Распространение радиоволн и антенно-фидерные устройства

Размещено на http://www.allbest.ru/

Если такое равенство отсутствует, то возникает отражение от входных зажимов антенны части подводимой к ней волны. Коэффициент отражения Г, определяемый отношением амплитуд падающей и отраженной волн, является численной характеристикой степени согласования антенны и фидера. На практике для оценок используется другая величина - коэффициент стоячей волны КСВ. Это объясняется тем, что величина КСВ может быть измерена более простыми способами. Она связана с коэффициентом отражения простым соотношением

. (4.5)

Наличие в питающей линии двух волн (бегущей к антенне и отраженной от ее входа) приводит к тому, что суммарное распределение токов и напряжений вдоль нее не остается постоянным. Появляются максимумы и минимумы (узлы и пучности). Если обозначить через Umax амплитуду напряжения в пучности, а через Umin амплитуду напряжения в узле (рис. 4.4), то величина КСВ определится отношением

. (4.6)

Квадратный корень извлекается в связи с тем, что детекторная характеристика СВЧ диода имеет квадратичный вид при малых уровнях сигнала.

Размещено на http://www.allbest.ru/

Ясно, что измерить величины Umax и Umin существенно проще, чем коэффициент отражения.

Рассмотренные выше характеристики являются общими и могут быть использованы при анализе любой другой антенны.

Размещено на http://www.allbest.ru/

Теперь следует рассмотреть свойства антенны «Волновой канал». Ее эскиз приведен на рис. 4.5. Она состоит из активного вибратора (1), нескольких директоров (2) (на рисунке их пять) и рефлектора (3). Директоры и рефлектор представляют собой пассивные (питание к ним не подводится) симметричные вибраторы с длиной плеча, близкой к четверти длины волны излучения. Поэтому они изготовляются неразрезными - их плечи соединены между собой. Все эти элементы крепятся к продольной направляющей, которую часто называют траверсой. Все директоры нумеруются, причем первый номер присваивается ближайшему к активному вибратору.

На рис. 4.5 показаны:

расстояния между вибраторами dn. Индекс n соответствует номеру вибратора (например, n = 3 соответствует расстоянию между 2 и 3 вибраторами);

длины вибраторов bn;

длина активного вибратора bа;

длина рефлектора bP;

расстояние между активным вибратором и рефлектором d-1.

В качестве активного обычно используется петлевой вибратор Пистолькорса. Его эскиз представлен на рис. 4.6. Здесь же показано распределение токов по проводникам. С точки зрения теории цепей каждое плечо такого вибратора представляет собой отрезок короткозамкнутой линии. Длина этого отрезка L (рис. 4.6) выбирается близкой к /4. Входное сопротивление петлевого вибратора в этом случае в 4 раза выше, чем у симметричного, и составляет величину RВХ = 292 Ом. Диаграмма направленности его подобна обычному симметричному вибратору, рассмотренному в разд. 3.

Размещено на http://www.allbest.ru/

Директоры, активный вибратор и рефлектор крепятся к траверсе своей центральной частью (см. рис. 4.5). В описании к предыдущей работе были приведены распределения тока и напряжения по плечам симметричного вибратора. Его центральная часть находится под нулевым потенциалом, поэтому крепить элементы антенны можно непосредственно к металлическому основанию, не изолируя их от него. Это делает конструкцию рассматриваемой антенны жесткой, что создает дополнительные удобства при ее эксплуатации.

Формирование поля излучения антенной «Волновой канал» происходит следующим образом. Активный вибратор, к которому подведено питание, излучает электромагнитную волну в окружающее пространство. В непосредственной близости от него расположены директоры и рефлектор. Поле излучения наводит на них токи, и они становятся источниками вторичных волн, переизлучая часть энергии первичной волны активного вибратора (рис. 4.7).

Таким образом, в окружающем пространстве уже распространяются несколько волн, каждая из которых соответствует одному из элементов антенны (директорам, активному вибратору и рефлектору). Все они имеют различные амплитуды и фазы. Разность фаз между ними определяется задержкой в переизлучении элементами антенны вторичных волн.

Задержка определяется:

Размещено на http://www.allbest.ru/

геометрией антенны - возбуждающая волна активного вибратора доходит до элементов антенны за конечное время;

геометрией элемента - с точки зрения теории цепей он представляет собой некоторое комплексное сопротивление, активная и реактивная составляющие которого зависят, прежде всего, от длины вибратора.

В первом приближении можно считать, что активная составляющая определяет амплитуду вторичной волны, а реактивная - ее фазу.

На рис. 4.7 показаны эти волны, порожденные системой вибраторов. Выделены волны с комплексными амплитудами , соответствующие распространению в прямом направлении, и волны , бегущие в противоположном.

Таким образом, в точку расположения приемной антенны первичная и вторичные волны приходят с различными амплитудами и фазами. Дополнительная разность фаз между ними возникает также и за счет различного пути, который они проходят до приемной антенны. В приемной антенне происходит их интерференционное сложение (с учетом всех фазовых задержек). Ясно, что наличие нескольких волн в точке приема позволяет формировать диаграмму направленности антенны. Фазы и амплитуды подбирают таким образом, чтобы волны складывались
в фазе в направлении продольной оси антенны. Этого добиваются путем подбора длин директоров и расстояний между ними.

Кроме того, путем подбора места включения и длины рефлектора добиваются минимального излучения в противоположном направлении, обеспечивая требуемую величину КЗД. Для этого необходимо потребовать, чтобы волны компенсировали друг друга.

Настроенная таким образом антенна обладает более высоким значением КНД, по сравнению с симметричным вибратором. Величина КНД растет с ростом числа элементов антенны.

Рассмотренный выше способ настройки антенны «Волновой канал» соответствует ее оптимизации по максимуму коэффициента направленного действия. Возможно реализовать и иной критерий оптимальности, например, по ширине полосы частот, в которой обеспечивается согласование антенны с питающим фидером (минимум КСВ).

К сожалению, точный метод расчета геометрических размеров рассматриваемой антенны отсутствует. Трудности теоретического анализа резко возрастают с увеличением числа ее элементов.

Используя приближенные методы расчета, удается вычислить геометрические размеры антенны с числом элементов не более 5. Но и в этом случае требуется предварительная и достаточно сложная настройка антенны по выбранному критерию ее оптимальности.

В литературе приводятся различные описания конструкций антенн «Волновой канал» с числом элементов от 3 до 20. Как правило, указанные в них геометрические размеры определяются не путем точных расчетов, а в результате экспериментальной отработки конструкции. На свойства антенны влияют практически все ее элементы, включая и узлы крепления вибраторов к траверсе, самой антенны к мачте. Поэтому при изготовлении антенны следует предусматривать возможность подстройки ее геометрических размеров для достижения желаемого результата.

Как отмечалось выше, геометрические размеры антенны могут быть нормированы относительно длины волны излучения . В табл. 4.1 - 4.3 приведены такие нормированные размеры для трех-, пяти- и семиэлементной антенны. Они были определены в результате анализа экспериментальных данных, приведенных в литературе. Размеры соответствуют антеннам, оптимизированным по максимуму КНД. Индекс n соответствует номеру элемента.

Директоры пронумерованы индексами n = 1, 2, 3, …, активному вибратору соответствует n = 0, рефлектору - n = - 1.

Таблица 5.1

Нормированные размеры трехэлементной антенны «Волновой канал»

n	-1	0	1
bn	0,591	0,487	0,413
dn	0,159		0,106

Таблица 5.2

Нормированные размеры пятиэлементной антенны «Волновой канал»

n	-1	0	1	2	3
bn	0,552	0,487	0,443	0,439	0,429
dn	0,212		0,129	0,124	0,131

Таблица 5.3

Нормированные размеры семиэлементной антенны «Волновой канал»

n	-1	0	1	2	3	4	5
bn	0,616	0,503	0,479	0,474	0,469	0,463	0,456
dn	0,229		0,118	0,150	0,170	0,198	0,216

Теперь следует познакомиться с особенностями конструкции и принципа действия логопериодической антенны. Она позволяет обеспечить приемлемое по величине значение КНД в значительно более широком диапазоне частот, чем рассмотренная выше антенна «Волновой канал».

Из курса математики известны различные преобразования пространства, простейшим из которых является изменение масштаба. Применительно к декартовой системе координат изменение масштаба приводит к тому, что каждая точка пространства смещается вдоль прямой, проходящей через центр системы.

Существуют фигуры, состоящие из геометрически подобных элементов, которые при изменении масштаба смещаются вдоль прямой, проходящей через центр преобразования, но не меняют своей формы. Такие фигуры носят название логопериодических.

Размещено на http://www.allbest.ru/

На рис. 4.8 приведен пример такой фигуры, состоящей из трех элементов, занумерованных индексами n - 1, n, n + 1. Плавное изменение масштаба смещает все точки фигуры вдоль прямых, проходящих через центр преобразования О и выбранную точку. В итоге, при некотором значении масштаба элемент с индексом n - 1 займет положение элемента с индексом n и так далее.

Размещено на http://www.allbest.ru/

На рис. 4.9 выделены четыре вибратора, входящие в состав рассматриваемой логопериодической антенны. Их плечи присоединены к двухпроводной линии передачи, по которой подводится электромагнитная волна от внешнего источника. Вибраторы занумерованы индексами (n - 1), n, (n + 1), (n + 2). Длины вибраторов - bn-1, bn , bn+1, bn+2 и расстояния между ними - dn-1, dn , dn+1, удовлетворяют соотношению, которое относит их к логопериодической структуре

. (4.7)

Величина носит название коэффициента подобия. Она лежит в пределах 0 < < 1, что соответствует уменьшению длин вибраторов и расстояний между ними с уменьшением индекса. Генератор подключен со стороны самого маленького вибратора, которому соответствует индекс n = 1.

Из теории электромагнитного поля известен принцип электродинамического подобия. Применительно к теории вибраторных антенн он формулируется следующим образом. Если увеличить или уменьшить длину волны возбуждения антенной системы в раз и одновременно во столько же раз увеличить или уменьшить геометрические размеры вибраторов и расстояний между ними, то характеристики антенной системы (диаграмма направленности, входное сопротивление, согласование с питающей линией) не изменятся. Данный принцип справедлив, если потери в антенне пренебрежимо малы по сравнению с излучаемой ей мощностью, что всегда выполняется на практике.

Пусть на частоте fn (длине волны n ) вибраторы с номерами n, (n - 1) и (n + 1) (рис. 4.9) находятся вблизи резонанса и способны излучать энергию электромагнитной волны в окружающее пространство. Три выделенных элемента образуют активную область антенны, которая формирует диаграмму направленности антенны в целом. На практике стараются обеспечить максимальный уровень излучения в направлении коротких вибраторов (с уменьшающимся индексом n) и минимальный - в сторону длинных. Этого добиваются путем подключения вибраторов к линии передачи, обеспечивающей их питание, с дополнительным сдвигом фаз равным 180 градусам (рис. 4.9).

Генератор, обеспечивающий питание антенны, подключается к линии со стороны вибратора с номером 1 и распространяется в ней, проходя мимо точек подключения остальных. Излучение ее происходит только теми вибраторами, длины которых близки к резонансным (приблизительно равны четверти длины волны ). Именно такие элементы антенны и образуют активную область. В рассматриваемом случае первым будет возбуждаться вибратор с индексом n - 1. Возбуждение следующего вибратора (n) происходит с запаздыванием, которое определяется расстоянием bn (рис. 4.9) и сдвигом фаз в 180 градусов, обеспечиваемым системой питания. В области резонанса bn близко по величине к четверти длины волны излучения, что соответствует дополнительному сдвигу фаз 90 между волнами, излученными n - 1 и n вибраторами.

При сложении излучения в направлении коротких вибраторов необходимо учитывать еще один фазовый сдвиг между излученными волнами. Он возникает вследствие того, что волна n вибратора дополнительно запаздывает относительно волны n - 1 за счет прохождения ей после излучения участка длиной bn в обратном направлении. Возникающий при этом фазовый сдвиг близок по величине к 90. С учетом всех фазовых соотношений, становится ясным, что в среднем волны рассматриваемых вибраторов имеют фазовый сдвиг, равный 360 что соответствует их сложению в фазе. Аналогично можно показать, что волны от остальных вибраторов активной области складываются в рассматриваемом направлении.

В противоположном направлении излученные n -1 и n вибраторами волны имеют фазовый сдвиг 180, определяемый только подключением их к двухпроводной линии. Запаздывания за счет геометрической разности хода в этом случае не возникает - суммарное расстояние, которое проходят волны в линии и свободном пространстве оказывается одинаковым. Поэтому в направлении длинных вибраторов (см. рис. 4.9) они складываются в противофазе и в среднем взаимно компенсируются. В идеальном случае излучение в данном направлении отсутствует.

Поскольку генератор подключается к антенне со стороны самого маленького вибратора (с номером n = 1), энергия электромагнитной волны, распространяющейся в линии передачи, практически полностью излучается активной областью и не доходит до более длинных вибраторов. Возбуждение их со стороны линии передачи отсутствует. Диаграмма направленности активной области обеспечивает пренебрежимо малый уровень излучения в их сторону, поэтому они не возбуждаются и излученной волной. Таким образом, обеспечивается отсутствие их влияния на характеристики антенны в целом.

Короткие вибраторы, расположенные перед активной областью, не настроены в резонанс, и их входное сопротивление имеeт чисто емкостной характер. Вследствие этого энергия электромагнитной волны, распространяющейся по линии, не поступает в них и они также не оказывают влияния на формирование диаграммы направленности.

Если изменить частоту, уменьшив ее в раз

, (4.8)

то сочетание принципа электродинамического подобия с геометрическими свойствами логопериодической структуры, определенными соотношениями (4.8), обеспечит сдвиг активной области на один вибратор вправо (см. рис. 4.4). Теперь вибраторы с индексами (n +1), n и (n + 2) оказываются настроенными в резонанс (см. рис. 4.4). Таким образом, при изменении частоты в сторону увеличения или уменьшения активная область смещается в сторону вибраторов, имеющих соответственно меньшие или большие размеры.

При незначительной разнице частот fn+1 и fn форма диаграммы направленности, входное сопротивление антенны в целом и степень ее согласования с питающей линией мало изменяются в промежутке между ними. Из соотношения (4.8) ясно, что отличие двух соседних резонансных частот антенны определяется параметром , который является геометрическим параметром логопериодической структуры.

Рассмотренная выше модель поясняет принцип действия логопериодической антенны. На практике активная область может включать в себя большее количество вибраторов. При этом возрастает среднее значение КНД, а зависимость характеристик антенны от частоты становится более равномерной. Величина при этом стремится к единице.

Общее число элементов антенны обозначается индексом N. На минимальной частоте fmin самый большой вибратор с максимальным индексом N выполняет роль рефлектора. Его длина выбирается равной

. (4.9)

Длина наименьшего вибратора d1 выбирается из условия

. (4.10)

При этом для любой частоты из диапазона (fmin - fmах) этот вибратор имеет высокое значение емкостного сопротивления, которое подключено к внешней оболочке распределительной линии. Обычно питание к логопериодической антенне подается с помощью коаксиального кабеля. Его центральный проводник и оплетка присоединяются к проводникам распределительной линии, а наличие первого вибратора с большим входным сопротивлением, условия возбуждения которого не выполняются ни для одной частоты диапазона, препятствует затеканию токов на внешнюю оболочку кабеля. Таким образом, осуществляется симметрирование питания антенны (рис. 4.10).

Размещено на http://www.allbest.ru/

В данной лабораторной работе исследуется семиэлементная логопериодическая антенна. Ее конструкция дает возможность менять расстояние между вибраторами и их длину. Это позволяет изменять частотный диапазон, в котором работает антенна, и ее основные характеристики. Исходными данными для расчета величин dn и bn являются следующие величины:

максимальная и минимальная частоты диапазона fmin, fmах или соответствующие им длины волн max, min;

общее число вибраторов N = 7.

Используя приближенную методику, вначале определяют вспомогательные параметры антенны. Коэффициент подобия вычисляется по формуле

. (4.11)

Для расчета необходимо определить котангенс угла

. (4.12)

Длина первого вибратора определяется соотношением (4.10). Длины остальных находятся по формуле

;;;;; (4.13)

Критерием правильности расчетов является совпадение величины d7, вычисленной по формулам (4.9) и (4.13).

Расстояние bn между n и n + 1 вибраторами определяется следующим соотношением

. (4.14)

4.2 Описание лабораторной установки

Функциональная схема лабораторной установки показана на рис. 4.11. Она включает в себя две антенны - передающую и приемную, которые образуют радиолинию. Антенны обеспечивают работу в диапазоне 500 -1000 МГц.

Размещено на http://www.allbest.ru/

В качестве передающей используется логопериодическая антенна (1), а в качестве приемной - антенна «Волновой канал» (2) с устройством симметрирования и согласования (3).

Обе антенны крепятся с помощью соединителей (4) к диэлектрическим штангам (5). Нижний конец штанг (5) фиксируется в поворотных устройствах (6).

Более подробно конструкция перечисленных элементов макета будет рассмотрена ниже.

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).

Размещено на http://www.allbest.ru/

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 (12) с разъемами СР-50.

На рис. 4.12 приведен эскиз, поясняющий конструкцию логопериодической антенны. Показана только часть антенны, включающая один симметричный вибратор из семи, короткозамыкатель и узел крепления к диэлектрической штанге.

Основой является двухпроводная соединительная линия, образованная полыми алюминиевыми трубками (1). В одной из этих трубок проложен кабель питания.

Соединитель (2) изготовлен из диэлектрического материала. В нем выполнены отверстия, через которые проходят трубки двухпроводной линии. В боковых стенках соединителя также имеются два отверстия, в которые по резьбе ввернуты оси плеч вибраторов (3).

Отверстия выполнены таким образом, что при вворачивании осей в соединитель правая имеет омический контакт с верхней трубкой двухпроводной линии, а левая - с нижней. В соседних вибраторах положение осей изменено на противоположное (правая с нижней трубкой, левая - верхней). Этим обеспечивается питание вибраторов с дополнительным сдвигом фаз, равным 180 градусам (см. рис. 4.9).

Оси на конце, обращенном к соединителю, снабжены утолщением, которое позволяет ослабить крепление соединителя на трубках двухпроводной линии. Этим обеспечивается возможность передвижения соединителей вдоль линии и изменения геометрии антенны.

Плечи вибраторов (4) наворачиваются по резьбе на оси (3). Предусмотрена возможность изменения общей с осью длин плеч вибраторов, что позволяет менять их резонансные частоты.

Положение короткозамыкателя (5) на трубках фиксируется двумя винтами (на рис. 4.9 они не показаны).

Крепление логопериодической антенны к диэлектрической штанге (5) на рис. 4.11 осуществляется с помощью узла (6). В его боковой поверхности имеются отверстия, через которые проходят трубки соединительной линии. В нижнем основании имеется отверстие, в которое вставлена диэлектрическая штанга.

Размещено на http://www.allbest.ru/

На рис. 4.13 приведен эскиз, поясняющий конструкцию антенны «Волновой канал». Показана только часть антенны, включающая один директор и активный петлевой вибратор Пистолькорса.

Основой его является алюминиевая траверса квадратного сечения (1). На ней фиксируются скобы (2). Со скобами соединяются оси вибраторов (3), на которые по резьбе наворачиваются плечи (4). У всех пяти директоров и рефлектора антенны оси фиксируются на скобах гайками (5), а сами скобы на траверсе - винтами (6).

Имеется возможность перемещения скоб с соответствующими элементами вдоль травесы и изменения длин плеч вибраторов.

Активный петлевой вибратор дополнительно включает две оси (7), которые вместе с основной крепятся к плате (8). На ней жестко закреплена скоба (2), связывающая его с траверсой. Верхняя и нижняя оси активного вибратора соединяются планкой (9).

Длина петли активного вибратора может изменяться за счет перемещения вдоль осей (3) плеч (4), соединенных планкой (9). Положение осей фиксируется на осях гайкой (на рис. 4.13 не показана).

В плату (8) по резьбе ввернуты две полых алюминиевых трубки (10), которые образуют двухпроводную линию устройства симметрирования и согласования. Между этими трубками и осями (7) имеется омический контакт.

Через одну из трубок проложен кабель питания. С ней соединяется его оплетка. Центральный проводник кабеля соединен со второй трубкой.

Для настройки устройства симметрирования и согласования используется короткозамыкатель (11). Он может перемещаться вдоль линии. Положение его фиксируется винтами (на рис. 4.13 не показаны).

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

Размещено на http://www.allbest.ru/

На рис. 4.14 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.

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 (рис. 4.11) 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. 4.14 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. 4.11. Входным сигналом для него является ток детекторного диода, который расположен в детекторной секции. Значение этого тока пропорционально мощности электромагнитной волны, поступающей на приемную антенну.

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 «синхр.» 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.

4.3 Порядок выполнения работ по исследованию антенн

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

4.3.1 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 ” на шкалах поворотного устройства и совмещение фазового центра исследуемой антенны с вертикальной осью вращения.

4.3.1.1. Ослабьте фиксирующие винты (16) опоры (12) (см. рис. 4.14) 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.

4.3.1.2. 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 0;

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

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).

4.3.1.3. Проверьте наличие соединений между элементами схемы макета в соответствии с рис. 4.11:

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.

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

4.3.1.5. Включите генератор.

Для этого выполнить 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.

4.3.1.6. 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».

4.3.1.7. Ослабьте фиксирующий винт короткозамыкателя (12) детекторной секции (см. рис. 4.14) и перемещая его в продольном направлении, добейтесь максимальных показаний на цифровой шкале блока «Регистратор».

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

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

4.3.1.10. 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.

4.3.1.11. Ослабьте фиксирующие винты (6) колец (5) передающей антенны. Теперь ее поворот будет осуществляться совместно с фланцем (3).

4.3.1.12. Поверните вручную передающую антенну 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.

4.3.2. Исследование диаграмм направленности и диапазонных свойств антенн типа “волновой канал” с различным числом элементов

При выполнении данной лабораторной работы в качестве передающей антенны используется логопериодическая. Ее характеристики остаются стабильными во всем диапазоне частот перестройки антенны «Волновой канал». Поэтому можно считать, что уровень излучаемой мощности определяется только регулировкой генератора.

4.3.2.1. Используя расчетные соотношения, приведенные в теоретической части данного описания, вычислите геометрические размеры директоров, активного вибратора, рефлектора и расстояний между ними. Расчет проведите для трехэлементной антенны, содержащей активный вибратор, рефлектор и директор. Средняя частота диапазона, в котором работает антенна, задается преподавателем.

4.3.2.2. По определенным в результате расчета геометрическим размерам соберите на траверсе антенну и укрепите ее на поворотном штативе. В качестве передающей антенны в данном случае используется семиэлементная логопериодическая антенна. Она обеспечивает необходимый уровень излучаемой мощности для диапазона частот 550 - 900 МГц.

4.3.2.3. Проведите предварительную юстировку антенн.

4.3.2.4. Измерьте диаграмму направленности исследуемой антенны. Для этого выполнить следующие операции.

1) Отметьте показания измерительного прибора регистратора 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.

2) Ослабьте фиксирующие винты (6) колец (5) передающей антенны. Поворачивайте вручную приемную антенну с помощью поворотного устройства по часовой стрелке до тех пор, пока показания измерительного прибора не уменьшатся в два раза.

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

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

5) Измерьте ненормированную диаграмму направленности исследуемой антенны. Для этого снимите зависимость показаний измерительного прибора q от угла поворота антенны . Угол изменять с постоянным шагом, выбрав его так, чтобы в пределах ширины диаграммы направленности уложилось не менее 5 отсчетных точек. Измерения проводить, меняя угол от 0 до 180 градусов и вращая антенну по часовой стрелке. Результаты измерений занесите в табл. 4.1.

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

7) Повторите измерения ненормированной диаграммы направленности антенны в соответствии с пунктом 5, вращая ее против часовой стрелки. Такому повороту соответствует отрицательное значение угла поворота.

Таблица 4.1

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

8) Проведите нормировку диаграммы направленности. Для этого определите нормированное значение мощности на выходе приемной антенны qn по формуле qn = q/qmах .

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

4.3.2.6. 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.

2) Снимите зависимость принимаемой мощности (показания измерительного прибора q от частоты генератора f. Данные измерений занесите в табл. 4.2. 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.

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 отметить показания этого индикатора и при изменениях частоты производить подстройку выходной мощности генератора с помощью грубого (?) и точного (??) регуляторов уровня выходной мощности.

Для качественного исследования диапазонных свойств антенны необходимо получить не менее 10 отсчетных точек.

Таблица 4.2

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

Определять нормированное значение мощности на выходе приемной антенны qn следует по формуле qn = q/qmах .

3) Постройте зависимость нормированной мощности qn от частоты f. По этой зависимости определите полосу пропускания антенны по уровню половинной мощности. На построенной зависимости отметьте два значения частоты f1 и f2 , соответственно большее и меньшее fРЕЗ. Полоса пропускания f определится по формуле f = f1 - f2 .

4.3.2.7. Проведите исследования диаграмм направленности и диапазонных свойств пятиэлементной и семиэлементной антенн типа «Волновой канал» по методике, описанной в пунктах 4.3.2.1 - 4.3.2.6. Сравните исследованные антенны по ширине диаграммы направленности, величине коэффициента защитного действия и ширине полосы пропускания. Оцените связь количества боковых лепестков диаграммы направленности с количеством элементов антенны.

4.3.3. Исследование характеристик логопериодических антенн

При выполнении данной лабораторной работы в качестве приемной используется антенна типа «Волновой канал». Ее характеристики не остаются стабильными во всем диапазоне частот перестройки логопериодической антенны. Поэтому при исследовании ее характеристик следует учитывать, что уровень излучаемой мощности остается стабильным и определяется регулировкой генератора только в полосе пропускания антенны «Волновой канал». Ширина полосы пропускания была экспериментально определена выше.

4.3.3.1. Используя расчетные соотношения, приведенные в теоретической части данного описания, вычислите геометрические размеры вибраторов и расстояний между ними для логопериодической антенны. Расчет провести для семиэлементной антенны. Значения максимальной и минимальной частот диапазона, в котором работает антенна, задаются преподавателем.

4.3.3.2. По определенным в результате расчета геометрическим размерам собрать антенну и укрепить ее на поворотном устройстве.

4.3.3.3. Используя расчетные соотношения, приведенные в теоретической части данного описания, вычислите геометрические размеры директоров, активного вибратора, рефлектора и расстояний между ними для семиэлементной антенны «Волновой канал». Средняя частота диапазона, в котором работает антенна, соответствует средней частоте логопериодической антенны.

4.3.3.4. По определенным в результате расчета геометрическим размерам соберите на траверсе антенну и укрепите ее на поворотном устройстве.

4.3.3.5. Проведите предварительную юстировку антенн и установите по шкале генератора частоту, соответствующую резонансной частоте антенны «Волновой канал».

4.3.3.6. Измерьте диаграмму направленности исследуемой антенны. Для этого выполнить следующие операции.

1) Отметьте показания измерительного прибора регистратора 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.

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

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

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

5) Измерьте ненормированную диаграмму направленности исследуемой антенны. Для этого снимите зависимость показаний измерительного прибора q от угла поворота антенны . Угол изменять с постоянным шагом, выбрав его так, чтобы в пределах ширины диаграммы направленности уложилось не менее 5 отсчетных точек. Измерения проводить, меняя угол от 0 до 180 градусов и вращая антенну по часовой стрелке. Результаты измерений занесите в табл. 4.3.

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

7) Повторите измерения ненормированной диаграммы направленности антенны в соответствии с п. 5 раздела 4.3.3.6, вращая ее против часовой стрелки. Такому повороту соответствует отрицательное значение угла поворота.

Таблица 4.3

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

8) Проведите нормировку диаграммы направленности. Для этого определите нормированное значение мощности на выходе приемной антенны qn по формуле qn = q/qmах.

9) Повторите измерения диаграмм направленности логопериодической антенны для минимальной и максимальной частот диапазона ее перестройки. Для каждой из этих частот требуется изменение геометрических размеров передающей антенны «Волновой канал». Размеры определяются с использованием расчетных соотношений, приведенных в теоретической части данного описания. Измерение диаграмм направленности логопериодической антенны на различных частотах проводится в соответствии с пунктами 4.3.2.4 - 4.3.2.6.

10) Сравните диаграммы направленности логопериодической антенны на разных частотах и сделайте вывод о ее диапазонных свойствах.

11) Сравните диаграммы направленности семиэлементных логопериодической и антенны «Волновой канал» и сделайте вывод об их диапазонных свойствах. Обратите внимание на то, что сужение диаграммы направленности антенны «Волновой канал» по сравнению с логопериодической обуславливает ее более узкую полосу пропускания.

4.4 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. Опишите конструкцию антенны типа «волновой канал». Какие вибраторы называются директорами, какие - рефлекторами? Какие конструкции активных вибраторов можно использовать в такой антенне?

2. Расскажите, что собой представляет объемная диаграмма направленности полуволнового симметричного вибратора и антенны типа волновой канал. Нарисуйте диаграммы направленности вышеназванных антенн в прямоугольной системе координат в плоскости и в плоскости . Какие параметры антенны определяются из приведенных диаграмм направленности?

3. Опишите конструкцию логопериодической антенны и нарисуйте ее. Чем отличается конструкция логопериодической антенны от антенны типа «волновой канал»?

4. Опишите форму объемной диаграммы направленности полуволнового симметричного вибратора и логопериодической антенны. Нарисуйте диаграммы направленности вышеназванных антенн в прямоугольной системе координат в плоскости и в плоскости . Какие параметры антенны определяются из приведенных диаграмм направленности?

5. Опишите метод сравнения при определении коэффициента усиления антенны. Чему равно значение КНД у полуволнового симметричного вибратора, антенны типа «волновой канал» и логопериодической антенны?

6. Приведите функциональную схему лабораторной установки для исследования антенны «волновой канал» и логопериодической антенны. Опишите составные части функциональной схемы. Расскажите о методике снятия диаграммы направленности в плоскости и в плоскости . На каком расстоянии должны быть расположены антенны при экспериментальном снятии диаграммы направленности?

7. Нарисуйте эскиз детекторной секции и опишите ее конструкцию. Какие приборы можно использовать для регистрации уровня сигнала на приемной антенне, если на передающую антенну подается: а) амплитудно-модулированный сигнал; б) ВЧ сигнал без модуляции?

8. Каким образом можно измерить коэффициент отражения исследуемой антенны на выбранной частоте? Приведите блок-схему измерений и опишите его составные части и назначение элементов.

9. Какими приборами можно измерить коэффициент отражения исследуемой антенны в широкой полосе частот? Приведите блок схему измерений и опишите его составные части и назначение элементов.

10. Определите собственные и взаимные сопротивления, если известны: частота, размеры вибратора, рефлектора и расстояние между ними (табл. 4.4)

Таблица 4.4

Вариант	1	2	3	4	5	6
f, МГц	52,5	80	96	186	202	60
2l1, мм	2690	1705	1420	716	660	1250
2l2, мм	3020	1950	1620	825	760	1300
dP, мм	875	844	704	359	330	1000

11. Антенна состоит из активного вибратора и рефлектора. Известны собственное сопротивление рефлектора и сопротивление связи (табл. 4.5). Определите амплитуду и фазу тока рефлектора. Ток активного вибратора принять равным 1, сопротивление настройки рефлектора 0.

Таблица 4.5

Вариант	1	2	3	4	5	6
Z2, Ом	85 + j50	80 + j30	85 + j20	70 + j20	60 + j87	80 + j10
Z12, Ом	60 - j10	45 - j25	40 - j20	45 - j20	40 - j25	40 - j10

12. Антенна состоит из вибратора и рефлектора. Определите коэффициент защитного действия, если известны: расстояние между вибраторами, амплитуда и фаза тока рефлектора (табл. 4.6).

Таблица 4.6

Вариант	1	2	3	4	5	6
M	0,6	0,6	0,6	0,5	0,5	0,65
Ф2,	100	120	140	90	120	90
dP/	0,25	0,2	0,3	0,25	0,2	0,2

13. Определите коэффициент прохождения плоского рефлектора, выполненного из системы параллельных проводников, если известны: частота, расстояние между проводниками и их радиус (табл. 4.7).

Таблица 4.7

Вариант	1	2	3	4	5	6
f, МГц	1500	300	1200	1875	600	1000
d, мм	40	120	62,5	160	85	40
r, мм	2	2	5	4,8	5	2

5. ИССЛЕДОВАНИЕ ВХОДНОГО СОПРОТИВЛЕНИЯ И ДИАГРАММЫ НАПРАВЛЕННОСТИ СПИРАЛЬНОЙ АНТЕННЫ

Цель работы: экспериментальное исследование диаграмм направленности спиральных антенн и определение частотных границ осевого и конического излучения; экспериментальное исследование степени согласования спиральной антенны с питающей линией.

Задание на предварительную подготовку: по указанному в конце раздела списку литературы и данному описанию изучите конструкцию спиральной антенны, лабораторную установку и методику снятия диаграмм направленности и исследования степени согласования с питающей линией.

5.1 Основные теоретические положения

5.1.1 Принцип действия спиральной антенны

Спиральная антенна относится к классу широкодиапазонных. С ее помощью может быть обеспечено более чем двукратное перекрытие частотного диапазона.

Спиральная антенна обеспечивает ширину диаграммы направленности порядка (40 - 70). При этом ее входное сопротивление в широком диапазоне частот остается практически неизменным и обладающим малой реактивной составляющей (порядка 10 Ом).

Размещено на http://www.allbest.ru/

Основные элементы спиральной антенны показаны на рис. 5.1. Она состоит из металлической спирали, навитой на опорный цилиндр, металлического экрана и коаксиального кабеля. Центральный проводник коаксиала является продолжением спирали. Оплетка кабеля соединена с экраном.

Опорный цилиндр не является обязательным элементом антенны. При достаточной механической жесткости спирали он не используется. Для его изготовления применяются диэлектрические материалы, которые обладают малыми потерями в частотном диапазоне антенны.

С электродинамической точки зрения диэлектрический цилиндр может приводить к заметному изменению параметров антенны потому, что наличие диэлектрика меняет структуру электромагнитного поля в окрестности спирали.

Спиральная антенна характеризуется следующими геометрическими параметрами (рис. 5.1):

диаметр спирали D;

шаг спирали S;

число витков спирали N;

диаметр экрана DЭ.

Общая длина спирали h определяется простым соотношением

. (5.1)

При анализе спиральной антенны используются дополнительные ее геометрические характеристики. К ним относятся:

длина витка спирали L = ?D;

угол подъема витка спирали ?.

Геометрические характеристики поясняет рис. 5.2, на котором показана развертка одного витка спирали на плоскость.

Размещено на http://www.allbest.ru/

При анализе спиральной антенны можно считать, что каждый ее виток представляет собой отдельный элементарный излучатель. Суперпозиция излученных ими их полей и определяет свойства антенны в целом. С этой точки зрения она представляет собой разновидность антенны бегущей волны.

Для определения поля излучения спиральной антенны необходим строгий электродинамический анализ. В этом случае спираль рассматривается как замедляющая система. Вдоль нее распространяется волна тока, которая возникает под действием приложенного между экраном и проводом спирали напряжения. Скорость этой волны вдоль провода спирали (0) определяется диэлектрической (?) и магнитной (?) проницаемостями среды, в которую помещена спираль. Поэтому наличие опорного диэлектрического цилиндра (см. рис. 5.1) уменьшает значение скорости , по сравнению с воздушным заполнением. Вектор плотности этого тока можно определить следующим образом

, (5.2)

где - волновое число, l - координата вдоль спирали.

Скорость определяется известным соотношением

, (5.3)

где ? - частота волны тока, определяемая источником возбуждения.

Бегущая по виткам спирали волна тока является источником электромагнитного поля. Определять это поле необходимо, учитывая периодическую пространственную структуру антенны (пространственный период равен шагу спирали S на рис. 5.1). Электродинамический анализ процессов, происходящих в спирали, предполагает введение цилиндрической системы координат (рис. 5.3).

Размещено на http://www.allbest.ru/

Спираль заменяется цилиндром, в который она вписывается. Боковая поверхность цилиндра предполагается анизотропно проводящей - проводимость в месте прохождения витка равна бесконечности и нулю между ними. На поверхности цилиндра протекает ток, вектор плотности J которого в цилиндрической системе задается двумя проекциями на единичные орты цилиндрической системы (J?, Jz) и определяется следующим образом

, (5.4)

где JP - одна из двух проекций (р соответствует либо ?, либо z);

J0P - амплитудное значение проекции;

? - волновое число, определяющее волновой процесс вдоль оси z выбранной цилиндрической системы координат;

F(?, z) - функция, учитывающая зависимость составляющих J от пространственных координат ?, z цилиндрической системы. Координата r на поверхности цилиндра неизменна (см. рис. 5.3).

Фактически проведенная замена необходима только для более удобного описания источника поля в выбранной системе координат.

Следует учитывать, что скорость волны , определяемая волновым числом ?

, (5.5)

вдоль координаты z, меньше, чем . Это обусловлено различием геометрических путей, определяемых вдоль спирали (координата l) и оси z (см. рис. 5.1).

Для дальнейшего анализа необходимо учесть пространственную периодичность спирали. Аналитически эту периодичность можно определить следующим образом. Точка на спирали «переходит сама в себя» при одновременном смещении вдоль оси z и соответствующем повороте на угол ?. При этом между ? и z должно выполняться простое соотношение

. (5.6)

Легко проверить, что при выполнении этого соотношения исходная точка с координатами ?0 = 0, z0 = 0, например, останется на спиральной линии при их изменении в соответствии с условием (5.6).

Функция F(?, z) должна учитывать это свойство. В цилиндрической системе координат она обладает свойством периодичности как по координате ? (период 2?), так и по координате z (период S). Условие (5.6) определяет ее зависимость от комбинации (? + (2?z)/S), а не от координаты z и ? в отдельности. Таким образом, учитывая свойство периодичности, функцию F(?, z) можно разложить в ряд Фурье

, (5.7)

где Fn - амплитудный коэффициент.

Подставляя (7) в выражение (4) определяем проекции вектора плотности тока Jp(r, ?, z) в витках спирали следующим образом

(5.8)

Отдельные слагаемые суммы (5.8) носят название пространственных гармоник. Они имеют зависимость от координат ? и z. Каждая из них может рассматриваться как бегущая вдоль оси z волна

. (5.9)

Волновое число ?n, соответствующее пространственной гармонике с номером n, определяется, как это следует из выражения (5.9), следующим образом

. (5.10)

Поскольку индекс n принимает значения из бесконечного интервала - ? > n > ?, волновые числа ?n пространственных гармоник могут принимать как положительные, так и отрицательные значения. Это означает, что волны, соответствующие пространственным гармоникам, могут распространяться как в положительном, так и в отрицательном направлении оси z.

...