Распространение радиоволн и антенно-фидерные устройства

2

3

4

5

6

КНД

15

18

20

15

18

20

, см

63

55

48

42

38

35

13. Постройте с помощью программы MathCad характеристику направленности спиральной антенны для вариантов, заданных в задаче 12.

6. ИССЛЕДОВАНИЕ ХАРАКТЕРИСТИК НАПРАВЛЕННОСТИ ФАЗИРОВАННОЙ ЛИНЕЙКИ СПИРАЛЬНЫХ ОБЛУЧАТЕЛЕЙ

Цель работы: экспериментальное исследование влияния на характеристики направленности фазированной линейки расстояний между элементами; изучение влияния на характеристики направленности фазированной линейки разности фазировки элементов.

Задание на предварительную подготовку: по указанному в конце раздела списку литературы и данному описанию изучите конструкцию фазированной линейки спиральных облучателей, лабораторную установку и методику снятия диаграмм направленности и исследования влияния на характеристики направленности разности фазировки элементов.

6.1 Основные теоретические положения

Фазированные антенные решетки могут обеспечивать достаточно узкую диаграмму направленности. Ширина главного лепестка зависит от ее конструкции и может составлять доли градуса. Основное преимущество антенны такого типа состоит в том, что ФАР обеспечивает возможность управления направлением главного максимума диаграммы направленности, что делает такие антенны особенно перспективными для применения в радиолокационных и радиорелейных системах.

ФАР состоит из нескольких одинаковых элементов, в качестве которых используются слабонаправленные антенны. Наиболее часто их роль выполняют симметричные четвертьволновые вибраторы, рупоры или спирали. Как правило, элементы ФАР располагаются на плоскости. На рис. 6.1 показана структура такой антенны. Условно можно считать, что элементы группируются в линейки (группы, расположенные на одной прямой). Расстояние между элементами линейки обычно одинаково. На рис. 6.1 оно равно d2. Линейки также располагаются на одинаковом расстоянии друг от друга - d1 на рис. 6.1.

Для описания принципа действия антенны необходимо ввести сферическую систему координат (угловые координаты ?, ? и радиус-вектор r на рис. 6.1). На основании принципа взаимности анализ характеристик направленности антенны можно проводить, рассматривая ее работу в качестве как передающей, так и приемной. Ниже рассматривается случай, когда ФАР используется для передачи.

Размещено на http://www.allbest.ru/

Элементы ФАР питаются от одного источника. Питание к элементам антенны подается по соответствующим частотному диапазону линиям передачи. В данной лабораторной установке для этих целей используются коаксиальные кабели.

Характеристики направленности антенны в целом определяются фазировкой отдельных элементов, их диаграммой направленности и расстояниями между ними. Эти свойства могут быть исследованы на примере более простой структуры - линейки фазированных излучателей.

Пример такой фазированной линейки приведен на рис. 6.2. Антенная система, подобная изображенной на рис. 6.2, экспериментально изучается в ходе выполнения лабораторной работы.

Размещено на http://www.allbest.ru/

Фазированная линейка состоит из четырех отдельных излучателей. Их роль в данном случае выполняют спиральные антенны, свойства которых рассматривались в первом разделе. Эти излучатели расположены на одной прямой АА (рис. 6.2, а) на равном расстоянии друг от друга d (индекс у величины d для простоты далее не используется).

На рис. 6.2, а отмечена точка Р, которая расположена в дальней зоне рассматриваемой антенны и направление на которую совпадает с нормалью к линии АА. Поле в дальней зоне антенной системы является результатом интерференционного сложения полей, создаваемых отдельными излучателями.

Для упрощения рассуждений ниже полагается, что поляризация излученных элементами ФАР волн круговая.

Характеристики спиральной антенны рассматривались в описании к предыдущей работе. Следует отметить, что система сферических координат, которая использовалась для описания поля излучения спиральной антенны в предыдущей работе, повернута относительно используемой на угол 90.

В рассматриваемом случае в дальней зоне векторы напряженности электрического и магнитного полей, создаваемого отдельными спиралями, имеют по две проекции: Е?, Е? и Н?, Н?. Строгий анализ показывает, что фазовый сдвиг между проекциями составляет 90, что соответствует круговой поляризации поля.

На рис. 6.2, б показаны векторы напряженности электрического поля Е1 - Е4 , соответствующие точке Р. В теории антенн считается, что расстояние от любого вибратора до точки Р дальней зоны, в которой определяется поле, одинаково. Если спирали возбуждаются синфазно, то и в точке Р соответствующие волны синфазны. Их векторы электрического поля вращаются вокруг своей оси, оставаясь при этом параллельными друг другу (рис. 6.2, б). Длина суммарного вектора определяется арифметическим суммированием длин векторов от отдельных элементов. Суммарное поле, естественно, также имеет круговую поляризацию - вектор вращается синхронно с векторами Еi.

Иная ситуация наблюдается при определении поля в точке Р, направление на которую составляет угол ?0 с нормалью к линии АА (рис. 6.2). Несмотря на то, что она удалена от антенны на то же расстояние r0, что и точка Р, результат интерференционного сложения полей от отдельных источников фазированной линейки будет другим. При суммировании необходимо учесть фазовый набег между электромагнитными волнами от различных элементов, возникающий за счет геометрической разности путей, которые проходят волны от антенны до точки суммирования (рис. 6.2, а). Разница путей, проходимых волнами от первого и второго источников, составляет величину ?, от первого и третьего - 2?, от первого и четвертого - 3?. Величина ? определяется простым тригонометрическим соотношением

. (6.1)

В результате векторы напряженностей полей Еi от отдельных элементов антенны уже не параллельны друг другу (рис. 6.2, в). Результат векторного сложения Е оказывается меньше их арифметической суммы, но поляризация остается круговой.

Легко понять, что основная причина уменьшения напряженности поля в направлении, не совпадающем с нормалью к линии АА, заключается в наличии фазового сдвига между волнами от отдельных элементов в точке суммирования. Если при возбуждении элементов фазированной линейки скомпенсировать этот фазовый сдвиг, то можно обеспечить арифметическое суммирование полей от источников в направлении ?0 (рис. 6.2, а). Это достигается за счет использования фазовращателей, которые устанавливаются перед элементами фазированной линейки (рис. 6.3).

Размещено на http://www.allbest.ru/

Их роль могут выполнять различные элементы. В диапазоне СВЧ часто применяются фазовращатели на ферритовых элементах, использующих эффект Фарадея. Применяются и элементы, в которых изменение фазы достигается за счет изменения длины пути, который проходит волна по питающей линии. Переключение длин осуществляется обычно в микрополосковых линиях с помощью коммутирующих диодов. Они меняют нагрузку линии за счет изменения своего внутреннего сопротивления. Включение диода, расположенного между проводниками линии, переводит один из ее участков в режим короткого замыкания. Если диод закрыт, то он не оказывает влияния на характеристики линии. Переключение диодов осуществляется электрическим сигналом.

В данной лабораторной установке изменение фазы волн, излучаемых спиралями, достигается путем их вращения вокруг своей оси. Легко понять, учитывая принцип действия спиральной антенны, что разности фаз волн, излучаемых четырьмя спиралями в линейной решетке, зависят от их взаимной ориентации. Вращение одной спирали вокруг оси при сохранении неизменного положения другой приводит к изменению разности фаз волн, излучаемых ими.

Следует связать фазовый сдвиг между волнами, излучаемыми элементами, с направлением ?0, в котором должно наблюдаться арифметическое сложение полей элементов (рис. 6.3). Это направление совпадает с направлением главного максимума антенной системы. Из рис. 6.2, а ясно, что для получения максимума излучения в направлении ? можно повернуть линейку излучателей так, чтобы она заняла положение АВ. Если положение линейки не меняется, то для получения того же результата необходимо с помощью фазовращателей (см. рис. 6.3) скомпенсировать фазовый сдвиг из-за разности путей.

Обозначив через rj (j = 1, 2, 3, 4) расстояния от элементов решетки из n = 4 элементов до точки наблюдения Р , легко показать с учетом (1), что они определяются следующим образом (рис. 6.2, а)

,

,

, (6.2)

.

Фазовый сдвиг, возникающий между волнами от отдельных элементов в точке приема, определится выражением

, (6.3)

где k = 2/ , - рабочая длина волны.

Размещено на http://www.allbest.ru/

Именно эту величину и необходимо скомпенсировать с помощью фазовращателей, изображенных на рис. 6.3, чтобы обеспечить максимум диаграммы направленности в направлении 0.

На практике удобней принять за опорную точку для отсчета компенсирующего фазового сдвига центр линейки (точка О на рис. 6.4). Она расположена ровно посередине между второй и третьей спиралью.

В этом случае фазовые сдвиги определятся следующими выражениями

,

,

, (6.4)

.

Диаграмма направленности фазированной линейки определяется двумя факторами. Первый связан направленностью каждого отдельного элемента линейки. В частности, излучение спиральной антенны, использующееся в качестве элемента в данной установке, характеризуется диаграммой направленности fЭ(?). Кроме того, объединение нескольких элементов в систему приводит к тому, что поле излучения в дальней зоне определяется в результате интерференционного сложения полей от отдельных источников. Этот фактор описывается диаграммой направленности системы излучателей fЛ(?). Функция fЛ(?) не зависит от типа элементов. Она определяется их количеством, геометрией расположения на поверхности антенны, амплитудами и фазами питающих токов. В общем случае можно представить диаграмму направленности линейной решетки в виде

. (6.5)

Функция направленности линейки fЛ(?), которая в литературе носит название «множитель системы», определяется следующим образом

. (6.6)

На рис. 6.5, а показан качественный вид множителя системы для случая относительно большого числа элементов (n = 40). Сплошная кривая соответствует 0 = 0, пунктирная 0 = 10.

Зависимости, приведенные на рис. 6.5, демонстрируют следующие свойства фазированной линейки.

1) Ширина главного лепестка диаграммы направленности существенно зависит от числа n элементов в линейке.

2) Увеличение числа элементов ведет к увеличению количества боковых лепестков.

3) Ширина главного максимума диаграммы направленности зависит от соотношения d/. Графики на рис. 6.5, а, б показывают, что увеличение отношения d/ приводит к сужению общей диаграммы направленности линейной решетки.

Размещено на http://www.allbest.ru/

4) Увеличение отношения d/ приводит к увеличению числа боковых лепестков.

Ориентация боковых лепестков может быть определена приближенно по направлениям "нулевого излучения".

При некоторых значениях угла = i, как следует из анализа числителя выражения (6.6) и рис. 6.2, сдвиг фаз между полями соседних элементов решетки становится таким, что в результате интерференции суммарное поле обращается в ноль.

Значения 0 определяются из уравнения

, i = 1, 2, 3, … . (6.7)

Максимальное значение числа i (в заданном интервале -90 < < 90) определяет количество боковых лепестков диаграммы направленности. Видно, что оно зависит от отношения d/ .

6.2 Описание лабораторной установки и методики измерений

Функциональная схема лабораторной установки показана на рис. 6.6. Она включает в себя передающую и приемную антенны, которые образуют радиолинию, работающую в диапазоне 2 - 4 ГГц.

Размещено на http://www.allbest.ru/

Конструкция приемной и передающей антенн идентична. Они состоят из четырех спиральных антенн (1), расположенных на одной линии и закрепленных на общем прямоугольном металлическом экране (2).

Каждый элемент фазированной линейки с помощью отрезков коаксиального кабеля равной длины подключен к разветвителю (3). Отрезки кабелей имеют волновое сопротивление 50 Ом и снабжены разъемами типа СР-50 для подключения к элементам установки. Разветвитель крепится на плате, которая располагается на противоположной относительно спиральных антенн стороне экрана.

Приемная и передающая антенны установлены на диэлектрических штангах (4), нижний конец которых связан с поворотным устройством (5), от которого на них поступает СВЧ мощность.

Разветвитель представляет собой три коаксиальных тройника СР-50. На входы первого и второго тройника подключены через отрезки кабелей спиральные антенны. Выходы первого и второго тройников непосредственно подключены ко входам третьего коаксиального тройника.

Выход третьего тройника разветвителя передающей антенны с помощью ВЧ кабеля (6) соединяется с выходом генератора (7).

Выход третьего тройника разветвителя приемной антенны непосредственно соединяется с детекторной секцией (8), которая крепится к плате совместно с ним.

Выход детекторной секции с помощью соединительного кабеля (9) подключен ко входу электронного блока «Регистратор» (10).

Размещено на http://www.allbest.ru/

Выход «Синх.» электронного блока «Регистратор» с помощью соединительного кабеля (11) подключен ко входу синхронизации генератора (7).

На рис. 6.7 приведен эскиз спиральной антенны. Спираль (1) выполнена из медного проводника круглого сечения (диаметр 4 мм), навитого на полый диэлектрический опорный цилиндр (2). В него вставлена диэлектрическая фторопластовая втулка (3).

Через отверстие в боковой поверхности этой втулки проходит металлический цилиндр (4), верхнее основание которого имеет омический контакт со спиралью (1).

В основании втулки (3) имеется отверстие с резьбой, по которой в нее ввернуто заполнение коаксиальной линии (5). Вдоль оси заполнения проходит центральный проводник (6) коаксиальной линии. Он ввернут по резьбе в металлический цилиндр (4).

Заполнение (5) помещено в основание (7), внутренняя поверхность которого образует оболочку коаксиальной линии. На основание по резьбе ввернут переходник (8), с помощью которого осуществляется соединение с разъемом ВЧ кабеля.

На противоположном конце основания закреплена фигурная шайба (9), которая фиксирует положение заполнения в основании.

Внутренние диаметры основания и внешние - заполнения подобраны таким образом, чтобы соответствующие им отрезки коаксиальной линии имели волновые сопротивления 50 Ом и 82 Ом. Отрезок коаксиала с большим диаметром и соответственно с большим значением волнового сопротивления, выполняет роль четвертьволнового трансформатора сопротивлений. Он служит для согласования входного сопротивления спиральной антенны с волновым сопротивлением кабеля питания.

На внешней поверхности основания (7) имеется резьба, по которой на него наворачивается гайка (10). С ее помощью спиральная антенна крепится к экрану (11), который располагается между гайкой (10) и шайбой (9).

На рис. 8 показан эскиз фазированной линейки излучателей (вид спереди). Спиральные антенны (1) крепятся к экрану (2) с помощью гайки (10) (рис. 6.7).

Размещено на http://www.allbest.ru/

Для этого в экране прорезана щель, в которой спиральные антенны могут свободно перемещаться в поперечном направлении, если ослаблена гайка (10). Положение спиральных антенн определяется по шкале (3), имеющейся на внешней стороне экрана. Приемная и передающая антенны закреплены в двух поворотных устройствах (5 на рис. 6.6). Оба устройства одинаковы по конструкции и служат для вращения зеркальной параболической антенны вокруг вертикальной оси, проходящей через их фазовые центры. На рис. 6.9 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).

Размещено на http://www.allbest.ru/

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. 6.6) 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.

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 (10) на рис. 6.6. Входным сигналом для него является ток детекторного диода, который расположен в детекторной секции. Значение этого тока пропорционально мощности электромагнитной волны, поступающей на приемную антенну.

6.3 Порядок экспериментального исследования антенн

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

6.3.1 Предварительная юстировка 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 шкалам поворотного устройства и совмещение фазового центра исследуемой антенны с вертикальной осью вращения.

1) Установите органы управления на лицевой панели генератора СВЧ Г4-80 в исходное состояние:

кнопочные переключатели выбора режима работы, расположенные в левом нижнем угле лицевой панели отжаты (при этом на выход генератора не поступает СВЧ мощность);

ручка аттенюатора «Регулировка мощности» находится в крайнем левом положении против часовой стрелки;

ручка «Регулировка частоты» - в произвольном положении;

тумблер «СЕТЬ» включен.

2) Ослабьте фиксирующие винты (14 на рис. П.1.1) крепления опоры (11 на рис. П.1.1) со штангой и антенной у обоих поворотных устройств (6) на рис. 6.6. Ослабьте фиксирующие винты (6 на рис. П.1.1) колец (5 на рис. П.1.1). После этого:

удерживая узел опоры, поверните фланец (3) в положение, соответствующее отсчету угла 0;

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) Установите углы поворота спиральных облучателей вокруг оси
?i = 0 (i = 1, 2, 3, 4). Отсчет угла поворота осуществляется по шкале на опорном цилиндре спирали.

Внимание! Поворот спиральных облучателей следует проводить с осторожностью. Поворот спирали вокруг продольной оси по часовой стрелке приводит (рис. 6.7) к вворачиванию по резьбе заполнения (5) во фторопластовую втулку (3). Если заполнение ввернуто до упора, то поворот спирали можно осуществлять только против часовой стрелки.

4) Проверьте наличие соединений между элементами схемы макета в соответствии с рис. 6.6:

кабельного разъема передающей спиральной антенны с выходом генератора;

кабельного разъема приемной спиральной антенны с детекторной секцией;

выхода детекторной секции со входом блока «Регистратор»;

выхода синхросигнала блока «Регистратор» со входом синхронизации генератора.

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

6) Включите генератор. Для этого нажмите кнопку «П, внешняя модуляция» кнопочного переключателя выбора режима работы, расположенного в левом нижнем угле лицевой панели генератора. При этом на выход генератора поступает СВЧ мощность, уровень которой регулируется ручкой аттенюатора «Регулировка мощности». По шкале генератора установить частоту, заданную преподавателем.

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

8) Ослабите фиксирующий винт короткозамыкателя (12) детекторной секции (рис. 6.9) и, перемещая его в продольном направлении, добейтесь максимальных показаний на цифровой шкале блока «Регистратор».

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

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

11) 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.

12) Ослабьте фиксирующие винты (6) колец (5) передающей антенны. После этого ее поворот будет осуществляться совместно с фланцем (3).

13) 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.

6.3.2 Фазировка облучателей

1) Произведите фазировку спиральных элементов решетки. Соединительные кабели питания спиралей линейки, с помощью которых они соединяются с разветвителями (3) на рис. 6.6, могут незначительно отличаться по длине. Это приводит к тому, что при установке одинакового угла поворота спиралей вокруг оси, излученные ими волны не будут складываться в направлении нормали к антенне (? = 0). Причина заключается в расфазировке волн токов, приходящих на начало спиралей, из-за различия длин кабелей. Данная регулировка предусматривает поворот каждой спирали вокруг своей оси на угол, обеспечивающий компенсацию этой начальной расфазировки.

2) Проверьте установку угла поворота вокруг оси первого облучателя ?1 = 0. Отсчет угла поворота осуществляется по шкале на опорном цилиндре спирали.

3) В небольших пределах поверните вокруг оси второй облучатель. Добейтесь вращением облучателя максимальных показаний на цифровом табло электронного блока «Регистратор».

4) Произведите аналогичные регулировки для третьей и четвертой спиралей.

5) Повторяя действия, описанные в пунктах 3), 4) методом последовательных приближений добейтесь максимальных показаний на цифровом табло электронного блока «Регистратор».

6) Зафиксируйте в отчете значения углов поворота второй, третьей и четвертой спиралей: ?2 , ?3 , ?4.

6.3.3 Исследование характеристик направленности линейки фазированных спиральных облучателей

1) Выполните операции по предварительной юстировке антенн.

2) По заданному преподавателем отношению d/? вычислите расстояние между спиралями d и установите его на линейке излучателей. Для этого выполните следующие операции.

а) Ослабьте фиксирующие гайки 10 (рис. 6.7), с помощью которых спирали крепятся к экрану.

б) Перемещая спирали вдоль экрана установите между ними требуемое расстояние d. Расстояние между спиралями определяется по шкале на внешней поверхности экрана. При установке спиралей необходимо обеспечить совпадение точки, соответствующей половине расстояния между второй и третьей спиралью с серединой отсчетной шкалы (спирали должны быть расположены симметрично относительно вертикальной оси, проходящей через середину экрана).

в) Зафиксируйте спирали на экране с помощью фиксирующей гайки 10.

3) Поворачивая ручку «Регулировка мощности» по часовой стрелке, подайте СВЧ мощность на передающую антенну. Наличие СВЧ мощности во внешней цепи генератора определяется по отклонению стрелки индикатора в правом верхнем углу его лицевой панели. Следует помнить, что максимальная мощность на выход генератора поступает при установке ручки «Регулировка мощности» приблизительно в среднее положение. Если вывернуть ее по часовой стрелке до упора, мощность на выход генератора не поступает. Установите максимальную мощность на выходе генератора, используя индикатор.

4) Проверьте наличие сигнала на приемной антенне. Об этом свидетельствуют показания на цифровой шкале электронного блока «Регистратор», подключенного к измерительной линии.

5) Проведите фазировку облучателей передающей и приемной антенны.

6) Проведите измерение диаграммы направленности фазированной линейки спиральных излучателей. Для этого выполните следующие операции.

Изменяя угловое положение фазированной линейки с шагом ?? (задается преподавателем), снимите зависимость показаний на цифровой шкале электронного блока «Регистратор» q от угла поворота ?. Угол поворота изменяйте в диапазоне 180 < ? < -180.

Данные измерений занесите в табл. 6.1. Измеренная диаграмма направленности соответствует зависимости от угла ? сферической системы координат (рис. 6.1). Вращение антенны по часовой стрелке от отметки 0 соответствует положительному значению угла, против часовой стрелки - отрицательному.

Таблица 6.1 Диаграмма направленности спиральной антенны в горизонтальной плоскости. Зависимость от угла ? сферической системы координат. d/? =

?
q
qн = q/qmax

7) Повторите измерения диаграмм направленности для других соотношений d/?, указанных преподавателем. Для этого повторите операции, предусмотренные пунктами 1 - 6.

8) Проведите исследование зависимости направления главного максимума диаграммы направленности ? от разности фаз соседних спиральных излучателей 2??. Для этого выполните следующие операции.

а) Установите требуемое расстояние между облучателями, соответствующее заданному преподавателем значению d/?. Для этого повторите операции, предусмотренные пунктами 1 - 4.

б) Установите выбранное значение фазового сдвига между соседними спиральными излучателями 2??. Величина 2?? либо задается преподавателем, либо определяется из расчетных соотношений (6.4). Началом отсчета углов поворота спиралей являются значения ?1 = 0, ?2, ?3, ?4, зафиксированные при первоначальной фазировке излучателей. Для установки фазовых сдвигов:

первую спираль поверните на угол ?1 - 3??;

вторую спираль поверните на угол ?1 - ??;

третью спираль поверните на угол ?1 + ??;

четвертую спираль поверните на угол ?1 + 3??.

в) По указанию преподавателя либо измерить диаграмму направленности линейки, либо определить направление главного максимума диаграммы направленности ? и ее ширину ??0,5 по уровню половинной мощности. В последнем случае необходимо:

вращая линейку фазированных облучателей с помощью поворотного устройства, установить ее в положение, соответствующее максимальным показаниям измерительного прибора;

зафиксировать значение ? и соответствующее ему показание измерительного прибора qmax;

вращая линейку фазированных облучателей с помощью поворотного устройства по часовой стрелке, установить ее в положение, соответствующее показаниям измерительного прибора qmax;

отметить и зафиксировать абсолютную величину угла поворота (?0,5)1;

вращая линейку фазированных облучателей с помощью поворотного устройства против часовой стрелки, установить ее в положение, соответствующее показаниям измерительного прибора qmax;

отметить и зафиксировать абсолютную величину угла поворота (?0,5)2;

вычислить ширину диаграммы направленности из соотношения

??0,5 = (?0,5)1 + (?0,5)2.

9) Повторите экспериментальные исследования для других частот, заданных преподавателем.

6.3.4 Обработка экспериментальных данных

1) Произведите нормировку всех измеренных диаграмм направленности. Для этого выполните следующие операции.

а) Для каждого отдельного измерения выберите из соответствующей таблицы отсчет угла, соответствующий максимальным показаниям прибора qmax.

б) Поделите все остальные отсчеты q на эту величину qmax. Результаты занесите в последнюю графу соответствующей таблицы.

2) Постройте зависимости qn(?) характеризующие соответствующие диаграммы направленности. Постройте соответствующие зависимости в декартовой и сферической системах координат.

Для всех построенных диаграмм направленности определите ширину по уровню половинной мощности.

Постройте зависимость ширины диаграммы направленности от соотношения d/?.

Постройте зависимость направления главного максимума от фазового сдвига 2??.

Сделайте выводы по результатам проведенных экспериментальных исследований.

6.4 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 фазированной линейки спиральных облучателей, перечислите основные составные части и поясните принцип действия.

2. Каким образом в лабораторной работе устанавливается изменение фазы волн? Зачем необходима регулировка фазы волны отдельных излучателей? Как при этом изменяется диаграмма направленности?

3. Дайте определение диаграммы направленности антенны. Как зависят электрические свойства фазированной решетки от количества элементов в линейке?

4. Нарисуйте функциональную схему лабораторной установки. Опишите основные составные части и характеристики используемых лабораторных приборов.

5. Опишите конструкцию поворотного устройства и порядок работы с ним.

6. Приведите эскиз детекторной секции и опишите составные части и назначение элементов конструкции. Какие измерительные приборы можно использовать для регистрации уровня сигнала на приемной антенне, если на передающую антенну подается: а) амплитудно-модулированный сигнал; б) ВЧ сигнал без модуляции?

7. Какие характеристики фазированной линейки спиральных облучателей экспериментально были сняты в данной работе? Расскажите о методике измерения и проанализируйте полученные данные.

8. Какие измерительные приборы используются для измерения коэффициента отражения исследуемой антенны на выбранной частоте? Приведите блок-схему измерений и опишите методику измерения.

9. Какие измерительные приборы используются для измерения коэффициента отражения исследуемой антенны в широкой полосе частот? Приведите блок-схему измерений и опишите методику измерения.

10. Определите основные размеры спиральной антенны, если известны: средняя длина волны и коэффициент направленного действия (табл. 6.2).

Таблица 6.2

Вариант	1	2	3	4	5	6
КНД, дБ	12	16	20	14	18	24
, см	60	50	45	40	36	32

11. Постройте с помощью программы MathCad характеристику направленности спиральной антенны для вариантов, заданных в задаче 10.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Современный специалист в области радиотехники не может считаться квалифицированным, если не знаком с техникой СВЧ и антенной теорией.

Развитие техники антенн и устройств СВЧ идет не по пути создания принципиально новых типов антенн и элементов тракта, а в основном по пути улучшения электрических характеристик, совершенствования конструкций и технологии производства и расширения областей применения, в частности в результате освоения диапазона миллиметровых и субмиллиметровых волн.

Наиболее динамично развиваются многоэлементные антенные системы на основе фазированных антенных решеток (ФАР). Устойчивой тенденцией развития устройств СВЧ, входящих в ФАР, является увеличение их плотности компоновки.

Еще одним быстро прогрессирующим направлением антенной техники является создание гибридных зеркальных антенн, сочетающих зеркала больших электрических размеров (более 50 длин волн) и облучающую антенную решетку с небольшим числом элементов (не более 100), располагаемую вблизи фокальной области зеркала. Антенны такого типа перспективны, например, в системах космической связи через геостационарные ИСЗ, на борту которых необходимо формировать систему остронаправленных лучей.

Особое внимание при создании антенн уделяется в настоящее время автоматизации экспериментальных исследований. Широко используются панорамные измерители на основе микропроцессорного управления, значительно облегчающие проведение эксперимента и обработку больших массивов экспериментальных данных.

Техника антенн и устройств СВЧ - быстро развивающаяся область современной радиоэлектроники. Развитию ее способствуют совместные усилия специалистов по прикладной электродинамике, системотехнике, радиотехническим устройствам, электронике, автоматике, метрологии, конструированию и технологии производства и др. Можно с уверенностью сказать, что дальнейшее развитие теории и техники антенн и устройств СВЧ позволит успешно решить многие задачи, связанные с созданием системы глобальной радиосвязи, получением информации об окружающей среде и удаленных объектах, освоением космоса, беспроволочной передачей энергии на значительные расстояния, медицинской диагностикой, лечением ряда заболеваний и др.

Приложение 1

Использование поворотного устройства и регистратора

На рис. П.1.1 приведен эскизный рисунок поворотных устройств. К нижнему основанию (1) крепятся стойки (2). Стойки располагаются на двух противоположных сторонах основания и имеют различную высоту.

К нижнему основанию крепится внешняя обойма подшипника (4), в которой вращается ось верхнего основания (3) со шкалой. На нее одеты два кольца (5), положение которых на оси фиксируется винтами (6). В эти кольца вворачиваются две штанги (7). Микрометрические винты (8) перемещаются по резьбе в стойках (2). Если соответствующее кольцо (5) зафиксировано на оси фланца (3) с помощью винта (6), то перемещение микрометрического винта приводит к повороту фланца вокруг оси. Размеры элементов подобраны таким образом, что полный оборот микрометрического винта приводит к повороту фланца на 1. Микрометрические винты снабжены шкалами.

С противоположной (относительно микрометрического винта) стороны штанги (7) расположена пружина (9) с направляющей (10), которые обеспечивают возвращение кольца со штангой в исходное положение при выворачивании микрометрического винта.

Поворот фланца может осуществляться вручную, без применения микрометрических винтов. При этом оба фиксирующих винта (6) должны быть ослаблены. Отсчет угла производится по шкале на боковой поверхности фланца.

При использовании для поворота фланца микрометрических винтов, фиксируется только одно кольцо. Второе должно быть ослаблено. Поворот фланца с помощью одного микрометрического винта не должен превышать 7. При достижении предельного значения угла поворота необходимо:

максимально вывернуть второй микрометрический винт;

зафиксировать второе кольцо на оси фланца;

ослабить первое кольцо;

продолжить вращение фланца с помощью второго микрометрического винта.

Отсчет угла при этом производится по угловой шкале на боковой поверхности фланца (единицы градусов) и шкале на боковой поверхности микрометрического винта (десятые доли градуса).

На верхней поверхности фланца (3) закреплена опора (11), в которой крепится диэлектрическая штанга (12) с помощью фиксирующего винта (13). Опора (11) фиксируется от поворота вокруг вертикальной оси винтом (14).

Основание поворотного устройства (1) крепится к лабораторному столу четырьмя винтами. Диэлектрическая штанга (12) дополнительно фиксируется в средней части с помощью трех откосов, которые также крепятся к лабораторному столу. На рисунках они не показаны.

Опора может перемещаться вдоль планки по направляющим (14), роль которых выполняют алюминиевые трубки. В опоре имеются отверстия, через которые они пропускаются. Трубки крепятся к стойке (15), которая соединяется с планкой (11). Положение опоры на направляющих фиксируется винтами (16).

Перемещение всего узла вдоль направляющих позволяет при необходимости совместить фазовый центр исследуемой антенны с осью вращения фланца. Кроме того, весь узел может поворачиваться вокруг оси фланца независимо от него, что позволяет устанавливать исследуемую антенну в исходное положение при исследовании характеристик направленности, не меняя отсчета угла. Для фиксации углового положения узла используется фиксирующий винт (17).

Для измерения уровня мощности электромагнитной волны, поступающей на приемную антенну, служит регистратор (10) (рис. П.1.2). Входным сигналом для него является ток детекторного диода, который расположен в детекторной секции, совмещенной с облучателем приемной антенны. Значение этого тока пропорционально мощности электромагнитной волны, поступающей на приемную антенну.

На рис. П.1.1 показан только один узел, обеспечивающий поворот фланца с помощью микрометрического винта.

На верхней поверхности фланца закреплена планка (11), вдоль которой может перемещаться опора (12). К ней крепится диэлектрическая штанга (13), на которой размещается исследуемая антенна.

Опора может перемещаться вдоль планки по направляющим (14), роль которых выполняют алюминиевые трубки. В опоре имеются отверстия, через которые они пропускаются. Трубки крепятся к стойке (15), которая соединяется с планкой (11). Положение опоры на направляющих фиксируется винтами (16).

Перемещение всего узла вдоль направляющих позволяет при необходимости совместить фазовый центр исследуемой антенны с осью вращения фланца. Кроме того, весь узел может поворачиваться вокруг оси фланца независимо от него, что позволяет устанавливать исследуемую антенну в исходное положение при исследовании характеристик направленности, не меняя отсчета угла. Для фиксации углового положения узла используется фиксирующий винт (17).

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. При этом загорается ее подсветка.

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.

Учебное издание

РЯБОВА Наталья Владимировна (МарГТУ)

КОСАРЕВ Александр Васильевич (СПбГТУ)

ПАВЛОВ Вячеслав Владимирович (МарГТУ)

СМИРНОВ Роман Владимирович (СПбГТУ)

БАБЕНКО Александр Николаевич (МарГТУ)

АТАМАНЧУК Сергей Васильевич (МарГТУ)

РАСПРОСТРАНЕНИЕ РАДИОВОЛН И АНТЕННО-ФИДЕРНЫЕ УСТРОЙСТВА

Лабораторный практикум

Редактор Л.С. Емельянова

Компьютерный набор и верстка В.В. Павлов

Подписано в печать 29.12.07. Формат 6084/16. Бумага офсетная.

Печать офсетная. Усл. печ. л. 9,3. Уч.- изд. л. 7,3.

Тираж 130 экз. Заказ № 3766. С - 49.

Марийский государственный технический университет

424000 Йошкар-Ола, пл. Ленина, 3

Редакционно-издательский центр

Марийского государственного технического университета

424006 Йошкар-Ола, ул. Панфилова, 17

Размещено на Allbest.ur

...