12111

Исследование вибраторной антенны

Лабораторная работа

Физика

Лабораторная работа №7 Тема: Исследование вибраторной антенны Цель: Сформировать умения по построению диаграмм направленности вибраторной антенны при помощи специализированного программного обеспечения и определения основных параметров направленного действи...

Русский

2013-04-24

356.5 KB

36 чел.

Лабораторная работа №7

Тема: Исследование вибраторной антенны

Цель: Сформировать умения по построению диаграмм направленности вибраторной антенны при помощи специализированного программного обеспечения и определения основных параметров направленного действия вибраторной антенны.

Оборудование: ПЭВМ со специализированным пакетом программ NI LabWIEV.

1  Краткие теоретические сведения

Направленные свойства антенн принято определять амплитудной (мощностной) характеристикой направленности, т.е. зависимостью амплитудного или действующего значений напряженности электрического поля  Еm (θ, φ) или E(θ, φ) в точке наблюдения от пространственных координат θ, φ при неизменном расстоянии (r) до точки наблюдения. Функция, описывающая характеристику направленности, называется функцией направленности f (θ, φ). Графическое изображение функции направленности называется диаграммой направленности (ДН), которая изображается в виде поверхности, описываемой исходящим из начала координат радиус–вектором, длина которого в каждом направлении пропорциональна функции f(θ, φ) (рисунок 1). Пространственную ДН обычно заменяют двумя более простыми двумерными, представляющими сечение пространственной ДН взаимно перпендикулярными плоскостями, проходящими через направление главного максимума излучения и параллельными электрическому (Е) и магнитному (Н) векторам поля излучения. Эти плоскости называют соответственно плоскостью Е и плоскостью Н. (рисунок 1). На рисунке 1 изображены оси X,Y,Z прямоугольной системы координат. Ось Z направлена в зенит, т.е. плоскость ZоX (E) является вертикальной, ось Х направлена на север, т.е. плоскость XoY (H) – горизонтальная. Также показаны углы θ и φ – сферической системы координат. Угол θ отсчитывается от оси Z и называется зенитным углом, угол φ – от оси Х и называется азимутальным углом. Угол θ измеряется в вертикальной плоскости, а угол φ – в горизонтальной плоскости.

Рисунок 1 -  Пространственная ДН вибратора в свободном пространстве

 Двухмерная диаграмма направленности антенны может строиться как в полярной так и в прямоугольной системах координат. (рисунок 2) При построении диаграммы направленности в полярной системе координат (рисунок 2, а) из полюса (начало координат) под различными углами θ или φ откладывают радиус-вектор, длина которого пропорциональна напряженности поля (или излучаемой мощности) в направлении данного радиуса, а затем концы этих радиус-векторов соединяют плавной кривой.

В прямоугольной системе координат (рисунок 2, б) по оси абсцисс откладывается углы θ или φ, характеризующие направление излучения в соответствующей плоскости, а по оси ординат – величина напряженности поля или излучаемой мощности.

Диаграммы направленности, выполненные в полярных координатах, отличаются большей наглядностью. В прямоугольной системе координат можно выбрать любой масштаб по обеим осям и более четко выявить структуру сложных диаграмм, растянув их вдоль оси абсцисс. Обычно широкие диаграммы направленности строят в полярной, а узкие – в прямоугольной системе координат.

Для суждения о направленных свойствах антенны представляет интерес не абсолютные значения параметров электромагнитного поля, а их относительное распределение. Поэтому на практике широко пользуются нормированными характеристиками направленности, в которых величины напряженности поля или мощности выражены относительно их максимального значения:                      F(θ,φ)=f(θ,φ)/fmax(θ,φ). У нормированных диаграмм направленности максимальное значение всегда равно единице (рисунок 2, б).

а)      б)

Рисунок 2 - Диаграммы направленности полуволнового вибратора в полярной (а) и прямоугольной (б) системах координат

Шириной диаграммы направленности0,5 (2φ0,5) называют угол между направлениями, вдоль которых напряженность поля уменьшается в 0.707 раз по сравнению с максимальной напряженностью поля (рисунок 2). Если снята диаграмма направленности по мощности, то ширина диаграмм  определяется на уровне половины от максимальной мощности.

Для антенн, располагающихся вблизи земной поверхности, обычно пользуются определениями вертикальной (относительно земли) и горизонтальной поляризациями. Поляризация характеризует ориентацию вектора E в пространстве, через который проходит и плоскость поляризации. Так называемый вертикальный вибратор (относительно земли) излучает и принимает вертикально поляризованные волны (ВПВ), а горизонтальный вибратор горизонтально поляризованные волны (ГПВ) (рисунок 3).

Рисунок 3 -  Виды линейной поляризации: а) вертикальная;                         б) горизонтальная.

Симметричные вибраторы относятся к простейшим антеннам. Они широко используются не только самостоятельно в составе различных линий связи, но и как элементы более сложных антенных систем. Они нашли широкое применение в диапазоне КВ и УКВ. Конструктивно представляют собой два проводника одинаковой длины, между которыми включается питающая линия – фидер, соединяющая антенну с передатчиком. Следует учитывать, что свойства любой антенны сохраняются как при ее работе в качестве приемной, так и передающей, если передатчик и приемник подключены с помощью фидера к одним и тем же входным зажимам антенны.

Входное сопротивление симметричного вибратора, в общем случае, имеет как активную, так и реактивную составляющие. При длине вибратора равной или кратной половине длины волны его реактивное сопротивление обращается  в нуль. Такая длина вибратора  называется резонансной. Вдоль полуволнового вибратора устанавливается половина волны тока и напряжения. (рисунок 4)

Рисунок 4 -  Полуволновый вибратор, распределение тока и напряжения

При изменении частоты принимаемого сигнала, величина ЭДС на выходе симметричного вибратора также будет изменяться. Это обусловлено, во-первых, изменением реактивной части входного сопротивления антенны, во-вторых, изменением характеристики направленности. Если, поддерживая постоянной мощность источника сигнала, снять зависимость ЭДС от частоты, то получим амплитудно-частотную характеристику антенны.

По форме такой частотной характеристики можно судить о полосе пропускания антенны, о ее диапазонных свойствах.

Резонансные свойства антенны зависят так же от величины ее волнового сопротивления, которое в свою очередь существенно зависит от диаметра вибратора. С увеличением диаметра уменьшается волновое сопротивление и расширяется полоса пропускания антенны.

Соотношение (1) позволяет построить ненормированную ДН семеричного вибратора находящихся в свободном пространстве.

.    (1)

где,  Im – амплитуда тока в антенне;

 r – расстояние до точки наблюдения;

 l – геометрическая длинна антенны;

 λ – дина волны;

 θ – пространственный угол в вертикальной плоскости в радианах.

Для построения нормированной ДН необходимо Еm (θ) разделить на  Еmm (θ):

.          (2)

 Соотношение (3) позволяет построить ненормированную ДН приемной антенны  в свободном пространстве.

     (3)

где,  Emm – максимальная напряженности электрического поля на расстоянии r до излучателя ;

 hд – действующая высота антенны.

 Для полуволнового вибратора ( l=λ/2) действующая высота рассчитывается по соотношению (4).

 

.      (4)

2  Ход работы

2.1.Запустить программу: Лабораторная работа №6 “Исследование вибраторной антенны”

2.2.Ознакомится с теоретической частью.

2.3.Нажать на кнопку в нижней части окна программы.

2.4.Получить ДН симметричного вибратора в вертикальной плоскости в полярной и прямоугольной системе координат на примере передающей антенны (рисунок 1). На рисунке 1 показана передающая антенна, создающая в фиксированных точках пространства, равноудаленных от геометрического (фазового) центра антенны (r=const), соответствующую напряженность электрического поля, измеряемую специальным индикатором. При этом положение передающей антенны в пространстве остается неизменным.

Рисунок 1 - Схема определение диаграммы направленности передающей антенны

Для получения ДН необходимо:

2.4.1.Нажать кнопку в левом нижнем углу окна программы.

2.4.2.Активизировать программу расчета, нажав на кнопку запуска, расположенную в левом верхнем углу окна программы, чтобы она приняла черный вид (рисунок  2).

Рисунок 2- Вид кнопки запуска

2.4.3.Настроить параметры полярной системы координат, так что бы они имели вид, показанный на рисунке 3. Для этого необходимо найти окно “Параметры полярной системы координат ” (распложено в нижней части рабочего поля программы), ввести в строку “Масштаб” значение 0,00 и выставить круговой сектор обзора ДН.

Примечание: Прямоугольная система координат не требует дополнительной настройки.

Рисунок 3 - Параметры полярной системы координат

2.4.4. Воспользоваться данными таблицы 1 в соответствии с вариантом, номер которого соответствует порядковому номеру фамилии в журнале.

Таблица 1

Вариант

1

2

3

4

5

6

7

8

Длинна антенны l

l

0,3

1

3,3

3,9

2,1

2,7

5,1

2

Ток в антенне, I, А

I

3E-2

1E-1

2E-2

4E-3

8E-2

7E-3

9E-4

1

Расстояние r, м

r1

1000

800

900

2200

1300

500

1000

7000

r2

2500

3000

2800

1200

4000

1200

1500

4000

9

10

11

12

13

14

15

16

17

18

19

l

3,5

7

0,7

1,5

0,2

1,7

8,5

9

6,5

2,9

5,6

I

2,5E-2

1E-1

2E-1

5E-2

9E-2

7E-2

9E-1

3E-3

2E-1

1E-1

9E-2

r1

1100

1000

3500

1450

2300

900

1000

700

3000

2200

1100

r2

2000

3000

5000

4550

3100

2000

6500

3000

1000

3900

2700

20

21

22

23

24

25

26

27

28

29

30

l

1,3

8

0,5

2,2

0,1

10

2,5

4

1,3

6,6

0,8

I

8,2E-2

5E-1

5E-3

3E-2

1E-4

1,5

7E-2

2E-2

5E-1

7E-2

3E-3

r1

2000

3000

700

2300

1200

1000

1700

1000

2000

2230

1000

r2

3000

1800

1400

4200

3000

5000

900

2000

3000

950

6000

Примечание: Все переменные имеют стандартный вид, поэтому:

1мА – 1* 10-3А – 1E-3A.

2.4.5.Рассчитать частоту колебаний генератора по формуле (2) для длинны антенны l ( см. таблицу 1), при которой антенна станет:

а). Полуволновым вибратором ( l=λ/2);

б). Волновым вибратором (l=λ);

в). Двухволновым вибратором (l=2λ).

f=c/λ; c=3*108 м/c .        (3)

Рассчитанные данные занести в таблицу 2.

Таблица 2

l

l=λ/2

l=λ

l=2λ

f, Гц

Примечание: Все переменные имеют стандартный вид, поэтому:

1МГц – 1* 106 Гц – 1E6 ГЦ.

2.4.6.Получить ненормированную ДН симметричного вибратора длинной l, для двух расстояний до точек наблюдения r1 и r2 и значения тока в антенне I (см. таблицу 1) при частоте генератора  f ,соответствующей длине l=λ/2 (см. таблицу 2). Данные вводить во входной интерфейс программы, рисунок 4. (после ввода данных в каждое окно нажать клавишу “Enter”).

  

Рисунок 4 - Входной интерфейс программы

2.4.7.Провести аналогичные измерения для волнового (l=λ) и двухволновго (l=2λ) вибратора. Таким образом, необходимо получить шесть диаграмм направленности.

2.4.8.Проведя измерения, заполнить таблицу 3 и сделать выводы о зависимости Еmax от расстояния, о зависимости количества основных лепестков ДН от типа антенны.

Таблица 3

l=λ/2

Emax

θ1max

θ2 max

θ3 max

θ4 max

Emin

θ1min

θ2 min

θ3 min

θ4 min

r1

r2

l=λ

r1

r2

l=2λ

r1

r2

2.4.9.Получить нормированную ДН симметричного вибратора длинной l, для двух расстояний до точек наблюдения r1 и r2 и значения тока в антенне I (см. таблицу 1) при частоте генератора  f ( l=λ/2) (см. таблицу 2). Для получения нормированной ДН переключить указатель в окне “Вид диаграммы направленности” в положение “Нормированная” (рисунок 5).

 

Рисунок 5 - Окно “Вид диаграммы направленности”

2.4.10. Провести аналогичные измерения для волнового (l=λ) и двухволновго (l=2λ) вибратора. Таким образом, необходимо получить шесть нормированных диаграмм направленности.

2.4.11.Определить для каждой полученной нормированной ДН, ширину ее основного лепестка – углового сектора  ∆θ0.707  между направлениями, вдоль которых напряженность поля уменьшается в 0.707 раз по сравнению с максимальной напряженностью поля. Для этого необходимо получить углы θ1 и θ2 на уровне 0.707. Тогда  ∆θ0.7072 – θ1 – ширина ДН ( рисунок 5). Для  определения углов θ1 и θ2 нормированной ДН необходимо выставить курсор 1 (синий) и курсор 2 (желтый) на уровень 0.707 по оси “Y”. Для этого в координатной таблице, расположенной над окном прямоугольной системы координат, в графе “Y” написать 0.707, перемещать последовательно вертикальную линию  курсора 1 и курсора 2 по оси “X” (нажав левой клавишей мыши на вертикальную линию соответствующего курсора) до пересечения с уровнем 0.707 нормированной ДН. Углы θ1 и θ2 отображаются в графе “X”  координатной таблицы.

2.4.12.Результаты отобразить в таблице 4 и сделать выводы о зависимости ширины основных лепестков ДН от типа антенны.

Кол-во основных лепестков на ДН

2

Ширина ДН, ∆θ0.707= θ2 – θ1 (129-50)

79

Рисунок 6 - Определение ширины нормированной ДН

Таблица 4

l=λ/2

Emax

θ1

θ2

∆θ0.707

Кол - во основных лепестков

r1

r2

l=λ

r1

r2

l=2λ

r1

r2

2.5. Получить ДН приемной антенны (полуволновый вибратор) расположенной в свободном пространстве. При этом необходимо помнить, что ДН приемной антенны – это зависимость ЭДС на зажимах приемной антенны от пространственных углов θ,φ при условии неизменного расстояния до излучателя. Предполагается, что при снятии ДН приемной антенны на нее воздействует максимум ДН определенного излучателя. Схема получения ДН приемной антенны приведена на рисунке 7.

Рисунок 7 - Схема получения диаграммы направленности приемной антенны

2.5.1.Получить ненормированную ДН приемной антенны, при длине передающей антенны l, для двух расстояний r1 и r2 и значения тока I в передающей антенне (см. таблицу 1) при частоте генератора   f ( l=λ/2) (см. таблицу 2). Приемная антенна находится в электрическом поле передающей антенны с напряженностью E и на ее зажимах формируется ЭДС (E). Данные вводятся во входной интерфейс программы (рисунок 4).  ДН приемной антенны отображается в рабочем поле “ДН приемной антенны”, где предварительно необходимо настроить параметры полярной системы координат (см. п. 2.4.3.).

Примечание: Прямоугольная система координат не требует дополнительной настройки.

На индикаторах дополнительно отображается расстояние до передатчика, геометрическая и действующая длинна приемной антенны.

2.5.2. Измеренные данные занести в таблицу 5.

Таблица 5

l=λ/2

Emax

θ1max

θ2 max

Emin

θ1min

θ2 min

l

hд

r1

r2

2.5.3.Получить нормированную ДН приемной антенны, при длине передающей антенны l, для двух расстояний r1 и r2 и значения тока I в передающей антенне (см. таблицу 1) при частоте генератора   f ( l=λ/2) (см. таблицу 2). При этом в окне “Вид диаграммы направленности” (рисунок 5), необходимо переключиться на отображение нормированной ДН.

2.5.4.Определить ширину приемной антенны ДН полуволнового вибратора, определяется аналогично ширине ДН передающей антенны.

2.5.5. По результатам измерения заполнить таблицу 6.

Таблица 6

l=λ/2

Emax

θ1

θ2

∆θ0.707

Кол - во основных лепестков

r1

r2

2.5.6.Сравнить значения для полуволнового вибратора, таблицы 4, 5, 6 и сделать выводы.

2.6.Исследовать поляризационные характеристики вибраторных антенн, по-разному располагая приемную и передающую антенну.

Для этого:

2.6.1.В полях отображения ДН, в окне выбора вариантов расположения антенны  в пространстве (рисунок 8) установить варианты расположения антенн (поляризации) согласно таблице 7. Полученные результаты также записать в таблицу 7 и сделать выводы.

Рисунок 8 - Окно выбора вида поляризации антенны

Таблица 7

Передающая антенна

Приемная антенна

Максимальное значение ЭДС в приемной антенне

вертикально

вертикально

горизонтально

вертикально

вертикально

горизонтально

горизонтально

горизонтально

Примечание: Максимальное значение ЭДС можно определить на ненормированной  ДН.

3 Отчет должен содержать

3.1.Тему и цель работы.

3.2.Ход работы.

3.4.Таблицы 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7 с результатами экспериментов и расчетов.

3.4. Рисунок с ненормированной (в прямоугольной системе координат) и нормированной (в полярной системе координат) ДН  двухволнового излучающего вибратора, полуволнового приемного вибратора.

3.5.Выводы по основным пунктам работы.

3.6.Ответы на контрольные вопросы.

4 Контрольные вопросы

4.1.Объяснить принцип действия симметричного вибратора.

4.2.Что собой представляет резонансная  частота вибраторной симметричной антенны?

4.3.Определить резонансную длину вибратора, если частота генератора

 f1=100МГц; f2=200МГц; f3=300МГц.

4.4.Перечислить основные параметры вибраторных антенн.

4.5 Что такое диаграмма направленности антенны? Что собой представляют ДН в прямоугольной и полярной системах координат.  


 

А также другие работы, которые могут Вас заинтересовать

25545. Единственный ребенок в семье 15.5 KB
  Ребенок маленький взрослый До поступления в детский сад а то и в школу единственный ребенок общается преимущественно со взрослыми. В семье ребенок хорошо усваивает модель отношений в которой один выше по иерархии родитель а другой ниже ребенок.Все это может привести к тому что в детском коллективе ребенок либо станет одиночкой либо будет всячески противопоставлять себя коллективу привлекая к себе персональное внимание учителя или воспитателя.
25546. Жизненный цикл семьи 12.27 KB
  Сорокин выделил 4 стадии: брачная пара в момент образования семья с маленькими зависимыми детьми семья с 1 взрослым ребенком стадия отделения всех детей. Эти события образуют 4 стадии семейного цикла: предродительство 11 года стадия репродуктивного родительства 25 года стадия социализированного родительства – ограничивается достижением совершеннолетия детьми либо моментом отделения последнего из взрослых детей стадия прародительства настает с наступлением первого внука 199 года Варианты стадий: продолженная...
25547. Функции семьи 12.52 KB
  Хозяйственнобытовая Поддержание физического здоровья членов семьи уход за детьми и престарелыми членами семьи. Получение хозяйственнобытовых услуг одними членами семьи от других. Экономическая Экономическая поддержка несовершеннолетних и нетрудоспособных членов общества Получение материальных средств одними членами семьи от других.
25548. Характеристика жилищных проблем молодых семей и перспективы их решения 16.22 KB
  Жилищная проблема молодых семей и ее особенности Как отмечалось ранее жилищная проблема – одна из острейших проблем стоящих перед молодежью. Сутью жилищной проблемы стало обеспечение доступности жилища для семей и одиноких граждан у которых доходы не соответствуют затратам на его воспроизводство то есть строительство реконструкцию модернизацию ремонт содержание 18. Так жилье бедных семей только на 58 обеспечено телефонами на 83 централизованным водоснабжением холодной водой и на 73 горячей водой на 87 центральным...
25549. Сущность, цель, принципы, направления в РФ 17.58 KB
  В конце прошлого века в российской социологической литературе достаточно четко обозначились 2 концептуальных подхода интерпретирующие семейные отношения и необходимость воздействия на них в рамках семейной политики. Отсюда следовала цель семейной политики: укрепление семьи как социального института. Разнообразие подходов к раскрытию сущности и целей семейной политики привели к ее пониманию как комплексной и межотраслевой. В России семейная политика получила государственное определение в 1996 году в указе президента РФ Об основных...
25551. Традиции семейного воспитания 17.48 KB
  Семья как и другие социальные институты существует воспроизводя традиции следуя определенным образцам деятельности без которых немыслимо само ее развитие. Передаваясь из поколения в поколение традиции адаптируясь к условиям современной жизни не остаются застывшими раз навсегда данными. Но эти функции обычаи и традиции осуществляют разными путями.
25552. Удовлетворенность браком и условия сохранения супружества 12.99 KB
  Субъективная удовлетворенность браком – отношение реальности выполнения партнером своих обязательств к ожидаемым. Причины неудовлетворенности браком: неудовлетворенность адекватных потребностей нереалистич чрезмерно завш ожидания в отношении брала и партнера В иследованиях установили что семейные люди особенно те кто участ в браке ощущающие более высокую степень удовлетворенности. Удовлетворенность браком может быть: полная частичная Эйдемиллер и Юстицкис различают неудовлетворительность осознанная сопровожд конфликтом...
25553. Факторы семейного благополучия 13.1 KB
  Психологическая совместимость супругов. Психологическая совместимость взаимное принятие партнеров по общению и совместной деятельности основанное на оптимальном сочетании сходстве или взаимодополнительности ценностных ориентации личностных и психофизиологических особенностей. Компоненты с семейной психологической совместимости: Психофизиологическая совместимость сексуальная совместимость. Ценностная совместимость любовь нежность взаимоуважение верность деликатность Личностная совместимость наличие благоприятных качеств...