Лабораторная работа №7 Исследование диэлектрической стержневой антенны

Цель работы:

- изучить конструкцию стержневой диэлектрической антенны и ее влияние на направленные свойства;

- экспериментально исследовать амплитудное распределения поля вблизи антенны;

- экспериментально исследовать диаграмму направленности антенны.

Эскиз диэлектрической стержневой антенны показан на рис.12.

Рис 12. Диэлектрическая стержневая антенна.

1 - круглый волновод; 2 - диэлектрический стержень.

Зависимости коэффициента направленного действия (КНД) и ширины диаграммы направленности (ДН) показаны на рис.13.

Рис.13. Зависимости КНД антенны и ширины ДН антенны от ее длины.

Диаграмма направленности диэлектрической стержневой антенны рассчитывается по формуле ,

где А – амплитудный множитель, - диаграмма направленности элементарного излучателя, α – коэффициент затухания в материале стержня антенны, l – длина стержня антенны, - постоянная распространения в свободном пространстве, ξ – коэффициент замедления.

Коэффициент замедления связан с углом, под которым направлен главный максимум излучения относительно оси антенны следующим соотношением .

Если коэффициент замедления больше единицы (режим медленных волн), то максимум диаграммы направленности направлен вдоль оси антенны. В этом случае коэффициент замедления можно найти из графика (ε – диэлектрическая проницаемость материала стержня антенны, d – диаметр стержня). Коэффициент замедления ξ можно определить по графикам, представленным на рис.14.

Рис.14. График зависимости коэффициента замедления волны в антенне.

Если потери в антенне малы (0), то диаграмма направленности рассчитывается по формуле:

.

Описание лабораторной установки

Функциональная схема лабораторной установки приведена на рис.15. Установка состоит из СВЧ генератора 3-х сантиметрового диапазона дли волн, работающего в режиме модуляции меандром. Колебания с выхода генератора через волноводно-коаксиальные переходы и коаксиальный кабель поступают в передающую диэлектрическую стержневую антенну. В работе имеется набор стержней, имеющих различные размеры, которые можно заменять. Распределение амплитуды поля вдоль диэлектрического стержня передающей антенны и в плоскостях, поперечных к его оси, можно измерять при помощи подвижного зонда. Сигнал, пропорциональный амплитуде поля в месте расположения зонда, детектируется детектором D1 и подается на индикатор.

Измерение ДН передающей антенны производится при вращении ее вокруг оси, на которой антенна крепится к стенду. При этом на индикатор подается продетектированный сигнал, принятый вспомогательной рупорной антенной A2.

Рис 15. Функциональная схема установки.

Порядок выполнения работы.

Работа выполняется последовательно для двух различных диэлектрических стержней. Выбрать, по указанию преподавателя, из лабораторного набора стержни, измерить их геометрические размеры. По результатам измерения выполнить необходимые расчеты и заполнить табл.9.

Таблица 9

№ стержня		КНД
1
2

ℓ - длина стержня, λ₀ – длина волны генератора.

1. Измерение амплитудного распределения поля у антенны.

Закрепить исследуемый стержень в возбуждающем устройстве.

Подвести зонд к месту выхода стержня из возбуждающего устройства. Подключить выход зонда к индикатору.

Уменьшая затухания выходного аттенюатора СВЧ генератора, получить достаточные показания на индикаторе.

Перемещая зонд вдоль антенны, производить отсчеты показаний индикатора. Данные измерений отнормировать к единице и занести в табл.10.

Таблица 10

Z		0	0,2 ℓ	0,4 ℓ	0,6 ℓ	0,8 ℓ	ℓ
	№ стержня
	1
	2

Установить зонд у стержня на расстояние .

Перемещая зонд в направлении, поперечном к оси антенны, производить отсчеты показаний индикатора. Данные измерений занести в табл.11.

Таблица 11

X
	№ стержня
	1
	2

d_ср – средний диаметр стержня.

2. Измерение диаграммы направленности антенны

Отвести зонд от антенны. Подключить к индикатору выход приемной рупорной антенны А2.

Изменяя затухание выходного аттенюатора генератора получить достаточные показания на индикаторе.

Поворачивая передающую антенну вокруг оси стенда, отсчитывать показания индикатора. Данные измерений отнормировать к единице и занести в таблицу 12. Измерения выполнять в пределах главного и первых боковых лепестков ДН.

Получить 5 точек в пределах главного лепестка. Для этого определить углы направления главного максимума θ_m и направления первого минимума θ₀, измерения проводить с шагом |θ_m-θ₀|/6.

Таблица 12

θº		θm=		...
	№ стержня	1		...
	1	1
	2	1

Найти угол направления максимума первого бокового лепестка θ₁ и его уровень.

Примечание. Теоретическую диаграмму направленности антенны необходимо рассчитывать по формулам, приведенным в основных расчетных соотношениях в начале описания лабораторной работы.

При расчете диаграммы направленности принять .

Диэлектрическая проницаемость полиэтилена – 2,25, фторопласта – 2.

Контрольные вопросы.

1. Конструкция и принцип действия диэлектрической стержневой антенны.

2. Величины основных параметров диэлектрической стержневой антенны.

3. Область применения диэлектрической стержневой антенны.

4. Влияние формы и геометрических размеров стержня на параметры диэлектрической стержневой антенны.

5. Формирование диаграммы направленности в антеннах бегущей волны.

6. Режимы работы антенн бегущей волны. Излучение антенны в различных режимах.

7. Методика измерения параметров диэлектрической стержневой антенны.