Распространение радиоволн и антенно-фидерные устройства

Положение детекторного диода фиксируется металлическим винтом (12), который ввернут в стенку волновода круглого сечения. В отверстие на вершине винта (12) вставлен отрицательный вывод диода (5).

Таким образом, обеспечен омический контакт между положительным выводом детекторного диода и контактом для центрального проводника коаксиала разъема СР-50 и отрицательным выводом детекторного диода и корпусом разъема.

Выпрямленный детекторным диодом ток с помощью коаксиального соединительного шнура (9 на рис. 2.7) поступает на вход регистратора.

Воздушный зазор между основанием детекторной секции (3) и винтом (7) образует конструктивную емкость, через которую замыкается СВЧ составляющая тока детектора. Для исключения короткого замыкания между положительным выводом диода и корпусом основания проложена фторопластовая пленка толщиной 0,1 мм. На рис. 2.9 она не показана.

На рис. 2.10 приведен эскиз штатива для крепления зеркальной параболической антенны. Зеркало (1) жестко связано с фигурной пластмассовой планкой (2). В ней имеются пазы, в которых может перемещаться скоба (3). Положение ее на фигурной планке фиксируется винтом (4). С противоположной стороны скоба (3) укреплена на диэлектрической штанге (5). Нижний конец этой штанги с помощью зажима (6) с фиксирующим винтом (7) укреплен на П-образных направляющих (8). Имеется возможность, ослабив фиксирующий винт (7), изменять наклон параболического зеркала при его начальной юстировке.

На направляющих (8) укреплено нижнее основание кронштейна (9). В его верней части имеется отверстие с резьбой, по которой перемещается регулировочный винт (10). Его вершина упирается в нижнюю часть пластмассовой планки (2). Изменение высоты регулировочного винта (10) позволяет точно устанавливать угол наклона зеркальной параболической антенны при настройке макета. Для осуществления этой регулировки необходимо ослабить винт (4).

В нижнее основание кронштейна (9) вставлена диэлектрическая штанга (11), которая механически связывает всю конструкцию антенны с поворотным устройством.

В фигурной пластмассовой планке (2) укреплена направляющая (12), на которой зафиксирован облучатель (13) с коаксиально-волноводным переходом для передающей зеркальной параболической антенны или с детекторной секцией для приемной. Фиксация облучателя производится с помощью зажима (14). Предусмотрена возможность вращения облучателя вокруг его продольной оси в зажиме. Этим обеспечивается возможность предварительной настройки антенной системы по поляризации излучаемой волны.

Направляющая (12) разделена на две части. В разрез вставлено механическое устройство, обеспечивающее перемещение облучателя в поперечном и продольном направлении относительно параболического зеркала.

Смещение облучателя в продольном направлении осуществляется с помощью винта (15), который перемещает пластину (16). На ней укреплены узел смещения в поперечном направлении и часть направляющей с закрепленным облучателем.

Смещение облучателя в поперечном направлении осуществляется с помощью винта (17), который перемещает пластину (18). На ней укреплена часть направляющей с закрепленным облучателем.

Основой макета является серийно выпускаемая антенная система. Параболические зеркала представляют собой часть параболоида вращения, смещенную от центра. Поэтому дополнительные меры по минимизации «теневого эффекта» в лабораторном макете не предусмотрены, несмотря на значительные геометрические размеры облучателей и узлов их крепления.

Приемная и передающая антенны закреплены в двух поворотных устройствах (14, 15 на рис. 2.7). Оба устройства одинаковы по конструкции и служат для вращения зеркальной параболической антенны вокруг вертикальной оси, проходящей через их фазовые центры.

Описание работы с поворотным устройством (5) и регистратором (11) приведено в прил. 1.

В лабораторном макете используется генератор Г4-83. Генератор имеет два выхода. В работе используется выход 2, обеспечивающий плавную регулировку выходной мощности. Максимальный уровень -
3 мВт. Регулировка мощности осуществляется с помощью ручки «Уровень выходной мощности».

Генератор работает в режиме внешней импульсной модуляции. На его вход синхронизации подается модулирующий сигнал от блока регистратора. Коммутация выходной мощности (включение и выключение) осуществляется путем нажатия (включение) или отжатия (выключение) клавиши «П, внешняя модуляция» переключателя «Режим работы».

2.3 Порядок выполнения работы

2.3.1. Внимательно изучите правила безопасности труда при работе с приборами СВЧ диапазона и ознакомьтесь с особенностями работы в лаборатории.

2.3.2. Определите рабочий диапазон частот для заданного сечения волновода. Рассчитайте рабочие частоты согласно варианту задания по табл. 2.1.

Таблица 2.1

№№	1	2	3	4	5
f	f0 - 0,4Пабс	f0 - 0,3Пабс	f0 - 0,2Пабс	f0 - 0,1Пабс	f0
№№	6	7	8	9	10
f	f0 + 0,1Пабс	f0 + 0,2Пабс	f0 + 0,3Пабс	f0 + 0,4Пабс	f0 + 0,44Пабс

Центральная рабочая частота определяется из соотношения

, (2.3)

где f1 и f2 - крайние частоты рабочего диапазона для данного сечения волновода при условии распространения волны основного типа.

Абсолютная полоса рабочих частот

. (2.4)

Относительная полоса рабочих частот

. (2.5)

2.3.3 Проверьте наличие соединений

между выходом генератора и коаксиально-волноводным переходом облучателя передающей антенны;

между детекторной секцией облучателя приемной антенны и входом регистратора;

между гнездом «Синх.» регистратора и входом сигнала модуляции генератора.

Если нужно установите необходимые соединения.

2.3.4. Включите регистратор тумблером «Сеть» на его лицевой панели. При этом загорается его подсветка. Регистратор требует предварительного прогрева в течение 5 минут.

2.3.5. Установите ручку регулировки выходной мощности генератора в крайнее левое положение. Все клавиши переключателя режима работы должны быть отжаты. При этом мощность СВЧ сигнала не его выход не поступает. Включить генератор тумблером «Сеть». Установить частоту, заданную преподавателем.

Внимание! Все действия, связанные с перемещением облучателей приемной и передающей антенн, производить только при отключенной мощности СВЧ на выходе генератора. Для отключения мощности от выхода генератора следует отжать все кнопки кнопочного переключателя «Режим работы» на его лицевой панели. Тумблер «Сеть» при этом выключать не требуется.

2.3.6. Ослабьте винты 6 (рис. 2.10) поворотных устройств приемной и передающей антенн. Поверните приемную и передающую антенны в положение, соответствующее нулевому отсчету по шкале на верхнем основании.

2.3.7. Установите нулевые отсчеты по шкалам микрометрических винтов 8 (рис. 2.10). После этого заверните фиксирующие винты 6.

2.3.8. Установите отсчет х = 0 по шкале продольного смещения облучателя. Для этого переместите облучатель в продольном направлении, вращая винт 15 (рис. 2.10). Занесите установленные отсчеты х, у
в табл. 2.1.

2.3.9. Установите отсчет у = 0 по шкале поперечного смещения облучателя.

Для этого переместите облучатель в поперечном направлении, вращая винт 17 (см. рис. 2.10).

2.3.10. Нажмите клавишу «П, внешняя модуляция» кнопочного переключателя «режим работы» на передней панели генератора и ручкой регулировки выходной мощности добейтесь заметных показаний цифрового индикатора на лицевой панели регистратора. С помощью кнопочного переключателя на лицевой панели регистратора выберите удобный для измерений предел. После этого уровень мощности генератора не изменять. Показания индикатора q пропорциональны уровню принимаемой антенной мощности. Поэтому в дальнейшем фиксировать эти показания следует в относительных единицах (отн. ед.) с учетом выбранного кнопочным переключателем предела измерений.

2.3.11. Ослабьте один из винтов 6 (см. рис. 2.10) поворотного устройства приемной антенны. Вращая микрометрический винт, которому соответствует зафиксированный винт 6, произведите измерение диаграммы направленности зеркальной параболической антенны. При снятии диаграммы направленности следует помнить, что ширина главного максимума диаграммы направленности составляет единицы градусов. Отсчеты углов (град.) и соответствующих им показаний цифрового индикатора q (отн. ед.) занесите в табл. 1.

При необходимости поворота антенны на угол, превышающий 5, следует:

зафиксировать второй винт 6 (см. рис. 2.10) поворотного устройства;

ослабить ранее используемый винт 6;

установить нулевой отсчет по шкале ранее используемого микрометрического винта 8;

продолжить поворот антенны, вращая второй микрометрический винт.

Таблица 2.2

, град.
q, отн. ед.
q/qmax

2.3.12. Определите положение и уровень боковых лепестков диаграммы направленности зеркальной параболической антенны.

Для этого:

ослабьте винты 6 (см. рис. 2.10) поворотного устройства приемной антенны;

вращая антенну вручную в пределах -90 < < 90 зафиксируйте угловое положение j, при котором показания на индикаторе регистратора возрастают (j - номер бокового лепестка). Отсчет лепестков проводить от угла = 0, j < 0 для < 0 и j > 0 для > 0;

запишите соответствующее j показания qj индикатора регистратора;

при необходимости (по указанию преподавателя) снимите диаграмму направленности антенны в окрестности бокового лепестка. При этом необходимо осуществлять вращение антенны с помощью микрометрических винтов по методике, приведенной выше.

2.3.13. Отожмите клавишу «П, внешняя модуляция» кнопочного переключателя «Режим работы» на передней панели генератора и установите ручку регулировки выходной мощности в крайнее положение против часовой стрелки.

2.3.14. Повторите измерение диаграмм направленности антенны при положениях облучателя, указанных преподавателем. Для этого повторите пункты 4 - 11, изменив в них значения отсчетов х и у на требуемые.

2.4 Обработка результатов измерений

2.4.1. Постройте нормированные диаграммы направленности для всех исследованных случаев.

2.4.2. Для каждой из построенных диаграмм определите ширину главного максимума (по уровню половинной мощности).

2.4.3. По серии диаграмм, снятых для фиксированной частоты и для продольного перемещения облучателя, постройте зависимость ширины главного максимума диаграммы направленности от положения облучателя. Уточните положение фокуса по полученному графику (ему соответствует минимальная ширина диаграммы).

2.4.4. По серии диаграмм, снятых для фиксированной частоты и для поперечного перемещения облучателя, постройте зависимость ширины главного максимума диаграммы направленности от его положения. Уточните положение фокуса по построенному графику. Ему соответствует середина участка, на котором ширина диаграммы направленности практически неизменна (изменения не превышают 10 %).

2.5 Содержание отчета

Отчет должен содержать титульный лист, на котором указываются название лабораторной работы, фамилии авторов, а также фамилия и должность преподавателя.

После титульного листа следуют основные теоретические положения, использующиеся в данной работе, методика измерений тех или иных параметров.

В экспериментальной части приводятся блок-схема измерений, результаты измерений в виде заполненных таблиц, пример расчета по используемым формулам, строятся необходимые графики.

Каждое выполненное задание с результатами обработки экспериментальных данных заканчивается выводами.

Небрежно оформленные отчеты к защите не допускаются.

Защита работы включает в себя обсуждение полученных результатов, проверку усвоения студентом методики измерений и ответы на контрольные вопросы и задания.

Контрольные вопросы и задания

1. Расскажите о геометрических свойствах и принципе действия параболической антенны. Какое зеркало называется длиннофокусным, короткофокусным?

2. Какие характеристики антенны определяются по экспериментально снятой диаграмме направленности? Приведите диаграммы направленности в полярной и прямоугольной системах координат.

3. Раскройте понятия коэффициента усиления и направленного действия параболической антенны.

4. Каким образом влияет точность выполнения зеркальной антенны на ее направленные свойства? Какие меры необходимо принять, чтобы добиться максимального значения КНД?

5. Расскажите о влиянии отражений от зеркала на входное сопротивление антенны. Какие способы используются для уменьшения влияния отражений на входное сопротивление антенны?

6. Определите основные размеры параболической антенны для работы на волне 10 см с КНД = 30 дБ. Питающий фидер - коаксиальный, с волновым сопротивлением 50 Ом.

7. Рассчитайте диаграмму направленности параболической антенны с круглым раскрывом, амплитуда поля в котором изменяется по закону со спадом поля на краях раскрыва относительно центра до = 0,3, если известны частота и радиус раскрыва (табл. 2.3). Расчет выполнить для значений в пределах от u = 0 до u = 8.

Таблица 2.3

Вариант	1	2	3	4	5	6
f, ГГц	6	6	6	5	5	5
R0, мм	6000	3000	1000	6000	1000	500

8. Определить коэффициент направленного действия зеркальной параболической антенны по условиям задачи 7, приняв значение коэффициента использования равным 0,5.

3. ИССЛЕДОВАНИЕ СИММЕТРИЧНЫХ ВИБРАТОРОВ

Цель работы: исследование диаграмм направленности симметричного четвертьволнового вибратора, симметричного четвертьволнового вибратора с плоским металлическим экраном (контррефлектором), симметричного вибратора с длиной плеча вибратора, равного трем четвертям длины волны; исследование способов согласования антенн с питающей коаксиальной линией; исследование диапазонных и поляризационных свойств симметричных вибраторов.

Задание на предварительную подготовку: по указанному в конце раздела списку литературы и данному описанию изучите конструкции и свойства симметричных вибраторов, а также методику работы при снятии диаграмм направленности.

3.1 Основные теоретические положения

Симметричные вибраторы относятся к простейшим антеннам. Они широко используются не только самостоятельно в составе различных линий связи, но и как элементы более сложных антенных систем. Частотный диапазон их использования простирается от инфранизкого до сверхвысокочастотного.

На данном лабораторном стенде исследуются их общие свойства:

формирование диаграммы направленности и ее связь с геометрическими размерами антенны и длинной волны излучения;

поляризация излучения и ее зависимость от ориентации антенны;

частотные (диапазонные) свойства антенны - способность сохранять свои характеристики в диапазоне частот.

Эскиз симметричного вибратора приведен на рис. 3.1.

Здесь отмечена длина его плеча l и место включения генератора (при работе на передачу).

Для понимания процессов, происходящих при излучении или приеме антенной электромагнитной волны, необходимо проанализировать простейшую физическую модель, поясняющую процессы, происходящие в антенне. Прежде всего, следует помнить, что свойства любой антенны (но не ее конструкция) сохраняются как при ее работе в качестве приемной, так и передающей. Этот факт позволяет анализировать работу симметричного вибратора, рассматривая поле его излучения. С методической точки зрения это оказывается проще.

При анализе антенны для описания поля ее излучения используется сферическая система координат. Положение точки в ней определяется тремя числами (рис. 3.2):

радиус-вектором r;

углами и .

Рис. 3.2 иллюстрирует определение координаты произвольной точки А. Для удобства показана привязка сферической системы координат к декартовой. Обе системы имеют общий центр - точка О. Радиус-вектор соединяет точки А и О, а определяется углом между осью z и . На рис. 3.2 показана проекция радиус вектора на плоскость ХОУ - прямая ОВ. Величина определяется углом между осью у и этой проекцией.

Вектора напряженности электрического и магнитного поля в сферической системе координат задаются тремя проекциями на единичные орты , и .

Направление единичных ортов показано на рис. 3.2. Вектор , например, записывается сотношением

. (3.1)

При анализе симметричного вибратора принято ориентировать его вдоль оси z (см. рис. 3.2). Тогда поле излучения на расстоянии r >> l характеризуется всего лишь двумя проекциями

. (3.2)

Область пространства, для которой выполнены условия r >> l, получила название волновой зоны.

Диаграмма направленности антенны характеризует зависимость составляющих поля (Е или Н) от углов и при фиксированной координате r. В общем случае она представляет собой сложную пространственную фигуру. В частности, для симметричного вибратора с длиной плеча l = ?/2 она имеет тороидальную форму, качественно показанную на рис. 3.3.



На практике принято характеризовать направленные свойства антенн не полной пространственной диаграммой, а лишь ее сечениями. Обычно вводятся две плоскости, взаимно перпендикулярные друг другу (рис. 3.3) - плоскость Р1, в которой лежит вибратор и вектор напряженности электрического поля и плоскость Р2, перпендикулярная его оси, в которой лежит вектор . Первая получила название плоскости , а вторая - плоскости . На практике под диаграммой направленности часто понимают зависимость составляющих поля от пространственных координат в одной из этих плоскостей. Для случая симметричного вибратора такие одномерные диаграммы направленности определяют зависимость составляющих поля от координаты (плоскость ) и от координаты (плоскость ).

Диаграмма направленности в плоскости теоретически может быть рассчитана по формуле

. (3.3)

В плоскости (плоскость перпендикулярная оси вибратора)

. (3.4)

Расчеты по формуле (3.3) требуют последующей нормировки на максимальное значение.

На рис. 3.4 в качестве примера приведены диаграммы направленности симметричных вибраторов c длинами плеч l ? ?/4 и l ? 3?/4.

Формирование поля вибратора в дальней зоне можно пояснить с позиций принципа суперпозиции. Вибратор представляется в виде набора отдельных малых отрезков проводника с током проводимости неизменным вдоль него. Каждый такой элемент является диполем Герца. Поле в дальней зоне представляется как суперпозиция полей этих элементарных вибраторов.

В случае l ? ?/4 токи во всех элементах направлены одинаково. Их поля в дальней зоне складываются арифметически, что приводит к диаграмме направленности, соответствующей рис. 3.4.

В случае l ? 3?/4 в распределении тока проводимости вдоль плеч вибраторов появляются участки, где его значение меняет знак. Им соответствуют элементарные вибраторы со встречным по отношению к остальным направлением токов. Суперпозиция полей от всех вибраторов в дальней зоне уже не соответствует арифметическому сложению. При их суммировании необходимо учитывать фазовые соотношения, что и приводит к проявлению многолучевости в диаграмме направленности
(см. рис. 3.4).

При подготовке к выполнению лабораторной работы следует также обратить внимание на то, что на основании принципа взаимности характеристики антенны, работающей на прием и передачу, одинаковы. Как следствие - экспериментально исследовать характеристики направленности можно как для приемного, так и для передающего вибраторов.

При проведении экспериментальных исследований необходимо учитывать, что входное комплексное сопротивление симметричного вибратора

(3.5)

зависит от соотношения l/, а следовательно, при неизменной длине вибратора - от частоты. Качественный вид зависимостей RВХ(l/) и ХВХ(l/) приведен на рис. 3.5.

В зависимости от диаметра проводника d, из которого выполнен вибратор, меняется форма зависимости RВХ(l/) и XВХ(l/). Легко понять, что "толстые" вибраторы более широкополосны, поскольку RВХ и XВХ менее резко меняются при изменении l/.

На рис. 3.5 видно, что при l/ 0,25; 0,75 ХВХ = 0. При этом согласование вибратора с линией осуществляется наиболее просто. Именно такие вибраторы и исследуются в данной лабораторной работе. Длины их плеч выбраны так, что в окрестности частоты f = 0,7 ГГц реактивное сопротивление ХВХ = 0.

Следует помнить, что использование контррефлектора позволяет существенно снизить уровень излучения антенны в направлении, противоположном приемной антенне. В данном лабораторном макете контррефлектор выполнен в виде плоского металлического экрана (рис. 3.6).

Рис. 3.5. Зависимости действительной и мнимой частей входного сопротивления симметричного вибратора от отношения l/ при различной

Размещено на http://www.allbest.ru/

Вибратор располагается перед экраном на расстоянии h. Влияние экрана на диаграмму направленности такой антенны учитывается с помощью метода зеркального изображения. Экран заменяется фиктивным эквивалентным вибратором, который возбужден в противофазе по отношению к основному. Располагается он на расстоянии h за экраном. На рис. 3.6 он показан пунктиром.

Если считать экран идеально проводящим, то следует положить комплексные амплитуды А0еjФ волн от основного и фиктивного вибраторов одинаковыми по модулю и отличными по фазе. Разность фаз этих волн определяется различием в условиях их возбуждения вибраторов и расположения.

Расстояние h должно быть выбрано так, чтобы волны, распространяющиеся в прямом направлении, складывались в фазе, а в противоположном - в противофазе (см. рис. 3.6). При этом диаграмма направленности антенны становится однонаправленной - направление главного максимума нормально к контррефлектору.

Размещено на http://www.allbest.ru/

В лабораторном макете предусмотрено симметрирование питания вибратора, исключающее неравномерность распределения тока в плечах вибратора за счет его затекания на внешнюю оболочку питающего коаксиального кабеля. Рис. 3.7 иллюстрирует процесс, возникающий при непосредственном соединении плеч симметричного вибратора с несимметричной питающей линией - коаксиальным кабелем.

В коаксиале, при распространении электромагнитной волны, по центральному проводнику и внутренней поверхности оплетки протекают токи, одинаковые по величине. Но при соединении центрального проводника и оплетки непосредственно с плечами симметричного вибратора, как показано на рис. 3.7, из-за различий в геометрии проводников коаксиала возникает ток не только в плечах вибраторов, но и на внешней оболочке оплетки. Это приводит к тому, что токи в I1, I2 плечах вибратора оказываются неодинаковыми. В результате диаграмма направленности антенны искажается. Для устранения этого эффекта необходимо симметрировать питание плеч вибраторов.

Схема симметрирующего устройства приведена на рис. 3.8. Здесь 1 - плечи вибратора; 2 - металлические стержни, образующие симметричную двухпроводную линию; 3 - питающий коаксиальный фидер, проходящий в одном из цилиндров двухпроводной линии; 4 - короткозамыкатель.

Размещено на http://www.allbest.ru/

Наружная оболочка коаксиальной линии имеет контакт с одним стержнем, а центральная - с другим. Плечи вибратора подключены к стержням.

За счет того, что ток, текущий по стержню, к которому присоединена центральная жила кабеля, противоположен по фазе току, текущему по наружной оболочке кабеля, излучение стержней симметрирующего устройства имеет пренебрежимо малую интенсивность, если расстояние между ними мало по сравнению с длиной волны.

Симметрирование питания осуществляется за счет трансформации короткого замыкания, образуемого короткозамыкателем 4 в бесконечно большое сопротивление в точках подключения плеч вибратора, чем исключается затекание тока на наружную оболочку. Настройка устройства осуществляется перемещением короткозамыкателя.

3.2 Описание лабораторной установки

Функциональная схема лабораторной установки показана на рис. 3.9. Она включает в себя две антенны - передающую и приемную, которые образуют радиолинию. Антенны обеспечивают работу в диапазоне
500 -1000 МГц.

Передающая антенна представляет собой симметричный четвертьволновый вибратор (1) с плоским контррефлектором (2) и устройством симметрирования и согласования (3).

Приемная антенна отличается от передающей отсутствием контррефлектора.

Обе антенны крепятся к диэлектрическим штангам (5). На рис. 3.10 показан узел (4) крепления приемной антенны. Передающая антенна закреплена на штанге с помощью устройства, позволяющего менять ее наклон в вертикальной плоскости. На рис. 3.9 оно не показано.

Более подробно конструкция перечисленных элементов макета будет рассмотрена ниже.

Нижний конец штанг (5) фиксируется в поворотных устройствах (6).

Питание передающей антенны осуществляется от генератора (7) типа Г4-144. Антенна соединяется с выходом генератора ВЧ кабелем (8).

Приемная антенна с помощью ВЧ кабеля (9) соединяется с детекторной секцией (10).

Продетектированный секцией сигнал поступает на вход регистратора (11). Выход синхронизирующего сигнала регистратора соединяется со входом синхронизации генератора (7).

Последние два соединения выполняются с помощью соединительных шнуров с разъемами СР-50.

Размещено на http://www.allbest.ru/

На рис. 3.10 приведен эскиз конструкции симметричного вибратора. Основой является эбонитовая обойма (1), в которую вставлен подшипник трения (2), выполненный из капролона. В нем имеются два отверстия, в которых проходят полые алюминиевые трубки (3) устройства симметрирования и согласования. В одной из этих трубок проложен кабель питания. Дополнительную жесткость конструкции антенны обеспечивает короткозамыкатель (4), через отверстия, в котором также проходят алюминиевые трубки (3). Положение короткозамыкателя на трубках фиксируется двумя винтами (на рис. 3.10 они не показаны).

На левой стороне трубок (3) имеется резьба, по которой они ввернуты в соединитель (5). В него же ввернуты оси плеч вибраторов (6) так, что они составляют прямой угол с трубками и имеют с ними омический контакт.

Плечи вибраторов (на рис. 3.10 не показаны) наворачиваются по резьбе на оси (6). Предусмотрена возможность изменения общей с осью длин плеч вибраторов, что позволяет менять их резонансные частоты. В комплектацию макета входят два плеча вибратора, длины которых соответствуют ?/4. Приемная антенна дополнительно комплектуется двумя плечами вибратора, длины которых соответствуют 3?/4.

Приемный симметричный вибратор крепится к диэлектрической штанге (5) (рис. 3.9) с помощью втулки (7) (см. рис. 3.10).

Крепление передающей антенны к штанге производится с помощью кронштейна, эскиз которого приведен на рис. 3.11.

Он состоит из двух П-образных скоб (1, 2), вложенных друг в друга. Внутренняя скоба жестко укреплена на контррефлекторе (3), а внешняя с помощью фигурной планки (4) - с диэлектрической штангой (5). Симметричный вибратор крепится к контррефлектору в его центральной области. На рис. 3.11 он не показан.

Скобы связаны между собой фигурными болтами (6) через отверстия в их боковых стенках. Верхнее отверстие во внешней скобе выполнено в виде дуги окружности. Это позволяет изменять угол наклона передающей антенны в вертикальной плоскости. Для этого следует ослабить фигурные болты (6) и повернуть антенну на требуемый угол. Затем болты следует зафиксировать.

В прил. 1 приведен эскиз поворотного устройства для вращения антенн (поворотные устройства (6) на рис. 3.9).

На рис. 3.12 приведен эскиз детекторной секции, которая служит для регистрации принимаемого антенной сигнала. Ее основой является латунный корпус (1), внутренность которого образует оболочку коаксиальной линии. Центральный проводник (2) фиксируется фторопластовым заполнением (3).

В корпус (1) ввернут цилиндр (4), являющийся основанием детекторной секции. Внутрь цилиндра (4) помещен изолирующий диэлектрический стакан (5), который фиксирует положение держателя детекторного диода (6). Диод (7) помещен в держатель (6), который представляет собой полый металлический цилиндр. Диаметр нижнего отверстия в основании цилиндра держателя (6) соответствует диаметру керамической части детекторного диода и меньше, чем диаметр положительного вывода. Детекторный диод (7) фиксируется в держателе винтом (8), который ввернут в него по резьбе на внутренней поверхности.

Размещено на http://www.allbest.ru/

На верхнюю часть внешней поверхности основания (4) по резьбе навернут металлический держатель (9) блочной части разъема СР-50 (10). Корпус его соединен с держателем, а контакт для центрального проводника коаксиала с помощью металлического штыря (11) - с винтом (8). Таким образом, фиксируется положение детекторного диода и обеспечивается омический контакт между его положительным выводом и центральным проводником разъема (10).

Отрицательный вывод детекторного диода вставлен в отверстие в боковой поверхности центрального проводника (2), чем обеспечивается омический контакт между этими элементами. В боковой поверхности фторопластового заполнения (3) имеется отверстие, совпадающее по размеру с диаметром керамической части детекторного диода.

При соединении с помощью соединительного кабеля (9) (см. рис. 3.9) блочной части разъема СР-50 со входом регистратора, через его входное сопротивление протекает выпрямленный детектором ток.

Воздушный зазор между основанием детекторной секции (4) и винтом (8) образует конструктивную емкость, через которую замыкается СВЧ составляющая тока детектора. Для исключения короткого замыкания между положительным выводом диода и корпусом основания проложена фторопластовая пленка толщиной 0,1 мм. На рис. 3.12 она не показана.

Для настройки детекторной секции на заданную частоту служит короткозамыкатель (12). Он обеспечивает режим стоячей волны в коаксиальной линии. При его продольном смещении происходит перемещение узлов и пучностей относительно детекторного диода.

Детекторная секция считается настроенной тогда, когда диод помещен в пучность электрического поля.

Для измерения уровня мощности электромагнитной волны, поступающей на приемную антенну, служит регистратор (11) на рис. 3.9. Входным сигналом для него является ток детекторного диода, который расположен в детекторной секции. Значение этого тока пропорционально мощности электромагнитной волны, поступающей на приемную антенну.

В прил. 1 на рис. П.1.2 изображена лицевая панель регистратора. Индикация принимаемого уровня мощности производится цифровым четырехразрядным индикатором.

Его показания соответствуют напряжению на выходе усилителя тока детекторного диода. Поскольку детекторный диод работает без смещения, его вольт-амперная характеристика квадратичная. Как следствие, показания индикатора пропорциональны уровню принимаемой мощности.

На лицевой панели расположен кнопочный переключатель переключения пределов измерения. Включение соответствующего предела производится простым нажатием соответствующей кнопки.

Ток детекторного диода поступает на регистратор по соединительному кабелю, который подключается к блочному разъему СР-50 с надписью «вход».

Второй блочный разъем СР-50 с надписью «Синх.» служит для подключения модулирующего сигнала к генератору СВЧ. В качестве такого сигнала используется прямоугольный меандр с частотой 7 кГц.

Включение регистратора производится тумблером «Сеть» на лицевой панели. При включении загорается подсветка тумблера.

3.3 Порядок выполнения работы

3.3.1. Внимательно изучите правила безопасности труда при работе с приборами СВЧ диапазона и ознакомьтесь с особенностями работы в лаборатории.

3.3.2. Порядок предварительной юстировки исследуемых
антенн

После установки антенн на штативы следует произвести их юстировку. Результатом ее является ориентация максимумов диаграмм направленности приемной и передающей антенн друг на друга, установка отсчета “0,00 ” по шкалам поворотного устройства и совмещение фазового центра исследуемой антенны с вертикальной осью вращения.

3.3.2.1. Ослабьте фиксирующие винты (16) опоры (12)
(прил. 1, рис. П.1.1) и перемещая приемную и передающую антенны на штанге (5) по горизонтальным направляющим (14), совместите ее фазовый центр с вертикальной осью вращения. После этого заверните фиксирующие винты.

3.3.2.2. Ослабьте фиксирующие винты (17) крепления узла опоры (12) со штангой и антенной. Ослабьте фиксирующие винты (6) колец (5). После этого:

удерживая узел опоры, поверните фланец (3) в положение, соответствующее отсчету угла 00;

установите микрометрические винты (8) в положение, соответствующее 0,00;

затяните фиксирующие винты (6) колец (5);

установите вручную, вращая фланцы (3), связанные с приемной и передающей антеннами, в положение, соответствующее их ориентации главными максимумами друг на друга (приближенно).

3.3.2.3. Проверьте наличие соединений между элементами схемы макета в соответствии с рис. 3.9:

кабельный разъем передающей логопериодической антенны с выходом генератора;

кабельный разъем приемной антенны «Волновой канал» с детекторной секцией;

выход детекторной секции со входом блока «Регистратор»;

выход синхросигнала блока «Регистратор» со входом синхронизации генератора.

3.3.2.4. Установите кнопочный переключатель пределов чувствительности блока «Регистратор» в положение 200 мВ, включить тумблер «СЕТЬ» на его лицевой панели.

3.3.2.5. Включите генератор. Для этого выполните следующие операции:

установите по шкале генератора частоту, заданную преподавателем;

установите грубый (?) и точный (??) регуляторы уровня выходной мощности в крайнее положение против часовой стрелки (регуляторы расположены в правом верхнем углу лицевой панели);

отожмите кнопку «Выход» в нижнем правом углу лицевой панели генератора;

включите тумблер «Сеть»;

нажмите кнопку «Выход» в нижнем правом углу лицевой панели генератора.

3.3.2.6. Увеличивая выходную мощность генератора, вращая ручки регулировки выходной мощности по часовой стрелке и при необходимости изменяя чувствительность усилителя, добейтесь появления заметных показаний на цифровой шкале блока «Регистратор».

3.3.2.7. Ослабьте фиксирующий винт короткозамыкателя (12) детекторной секции (рис. 3.12) и, перемещая его в продольном направлениях добейтесь максимальных показаний на цифровой шкале блока «Регистратор».

3.3.2.8. Вращая в небольших пределах фланец (3), связанный с передающей антенной, добейтесь максимальных показаний на цифровой шкале блока «Регистратор».

3.3.2.9. Добейтесь методом последовательных приближений максимальных показаний на цифровой шкале блока «Регистратор», повторяя при необходимости действия, предусмотренные пунктами 7 и 8. После этого затяните фиксирующие винты (17) крепления узла опоры (12) со штангами и антеннами

3.3.2.10. Ослабьте фиксирующие винты (6) колец (5) передающей антенны (рис. П.1.1). После этого ее поворот осуществляется совместно с фланцем (3).

3.3.2.11. Поверните передающую антенну вручную в положение, соответствующее первому минимуму диаграммы направленности. Значение принимаемой мощности должно при этом надежно измеряться при максимальной чувствительности усилителя. При необходимости измените уровень выходной мощности генератора. Этим устанавливается мощность, излучаемая передающей антенной. В последующих измерениях параметров данной антенны изменять ее нельзя. При регулировке следует стремиться к установлению минимального уровня излучаемой мощности, при котором обеспечивается удобство измерений.

3.3.3. Исследование диаграмм направленности, поляризационных и диапазонных свойств симметричного вибратора

3.3.3.1. По средней частоте диапазона, заданной преподавателем, вычислите геометрические размеры четвертьволнового вибратора L

, (3.6)

, (3.7)

где c = 3·108 м/с - скорость света.

3.3.3.2. По определенным в результате расчета геометрическим размерам установите длины вибраторов приемной и передающей антенн. В качестве передающей антенны всегда используется симметричный четвертьволновый вибратор с металлическим экраном - контррефлектором. Изменение длин вибраторов осуществляется путем вворачивания или выворачивания трубок на оси (6) (см. рис. 3.10).

3.3.3.3. Измерьте диаграммы направленности исследуемой антенны в плоскости и . Для измерения диаграммы направленности в плоскости выполните следующие операции.

1) Сориентируйте передающую и приемную антенны так, чтобы их плоскость совпала бы с вертикальной. Для этого поверните приемную и передающую антенны вокруг своей продольной оси в обойме (1)
(см. рис. 3.10). Произведите предварительную юстировку антенн.

2) Поворачивая приемную антенну вокруг вертикальной оси с помощью поворотного устройства, снимите зависимость показаний измерительного прибора усилителя q от угла поворота . Угол менять от 0 до 180 градусов, вращая антенну по и против часовой стрелки. Вращению по часовой стрелке соответствует положительное, а против часовой стрелки - отрицательное значение угла поворота. Данные измерений занесите в табл. 3.1. При выбранной ориентации антенны ее вращение вокруг вертикальной оси не должно приводить к изменению показаний прибора. Поэтому шаг изменения угла может быть выбран порядка 10 градусов.

Таблица 3.1

, град.	0	1	…	0	-1	…
q, от. ед.
qn, от. ед.

3) В результате конструктивных особенностей реальной антенны, влияния отражений от окружающих предметов и многих других факторов, диаграмма направленности симметричного вибратора отлична от круговой. Поэтому показания прибора q не остаются неизменными при вращении антенны. Из всех значений q следует выбрать максимальное qmах и произвести нормировку диаграммы направленности. Для этого определите нормированное значение мощности на выходе приемной антенны qn по формуле

. (3.8)

Для антенны с плоским контррефлектором диаграмма направленности имеет один выраженный максимум qmах, совпадающий с углом поворота = 0 .

3.3.3.4. Измерьте диаграмму направленности вибраторной антенны в плоскости . Для этого выполните следующие операции.

1) Сориентируйте передающую и приемную антенны так, чтобы их плоскость совпала бы с вертикальной. Для этого поверните приемную и передающую антенны вокруг своей продольной оси в обойме (1)
(см. рис. 3.10). Произведите предварительную юстировку антенн.

2) Отметьте показания измерительного прибора усилителя qmax, соответствующие нулевому значению угла поворота антенны. В результате проведенной предварительной юстировки оно соответствует главному максимуму диаграммы направленности исследуемой антенны. Показания прибора прямо пропорциональны мощности, которая поступает с выхода приемной антенны.

3) Поворачивайте приемную антенну с помощью поворотного устройства по часовой стрелке до тех пор, пока показания измерительного прибора не уменьшатся в два раза.

4) Отметьте значение угла поворота антенны. Этот угол определяет ширину диаграммы направленности исследуемой антенны 0,5 .

5) Поверните антенну в положение, соответствующее нулевому
отсчету угла (максимальные показания измерительного прибора
усилителя).

6) Измерьте ненормированную диаграмму направленности исследуемой антенны. Для этого снимите зависимость показаний измерительного прибора q от угла поворота антенны . Угол изменяйте с постоянным шагом, выбрав его так, чтобы в пределах ширины диаграммы направленности уложилось не менее пяти отсчетных точек. Измерения проводите, меняя угол от 0 до 180 градусов и вращая антенну по часовой стрелке. Результаты измерений занесите в табл. 3.2.

7) Отметьте показания прибора qmin, соответствующие повороту антенны на 180 градусов. Вычислите коэффициент защитного действия КЗД по формуле

. (3.9)

8) Повторите измерения ненормированной диаграммы направленности антенны в соответствии с пунктом 6, вращая ее против часовой стрелки. Такому повороту соответствует отрицательное значение угла поворота.

Таблица 3.2

, град.	0	1	…	0	-1	…
q, от. ед.	qmах
qn, от. ед.

9) Проведите нормировку диаграммы направленности. Для этого определите нормированное значение мощности на выходе приемной антенны qn по формуле (3.8).

3.3.3.5. Произведите измерение диаграммы направленности симметричного вибратора с плоским контррефлектором. Он используется в качестве передающей антенны в данном лабораторном макете. Повторите операции, предусмотренные пунктами 3 - 4 , вращая с помощью поворотного устройства не приемную, а передающую антенну.

3.3.3.6. Проведите измерение диаграммы направленности симметричного вибратора с длиной плеча длины волны. Для этого по средней частоте диапазона, заданной преподавателем, вычислите геометрические размеры вибратора L

. (3.10)

Повторите операции, предусмотренные пунктами 3.3.3.3 - 3.3.3.5.

3.3.3.7. Проведите исследования поляризационных свойств симметричного четвертьволнового вибратора. Для этого выполните следующие операции.

1) Сориентируйте передающую и приемную антенны так, чтобы их плоскость совпала бы с горизонтальной. Проведите предварительную юстировку антенн. При этом приемная и предающая антенны ориентированы максимумами диаграммы направленности друг на друга, а отсчет по шкале поворотного устройства соответствует 0 градусов. Отметьте показания измерительного прибора усилителя q0 и занесите их в табл. 3.2.

2). Поверните приемную антенну вокруг горизонтальной оси на угол 90 градусов, удерживая ее от продольного перемещения. При этом с горизонтальной плоскостью будет уже совпадает плоскость приемной антенны.

3) Отметьте показания измерительного прибора усилителя q90 и занесите его в табл. 3.2.

4) Вычислите коэффициент поляризации р по формуле

. (3.11)

5) Изменяя угол поворота приемной антенны с шагом, заданным преподавателем, измерьте зависимость коэффициента поляризации от угла . Угол менять в пределах от 0 до 180 градусов, вращая антенну по и против часовой стрелки. Измерения коэффициента поляризации проводить согласно методике, описанной выше. Результаты измерений занесите в табл. 3.3.

Таблица 3.3

, град.	0	....	180
q0, от. ед.
q90, от. ед.
p

3.3.3.8. Проведите измерения диапазонных свойств исследуемой антенны. Для этого выполнить следующие операции.

1) Изменяя в небольших пределах частоту генератора, добейтесь максимальных показаний измерительного прибора усилителя. Поскольку определение геометрических размеров антенны производилось по приближенным формулам, а также вследствие неточности сборки антенны, она оказывается не настроенной точно в резонанс. В этом пункте производятся ее точная настройка и определение резонансной частоты fРЕЗ, которой соответствуют максимальные показания прибора qmах. Как и ранее, показания прибора прямо пропорциональны принимаемой мощности.

При изменении частоты генератора может в небольших пределах изменяться мощность на его выходе. Она отображается с помощью стрелочного индикатора на лицевой панели генератора. Перед началом исследований диапазонных свойств антенны отметьте показания этого индикатора и при изменениях частоты производите подстройку выходной мощности генератора с помощью грубого (?) и точного (??) регуляторов уровня выходной мощности.

2) Снимите зависимость принимаемой мощности (показания измерительного прибора q) от частоты генератора f. Данные измерений занесите в табл. 3.4. Частоту генератора изменять до тех пор, пока показания прибора не уменьшатся в 2,5 раза. Изменение частоты производить сначала в сторону уменьшения, а затем - в сторону увеличения относительно fРЕЗ. Для качественного исследования диапазонных свойств антенны, необходимо получить не менее 10 отсчетных точек.

Таблица 3.4

f, МГц	fРЕЗ	…
q,от. ед.	qmах
qn, от. ед.	1

Определите нормированное значение мощности на выходе приемной антенны qn по формуле

. (3.12)

3) Постройте зависимость нормированной мощности qn от частоты f. По этой зависимости определить полосу пропускания антенны по уровню половинной мощности. Для определения полосы пропускания 2f на построенной зависимости отметьте два значения частоты f1 и f2, соответственно большее и меньшее fРЕЗ. Величина 2f определится по формуле

. (3.13)

3.4 Содержание отчета

Отчет должен содержать титульный лист, на котором указываются название лабораторной работы, фамилии авторов, а также фамилия и должность преподавателя.

После титульного листа следуют основные теоретические положения, использующиеся в данной работе, методика измерений тех или иных параметров.

В экспериментальной части приводятся блок-схема измерений, результаты измерений в виде заполненных таблиц, пример расчета по используемым формулам, строятся необходимые графики.

Каждое выполненное задание с результатами обработки экспериментальных данных заканчивается выводами.

Небрежно оформленные отчеты к защите не допускаются.

Защита работы включает в себя обсуждение полученных результатов, проверку усвоения студентом методики измерений и ответы на контрольные вопросы и задания.

Контрольные вопросы и задания

1. Дайте определение симметричного электрического вибратора. Перечислите основные характеристики симметричного электрического вибратора. Опишите методику снятия диаграммы направленности.

2. Приведите конструкции симметричных полуволновых вибраторов. Для чего используется согласующе-симметрирующее устройство? К чему приводит отсутствие согласующе-симметрирующего устройства?

3. Перечислите основные электрические характеристики симметричных вибраторов. Приведите зависимости входного сопротивления симметричного электрического вибратора от размеров l/. Опишите характерные точки для часто используемых в антенной технике соотношений размеров l/.

4. В полярной системе координат приведите изменение формы диаграммы направленности в плоскости вектора электрического поля в зависимости от длины симметричного вибратора. Какую форму будет иметь диаграмма направленности в плоскости вектора магнитного поля?

5. Как будет изменяться форма диаграммы направленности симметричного электрического вибратора при горизонтальной поляризации, при вертикальной поляризации в случае расположения антенны над поверхностью Земли?

6. Дайте определение диаграммы направленности, коэффициента направленного действия и действующей длины для симметричного электрического вибратора. Какие характеристики антенны определяются из экспериментально снятой диаграммы направленности?

7. Дайте определение входного сопротивления и сопротивления излучения симметричного электрического вибратора. Приведите распределение амплитуды токов для симметричных вибраторов длиной 0,4; 0,5; 1,5; 6.

8. Дайте определение вектора интенсивности излучения, коэффициента усиления антенны. Опишите метод сравнения при определении коэффициента усиления антенны.

9. Нарисуйте устройство и расскажите о принципе действия детекторной секции.

10. Опишите конструкцию симметричного электрического вибратора. Перечислите основные характеристики симметричного электрического вибратора и приведите зависимости коэффициента направленного действия от отношения l/. Почему в антенной технике широкое распространение получили симметричные полуволновые электрические вибраторы?

11. Определите волновое сопротивление и сопротивление излучения, если известны: частота, длина плеча и диаметр симметричного вибратора (табл. 3.5).

Таблица 3.5

Вариант	1	2	3	4	5	6
f, МГц	140	69,8	5,45	43,5	21,4	100
l, м	0,5	1,16	16,5	3,8	8,4	0,8
2r, мм	20	8,3	33	28	6	10

12. Определите входное сопротивление, если известны: длина волны, длина плеча и радиус симметричного вибратора (табл. 3.6).

Таблица 3.6

Вариант	1	2	3	4	5	6
, МГц	2,14	4,3	55	1,2	1,3	5
l, м	0,5	1,16	16,5	0,5	0,5	1,5
r, мм	10	4,15	1,5	5	10	8

13. Определите КНД симметричного вибратора, если известны: длина плеча и длина волны (табл. 3.7).

Таблица 3.7

Вариант	1	2	3	4	5	6
, МГц	2,14	4,3	55	1,2	1,3	20
l, м	0,5	1,16	16,5	0,5	0,5	7

4. ИССЛЕДОВАНИЕ ВИБРАТОРНЫХ АНТЕНН

Цель работы: изучение конструкций логопериодических антенн и антенн типа «волновой канал»; исследование диаграмм направленности антенны «Волновой канал» и логопериодической антенны; измерение диапазонных свойств антенн.

Задание на предварительную подготовку: по указанному в конце раздела списку литературы и данному описанию изучите конструкции и свойства логопериодических антенн и антенн типа «волновой канал», а также методику снятия диаграмм направленности.

4.1 Основные теоретические положения

Вибраторные антенны в настоящее время широко используются на практике. Их применяют в бытовой технике для приема телевизионных сигналов как в метровом, так и в дециметровом диапазоне, для организации сотовой связи, а также вещания в КВ диапазоне и для многих других целей.

Конструктивно различные типы вибраторных антенн имеют много общего. Как правило, они представляют собой набор симметричных вибраторов, расположенных на единой продольной оси (рис. 4.1).

Размещено на http://www.allbest.ru/

Рис. 4.1 Вибраторная антенна

Длины вибраторов bi и расстояния между ними di определяются диапазоном частот, в котором используется антенна. Все геометрические размеры могут быть нормированы на длину волны , которая связана с частотой f известным соотношением

, (4.1)

где с = 3108 м/с - скорость света.

Поэтому изучать основные свойства таких антенн можно в любом частотном диапазоне. Для удобства проведения исследований в данном лабораторном макете выбран диапазон (550 - 900) МГц.

Устойчивый интерес к таким антеннам объясняется простотой изготовления, которая сочетается с хорошими эксплуатационными характеристиками. Их диаграмма направленности имеет один выраженный максимум, направление которого совпадает с осью антенны, и несколько менее выраженных боковых. Первый носит название главного максимума диаграммы направленности, и по нему оценивается ее ширина, которая в плоскостях и составляет 40 - 60 градусов. Боковые максимумы (боковые лепестки) являются нежелательными и служат источниками помех в радиолинии. При разработке конструкции антенны стремятся, если это возможно, их минимизировать.

Качество диаграммы направленности принято оценивать соотношением уровней главного и боковых лепестков . Для его определения необходимо сориентировать приемную и передающую антенну направлениями главного максимума друг на друга и измерить уровень принимаемой мощности Р0 (рис. 4.2, а).

Затем необходимо повернуть либо приемную, либо передающую антенну так, чтобы друг на друга были бы ориентированы главный и один из боковых лепестков, и измерить уровень принимаемой мощности РБ (рис. 4.2, б). Величина определится отношением

. (4.2)

Часто для практического использования требуются антенны, обеспечивающие минимальный уровень излучения в направлении, противоположном главному максимуму. Реально излучение в этом направлении устранить полностью не удается. Принято оценивать его уровень коэффициентом защитного действия КЗД, который вычисляется по следующей формуле

Размещено на http://www.allbest.ru/

, (4.3)

где Р180 - уровень излучения в направлении, противоположном главному максимуму (рис. 4.2, в).

Еще один важный численный параметр, характеризующий направленные свойства антенны, - коэффициент направленного действия КНД. Он показывает, во сколько раз возрастает мощность в точке приема за счет использования данной антенны по сравнению с «изотропным излучателем», у которого отсутствует направленность. Уровень излученной им мощности не зависит от его ориентации. Если обозначить мощность в точке приема с использованием направленной антенны Р1, а с изотропным излучателем Р2 (рис. 4.3), то величина КНД определится отношением

. (4.4)

Диапазонные свойства антенн определяются зависимостью их входного сопротивления от частоты. Как правило, расчет параметров ведется в предположении, что антенна настроена в резонанс, чему соответствует отсутствие реактивной составляющей входного сопротивления. Величина активной составляющей обычно колеблется в пределах (30 - 100) Ом. Для питания антенн наиболее часто используется коаксиальный кабель с волновым сопротивлением 50 Ом или 75 Ом. Непосредственное подключение кабеля к симметричному вибратору невозможно из-за нарушения симметрии его питания. Этот вопрос был рассмотрен в описании к предыдущей лабораторной работе. Но кроме симметрирования питания следует учитывать и степень согласования антенны с входным сопротивлением RВХ с питающей линией (фидером), которая характеризуется волновым сопротивлением W. Для того, чтобы вся энергия электромагнитной волны, подводимая по линии, поступала в антенну, необходимо обеспечить равенство двух этих величин.

...