4 Порядок виконання роботи

4.1 Включити установку для вимірювання діаграм спрямованості отворів в екрані і дати прогрітися приладам 5 – 10 хв.

4.2 Установити екран з квадратним (круглим) отвором у центрі поворотного столу. Сполучити візуально на одній осі центри розкривів передавальної антени, отвору і приймальної антени, при цьому всі три розкриви мають бути розміщені в просторі паралельно.

4.3 Виміряти нормовану діаграму спрямованості F()= ( максимальне значення ) квадратного і круглого отвору в екрані в межах головної пелюстки. Для цього виконати такі дії:

- прийняти співвісне розміщення центрів розкривів за нуль відліку кутової координати  = 0^о, при цьому значенні кута домогтися, щоб показання індикатора підсилювача  були приблизно 70 – 80 поділок;

- обертаючи поворотний стіл у межах із кроком 2^о, записати значення  у табл. 2.2 для випадків квадратного і круглого отворів та обчислити F();

Таблиця 2.4 – Результати вимірювань діаграм спрямованості

Форма отвору	, град	-24…	-4	-2	0	2	4	…+24
Квадратний	
	F()=
Круглий	
	F()

- побудувати експериментальні залежності F() для квадратного і круглого отворів і за ними визначити значення як різницю кутів, при яких F()=0,7.

4.4 Розрахувати ширину головної пелюстки діаграм спрямованості:

- для квадратного отвору де L = 6 см – сторона квадрата;

- для круглого отвору d = 6 см – діаметр отвору.

4.5 Розрахувати КСД для квадратного і круглого отворів за формулою:

,

де S – геометрична площа отворів.

Скласти табл. 2.5, де навести експериментальні і розрахункові значення параметрів 2 і D, що характеризують спрямованість круглого і квадратного отворів, а також геометричні площі цих отворів S.

Таблиця 2.5 – Параметри досліджених випромінювачів

Параметр	Круглий отвір		Круглий отвір
	Розрахнок	Експеримент	Розрахунок	Експеримент
град
D
S, см2

4.6 Перейти на інше робоче місце для дослідження залежності амплітуди напруженості поля від відстані. За інструкцією, яка є на робочому місці, провести калібрування приладу Р2-61.

4.7 Зібрати установку для вимірювання коефіцієнта передачі , використовуючи як досліджуваний пристрій, що складається з відкритого кінця хвилеводу вхідного спрямованого відгалужувача приладу Р2-61, простору поширення електромагнітної хвилі і підключеної до вихідного спрямованого відгалужувача рупорної антени, приймальна апертура якої розміщена від передавальної апертури відкритого кінця хвилеводу на відстані см.

4.8 Встановити в середині екрана індикаторного блока Р2-61 позначку частоти f = 10 ГГц. Виміряти на цій частоті коефіцієнт передачі . Підключити рупорну антену до вхідного спрямованого відгалужувача, зробивши її передавальною апертурою, а відкритий кінець хвилеводу вихідного спрямованого відгалужувача використовувати як приймальну апертуру. Зберігаючи відстань між апертурами , виміряти значення коефіцієнта передачі . Записати значення і для подальшого порівняння і висновків.

4.9 Зняти рупорну антену. Виміряти значення , змінюючи відстань між передавальною і приймальною апертурами відкритих кінців хвилеводів від = 4 см до = 7 см з кроком 1 см. Дані занести в табл. 2.6 (рядок 1). У рядок 2 заносяться перелічені в рази значення К_р. Третій рядок – це нормована залежність амплітуди поля випромінювання від відстані (тобто при ). У рядку 4 наводиться розрахункова залежність . На одному рисунку побудувати експериментальну і розрахункову залежності як функції r.

Таблиця 2.6 – Результати вимірювань і розрахунку функції

Номер	r, см		…………………………………..
1	Kp, дБ
2	Kp
3
4

5. Завдання підвищеної складності

5.1. Отримати вираз для поля дифракції в дальній зоні прямокутного отвору.

5.2. Отримати вираз для поля дифракції в зоні Фраунгофера кругового отвору.

6. Питання та завдання для захисту звіту

6.1. Запишіть вирази для площини, що служить умовною границею між зонами Френеля і Фраунгофера. Якій фазовій помилці цей вираз відповідає?

6.2. Як залежить ширина головної пелюстки діаграми спрямованості апертурних антен від розмірів розкриву і частоти?

6.3. Що таке елемент Гюйгенса? Наведіть його діаграму спрямованості.

6.4. Поясніть, виходячи з фізичних міркувань, за рахунок чого утвориться спрямоване випромінювання апертурної антени.

6.5. Сформулюйте наближення Гюйгенса-Кірхгофа. Де це наближення використовується?

6.6. Накресліть вигляд діаграми спрямованості квадратного отвору, прорізаного в нескінченному екрані. Якою функцією описується ця діаграма?

6.7. Сформулюйте теорему взаємності для випадку випромінюючих систем і її наслідки.

Л а б о р а т о р н а р о б о т а 11

ДОСЛІДЖЕННЯ ЯВИЩА ДИФРАКЦІЇ ЕЛЕКТРОМАГНІТНИХ ХВИЛЬ

У ЗОНІ ФРЕНЕЛЯ

1 Завдання до самостійної позааудиторної роботи

Вивчити тему «Отвір в екрані. Дифракція Френеля. Дифракція на півплощині» за конспектом лекцій або рекомендованою літературою [8, с. 239 – 256].

2 Контрольні запитання для допуску до аудиторної роботи

2.1 Дифракція Френеля.

2.2 У чому полягає особливість дифракції електоромагнітних хвиль на нескінченній щілині та на півнескінченному екрані?

2.3 Що являють собою зони Френеля?

2.4 Поясніть особливості дифракції на півнескінченному екрані, користуючись поняттям зон Френеля.

2.5 Що являє собою область, суттєва для поширення радіохвиль?

2.6 Поясніть назву "зонна пластинка".

2.7 Принцип дії дифракційної антени.

3 Опис лабораторної установки

3.1 У лабораторній роботі явище дифракції вивчається в сантиметровому діапазоні хвиль.Лабораторна установка для дослідження явища дифракції ЕМХ складається з НВЧ-генератора сантиметрового діапазону хвиль, вимірювального підсилювача, передавальної і приймальної рупорних антен, плоского екрана і набору екранів з круглими отворами певного радіуса. Передавальна рупорна антена за допомогою гнучкого хвилеводу підключена до НВЧ-генератора, що виробляє коливання ЕМХ із частотою f = 10 Ггц, модульованих за амплітудою з частотою F = 1 КГц. Приймання ЕМХ здійснюється рупорною антеною з підключеною до неї детекторною секцією, вихід якої з'єднується з входом вимірювального підсилювача. Схема лабораторної установки зображена на рис. 2.6.

1 – генератор, 2 – передавальна антена, 3 – приймальня антена, 4 – детекторна секція, 5 – вимірювальний підсилювач

Рисунок 2.6 – Схема лабораторної установки для дослідження дифракції в

зоні Френеля

3.2 При поширенні хвиль уздовж траси велике значення мають так звані істотна і мінімальна області. Вони визначаються величиною коливання відношень напруженості: напруженості поля Е в точці спостереження за наявності дифракції до напруженості поля Е₀ за її відсутності. Область, у якій , що відповідає приблизно восьми зонам Френеля при дифракції на круглому отворі, є істотною областю простору. Радіус довільного поперечного перерізу цієї області траси завдовжки де відстань від джерела до площини перетину, визначається виразом

Звідси отримуємо, що максимальний радіус перетину відповідає середині траси і визначається виразом

де – довжина хвилі, а

Область простору траси, в якій Е / Е₀ = 1, називається мінімальною. Її радіус у довільному поперечному перерізі визначається співвідношенням

4 Порядок виконання роботи

Дослідження явища дифракції ЕМХ провести для двох типів перешкод: провідного екрана з круглими отворами різних радіусів і провідного плаского прямокутного екрана. Робота виконується в такій послідовності.

4.1 Провести теоретичне дослідження явища дифракції ЕМХ на круглому отворі і на півплощині за допомогою ПЕОМ, використовуючи програми Di kr-ibm і Diffr-ibm. Вихідними даними для розрахунку є: відстані, вказані на рис. 2.6 (у програмі Di kr-ibm прийнято, що ; L - довжина хвилі ; М – масштаб зображення ( 0 < М < 12).

Програма Di kr-ibm робить розрахунок і будує графік нормованої напруженості поля Е / Е₀ у точці приймальної антени залежно від радіуса отвору в металевому екрані, будує зони Френеля. Програма Diff-ibm виконує ті самі функції, що Di kr-ibm для дифракції на півплощині.

Скопіювати з екрана ПЕОМ графіки залежності Е / Е₀ від r і х для дифракції на круглому отворі і на півплощині відповідно.

4.2 Провести юстування апертурних антен шляхом з’єднання осей симетрії розкривів антен і рознести їхні розкриви на відстань 100 см.

4.3 Включити генератор і підсилювач лабораторної установки і прогріти їх протягом 15 хвилин. Настроїти генератор на частоту 10 ГГц у режимі внутрішньої модуляції, а вимірювального підсилювача – на частоту 1 КГц.

4.4 Якщо між антенами відсутній екран, домогтися положення стрілки індикатора вимірювального підсилювача на позначці 30 поділок. Приймемо цю величину за квадрат амплітуди напруженості поля (через те, що сигнал детектується, ця величина пропорційна величині ) біля розкриву приймальної антени за умови відсутності екрана.

4.5 По черзі встановлюючи екрани з круглими отворами різних радіусів на рівній відстані між розкривами антен , зняти залежність показань на індикаторі вимірювального підсилювача Е² від радіусів R отвору в екрані. При постановці чергового екрана необхідно простежити за тим, щоб центр отвору екрана лежав на прямій лінії, що з'єднує геометричні центри розкривів рупорних антен. Скласти таблицю залежності величин Е і Е / Е₀ від величини радіусів екранів R.

4.6 З метою інверсії фази поля в другій зоні Френеля металеве кільце мінімального радіуса R замінити кільцем з діелектрика (оргскла) таких самих розмірів. Показання індикатора вимірювального підсилювача занести в графу табл.1 відповідного отвору в екрані.

4.7 Використовуючи дані таблиці, нанести експериментальні точки на відповідний графік залежності відносного значення напруженості в точці приймання Е/Е₀ від радіуса R отвору в екрані, отриманий розрахунковим шляхом.

Дані останнього вимірювання на графіку позначити хрестиком.

4.8 Підготувати установку для дослідження дифракції ЕМВ на півплощині. Для цього, зберігаючи співвісність розкривів антен, рознести рупори антен один від одного на відстань + r₂ (величини відстаней r₁ і r₂ задаються викладачем).

4.9 Якщо на установці відсутній екран, за допомогою регулятора «Аттенюатор» на індикаторі вимірювального підсилювача установити стрілку на 70 поділок.

4.10 Переміщуючи екран, установити його так, щоб поле в точці приймання було відсутнє і з'явилося б з початком його руху в напрямку стрілки. Це положення краю екрана прийняти за нульове.

4.11 Зняти залежність показань індикатора вимірювального підсилювача Е² від відстані х із кроком 1 см (х – відстань краю екрана від його нульового положення, див. рис. 6.1). Дані занести в таблицю.

Використовуючи отримані дані, нанести експериментальні точки на відповідний графік, отриманий розрахунковим шляхом для дифракції на напівплощині.

За результатами розрахунку залежності нормованої напруженості поля Е/Е₀ від х визначити границі відкритої і закритої траси за критерієм 0,5 напруженості поля.

5 Завдання підвищеної складності

5.1 Який максимальний розмір має область, суттєва для поширення радіохвиль між пунктами, якщо відстань між ними км на частотах МГц; 1 ГГц; 100 ГГц?

5.2 Знайти положення краю дифракційного екрана, розміщеного на відстані 10 м від антени приймача, для отримання максимального рівня сигналу. Вважати хвилю пласкою ( ГГц).

6 Питання та завдання для захисту звіту

6.1 Що являють собою «зони Френеля» при поширенні ЕМХ? Як пояснити їхню появу?

6.2 Що таке область, істотна для поширення ЕМХ? Обчислити її радіус.

6.3 Що таке мінімальна область поширення ЕМХ? Знайти її радіус для отвору в екрані.

6.4 Пояснити явище дифракції ЕМХ на півплощині.

6.5 Пояснити явище дифракції ЕМХ на круглому отворі в екрані.

6.6 Чому явище дифракції сильніше виявляється при поширенні довгих ЕМХ над Землею?

6.7 Як пояснити результати експерименту з діелектричним кільцем?

1 Розміри радіуса циліндричного резонатора вказані на робочому місці; – критична довжина хвилі з індексами . Резонансні довжини хвиль обчислюються за формулою

куди підставляють значення для хвиль, вказаних у таблиці 3, і довжину , визначену експериментально в 4.2. Для коливань типу прийняти , а для коливань типу перебрати і . При порівнянні експериментальних і розрахункових даних рекомендується перевірити випадок .

64