110 / Laboratornaya_rabota_110
.pdfФЕДЕРАЛЬНОЕ АГЕНТСТВО СВЯЗИ Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования
Московский технический университет связи и информатики Кафедра технической электродинамики и антенн
Лабораторная работа №110
ИССЛЕДОВАНИЕ ДИЭЛЕКТРИЧЕСКИХ АНТЕНН
Москва 2010
План УМД 2009/2010 уч.г.
Лабораторная работа №110
ИССЛЕДОВАНИЕ ДИЭЛЕКТРИЧЕСКИХ АНТЕНН
Составитель А.Б. Прошин
Издание утверждено советом факультета Р и |
Т. |
||||||
Протокол № |
|
от " |
" |
2010 |
г. |
||
|
|
|
|
|
|
|
|
Рецензент В.В. Чебышев
1.ЦЕЛЬ РАБОТЫ
1.1.Изучение принципа действия диэлектрических стержневых антенн.
1.2.Выяснение влияния размеров и формы диэлектрических стержней на диаграмму направленности и коэффициент направленного действия диэлектрических стержневых антенн.
2.УКАЗАНИЯ ПО ПОДГОТОВКЕ К ЛАБОРАТОРНОЙ РАБОТЕ
2.1.Изучить явление полного внутреннего отражения на границе раздела "диэлектрик воздух".
2.2.Изучить структуру поля и свойства волны HE11 в
диэлектрическом волноводе круглого сечения и волны H11
вметаллическом волноводе круглого сечения.
2.3.Изучить теорию антенн бегущей волны с замедленной фазовой скоростью.
2.4.Изучить устройство и принцип действия диэлектрической стержневой антенны.
2.5.Изучить конструкцию возбуждающего устройства для диэлектрического стержня.
3. ЗАДАНИЕ К РАСЧЕТНОЙ ЧАСТИ
Рассчитать диаграмму направленности (ДН) диэлектрической стержневой антенны по данным, приведенным в таблице 1. При расчете ДН длину волны считать равной
3;2 см. В таблице 1 приведены следующие данные: L длина стержня; 2a1 диаметр цилиндрического стержня; 2a1 и 2a2
максимальный и минимальный диаметры конического стержня;
"r относительная диэлектрическая проницаемость материала стержня. Номер варианта выбирается в соответствии с порядковым номером фамилии студента в журнале группы. При расчете использовать теоретические сведения, приведенные в приложении в конце данного описания.
3
|
|
|
|
|
Таблица 1 |
|
№ вар. |
Вид антенны |
L, см |
2a1, см |
2a2, см |
|
"r |
|
|
|
|
|
|
|
1 |
Цилиндрическая |
3,5 |
1,5 |
|
|
2,5 |
2 |
Цилиндрическая |
6,5 |
1,5 |
|
|
2,5 |
3 |
Цилиндрическая |
13,5 |
1,5 |
|
|
2,5 |
4 |
Цилиндрическая |
16 |
1,5 |
|
|
2 |
5 |
Цилиндрическая |
10 |
1,5 |
|
|
3 |
6 |
Коническая |
3,5 |
1,5 |
1,0 |
|
2,5 |
7 |
Коническая |
6,5 |
1,5 |
1,0 |
|
2,5 |
8 |
Коническая |
13,5 |
1,5 |
1,0 |
|
2,5 |
9 |
Коническая |
16 |
1,5 |
0,8 |
|
2 |
10 |
Коническая |
10 |
1,5 |
1,0 |
|
3 |
11 |
Цилиндрическая |
16 |
1,42 |
|
|
2 |
12 |
Цилиндрическая |
12 |
1,42 |
|
|
2,5 |
13 |
Цилиндрическая |
8 |
1,42 |
|
|
3 |
14 |
Коническая |
15 |
1,74 |
1,1 |
|
2 |
15 |
Коническая |
12 |
1,74 |
1,1 |
|
2,5 |
16 |
Коническая |
10 |
1,74 |
1,1 |
|
3 |
17 |
Цилиндрическая |
8 |
1,5 |
|
|
2 |
18 |
Цилиндрическая |
10 |
1,5 |
|
|
2,5 |
19 |
Цилиндрическая |
7 |
1,5 |
|
|
3 |
20 |
Коническая |
6 |
1,5 |
1,0 |
|
3 |
21 |
Коническая |
8 |
1,5 |
1,0 |
|
3 |
22 |
Коническая |
12 |
1,5 |
1,0 |
|
2 |
23 |
Цилиндрическая |
10 |
1,0 |
|
|
2,5 |
24 |
Цилиндрическая |
6,5 |
1,0 |
|
|
2,5 |
25 |
Цилиндрическая |
13,5 |
1,0 |
|
|
2,5 |
26 |
Цилиндрическая |
13 |
1,0 |
|
|
2 |
27 |
Цилиндрическая |
10 |
1,0 |
|
|
2 |
28 |
Коническая |
3,5 |
1,6 |
0,8 |
|
4 |
29 |
Коническая |
6 |
1,6 |
0,8 |
|
3 |
30 |
Коническая |
12 |
1,6 |
0,8 |
|
2 |
4
4.ЗАДАНИЕ К ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЙ ЧАСТИ
4.1.Снять диаграммы направленности диэлектрических антенн в виде цилиндрических стержней.
4.2.Снять диаграммы направленности диэлектрических антенн в виде конических стержней.
4.3.Определить коэффициент направленного действия всех исследуемых антенн.
5.ОПИСАНИЕ ИЗМЕРИТЕЛЬНОЙ УСТАНОВКИ
В данной работе ДН снимается с помощью аттенюатора, установленного в тракте приемной антенны. Метод аттенюатора позволяет производить измерения, не прибегая к градуировке детектора, и исключает ошибки, связанные с формой характеристики детектора, поскольку положение рабочей точки на характеристике детектора в процессе
работы остается постоянным. Схема лабораторной установки для измерения диаграммы направленности показана на рис.1.
Рис.1
5
6.ПОРЯДОК ВЫПОЛНЕНИЯ РАБОТЫ
6.1.Снятие диаграммы направленности.
Включить генератор и усилитель. Исследуемую
диэлектрическую антенну установить в открытом конце волновода приемного тракта. Антенна ориентируется по направлению оси, соединяющей приемную и передающую антенны. Ориентация антенны производится по максимуму показаний индикаторного прибора усилителя. После чего аттенюатором подобрать такое затухание, при котором на шкале индикаторного прибора усилителя установится 50 делений. Записать для этого случая положение указателя шкалы аттенюатора и по градуировочному графику перевести его в децибелы.
Вращая антенну, найти положение первого минимума
ДН. В пределах главного |
лепестка произвести 4 8 измерений |
|
в зависимости от ширины основного |
лепестка ДН. Дальнейшее |
|
измерение ДН антенны сводится к определению значений |
||
углов и показаний аттенюатора, соответствующих минимумам |
||
ДН и максимумам боковых лепестков |
ДН. При отсутствии |
|
боковых лепестков произвести измерение основного лепестка |
||
ДН. Благодаря симметрии ДН достаточно снять только |
||
половину диаграммы, т.е. в одну сторону от оси антенны. |
||
Значения углов поворота антенны и |
соответствующие им |
|
показания аттенюатора заносятся в |
таблицу 2. |
|
|
|
|
Таблица 2 |
Угол поворота |
Деления |
Децибелы |
Децибелы |
антенны, град |
аттенюатора |
по графику |
нормированные |
|
|
|
|
По полученным данным построить нормированную ДН в децибелах в прямоугольной системе координат.
6
6.2. Измерение коэффициента направленного действия.
Измерение КНД в данной работе производится относительным методом. Ко входу усилителя поочередно подключаются эталонная и испытуемая антенны. По разности уровней сигналов в направлении 0 град определяется КНД испытуемой антенны из выражения:
DИСП = DЭТАЛ (NЭТАЛ NИСП);
где DИСП КНД испытуемой антенны, дБ; DЭТАЛ КНД эталонной антенны, дБ; NЭТАЛ затухание аттенюатора при установке эталонной антенны, дБ; NИСП затухание аттенюатора при установке испытуемой антенны, дБ. Коэффициент направленного действия эталонной антенны DЭТАЛ = 14 дБ:
7.СОДЕРЖАНИЕ ОТЧЕТА
7.1.Цель работы.
7.2.Результаты домашнего расчета.
7.3.Результаты эксперимента в виде таблиц и графиков.
7.4.Выводы по проделанной работе.
8.КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ
8.1.В чем состоит явление полного внутреннего отражения на границе раздела "диэлектрик воздух"?
8.2.Объясните принцип действия диэлектрической стержневой антенны.
8.3.Почему диэлектрическая стержневая антенна имеет максимальное излучение в направлении оси?
8.4.Каковы структура поля и свойства волны HE11 в
диэлектрическом волноводе круглого сечения?
8.5.Каковы основные факторы, определяющие диаграмму направленности диэлектрической стержневой антенны?
7
8.6.Объяснить зависимость фазовой скорости волны в диэлектрическом стержне от его диаметра и относительной диэлектрической проницаемости "r материала стержня.
8.7.Объяснить зависимость КНД диэлектрической
антенны от диаметра стержня при фиксированной длине и относительной диэлектрической проницаемости "r.
8.8.Объяснить зависимость КНД диэлектрической антенны от ее длины при фиксированном диаметре стержня и "r.
8.9.Как работает антенна бегущей волны в режиме с замедленной фазовой скоростью?
8.10.Что подразумевается под оптимальной длиной антенны бегущей волны?
8.11.Из каких соображений выбирается величина диэлектрической проницаемости материала стержня?
8.12.Каковы преимущества конических диэлектрических антенн перед цилиндрическими?
8.13.Какое распределение имеет амплитуда и фаза поля вдоль оси диэлектрической антенны без учета отражения от
ееконца?
8.14.Какое распределение имеет амплитуда и фаза поля в поперечном сечении диэлектрического стержня?
8.15.Как меняется форма диаграммы направленности диэлектрической антенны при изменении частоты?
8.16.Каковы особенности конструкции возбуждающего устройства диэлектрической стержневой антенны?
8.17.Какова структура поля волны H10 в прямоугольном волноводе и волны H11 в волноводе круглого сечения?
8.18.В чем состоят ограничения, накладываемые при выборе диаметра диэлектрического стержня?
8.19.В каких случаях можно не учитывать направленных свойств элемента длины диэлектрической антенны?
8
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1.Ерохин Г.А., Чернышев О.В., Козырев Н.Д., Кочержевский В.Г. Антенно-фидерные устройства и распространение радиоволн. М.: Горячая линия Телеком, 2004. 491 с.
2.Кочержевский Г.Н., Ерохин Г.А., Козырев Н.Д. Антенно-фидерные устройства. М.: Радио и связь, 1989.
352с.
3.Воскресенский Д.И., Гостюхин В.Л., Максимов В.М., Пономарев Л.И. Устройства СВЧ и антенны. М.: Радиотехника, 2006. 376 с.
4.Айзенберг Г.З., Ямпольский В.Г., Терешин О.Н. Антенны УКВ. Ч.1,2. М.: Связь, 1977. 667 с.
5.Антенны и устройства СВЧ. / Под ред.
Д.И. Воскресенского. М.: Сов. радио, 1972. 320 с.
9
ПРИЛОЖЕНИЕ Диэлектрические стержневые антенны относятся к
классу антенн бегущей волны с осевым излучением.
Для приближенного расчета диаграммы направленности диэлектрической стержневой антенны может быть использована формула
|
|
sin |
2 |
kL |
( |
|
cos )3 |
|
|
|
|
||||
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||||
F ( ) = '1( ) |
|
|
|
4 |
|
2 |
|
5 |
|
= '1( ) |
|
sin u |
; |
||
kL |
|
|
|
u |
|||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|||||||||
|
|
|
|
|
|
( cos ) |
|
|
|
|
|||||
|
|
|
|
2 |
|
|
|
|
|
||||||
где u = kL2 ( cos ); k волновое число, k = 2 = ;
L длина стержня; коэффициент замедления, = c= ф; c скорость света в воздухе; ф фазовая скорость
распространения волны в диэлектрическом стержне; угол между осью антенны и направлением в точку наблюдения;
'1( ) множитель, учитывающий направленные свойства элемента длины диэлектрической антенны, '1( ) 1.
Коэффициент замедления волны в диэлектрическом стержне диаметром 2a можно определить по графику.
10