ID: 12112

Название работы: Исследование магнитной антенны

Категория: Лабораторная работа

Предметная область: Физика

Описание: Лабораторная работа №8 Тема: Исследование магнитной антенны Цель: Познакомить с конструкцией магнитной антенны и научиться измерять её функцию направленности. Оборудование: ПЭВМ со специализированным пакетом программ NI LabVIEW. 1 Краткие теорет

Язык: Русский

Дата добавления: 2013-04-24

Размер файла: 758.5 KB

Работу скачали: 9 чел.

Лабораторная работа №8

Тема: Исследование магнитной антенны

Цель: Познакомить с конструкцией магнитной антенны и научиться измерять её функцию направленности.

Оборудование: ПЭВМ со специализированным пакетом программ NI LabVIEW.

         1 Краткие теоретические сведения

Магнитные антенны являются разновидностью рамочных антенн. Это рамка в виде витка провода, радиус которого r«λ, а площадь S«λ2. Её называют электрически малой (рисунок 1). При этом условии можно считать, что амплитуда тока во всех сечениях рамки одинаковая.

Рисунок 1 - Электрически малая рамка в  режиме приема

 

Рассмотрим электрически малую рамку в режиме приема, имея в виду, что рамочные антенны используются главным образом как приемные. Введем обозначения: Hm, Em - амплитуды напряженностей магнитного и электрического полей плоской Т-волны, пересекающей рамку; θ - угол между направлением вектора Пойнтинга П Т-волны и нормалью n к плоскости рамки. Тогда вектор Н образует с этой нормалью угол 90°-θ, а составляющая напряженности магнитного поля вдоль нормали Hnm=Hmcos(90°-θ)=Hmsinθ. Значит, в рамке площадью S, находящейся в среде с абсолютной магнитной проницаемостью μa, мгновенные значения напряженности магнитного поля, магнитной индукции и магнитного потока соответственно равны:

 

                                  (1)

                                      (2)

Фмгн=ВмгнS=μaHmSsinθsinωt                                          (3)

  

Для рамки из N витков потокосцепление ψмгн=NФмгн индуцирует в рамке ЭДС, мгновенное значение которой

  

 

Если среда воздушная, то μa=μ0=4π∙10-7 Г/м,

 

 

  

  (5)

 

Амплитуда этой ЭДС

 

                                       (6)

 

Выводы.

1.В плоскости рамки (θ=90,270°) ЭДС, индуцируемая в ней, максимальна:

  

.                      (7)

 

В направлении, перпендикулярном этой плоскости, где θ = 0, 180°, εAm=0, т.е.  приема нет.

2.Электрически малая рамка имеет нормированную функцию направленности (рисунок 2).

F(θ)=sinθ                                                        (8)

3.В электрическом диполе Герца ЭДС синфазна с напряженностями электрического и магнитного полей дальней зоны. В рамке, как видно из ЭДС поля сдвинуты по фазе на 90°. Значит, по направленным свойствам рамка и диполь Герца идентичны, но между ними имеются и различия, в силу которых диполь Герца называют электрическим диполем, а рамку - магнитным диполем.

 

Рисунок 2 - ДН электрически малой рамки

Разделив εAmm на Em ,получим действующую длину рамки

.

Эта формула справедлива для рамки любой формы, если площадь S<<λ2. Таким образом, действующая длина рамки, а следовательно, и индуцируемая в ней ЭДС прямо пропорциональны площади, ограниченной контуром рамки, числу ее витков и обратно пропорциональны  длине волны.

 Для электрически малой рамочной антенны, поскольку ее направленные свойства такие же, как элементарного электрического вибратора, справедливы формулы

D=1,5.

Направленные свойства приемной рамки используются для уменьшения влияния помех и для определения направления на радиостанцию. В первом случае плоскость рамки располагают перпендикулярно направлению помехи, и тогда помеха не влияет на радиоприем. Во втором, вращая рамку до получения в ней максимальной ЭДС, устанавливают направление на радиостанцию. Именно так рамочные антенны работают в радиопеленгаторах – приборах, предназначенных для обнаружения направления (пеленга) на радиостанцию. Минимум ДН рамки острее максимума, в связи с чем пеленгация при помощи рамочной антенны чаще производится по минимуму приема.

Отличительной чертой магнитных антенн (рамки из N витков) является наличие сердечника с высокой магнитной проницаемостью (рисунок 3). В качестве сердечника чаще всего используются ферритовые стержни. Их магнитная проницаемость μст  уменьшается за счёт размагничивающего действия полюсов, которое сказывается тем сильнее, чем больше поперечное сечение и меньше длина стержня. Сердечники магнитных антенн поэтому изготавливают длинными и малого диаметра (L/d >>1).

Рисунок 3 – Магнитная антенна (а) и схема включения её во входной контур приемника

1- ферритовый стержень;

2- резиновый амортизатор;

3- скоба;

4- стойка крепления к шасси приёмника.

В радиоприёмниках с магнитной антенной обмотка L1, L2 служит индуктивной катушкой входного контура L1, L2, C (рисунок 1, б). Этот контур с добротностью Q настраивается в резонанс на несущую частоту принимаемой станции. Введение сердечника в рамочную антенну  и появление резонанса во входном контуре дают выигрыш в амплитуде ЭДС сигнала в μст Q раз . В такой же мере увеличивается действующая длина антенны hд . Например при длине стержня 10…20 см., диаметре 0,5…1 см, магнитной проницаемости μст=100…..400 значение hд достигает нескольких метров.

Поворачивая приёмную антенну, например, в горизонтальной плоскости можно добиться усиления полезного сигнала и подавления помех, т.е. кроме частотной избирательности использовать угловую. Т.е., если  помехи имеют какое-нибудь преимущественное направление, отличное от направления полезного сигнала (рисунок 4), то отношение сигнал/помеха на зажимах антенны можно еще более повысить. Для этого ДН антенны должна иметь ярко выраженное направление нулевого приема, которое совмещают с направлением помехи; правда, теперь направление сигнала может не совпасть с максимумом луча ДН, тем не менее отношение сигнал/помеха окажется высоким даже при широкой ДН.

Рисунок 4 – Увеличение отношения сигнал/помеха при помощи направленной приемной антенны

        2 Ход работы

2.1.Запустить программу: Лабораторная работа №7 “Исследование магнитной антенны”.

2.2.Ознакомится с теоретической частью.

2.3.Нажать на кнопку в нижней части окна программы.

2.4.Получить ДН приемной магнитной антенны расположенной в свободном пространстве (в вертикальной плоскости). При этом необходимо помнить, что ДН приемной антенны – это зависимость амплитуды 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 5.

Рисунок 5 - Схема получения диаграммы направленности приемной 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  6).

Рисунок 6- Вид кнопки запуска

2.4.3.Получить ненормированную ДН приемной антенны в соответствии с выражением (6). При этом предполагается, что магнитная антенна с площадью витка S, количеством витков N. находится в электрическом поле передающей антенны, формирующей плоскую Т-волну с напряженностями Em и Hm (рисунок 5), изменяющимися с частотой f, характерной для гектометрового и километрового диапазонов длин волн, и на ее зажимах формируется ЭДС EА (таблица 1). Предполагается так же, что положение плоскости рамки можно изменять относительно угла θ равного 0 (на рисунке 6 плоскость рамки находится под углом θ=90о). Данные вводятся во входной интерфейс программы (рисунок 7).  

Таблица 1

Вариант						1	2	3	4	5	6	7	8
Площадь витка S, м2					S	1E-4	5E-4	2E-4	4E-4	7E-4	9E-4	1E-5	6E-4
Количество витков					N	100	220	400	340	510	930	1000	150
Напряженность В/м				Em		2E-4	1E-5	4E-4	9E-4	9E-5	5E-5	8E-4	9E-6
Частота сигнала, Гц				f		6E5	5E5	8E5	1E6	2E6	4E5	7E5	9E5
Углы					θa	30	50	145	90	120	345	200	270
Углы					θb	90	270	23	350	78	34	100	170
9		10	11			12	13	14	15	16	17	18	19
S	1,6E-4	2E-4	9E-4			4E-4	8E-4	9E-5	1E-3	6E-4	5E-4	9E-5	2E-4
N	240	500	600			700	800	950	1100	150	870	760	470
Em	2,5E-5	7E-5	2E-4			2E-4	1E-5	4E-4	9E-4	9E-5	5E-5	8E-4	9E-6
f	7,6E5	6E5	9E5			2E6	8E5	4E5	7E5	4E5	2E5	7E5	6E5
θa	35	70	20			95	165	135	125	225	305	360	320
θb	70	135	270			23	350	78	34	100	170	70	20
20		21	22			23	24	25	26	27	28	29	30
S	7,6E-4	4E-4	8E-4			9E-5	8E-4	2E-4	9E-4	4E-4	8E-4	9E-5	4E-4
N	340	600	800			950	850	500	600	700	800	950	340
Em	2,5E-5	2E-4	1E-5			4E-4	1E-4	7E-5	2E-5	2E-4	1E-5	4E-4	9E-4
f	4,6E5	2E5	985			1E6	8E5	2E5	7E5	2E5	4E5	7E5	6E5
θa	75	90	165			135	165	70	20	95	165	135	90
θb	90	23	350			78	350	125	270	45	350	68	350

Примечание: Все переменные имеют стандартный вид, поэтому:

1мВ – 1* 10-3В – 1E-3В.

  

Рисунок 7 - Входной интерфейс программы

ДН приемной антенны отображается в рабочем поле программы, где предварительно необходимо настроить параметры полярной системы координат. Для этого найти окно “Параметры полярной системы координат ” (распложено над окном полярной системы координат), ввести в строку “Масштаб” значение 0,00 и выставить круговой сектор обзора ДН. (рисунок 8).

Примечание: Прямоугольная система координат не требует дополнительной настройки.

Рисунок 8 - Параметры полярной системы координат

2.4.4. По полученным ДН определить максимальное (Emmax) и минимальное (Emmin) значения ЭДС на зажимах магнитной антенны и соответствующие им полярные углы (θ1max, θ2 max, θ1min, θ2 min). При этом плоскость витков (рамки) магнитной антенны расположена  под углами θa и θb .

2.4.5. Измеренные данные занести в таблицу 2, при этом учесть значения сопротивления излучения RΣ(R) и действующей длины hд, отображаемые на дополнительных индикаторах R и hд.

Таблица 2

Положение антенны	Emmax, В	θ1max	θ2 max	Emmin, В	θ1min	θ2 min	RΣ(R), Ом	hд, м
θa
θb

2.4.6. По полученным результатам сделать выводы о количестве основных лепестков ДН магнитной антенны, о расположении максимумов лепестков диаграммы направленности относительно плоскости рамки, о величине сопротивления излучения и о возможности использования магнитной антенны в качестве передающей. О направлениях прихода помеховых сигналов, при которых они не будут оказывать влияние на прием полезного сигнала.

2.4.7.Получить нормированную ДН магнитной антенны по данным таблицы 1

для положения антенны, соответствующего углу θa. При этом в окне “Вид диаграммы направленности” (рисунок 7), необходимо переключиться на отображение нормированной ДН.

2.4.8.Определить ширину основного лепестка ДН магнитной антенны – углового сектора  ∆θ0.707  между направлениями, вдоль которых значения нормированной функции направленности уменьшаются в 0.707 раз по сравнению с максимальным значением. Для этого необходимо получить углы θ1 и θ2 на уровне 0.707. Тогда  ∆θ0.707=θ2 – θ1 – ширина ДН ( рисунок 9). 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.

Кол-во основных лепестков на ДН	2
Ширина ДН, ∆θ0.707= θ2 – θ1 (129-50)	79

Рисунок 9 - Определение ширины нормированной ДН

2.4.9. По результатам измерения заполнить таблицу 3.

Таблица 3

Положение антенны θa	Emmax	θ1	θ2	∆θ0.707	Кол - во основных лепестков

3 Отчет должен содержать

3.1.Тему и цель работы.

3.2.Ход работы.

3.4.Таблицы 1, 2, 3 с результатами экспериментов и расчетов.

3.4. Рисунок с ненормированной (в прямоугольной системе координат) и нормированной (в полярной системе координат) ДН  магнитной антенны.

3.5.Выводы по основным пунктам работы.

3.6.Ответы на контрольные вопросы.

4 Контрольные вопросы

4.1 Перечислить основные параметры антенн.

4.2 Объяснить принцип действия рамочной антенны.

4.3 Может ли в принципе рамочная антенна использоваться как передающая?

4.4 Как зависит диаграмма направленности антенны от расположения рамки к направлению излучения.