Устройства СВЧ и антенны (90

Федеральное агентство связи

Государственное федеральное образовательное учреждение высшего профессионального образования

ПОВОЛЖСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ ТЕЛЕКОММУНИКАЦИЙ И ИНФОРМАТИКИ

ЭЛЕКТРОННАЯ БИБЛИОТЕЧНАЯ СИСТЕМА

Самара

1

ГОСУДАРСТВЕННОЕ ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ ВЫСШЕГО ПРОФЕССИОНАЛЬНОГО ОБРАЗОВАНИЯ

«ПОВОЛЖСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ ТЕЛЕКОММУНИКАЦИЙ И ИНФОРМАТИКИ»

Устройства СВЧ и антенны

Методические разработки к лабораторным работам

МАТЕМАТИЧЕСКОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ АНТЕНН СВЧ

Составители: доц. Солдатов А.А. асс. Табаков Д.П.

Рецензент: проф. Осипов О.В.

Самара

2011

Лабораторная работа №1

―ИССЛЕДОВАНИЕ ВИБРАТОРНОЙ АНТЕННЫ СВЧ‖

Цели работы:

–изучение основных характеристик антенн;

–исследование математической модели вибраторной антенны в среде «MathCad»;

–экспериментальное измерение характеристик направленности вибраторной антенны;

–изучение методов расчѐта характеристик вибраторной антенны.

Литература

1.Сазонов Д. М. Антенны и устройства СВЧ. - М., ―Высшая школа‖, 1988. – 432 с.

2.Вычислительные методы в электродинамике / Под ред. Р. Митры – М. – Мир,

1974. – 228 с.

3.Драбкин А. Л. и др. Антенно-фидерные устройства. - М., ―Сов. радио‖, 1972.

– 480 с.

4.Воскресенский Д. И., Кременецкий С. Д., Гринев А. Ю., Котов Ю. В. Автоматизированное проектирование антенн и устройств СВЧ: Учебн. пособие для ВУЗов. – М.,: Радио и связь, 1988. – 342 с.

5.Неганов В. А. Исследование волноводных ферритовых СВЧ – устройств. Мет. разработка к лаб. работе. Самара: ПИИРС, 1992. – 29 с.

6.Неганов В.А., Яровой Г.П. Теория и применение устройств СВЧ. – М.,: Радио и связь, 2006. – 719 c.

7.Неганов В.А., Табаков Д.П., Яровой Г.П. Современная теория и практические применения антенн. – М.,: Радиотехника, 2009. – 716 c.

8.Приложение к настоящей методической разработке.

Подготовка к лабораторной работе

При подготовке к лабораторному занятию необходимо:

–изучить соответствующую литературу;

–изучить задание на работу, цель работы;

–изучить работу СВЧ генератора Г4–80 и селективного усилителя (см. [5]);

–изучить работу измерительной линии;

–изучить методику измерения характеристик вибраторной антенны;

–получить у преподавателя допуск к проведению экспериментальных исследований.

Контрольные вопросы

1.Рассказать о трех зонах излучения антенн. Какими характеристиками они описываются?

2.Перечислить основные характеристики антенн.

3.Записать характеристику направленности в векторной форме. Дать определения нормированной и ненормированной характеристик направленности антенны.

4.Нарисовать схему электрического вибратора. Показать качественно характер распределения электрического тока, эквивалентного магнитного тока и распределения заряда вдоль вибратора.

5.Перечислить основные допущения в физической модели тонкого вибратора. Записать выражение для тангенциальной составляющей Ez электрического

поля через векторный потенциал Az .

6.Записать интегральное уравнение Галена для тонкого электрического вибратора.

7.Записать интегральное уравнение Поклингтона для тонкого электрического вибратора.

8.Дать сравнительную характеристику интегральных уравнений Поклингтона и Галена.

9.Рассказать о характере диаграммы направленности вибратора.

10.Дать определение сопротивления излучения и коэффициента направленного действия (КНД) вибратора.

1. Математическое моделирование вибраторной антенны

1.1. Исследование распределений тока и нормированных амплитудных диаграмм направленности

Математическое моделирование вибраторной антенны реализуется в среде «MathCad». В основе модели лежит интегральное уравнение Поклингтона, которое решается методом согласования в точках [2]. Суть метода заключается в разбиении вибратора на сегменты равной длины. Амплитуда тока на каждом сегменте считается постоянной. Таким образом, решение интегрального уравнения сводится к решению соответствующей системы линейных алгебраических уравнений (СЛАУ), записанной относительно неизвестных амплитуд тока на сегментах.

Параметры моделирования:

3.Как меняется диаграмма направленности вибратора при различных отношениях Lv / ?

4.Как меняется входное сопротивление вибратора при различных отношениях

Lv / ? Какой характер оно имеет при малых значениях Lv / ?

1.2. Исследование входного сопротивления вибратора

Входное сопротивление является одной из важнейших характеристика антенн. Знание входного сопротивления необходимо для согласования антенны с питающей ее фидерной линией передачи. В данном разделе требуется провести расчет входного сопротивления Zin в диапазоне Lv / 0.25...1.5 . Для корректного построения графиков необходимо взять в указанном диапазоне не менее 20

Для вывода списка значений частот, на которых нужно рассчитать входное сопротивление, в программе предусмотрена функция i ( max , min , N ) , параметрами которой являются:

Для автоматического формирования списка соответствующих значений Lv / в программе предусмотрена функция L i ( max , min , N ) с аналогичными параметрами.

Таким образом, для рационализации построения графика входного сопротивления в среде «MathCad» необходимо выполнить следующие действия:

1.Создание объекта Zin : с присвоением ему вектора-столбца, содержащего 20 строк. Для этого с помощью сочетания клавиш «Ctrl+M (создать матрицу)» выводим окно, показанное на рисунке 1, вводим значения Rows и Columns так, как показано на рисунке, и нажимаем OK.

Рис.1. Ввод вектора-столбца

2. Вычисление значения входного сопротивления Zin на первой длине волны из

списка, генерируемого функцией i ( max , min , N ) , где max 2 , min 0.3 , N 20 .

3. Выделение полученного значения, копирование его в буфер обмена с помощью сочетания клавиш «Ctrl+C», а затем вставка в качестве первого элемента в вектор-столбец Zin с помощью сочетания клавиш «Ctrl+V»

4.Повторение пунктов 2 и 3, с последовательным вводом других значений длин волн из списка, генерируемого функцией i ( max , min , N ) , до полного заполнения вектора-столбца Zin .

5.Вывод графика входного сопротивления. В программе имеется шаблон, где

представлен график входного сопротивления вибратора с другим значением радиуса и соответствующим вектором-столбцом Zin1 (рисунок 2). Этот шаблон используется для построения необходимого графика путем правки

Zin1 Zin

Выводы к лабораторной работе по данному этапу строятся на основании ответов на следующие вопросы:

1. При каких значениях Lv / входное сопротивление вибратора имеет индуктувный характер, а при каких – емкостной?

2.При каком значении Lv / наблюдается последовательный, а при каком – параллельный резонанс в вибраторе? Что является признаком резонанса?

Рис.2. Шаблон графика входного сопротивления

3. Сопротивление металла, из которого изготовлен вибратор, равно нулю, а действительная часть входного сопротивления всегда отлична от нуля. Чем это обусловлено?

2. Измерение характеристик тонкого симметричного электрического вибратора

2.1. Схема измерительной установки

Структурная схема экспериментальной установки приведена на рисунке 3. Прежде всего необходимо измерить длину плеча тонкого вибратора l, а затем

провести по указанной ниже методике три измерения ДН вибратора: при l 0.25 ( - длина волны генератора); l 0.5 ; l .

В начале измерения нужно удостовериться в наличии СВЧ мощности на выходе СВЧ – генератора, что устанавливается по наличию показания измерительного усилителя 5 при всех включенных приборах по схеме рисунка 3 ( см. [5]), и возможности изменения мощности с помощью переключателя мощности

генератора Г4 – 80. выставить на генераторе максимальную мощность и частоту, соответствующую l / 0.25 , l / 0.5 или l .

Рис.3. Структурная схема измерительной установки:

1.Генератор СВЧ Г4-80 (Г4-81);

2.Исследуемая вибраторная антенна;

3.Приѐмная антенна;

4.Детекторная секция;

5.Измерительный усилитель У2-8.

2.2. Подготовка измерительной установки к измерениям

Вращаем поворотное устройство измерительной рупорной антенны, добиваясь максимальных показаний измерительного усилителя 5, причем рупорную антенну необходимо вращать как в горизонтальной, так и в вертикальной плоскости. В случае зашкаливания стрелки индикатора измерительного усилителя У2-8, следует переключить шкалу измерительного усилителя (см. [5]) или при необходимости уменьшить мощность генератора Г4-80 аттенюатором мощности генератора. Установку можно считать подготовленной к работе, если стрелка индикатора измерительного усилителя находиться в максимальном положении.

2.3. Снятие диаграммы направленности (ДН) вибраторной антенны

Здесь прежде всего необходимо определить характер ДН исследуемой антенны (вращая поворотное устройство по горизонтальной плоскости), оценить ширину основного лепестка, установить наличие боковых лепестков (в некоторых случаях их может и не быть). Исходя из полученной информации, следует определить интервал между будущими отсчетными точками в градусах по горизонтальной шкале поворотного устройства ( 1, n ).

В характеристике диаграммы направленности должны быть изменены характерные точки (максимумы и минимумы), для основного лепестка необходимо измерить ДН в 6…10 точках; для боковых лепестков количество точек можно ограничить 3…4.

Установленный первоначально уровень мощности на индикаторе усилителя при 0 0 принимается за Fmax. Плавно вращая поворотное устройство с исследуемой антенной в горизонтальной плоскости через определенный заранее шаг , снимаются показания усилителя – F( 1 ). Необходимо взять квадратный корень из измеренных значений, что соответствует переходу от изменений по

мощности к изменению по полю. Затем производится нормировка снятых показаний индикатора по формуле:

f ( i ) F( i ) / Fmax

и результаты заносятся в таблицу 1. Измерения снимаются при вращении рупорной антенны на поворотном устройстве против часовой стрелки на 900 и по часовой стрелке на 900 .

2.4. Измерение поляризационной характеристики вибраторной антенны в главном направлении

Аналогично п. 2.3 подготовить измерительную установку к измерениям. Поворачивая приемный рупор измерительной установки вокруг вертикальной оси (вокруг продольной оси антенны), снять зависимость значений измерительного усилителя F ( i ) от угла поворота i через каждые 100 от 0 до 3600. Результаты измерений занести в таблицу 3. произвести нормировку показаний индикатора измерительного усилителя по максимальному значению:

f ( i ) F( i ) / Fmax .

2.5. Построение диаграммы направленности и поляризационной характеристики в полярной и декартовой (прямоугольной)

системах координат

Подробнее о способах изображения ДН антенны см. [1], [6]. Ширина диаграммы направленности определяется по уровню 0.707 от максимального значения главного лепестка. Затем необходимо сравнить три измеренных ДН и значения ширины ДН на уровне 0.707.

Таблица 1

Показания измерительного усилителя, [отн. ед.]

Нормированная диаграмма направленности

Поляризационная характеристика также строится в полярной и прямоугольной системах координат. Следует учесть, что каждое измерение откладывается дважды на прямых, симметричных относительно начала координат.

Таблица 2

2.6. Измерение входного сопротивления антенны

Установить на генераторе частоту, при которой осуществляется максимальное излучение. Собрать установку, согласно рисунку 4.

Рис.4. Структурная схема настройки измерительной линии: 1.Генератор СВЧ (ГЧ-81, ГЧ-80)

2.Измерительная линия (Р1-36) 3.Индикатор (У2-8, В3-38) 4.Короткозамыкатель/Антенна

С помощью перемещения индикаторной головки по вертикали и горизонтали, настроить измерительную линию на максимальное показание шкалы индикатора.

После этого отсоединить короткозамыкатель 4 и присоединить к измерительной линии исследуемую антенну, согласно рисунку 4. Затем нужно снять кривую распределения напряжения вдоль фидера измерительной линии, которая примерно будет иметь вид, показанный на рисунке 5.

Для вычисления входного сопротивления антенны сначала определяется коэффициент бегущей волны K , который равен отношению ближайшего к антенне минимального значения напряжения (минимальное показание стрелки индикатора) к максимальному значению стрелки индикатора (максимальное значение стрелки индикатора).