Лабораторная работа № 4

АНТЕННА С ЧАСТОТНЫМ СКАНИРОВАНИЕМ

Цель работы: исследовать диаграммы направленности волноводно-щелевых антенн, свернутых в спираль.

Для быстрого сканирования диаграммы направленности антенн применяют, метод сканирования, основанный на изменении частоты генератора этот метод не требует системы фазовращателей для управления фазой излучателей, антенной системы для частотного сканирования сравнительно просты по конструкции. Вместе с тем должен быть выполнен ряд требований к передающему и приемному устройствам, а также к фидерным системам :

1. частота генератора должна быть периодически изменяющейся по определенному закону в пределах 5-10%;

2. приемник должен непрерывно автоматически подстраиваться в соответствии с изменением частоты генератора;

3. фидерный тракт должен обладать достаточно большой полосой пропускания, включающей весь диапазон качания частоты;

4. механические допуски при изготовлении антенно-фидерной системы должны быть весьма жесткими.

Частотно сканирование осуществимо как в непрерывных, так и в дискретных излучающих антеннах, однако возможности непрерывных систем невелики, поэтому на практике используются почти исключительно дискретные системы.

Возможность качания луча путем изменения частоты вытекает из частотной зависимости направления главного максимума лепестка решетки излучателя:

sin _m = m₀ /d + ₀ /kd , m = 0, 1, 2, 3 …

где _m - направление главного лепестка (отсчет угла от нормали к антенне),

d - расстояние между соседними излучателями,

₀ - длина волны, распространяющейся в свободном пространстве,

₀ - фазовый сдвиг между соседними излучателями.

Возможности антенных систем частотного сканирования оцениваются углочастотной зависимостью.

Углочастотной чувствительностью антенны называется изменение угла наклона главного максимума _m (в градусах) на процент изменения частоты генератора

_f ^' = (d_m /df)f (градус/процент) или _^' = (d_m /d)₀ (градус/процент).(2)

Если в качестве питающей линии применяется обычный прямоугольный волновод ( прямой или спиральный), то углочастотная чувствительность антенны определяется выражением:

(3)

где _д - длина волны в волноводе,

_кр - критическая длина волны выбранного волновода,

l - расстояние между соседними щелями по питающему фидеру (рис.1).

Из (2) видно, что углочастотная чувствительность зависит от начального положения ДН, чем ближе направление главного максимума к оси решетки, тем они больше.

Углочастотная чувствительность растет с увеличением отношения и с увеличением длины волны в волноводе. Последнее, очевидно, эквивалентно увеличению дисперсии питающей линии (рис.2) . Однако, заметно увеличить дисперсию в волноводе не удается из-за резкого возрастания потерь. Поэтому естественным средством увеличения углочастотной чувствительности является применение свернутых (спиральных) и зигзагообразных (змейковых) волноводов у которых может быть взято много больше 1.

Электрическая перестройка частоты современных генераторов СВЧ может быть без затруднений осуществлена в пределах 10% диапазона. Для того чтобы при таком изменении частоты качать ДН в широком секторе углов, углочастотная чувствительность должна быть порядка 5-10 на 1% изменения частоты, а иногда и выше.

Такая углочастотная чувствительность получается в случае применения свернутых волноводов при отношении порядка 5 и больше. При этом антенна становится довольно громоздкой, что для многих применений оказывается совершенно непригодным. В этих случаях могут найти применение различные линии обладающие повышенной дисперсией, в частности волноводы, с различными замедляющими системами (рис.3). Здесь l = d и уравнение углочастотной зависимости может быть записано в виде:

;

где _гр – групповое замедление в питающем волноводе, равное сумме фазового замедления ξ и его производной по частоте: .

Описание макета антенны с частотным качанием ДН.

Макет антенны выполнен в виде волновода прямоугольного поперечного сечения 10х23 мм² , свернутого в спираль (шаг спирали – 2,5 см, внешний диаметр - 5,74 см, толщина стенки волновода – 1 мм). В широкой стенке прямоугольного волновода прорезана крестообразные симметричные щели.

Задание:

1. определить частоту, при которой главный лепесток ДН спирального волновода направлен по нормали к антенне;

2. измерить ДН на трех частотах (включая нормаль) -5%;

3. рассчитать углочастотную чувствительность спирального волновода на 3-х исследуемых частотах.;

4. измерить поляризацию в направлении главного лепестка при излучении антенны по нормали и в случае отклоненного луча.

рис.1

d

рис.3