S вокруг оси Z. Точечный источник сферической волны должен находится в фокусе параболоида F.

Двойное фокусное расстояние 2f называется параметром параболоида p = 2f, тогда

. (5.4)

Для преобразования цилиндрической волны в плоскую поверхность зеркала должна быть параболическим цилиндром. Облучатель должен быть линейным, расположенным вдоль фокальной оси зеркала (рис. 5.2).

Р и с. 5.2. Зеркальная антенна с параболическим цилиндром

Зеркало характеризуют либо отношением радиуса раскрыва R₀ к двойному фокусному расстоянию R₀/2f = R₀/p, либо величиной половины угла раскрыва ₀ (рис. 5.3). Раскрыв зеркала – это плоскость, ограниченная кромкой параболоида.

Рис. 5.3. Зеркала различной глубины

Зеркала бывают:

• длиннофокусными (мелкими) - R₀ < p или ₀ < π/2 (см. рис. 5.3, а);

• средними по глубине - R₀ = p или ₀ = π/2 (см. рис. 5.3, б),

• короткофокусными (глубокими) - R₀ > p или ₀ > π/2 (см. рис. 5.3, в).

Облучатель зеркала, выполненного в виде парабалоида вращения, должен отвечать перечисленным ниже требованиям.

1. Облучатель должен излучать электромагнитную волну со сферическим фронтом. Несферичность волны облучателя нарушает синфазность поля в раскрыве, что ведет к расширению главного лепестка диаграммы направленности антенны и возрастанию амплитуды боковых лепестков.

2. Облучатель должен обеспечивать необходимое амплитудное распределение поля в плоскости раскрыва (рис. 5.4), при этом желательно получить спад интенсивности излучения (по мощности) от оси антенны к ее краям на 90%, что обеспечивает оптимальные параметры главного и боковых лепестков диаграммы направленности. При 10% потери мощности, «переливаемой» за края зеркала, соотношение между фокусным расстоянием f, радиусом зеркалаR₀и углом между осью зеркала и направлением из фокуса на край зеркала₀могут быть получены по формуле

. (5.5)

Зная диаграмму направленности облучателя, можно определить угол ₀, обеспечивающий спад мощности на 90% , затем по формуле (5.5) найти значениеf(при данномR₀) или значениеR₀(при данномf).

3. Облучатель должен обладать определенной фазовой характеристикой. Основное требование – фазовый центр облучателя не должен быть «размытым». Фазовый центр должен находится в фокусе зеркала.

Рис. 5.4. Облучение зеркала параболической антенны

4. Облучатель должен в минимальной степени затенять зеркало. Затенение зеркала приводит к искажению диаграммы направленности и росту боковых лепестков.

5. Облучатель должен обладать необходимыми диапазонными свойствами – он определяет диапазонные свойства антенны.

Наибольшее распространение получили облучатели следующих типов: вибраторные, рупорные и двухщелевые обратного излучения.

В дециметровом диапазоне длин волн в качестве фидеров применяются коаксиальные кабели и в качестве облучателей – полуволновые вибраторы. На рис. 5.5 приведена конструкция вибраторного облучателя, питаемого коаксиальной линией. Он содержит активный вибратор длиной 0.484 и пассивный вибратор длиной 0.530, который является рефлектором. Рефлектор может быть выполнен в виде диска.

Симметрирующее устройство (устройство, обеспечивающее соединение симметричной антенны и несимметричного фидера) выполнено в виде четвертьволнового стакана, основание которого соединяется с внешним проводником жесткого коаксиального кабеля.

Рис. 5.5. Вибраторный облучатель параболической антенны

В сантиметровом диапазоне длин волн в качестве фидеров применяются волноводы и в качестве облучателей – рупорные антенны и щелевые антенны. На рис. 5.6 приведена конструкция двухщелевого облучателя, питаемого волноводом.

Как видно из этого рисунка, на конце прямоугольного волновода укреплена металлическая камера с двумя излучающими щелями. Щели расположены друг от друга на расстоянии, равном _в/2 Перемещением регулировочного штыря производится согласование волновода с излучающими щелями.

Свойства рупорных антенн, которые могут быть использованы в качестве облучателей зеркальных антенн, рассмотрены в лабораторной работе № 3.

В направлении зеркала нормированная диаграмма направленности облучателя может быть описана выражением

, (5.6)

где m - целое число  1.

Для облучателя типа полуволнового вибратора с рефлектором в виде стержня m = 1; для такого же вибратора с дисковым рефлектором m = 2; для рупорного и щелевого облучателя m  3.

Рис. 5.6. Двухщелевой облучатель параболической антенны

Оптимальное фокусное расстояние зеркала f, обеспечивающее при данном радиусе его раскрыва R₀ и данной диаграмме облучателя F_обл () наибольшее значение КНД зеркальной антенны, определяется радиусом раскрыва зеркала и диаграммой направленности облучателя. Оптимальные отношения фокусного расстояния к радиусу раскрыва f/R₀ имеют следующие значения:

• 0.68 – 0.80 при m = 1;

• 0.80 – 1.0 при m = 2;

• 1.0– 1.2 при m = 3.

Коэффициент направленного действия зеркальной антенны D определяется выражением

, (5.7)

где - геометрическая площадь раскрыва;

γ - коэффициент использования поверхности раскрыва.

Коэффициент использования поверхности раскрыва зависит от угла раскрыва ₀ (рис. 5.7) и увеличивается при уменьшении угла раскрыва. Это связано с тем, что поле в раскрыве длиннофокусных зеркал близко к равномерному. Обычно при расчете коэффициента направленного действия значение γ принимается равным 0.4 – 0.6.

Коэффициент усиления зеркальной антенны G определяется выражением

, (5.8)

где  - коэффициент полезного действия, равный отношению мощности излучения зеркала P_зерк к мощности излучения облучателя P_ :

. (5.9)

Для вибраторного облучателя

. (5.10)

Расчет диаграммы направленности для зеркальных антенн достаточно сложен и зависит от конкретных видов облучателей.

При ориентировочных расчетах используется формула

, (5.11)

где J₁(kR₀sin) - бесселева функция первого порядка,

 - угол с осью параболы.

Ширину диаграммы направленности по уровню половинной мощности в плоскостях Е и Н можно оценить по формулам

; (5.12)

, (5.13)

Практически поверхность параболоида возбуждается неравномерно. Неравномерность возбуждения приводит к расширению диаграммы направленности. Диаграмма направленности облучателя обычно не обладает осевой симметрией, поэтому степень неравномерности облучения получается различной в плоскости Е и в плоскости Н. Кроме того, весьма часто отношение f/R₀ отличается от оптимального. К тому же на диаграмму направленности при одинаковом радиусе раскрыва зеркала R₀ влияет глубина зеркала. Это объясняется различием в распределении амплитуд поля в раскрыве зеркала. Более мелкие зеркала облучаются более равномерно. Вследствие этого главный лепесток у мелких зеркал получается более узким, но зато боковые лепестки возрастают.