МИНИСТЕРСТВО ЦИФРОВОГО РАЗВИТИЯ, СВЯЗИ И МАССОВЫХ КОММУНИКАЦИЙ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ
Ордена Трудового Красного Знамени федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования
Московский технический университет связи и информатики
Кафедра «Техническая электродинамика и антенны»
Практикум № 107
ИЗМЕРЕНИЕ КОЭФФИЦИЕНТА УСИЛЕНИЯ АНТЕНН
Москва 2024
План УМД 2024 / 2025 уч. г.
Практикум № 107
ИЗМЕРЕНИЕ КОЭФФИЦИЕНТА УСИЛЕНИЯ АНТЕНН
Составитель: к.т.н., доцент Т.А. Гайнутдинов
Издание утверждено советом факультета РиТ.
Протокол №_____ от «____» ___________ 2024 г.
Рецензент, к.т.н., доцент Т.Н. Федотова
2
1. Цель работы Ознакомление с понятиями коэффициента усиления (КУ) антенны, коэф-
фициента направленного действия (КНД) антенны и с методами измерения КУ.
2. Расчетная часть
(выполняется при подготовке к работе)
2.1.Изучить теоретический материал к работе по рекомендованной литературе и по Приложению данного описания. При изучении обратить внимание на следующие вопросы:
– определение КУ и КНД для режима передачи;
– определение КУ и КНД для режима приема;
– физический смысл понятий КУ и КНД;
– расчет мощности, перехватываемой приемной антенной;
– основные факторы, влияющие на КНД апертурных антенн (зависимость КНД от формы поверхности излучающего раскрыва, от площади раскрыва, от длины волны или частоты, от амплитудного и фазового распределений поля на поверхности раскрыва).
2.2.По исходным данным, приведенным в таблице 1, в соответствии с порядковым номером студента в журнале группы, рассчитать коэффициенты направленного действия антенн, минимальное допустимое расстояние между антеннами и мощность, поступающую на вход приемника.
2.3.Изучить по описанию схему лабораторной установки и методику выполнения работы.
3. Схема и описание лабораторной установки Схема измерительной установки показана на рис. 1.
Рис.1 Блок-схема измерительной установки
3
Источником высокочастотных колебаний служит генератор, работающий на частоте 9375 МГц. Эти модулированные по амплитуде колебания излучаются передающей антенной. На выходе приемной антенны сигнал детектируется и подается на низкочастотный измерительный усилитель.
|
|
|
|
|
Таблица 1 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Расстояние |
|
Размеры пря- |
Размеры диа- |
|
|
|
|
моугольного |
гонали квад- |
||
|
|
между прием- |
Мощность пе- |
|||
№ |
Частота, |
раскрыва пере- |
ратного рас- |
|||
п.п. |
МГц |
ной и переда- |
редатчика, |
дающей антен- |
крыва прием- |
|
ющей антен- |
мВт |
|||||
|
|
ны, см |
ной антенны, |
|||
|
|
нами, м |
|
|||
|
|
|
|
см |
||
|
|
|
|
|
||
|
|
|
|
|
|
|
1 |
2 |
3 |
4 |
5 |
6 |
|
1 |
12000 |
3,8 |
50 |
4 5 |
12 |
|
2 |
11700 |
4,0 |
60 |
5 6 |
12 |
|
|
|
|
|
|
|
|
3 |
11500 |
4,2 |
70 |
4 7 |
10 |
|
4 |
11250 |
4,4 |
80 |
4 4,5 |
10 |
|
|
|
|
|
|
|
|
5 |
11000 |
4,6 |
90 |
5 5 |
11 |
|
|
|
|
|
|
|
|
6 |
9750 |
4,8 |
100 |
5 5,5 |
12 |
|
7 |
9370 |
5,0 |
110 |
5 6 |
13 |
|
|
|
|
|
|
|
|
8 |
9100 |
5,2 |
120 |
5,5 5,5 |
14 |
|
9 |
9000 |
5,4 |
130 |
5,5 6 |
15 |
|
|
|
|
|
|
|
|
10 |
8750 |
5,6 |
140 |
6 6 |
16 |
|
11 |
8500 |
5,8 |
150 |
6 6,5 |
17 |
|
12 |
8250 |
6,0 |
160 |
6 7 |
18 |
|
13 |
8000 |
6,5 |
170 |
6,5 7 |
19 |
|
14 |
7900 |
7,0 |
180 |
6 7,5 |
20 |
|
15 |
7800 |
7,5 |
190 |
7 7 |
21 |
|
16 |
7700 |
8,0 |
200 |
7 7,5 |
22 |
|
17 |
7600 |
8,5 |
250 |
7 8 |
23 |
|
18 |
7500 |
9,0 |
300 |
7 8,5 |
24 |
|
19 |
7400 |
9,5 |
350 |
7 9 |
25 |
|
20 |
7300 |
10 |
400 |
7,5 8,5 |
26 |
|
21 |
7200 |
11 |
450 |
7,5 9 |
27 |
|
22 |
7100 |
12 |
500 |
8 8 |
28 |
4
23 |
7000 |
13 |
550 |
8 9 |
29 |
24 |
6900 |
14 |
600 |
8 10 |
30 |
25 |
6800 |
15 |
650 |
9 12 |
31 |
|
|
|
|
|
|
26 |
6700 |
16 |
700 |
12 14 |
32 |
27 |
6600 |
17 |
750 |
14 18 |
33 |
28 |
6500 |
18 |
800 |
14 20 |
34 |
29 |
6400 |
19 |
850 |
16 22 |
35 |
30 |
6300 |
20 |
900 |
15 20 |
36 |
4.Лабораторное задание
4.1.Измерить КУ антенны № 1 методом двух одинаковых антенн.
4.2.Измерить КУ каждой из трех антенн методом трех различных антенн.
4.3.Измерить КУ антенны № 2 и антенны № 3 относительным методом, используя антенну № 1 в качестве эталонной антенны.
5.Порядок и методика выполнения работы
5.1. Измерение КУ методом двух одинаковых антенн.
Детекторная секция вместе с аттенюатором № 1 отсоединяется от приемной антенны и подсоединяется к выходу измерительной линии вместо передающей антенны (рис.2,3).
Рис.2 Блок-схема установки для измерения N0
С помощью кабеля выход детекторной секции соединяется с входом измерительного усилителя. Все делители на передней панели измерительного усилителя устанавливаются на 1, а указатель усиления на 100. Аттенюатор № 1 детекторной секции устанавливается в положение 20…30 делений для обеспечения согласования детекторной секции с волноводным трактом. С помощью
5
аттенюатора № 2 (аттенюатор № 269) добиваются, чтобы стрелка измерительного усилителя установилась в середине шкалы (50 делений).
Рис.3 Вид установки для измерения N0
Соответствующие показания аттенюатора № 2 переводят в децибелы (N0) с помощью градуировочной кривой, имеющейся на лабораторном стенде (см. рис.4). С помощью ручки регулировки выходной мощности на панели генератора необходимо добиться, чтобы величина N0 составляла не менее 25…30 дБ.
Рис.4 Аттенюатор № 2 и градуировочные кривые аттенюаторов
6
Далее приемная и передающая антенны № 1 устанавливаются на максимально доступном расстоянии r друг от друга (рис 5, 6)
Рис.5 Блок-схема установки для измерения N11
Рис.6 Вид установки при измерении N11
С помощью аттенюатора № 2 (аттенюатора № 269) добиться, чтобы стрелка измерительного прибора снова отклонилась на 50 делений. При этом нельзя менять показания аттенюатора № 1 и уровень выходной мощности генератора. Соответствующее показание аттенюатора перевести в децибелы (N11). Рассчитать КУ антенны № 1 no формуле
G |
= 10lg |
|
4 r |
− |
1 |
N |
|
|
− N |
|
|
, |
(1) |
|
1дБ |
|
|
|
|
|
2 |
|
0 |
(дБ ) |
|
11(дБ ) |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||
где r=3,2 м, - длина волны
5.2. Измерение КУ методом, трех разных антенн.
Измерение отношения принимаемой мощности к передаваемой произво-
7
дится попарно для каждой из трех антенн методом, аналогичным описанному выше. Рисунки блок-схемы установки для измерения N12, N13 и N23 приведены ниже
Рис.7 Блок-схема установки для измерения N12
Рис.8 Блок-схема установки для измерения N13
Рис.9 Блок-схема установки для измерения N23
Каждый раз производится ориентация антенн по максимуму поля в месте приема. Фактически Nij – переведенные в дБ показания аттенюатора № 2 (аттенюатора № 269) при который стрелка на измерительном усилителе находится на 50 делениях при подключении к генератору антенны с номером i,а к усили-
8
телю антенны с номером j. Измеренные значения N12, N13 и N23 записываются и по нижеприведенным формулам находятся значения КУ для всех трех антенн.
G1(дБ ) |
= 10lg |
|
4 r |
− |
1 |
(N0 |
− N12 |
− N31 |
+ N23 ) , |
|
||||||
|
|
|
2 |
|
||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||
G |
= 10lg |
|
4 r |
− |
1 (N |
0 |
− N |
23 |
− N |
12 |
+ N |
31 |
) , |
(2) |
||
2(дБ ) |
|
|
|
|
|
2 |
|
|
|
|
|
|
||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||
G3(дБ ) |
= 10lg |
|
4 r |
− |
1 |
(N0 |
− N31 |
− N23 |
+ N12 ) . |
|
||||||
|
|
|
2 |
|
||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||
При использовании формул (2) необходимо учитывать, что Nij= Nji.
5.3. Измерение КУ относительным методом.
Собрать схему, изображенную на рис.5,6. Тщательно сориентировать приемную и передающую антенны № 1 по максимуму показания индикатора измерительного усилителя.
Установить на индикаторе усилителя 50 делений с помощью аттенюатора № 2 (№269). Записать показания аттенюатора № 2 в децибелах (Nэ). Добиться с помощью регулировки аттенюатора № 1 и ручки выходной мощности генератора, чтобы величина Nэ была не менее 6 дБ. Вместо передающей антенны № 1 включить на передачу антенну № 2. С помощью аттенюатора № 2 установить те же показания на индикаторе. Записать показания аттенюатора № 2 в децибелах (N исп2). Вместо передающей антенны №2 установить на передачу антенну № 3. Установить на индикаторе усилителя 50 делений с помощью аттенюатора № 2. Записать показания аттенюатора № 2 в децибелах (N исп3).
Выключить генератор и измерительный усилитель.
Найти Gэ как среднее арифметическое из двух значений G1 , полученных по формуле (1) и (2).
Найти коэффициент усиления антенны № 2 G2 как
G2 = Gэ + Nисп2 − Nэ , |
дБ . |
(3) |
Найти коэффициент усиления антенны № 3 G3 как |
|
|
G3 = Gэ + Nисп3 − Nэ , |
дБ . |
(4) |
6.Содержание отчета
6.1.Краткая формулировка основных задач работы.
6.2.Блок-схема всех измерений с указанием названия и типа применяемых приборов.
6.3.Предварительные расчеты.
9
6.4.Результаты измерений с необходимыми пояснениями.
6.5.Сравнение результатов экспериментов и краткие выводы по работе.
7. Контрольные вопросы 7.1.Что такое КНД антенны в режиме передачи?
7.2.К двум антеннам, с одинаковым КУ в направлении максимального излучения, но с разными размерами излучающей поверхности, подводится оди- наковая мощность. Каково соотношение напряженностей полей, создаваемых антеннами в направлении излучения?
7.3.При каких условиях будут одинаковы КНД у синфазно и равномерно возбужденных поверхностных антенн круглой (диаметр d) и квадратной (сторо- на квадрата а) форм?
7.4.Какой параметр нужно измерить для определения КУ зеркальным ме-
тодом?
7.5.Определяется КУ антенны относительным методом. Напряженность поля, создаваемая испытуемой антенной, в два раза больше напряженности поля, создаваемого эталонной антенной при одной и той же подводимой мощности. КНД эталонной антенны 20 дБ. Каково значение КНД испытуемой антенны?
7.6.Дайте определение КУ антенны в режиме приема.
7.7.Две антенны имеют одинаковый КНД и излучают одинаковую мощность, но имеют различные размеры излучающей поверхности и разные значения КПД. Каково соотношение напряженностей полей, создаваемых этими антеннами?
7.8.Как меняется мощность на выходе приемной поверхностной антенны при изменении длины волны, если коэффициент использования поверхности не зависит от длины волны?
7.9.К двум антеннам, имеющим одинаковый КНД, но различные размеры излучающей поверхности и разный КПД, подводится одинаковая мощность. Каково соотношение напряженностей полей, создаваемых этими антеннами?
7.10.Как изменяется напряженность поля, создаваемая поверхностной антенной, при изменении длины волны (мощность излучения остается постоянной)?
7.11.При измерении КНД поверхностной приемной антенны абсолютным методом расстояние между испытуемой приемной антенной и передающей антенной оказалось меньше допустимого. Чем в этом случае, в основном, определяется погрешность измерений?
10