Лабораторна робота № 8 по дисципліні "Пристрої НВЧ та антени"

О ДЕСЬКА НАЦІОНАЛЬНА АКАДЕМІЯ ЗВ'ЯЗКУ ім. О.С. ПОПОВА

Кафедра технічної електродинаміки та систем радіозв’язку

Дослідження рупорних антен

методичні вказівки до використання лабораторної роботи №8

за дисципліною «Пристрої НВЧ та антени»

для студентів денної та заочної форми навчання за дисципліною професійної

підготовки бакалаврів за напрямом вищої освіти 6.050901 – Радіотехніка

Одесса 2012

УДК 621.392.67

Укладач Т.А. Цалієв

Рецензенти: зав. каф. ТЕД та СРЗ, проф. Проценко М.Б.,

доц. каф. ТЕД та СРЗ, доц. Драганов В.М.

Методичні вказівки до лабораторної роботи студентів по дисципліні «Антени та пристрої НВЧ» / Укл. Т.А. Цалієв. – Одеса: Вид-во ОНАЗ ім. О.С. Попова, 2012. – __ с.

Метою методичних вказівок є допомога студентам при самостійному вивченні теоретичних положень дисципліни «Антени та пристрої НВЧ», виконані індивідуальних завдань та лабораторних робот.

Методичні вказівки призначені для студентів денної та заочної форм навчання інституту радіоелектроніки.

Методичні вказівки розглянуті та затверджені на засіданні кафедри технічної електродинаміки та систем радіозв'язку

(протокол № ____ от « » ____________ 20 р.)

Дослідження рупорних антен

1. Ціль роботи

• Поглиблене пророблення лекційного матеріалу.

• Ознайомлення з конструкціями рупорів.

• Вивчення принципу дії рупорних антен.

• Розрахунки параметрів рупорів.

• Вимірювання діаграм спрямованості рупорних антен.

2. Ключові положення

1. Основні визначення

Хвилевідно-рупорні антени (або просто рупорні антени) є найпростішими антенами сантиметрового й міліметрового діапазонів хвиль, вони можуть формувати діаграми спрямованості з головною пелюсткою шириною від до .

Рупорні антени прості у виготовленні, мають коефіцієнт перекриття по частоті приблизно рівний 1,5, а їх ККД становить майже 100%. Рупорні антени можуть застосовуватися самостійно або в якості елементів більш складних антенних систем.

2. Конструкції рупорних антен

Робоча поверхня антени створюється в результаті поступового збільшення розмірів поперечного перерізу живильного хвилеводу, який ухвалює форму рупора. Тому часто ці антени класифікують як антени акустичного типу. Існують різні типи рупорних антен, що відрізняються своїм конструктивним виконанням.

Існує три основні різновиди рупорних антен на основі металевого хвилеводу прямокутного перетину. Так, якщо хвилевід розширюється в площині , те це  площинна секторальна рупорна антена ( – секторальний рупор) (рис.2.1,а), якщо ж розширення відбувається в площині , те це площинна секторальна рупорна антена ( – секторальний рупор) (рис.2.1,б).

Нарешті, якщо розширення хвилеводу відбувається одночасно в обох площинах, те це пірамідальна рупорна антена (пірамідальний рупор) (рис.2.1,в). Рупорну антену на основі круглого металевого хвилеводу, що утворює при розширенні конус прийнято називати конічною рупорною антеною (конічним рупором).

а б в

Рисунок 2.1 Конструкції рупорів

Слід помітити, що існують і багато інші типи рупорних антен (наприклад, рупори на основі діелектричних хвилеводів, рупори зі зламом утворюючої, рупори зі спеціальним профілем стінок або спеціальним заповненням), які, у силу їх обмеженого застосування, ми розглядати не будемо.

Основними геометричними параметрами, що визначають його характеристики, є: довжина рупора , розміри прямокутного розкриву рупора (в  площини) і (в  площини), діаметр круглого розкриву , при цьому довжина рупора визначається як відстань від вершини рупора до середньої точки розкриву (рис.2.2). Вершиною рупора прийнято називати уявлювану вершину ( для конічних або пірамідальних рупорів) або лінію перетинання сторін (для секторального рупора).

Рисунок 2.2 − Структура поля в Е-–секторальному рупорі

Перехід від хвилеводу до рупора намагаються робити плавним, тобто кут при вершині повинен бути невеликим. Сумарні відбиття у хвилеводі, що харчує рупор, визначаються як хвилями, відбитими від розкриву рупора, так і хвилями, відбитими від місця переходу хвилеводу в рупор (горловини).

Оскільки рупор, у порівнянні з відкритим кінцем хвилеводу, являє собою плавний перехід до відкритого простору, то величина відбиттів у живильному хвилеводі в цьому випадку помітно менше, тобто він поліпшує узгодження живильного хвилеводу з вільним простором.

Якщо для високої спрямованості потрібно збільшувати площу розкриву, одночасно слід збільшити довжину рупора. При заданій площі розкриву оптимальна довжина рупора забезпечує максимальний КСД.

3. Структура поля в розкриві рупорних антен

Як і в будь-якої апретурної антени, спрямовані властивості рупора при заданих розмірах, головним чином визначаються амплітудно-фазовим розподіленням поля в його розкриві. Цей розподіл повинний бути визначене шляхом розв'язку внутрішньої задачі при заданих сторонніх джерелах (тобто заданій структурі поля в живильному хвилеводі). Розв'язок такої задачі в строгій постановці є громіздким, математично складним і трудомістким.

Електромагнітна енергія хвилі, що поширюється в рупорі, частково випромінюється, дотягшись його розкриву, а частково відбивається й рухається у зворотному напрямку.

Для більшості практичних додатків розв'язок цієї внутрішньої задачі здійснюється приблизно з використанням наступних припущень, що спрощують:

• у рупорі на всім протязі існує тільки основний тип хвилі;

• відбиття від розкриву не приводять до виникнення вищих типів хвиль;

• амплітудний розподіл поля в розкриві рупора повторює розподіл поля в поперечному перерізі живильного хвилеводу;

• фазовий розподіл поля в розкриві рупора відповідає розподілу циліндричної (у випадку секторальних рупорів) або сферичної хвилі, що поширюється від вершини рупора;

• фазова швидкість хвилі в рупорі приблизно дорівнює швидкості світла.

Користуючись методом геометричної оптики можна приблизно розрахувати фазу поля в довільній крапці в розкриві рупора. Наприклад, для  секторального рупора припускаючи, що фазова швидкість хвилі в рупорі, не відрізняється від швидкості у вільному просторі, тобто , одержимо

, (1)

де − різниця ходу променів від вершини рупора до центру розкриву й до крайньої його точки. У виразі (9.1) ряд містить тільки члени парних ступенів, що обумовлене осьовою симетричністю рупора. У багатьох випадках і в (1) можна обмежитися першим членом, тоді

,

тобто фазовий розподіл поля в розкриві рупорної антени має приблизно квадратичний характер. Відмінності фазового розподілу в розкриві апертурної антени від рівномірного звичайно називають фазовими помилками. Максимальна фазова помилка має місце на краю розкриву рупора, і вона рівна

. (2)

Аналогічно цьому максимальні фазові помилки на краю розкриву – площинного секторального й конічного рупорів рівні, відповідно

, . (3)

Видне, що при фіксованій довжині рупора максимальна фазова помилка зростає при збільшенні розмірів розкриву.

Наявність квадратичних фазових помилок приводить до розширення головної пелюстки й росту рівня бічних пелюсток Д, і, як наслідок, до зниження максимального КСД. Отже, якщо довжина рупора незмінна, то збільшення розмірів розкриву веде, з одного боку − до росту КСД за рахунок збільшення площі випромінюючої поверхні, а з іншого сторони − до зниження КСД внаслідок зростання максимальної фазової помилки.

Припустима максимальна фазова помилка визначається умовою одержання найбільшого КСД при заданім відношенні . Рупор, розміри розкриву якого підібрані так, щоб при заданій його довжині забезпечувався найбільший КСД, називається оптимальним рупором.

Оптимальна довжина – площинного секторального рупора забезпечується при наступнім співвідношенні довжини й розмірів розкриву

(4)

Підставивши (4) в (2) одержимо значення припустимого зрушення фаз для рупорів цього типу . Для – площинного рупора оптимальна довжина забезпечується при іншім співвідношенні

і трохи більшій припустимій фазовій помилці , що пояснюється спаданням амплітудного розподілу до країв його розкриву.

Оптимальні розміри конічного рупора зв'язані між собою співвідношенням

.

4. Спрямовані властивості рупорних антен

При аналізі спрямованих властивостей рупорних антен у більшості випадків використовують так званий апертурний метод, який застосуємо лише в обмеженому секторі кутів, що безпосередньо примикають до головної пелюстки ДС. У першім наближенні вихідною величиною, що визначає характеристику спрямованості антени, зокрема, уважається амплітудно-фазовий розподіл векторів поля в розкриві рупора. Найбільш прості формули одержують, уважаючи фазовий розподіл поля рівномірним (що відповідає нескінченно довгому рупору)

, .

Аналогічні формули для конічного рупора мають вигляд

, ,

де − перший корінь рівняння ; − лямбда–функція, обумовлена зі співвідношення

.

Наведені формули можуть бути трохи уточнені, якщо врахувати відбиття хвилі від розкриву рупора (поле в розкриві в цьому випадку визначається суперпозицією прямій і відбитої хвиль) і відмінність хвильового опору хвилеводу із хвилею основного типу від хвильового опору вільного простору.

Ширина головної пелюстки ДС оптимального – площинного рупора може бути розрахована по формулах

, .

Аналогічні формули для – площинного рупора мають вигляд

, .

Коефіцієнт спрямованого дії рупорних антен приблизно можна розрахувати, скориставшись формулою

, (5)

де − площа розкриву рупора, − КВП розкриву, рівний 0,64 для секторальних рупорів і 0,49 для пірамідального рупора.

Ширина головної пелюстки ДС оптимального конічного рупора може бути розрахована по формулах

, ,

а КСД приблизно визначений зі співвідношення (5) у якім слід покласти .

Частотні властивості рупорної антени залежать від властивостей її основних елементів − рупора, хвилеводу й збудливого обладнання (якщо воно є елементом конструкції антени).

Діапазон робочих частот хвилеводу визначається умовою поширення в ньому хвилі основного типу

, (6)

де − критична довжина хвилі основного типу ( і для прямокутного й круглого хвилеводів, відповідно), − критична довжина хвилі першого вищого типу. Прямокутний хвилевід допускає приблизно полуторне перекриття по діапазону хвиль, а саме й .

Радіус поперечного перерізу круглого хвилеводу вибирається з умови

,

поширення, що забезпечує, тільки основного типу хвилі ( ), причому слід зазначити, що робоча смуга частот круглих хвилеводів трохи менше, чим прямокутних.

Оскільки поперечний переріз рупора більше чому у хвилеводу, то обмежень типу формули (6) для нього не існує, однак зі зміною довжини хвилі змінюються відносні розміри розкриву рупора й максимальна фазова помилка, а, отже, і КСД антени. Параметрами, що визначають смугу робочих частот рупорної антени, у цьому випадку виявляються спрямовані властивості (ширина головної пелюстки ДС, рівень бічних пелюсток) або КСД. Уважається, що при полуторному коефіцієнті перекриття, який забезпечується живильним хвилеводом, зміна КСД трохи перевищує 20%.

Частотні властивості збудливого обладнання залежить від його конструктивного виконання, при цьому критерієм, що визначають ці властивості, є ступінь узгодження вхідного опору з живильним коаксіальним фідером.