21010

Исследование особенностей распространения радиоволн сантиметрового диапазона и экспериментальное снятие диаграммы направленности рупорной антенны

Лабораторная работа

Коммуникация, связь, радиоэлектроника и цифровые приборы

Краткие сведения по теме Диаграмма направленности антенны представляет собой графическую зависимость напряженности электромагнитного поля созданного антенной от углов наблюдения в пространстве. Чтобы построить диаграмму направленности ДН характеристики поля измеряют на одинаковом достаточно большом расстоянии от антенны. Основные значения параметров антенны в режиме приема и передачи остаются неизменными следовательно диаграмма направленности антенны не зависит от того применяется антенна в качестве передающей или приемной т.

Русский

2016-09-14

307.48 KB

81 чел.

ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА №8

ИССЛЕДОВАНИЕ РУПОРНОЙ АНТЕННЫ

Цель работы: исследование особенностей распространения радиоволн сантиметрового диапазона и экспериментальное снятие диаграммы направленности рупорной антенны.

  1.  Краткие сведения по теме

Диаграмма направленности антенны представляет собой графическую  зависимость напряженности электромагнитного поля, созданного антенной, от углов наблюдения в пространстве. Чтобы построить диаграмму направленности (ДН), характеристики поля измеряют на одинаковом, достаточно большом расстоянии от антенны.

ДН строят либо в полярной системе координат, либо в прямоугольной (декартовой), которая позволяет более точно изображать узкие ДН.

Основные значения параметров антенны в режиме приема и передачи остаются неизменными, следовательно, диаграмма направленности антенны не зависит от того, применяется антенна в качестве передающей или приемной, т.е. любая антенна является обратимой.  

Риунок 8.1 - Диаграмма направленности антенны в полярной системе координат.

На рисунке 8.1 для примера приведена диаграмма направленности, построенная в полярных координатах. У этой диаграммы направление максимального сигнала совмещено с направлением начала отсчета углов поворота антенны (), а сам максимальный сигнал принят за единицу, то есть в направлении радиусов векторов здесь отложена не сама величина интенсивности сигнала , а пропорциональная ей величина (такая диаграмма направленности называется нормированной).

Из рисунка 1 видно, что диаграмма направленности имеет характерную форму лепестка. Лепесток, соответствующий максимальному сигналу (в данном случае ), называют главным лепестком диаграммы направленности, а все последующие – боковыми лепестками. Лепестки, находящиеся в диапазоне углов от 900 ≤ ≤2700 часто называют задними. Уровнем боковых лепестков характеризуется степень защищенности от помех, созданных другими источниками.

Антенны, применяемые на сверхвысоких частотах, часто обладают столь узкими диаграммами направленности, что их графическое изображение в полярной системе координат становится затруднительным. В этих случаях диаграммы строят в прямоугольной системе координат, откладывая по вертикали , а по горизонтали – угол поворота антенны. Примером такой диаграммы служит кривые 1 и 2 на рисунке 2, построенные для той же антенны, что и на рис1.  

Рисунок 8.2 - Диаграмма направленности антенны в прямоугольной системе координат.

В некоторых случаях диаграммы направленности строят не в относительных величинах напряжения , а в относительных величинах мощности. Так как мощность пропорциональна квадрату напряжения, то диаграмма направленности по мощности может быть получена при возведении в квадрат соответствующих величин . Таким путем, в частности, была построена кривая 2 на рис. 2.

Как показывают опыт и расчет, на направленные свойства рупорных антенн большое влияние оказывают как геометрические размеры и форма раскрыва антенны, так и характер изменения амплитуды электромагнитного поля по отверстию (тип волны).

При заданных размерах раскрыва антенны максимальная напряженность получается при равномерном (однородном) распределении в ней амплитуд электромагнитного поля.

Для излучающего отверстия антенны прямоугольной формы диаграмма направленности  определяется формулой:

   (1)

где - угол, образованный перпендикуляром к раскрыву антенны и заданным направлением;

- линейный размер антенны (в той же плоскости, в которой определяется диаграмма);

- длина волны.

Направленные свойства антенн, помимо диаграммы направленности, характеризуются еще  коэффициентом усиления (КУ) и коэффициентом направленного действия (КНД). 

Коэффициент направленного действия антенны D – это число, показывающее во сколько раз нужно увеличить мощность излучения абсолютно ненаправленной антенны по сравнению с мощностью направленной антенны, чтобы сохранить неизменной напряженность поля  в месте приема.

Коэффициент направленного действия не учитывает потерь подводимой энергии в проводниках антенны, в изоляторах, в окружающих антенну предметах и в земле.

Коэффициент усиления антенны равен произведению от умножения ее коэффициента направленного действия на коэффициент полезного действия:

            КУ = КНД х КПД                                                  (2)

На сверхвысоких частотах в качестве стандартной антенны чаще всего берется изотропный излучатель.

Коэффициент усиления антенны, также как и диаграмма направленности, зависит от геометрических размеров излучающего рупора, а именно:

                (3)

где   - эффективная площадь излучающего отверстия антенны;

λ2 – квадрат длины волны, в тех же единицах, что и S.

Отношение эффективной площади излучающего отверстия к геометрической площади (площади раскрыва рупора) называется коэффициентом использования поверхности  (КИП) излучающего отверстия или раскрыва антенны и обозначается буквой γ.

                                     (4)

Для рупорной антенны коэффициент использования поверхности  равен 0,6-0,8. Значение КИП в рупоре, меньшее единицы, обусловлено неравномерностью амплитуд поля в плоскости Н и фазовыми искажениями поля в раскрыве. Для оптимального рупора КИП равен 0,6. Фазовые искажения в раскрыве можно скорректировать посредством рефлектора, в этом случае КИП повышается до 0,8.

Распространение радиоволн в однородном свободном пространстве прямолинейно и сопровождается убыванием плотности потока энергии с увеличением расстояния r по экспоненциальному закону. При проектировании систем связи очень удобно пользоваться понятием  «потери при распространении волны», понимая под этим отношение излучаемой мощности к принимаемой. Коэффициент потерь равен:

             (5)

где - коэффициенты усиления приемной и передающей антенны.

При переходе из одной среды в другую радиоволны испытывают отражение и преломление (рисунок 8.3).

Угол отражения равен углу падения, а угол преломления зависит от электрических свойств среды. Угол падения и угол преломления связаны между собой законом синусов:

             (6)

где - диэлектрическая проницаемость одной и второй среды соответственно;

- показатели преломления одной и второй среды относительно воздуха.

Рисунок 8.3 - Отражение и преломление радиоволн.

При отражении и преломлении изменяется наклон фронта, фаза волны и амплитуда. Степень отражения радиоволн принято оценивать коэффициентами отражения, показывающими, какой части амплитуды напряженности падающей волны соответствует амплитуда напряженности отраженной волны:

     (7)

Степень отражения зависит от состояния и электрических параметров отражающей поверхности, а также от поляризации радиоволн.

2 Описание стенда

Стенд  предназначен для исследования свойств СВЧ колебаний в пространстве. Стенд содержит передатчик, который генерирует электромагнитные волны длиной      2.5 см, и приемник, который улавливает эти колебания и преобразует их в ток,  измеряемый миллиамперметром. Внешний вид стенда показан на рисунке 8.4.

Передатчик состоит из блока питания, генератора и передающей антенны. Блок питания расположен в отдельном корпусе 1. На одну из стенок корпуса выведены три переключателя и разъем для питания генератора. Первый переключатель включает блок питания. Второй - подает напряжение на накал генератора. Третий -  подает напряжение одновременно на резонатор и отражатель генератора.

В качестве генератора СВЧ колебаний используется отражательный клистрон. Отражательный клистрон представляет собой сверхвысокочастотный электровакуумный прибор, в котором энергия постоянного тока превращается в энергию высокочастотных колебаний путем модуляции электронного потока по плотности и последующего взаимодействия промодулированного потока с электромагнитным полем резонатора.

 

Рисунок 8.4 - Стенд для изучения свойств СВЧ колебаний:

1 – блок питания, 2 – отражательный клистрон, 3 – передающая антенна, 4 – приемная антенна, 5 – приемник колебаний, 6 – миллиамперметр.

Отражательный клистрон состоит из следующих основных узлов (рисунок 8.5):

  1. электронной пушки, формирующей электронный пучок;
  2. резонатора, в зазоре которого электроны взаимодействуют с высокочастотным полем;
  3. отражателя, в поле которого формируется модулированный по плотности электронный поток;
  4. вывода энергии, являющегося элементом связи с высокочастотным трактом.

Для начальной фокусировки электронного потока используется фокусирующий электрод. В данном клистроне фокусирующий электрод гальванически соединен с катодом, то есть имеет одинаковый с ним потенциал.

На подогреватель подается переменное напряжение 6,3 В.

На резонатор клистрона подается положительное по отношению к катоду напряжение 300 В.

Резонатор в центральной части имеет отверстия, через которые электроны, вышедшие из катода, попадают в область между резонатором и отражателем. Эти отверстия закрыты прозрачными для электронов сетками, благодаря которым высокочастотное поле в этой части резонатора оказывается однородным. Область резонатора, в которой происходит взаимодействие электронного потока с высокочастотным полем резонатора, называют высокочастотным зазором резонатора.

Рисунок 8.5 - Схематическое изображение отражательного клистрона:

1 – катод; 2 – фокусирующий электрод; 3 – вывод энергии; 4 - резонатор; 5 – высокочастотный зазор; 6 – сетка резонатора; 7 - отражатель; 8 – электронный поток; 9 – подогреватель (нить накала).

На отражатель клистрона подается напряжение, отрицательное относительно катода, величина которого 70 В. В поле отражателя электроны тормозятся и возвращаются обратно в зазор резонатора.

Возбуждение колебаний в отражательном клистроне можно объяснить следующим образом. Поток электронов, ускоренный постоянным напряжением резонатора, попадает в высокочастотный зазор, где модулируется по скорости полем резонатора. Высокочастотное поле резонатора в течение одного полупериода ускоряет электроны, в течение другого – замедляет, а когда высокочастотное поле меняет знак, электроны практически не меняют скорость. Промодулированный по скорости электронный поток попадает в область между резонатором и отражателем, где модуляция электронного потока по скорости приводит к модуляции его по плотности – образуются сгустки электронов.

Попадая в зазор резонатора, сгустки электронов или отдают свою энергию полю резонатора, или получают ее от поля резонатора. Генерация в клистроне будет продолжаться, если сгустки электронов попадают в поле резонатора в момент времени, когда высокочастотное поле является для них тормозящим, и генерация срывается, когда поле в момент попадания сгустков ускоряющее. Изменяя время пролета электронов в области отражателя, можно либо настроить клистрон в режим генерации, либо сорвать генерацию. Это осуществляется изменением напряжения на отражателе.

В качестве приемной и передающей антенны используется антенна типа «пирамидальный рупор». Внешний вид антенны показан на рисунке 8.6.

Рисунок 8.6 - Пирамидальный рупор.

Для лучшего представления излучения и приема именно этого типа антенны рассмотрим распределение электрического и магнитного полей в антенне. Структура поля в Е- и Н- плоскости пирамидального рупора изображена на рисунке 8.7.

 

Рисунок 8.7 - Структура поля в Е- и Н- плоскости пирамидального рупора.

Приемник (рисунок 8.4) смонтирован на прямоугольном волноводе. К одному концу волновода припаяна пирамидальная рупорная антенна. На другом конце волновода установлена втулка, внутри которой вертикально расположен кремниевый диод типа ДК – С7М.

Верхней резьбой конец диода закреплен во втулке, а нижний его конец входит в гнездо, изолированное от волновода. Диод имеет возможность вертикально перемещаться для настройки приемника. К гнезду и угольнику, припаянному к волноводу, подведен экранированный одножильный шнур. Свободный конец шнура подключен к зажимам миллиамперметра.

Конец волновода закрыт согласующей пробкой (металлический поршень), закрепленной сверху винтом. Настройка приемника с помощью согласующей пробки произведена изготовителями стенда. Волновод закреплен на стойке, которая установлена на подставке. Приемник с рупорной антенной может передвигаться на любое расстояние от передатчика и поворачиваться вместе с подставкой вокруг горизонтальной оси.

2. Порядок выполнения измерений

  1. Изучить устройство стенда:
  2. приемника;
  3. передатчика.
  4. Привести передатчик в исходное положение:
  5. перевести тумблер "сеть" в положение "Выкл.";
  6. перевести тумблер "накал" в положение "Выкл.";
  7. перевести тумблер "резонатор и отражатель" в положение "Выкл.".
  8. Включить передатчик в сеть.
  9. Произвести запуск передатчика:
  10. перевести тумблер "Сеть" в положение "Вкл.";
  11. перевести тумблер "Накал" в положение "Вкл.";
  12. через 1-2 минуты перевести тумблер "Резонатор и отражатель" в положение "Вкл.";
  13. проверить работу передатчика с помощью приемника, то есть расположив приемник на некотором расстоянии от передатчика, проверить наличие тока в приемной антенне.
  14. Измерение диаграммы направленности:
  15. расположив приемник напротив передатчика, определить расстояние, на котором миллиамперметр регистрирует максимальный ток;
  16. не изменяя это расстояние, перемещают приемник вокруг излучателя  и снимают показания прибора (рисунок 8.8).

Рисунок 8.8 - Структурная схема измерения диаграммы направленности.

Результаты измерений и вычислений сводятся в таблицу 1.

                        Таблица 1 - Измерение диаграммы направленности.

L, см

,

I, мкА

I/Imax,

         6. Исследование влияния подстилающей поверхности на распространение радиоволн в пространстве:

  1. расположив приемник напротив передатчика, определить расстояние, на котором миллиамперметр регистрирует максимальный ток при отсутствии подстилающей поверхности;
  2. установить приемник и излучатель на деревянный стол и записать показания миллиамперметра;
  3. установить подстилающую поверхность в виде ровного металлического листа и записать показания миллиамперметра;
  4. установить подстилающую поверхность в виде гофрированного металлического листа и записать показания миллиамперметра.

Таблица 2 - Измерение поглощения радиоволн в пространстве.

Тип подстилающей поверхности

   L, см

   I, мкА

Отсутствие подстилающей поверхности

Деревянный стол

Ровный металлический лист

Гофрированный металлический лист

Содержание отчета

В отчете необходимо привести:

  1. структурную схему измерения диаграммы направленности;
  2. таблицу измерения диаграммы направленности;
  3. график диаграммы направленности в полярной и прямоугольной системе координат;
  4. расчет коэффициента усиления антенны;
  5. таблицу измерения поглощения радиоволн в пространстве;
  6. расчет коэффициента потерь;
  7. сделать выводы о свойствах радиоволн.

Контрольные вопросы

  1.  Каковы преимущества и недостатки рупорных антенн?
  2. Виды рупорных антенн.
  3. Опишите принцип действия пирамидального рупора с квадратным раскрывом.
  4. Чем определяются диапазонные свойства рупора?
  5. От чего зависят  направленные свойства рупорных антенн?
  6. Влияние подстилающей поверхности.
  7. Что такое перекрестная поляризация и какие способы ее устранения Вы знаете?



 

А также другие работы, которые могут Вас заинтересовать

17690. Скін-ефект. Аномальний скін-ефект 18.65 KB
  Скінефект. Аномальний скінефект Проникнення єлектронномагнітної хвилі в тонкий поверхневий шар металу є частковим випадком скінефекту. Сам шар у який проникає електромагнітне поле називається скіншаром. Напруженість поля в скіншар зменшується експоненційно таки
17691. Теорія випромінювання Ейнштейна 19.17 KB
  Теорія випромінювання Ейнштейна Це по суті новий теоретичний вивід формули Планка. Нехай значення енергії які може набувати атом чи будьяка атомна система. Розглянемо багато однакових атомів у світловому полі яке є ізотропним і неполяризованим. Нехай і – кіль...
17692. Товсті та тонкі голограми 96.74 KB
  Товсті та тонкі голограми. Голографія набір технологій для точного запису відтворення і переформатування хвильових полів. Це спосіб одержання обємних зображень предметів на фотопластинці голограми за допомогою когерентного випромінювання лазера. Голограма фік
17693. Умови інтерференції двох хвиль 17.49 KB
  Умови інтерференції двох хвиль. Інтерференція – зміна середньої інтенсивності що обумовлена принципом суперпозиції. Для інтерференції хвиль необхідною умовою є їх когерентність: однакові частоти однаково поляризованілінійно стала в часі різниця фаз. ...
17694. Фазовий синхронізм у параметричних явищах 36.72 KB
  Фазовий синхронізм у параметричних явищах. Нелінійний доданок до поляризації середовища в нульовому наближені:перший доданок не залежить від часу так зване оптичне детектування. Другий доданок гармонічно змінюється з часом. З ним пов’язана генерація в нелінійному сер...
17695. Фізіологічні властивості ока 20.29 KB
  Фізичні та фізіологічні властивості зору. Гострота зору. Навпроти зіниці в сітківці знаходиться так звана жовта пляма в середині якої центральна ямка. Щільність зорових клітин паличок і колбочок в цьому місці найбільшатому тут найвища гострота зору. Акомодація
17696. Формула Планка 22.79 KB
  Формула Планка. Виводячи формулу для спектральної густини енергії рівноважного випромінювання Планк висунув гіпотезу про те що випромінення й поглинання світла речовиною відбувається не неперевно а кінцевими порціями які називаються квантами світла або енергії. ...
17697. Формули енергетичної світності Стефана-Больцмана і зміщення Віна 73.39 KB
  Формули енергетичної світності СтефанаБольцмана і зміщення Віна. Закон СтефанаБольцмана: Повна потужність теплового випромінювання зростає пропорційно четвертому ступеню абсолютної температури тіла. Енергетичною світністю R називається відношення потоку випр
17698. Формули Френеля 41.19 KB
  Формули Френеля Фомули Френеля визначають амплітуди й інтенсивності заломленої й відбитої хвилі при проходженні світла через плоску границю розділу двох середовищ із різними показниками заломлення. Формули Френеля справделиві в тому випадку коли границя розділу дв...