Литература

1. О. С. Милованов, Н. П. Собенин. Техника сверхвысоких частот. Атомиздат, М., 1980.

2. А. Н. Зайцев, П. А. Иващенко, А. В. Мыльников. Измерения на сверхвысоких частотах. Издательство стандартов, М., 1989.

3. Д. М. Сазонов, А. Н. Гридин, Б. А. Мишустин. Устройства СВЧ. Высшая школа, М., 1981.

4. Э. Конуэлл. Кинетические свойства полупроводников в сильных электрических полях. Мир, М., 1970.

ПРИЛОЖЕНИЕ

Термисторный преобразователь

5 Исследование рупорной свч 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.

Рисунок 1 - Диаграмма направленности антенны в полярной системе координат

На рисунке 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 рисунке 1.

Рисунок 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 рисунке 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) излучающегоотверстияилираскрыва 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 rпо 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 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 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.