Электродинамика, антенны и СВЧ-устройства СБЛ. Учебно-методическое пособие

8. ИЗМЕРЕНИЕ ВХОДНЫХ ХАРАКТЕРИСТИК АНТЕНН РАЗЛИЧНЫХ ТИПОВ

Цель работы

Измерениекоэффициентастоячейволныпонапряжениюивходного сопротивления различных типов антенн.

Введение

Одними из важных параметров, характеризующих эффективность антенных систем, работающих в составе радиотехнической аппаратуры, являются коэффициент стоячей волны по напряжению (КСВН) и входное сопротивление антенны (его активная и реактивная часть). Эти параметры одинаковы при работе антенны и в режиме приема, и в режиме передачи.

Любую антенну можно представить в виде четырехполюсника СВЧ иопределитьКСВНчерезэлементыматрицырассеяния,либоиспользуя математическую модель регулярной линии передачи.

Нарегулярномучасткелюбойлиниипередачиполепредставляетсобой суперпозицию падающей и отраженной волны.

Падающая волна – это волна, бегущая от генератора к нагрузке, отраженная волна – это волна, порождаемая нагрузкой или неоднородностью тракта и бегущая навстречу падающей волне (рис. 19).

Рис. 19. Волны в эквивалентной длинной линии

Любой компонент падающей волны зависит от продольной координаты по закону e i , а отраженной волны – по ei ; где i

51

комплексный коэффициент распространения; – коэффициент затухания, Нп/м; коэффициент фазы, рад/м,

2 .g Vp

В математической модели линии передачи векторные функции распределения поля в линии заменяются интегральными (усредненными) мерами электромагнитного поля: эквивалентными нормированными напряжениями падающей и отраженной волны:

uп( ) Pп ei оE ei Uп(0)ei .

Фазы нормированных напряжений падающей и отраженной волныo,Eп принимают равными фазам поперечных компонентов электриче-

ского поля для соответствующих волн.

Отношение поперечных компонент электрического поля для падающей и отраженной волны в одной и той же точке поперечного сечения называется коэффициентом отражения по электрическому полю:

а отношение нормированных напряжений называется коэффициентом

отражения: Uо , причем всегда E .

Uп

Закон изменения коэффициента отражения в сечениях линии передачи можно представить следующим образом:

где (0) значение коэффициента отражения в сечении = 0.

52

Любая антенна, включаемая в СВЧ-тракт, представляет собой произвольную нагрузку, которая порождает в этом тракте отраженную волну. Вместе с падающей волной отраженная волна образует повторяющиеся минимумы и максимумы нормированных напряжений и токов. Такой режим характеризуется коэффициентом бегущей волны (КБВ)

или КСВН, причем КстU КБВ1 .

В формулах КСВН обозначается КстU .

Отражение падающей волны от нагрузки уменьшает передаваемую мощность в 1 2 раз и снижает КПД линии.

Коэффициент отражения зависит от соотношения между сопротивлением нагрузки Zн (в данном случае антенны) и волновым сопротив-

лением линии передачи Zв .

ствует только бегущая (падающая) волна, входное сопротивление равно волновому сопротивлению. Это режим согласования.

53

короткого замыкания.

При Zн 1, КстU в линии стоячая волна. Это режим хо-

лостого хода.

КСВН можно выразить и через элементы матрицы рассеяния:

где s11 – комплексный коэффициент отражения.

В обозначении элемента smn первый индекс определяет номер

строки матрицы и одновременно номер согласованного входа, на который происходит передача мощности, второй индекс – номер столбца и номер входа, с которого осуществляется возбуждение.

Ухудшение согласования (увеличение КСВН) вызывает ограничение рабочей полосы частот антенн, которая является одним из важных параметров; снижениемощностиизлученногосигналаи эффективности приемных антенн.

Методика измерений

Измерения проводятся на векторном анализаторе цепей R&S®ZVL3 (ВАЦ).

Порядок выполнения работы

1.Изучить техническое описание на ВАЦ; измерить зависимость

КСВН, Rx и X вибраторной и микрополосковых антенн в полосе частот, указанной преподавателем для каждого типа антенн.

2.Построить графики зависимости КСВН, Rx и X от частоты для

каждой антенны.

Содержание отчета

Цель работы, схема измерения, таблицы измеренных значений, графики зависимости КСВН, Rx и X от частоты.

54

Контрольные вопросы

1.Как изменится излучаемая мощность при отражении от нагрузки?

2.Как вычислить КстU через элементы матрицы рассеяния?

3.Что такое режимы согласования, короткого замыкания и холостого хода?

4.Что такое падающая и отраженная волна?

5.Начтоможетповлиятьплохоесогласованиепередающейантенны

сСВЧ-трактом?

6.На что может повлиять плохое согласование приемной антенны

сСВЧ-трактом?

7.Как определяется КстU по теории регулярной линии?

8.Как связаны между собой коэффициент бегущей волны и коэффициент стоячей волны по напряжению?

9.Чем отличаются входные параметры антенн при работе в режиме приема и передачи?

10.Сущность математической модели регулярной линии передачи.

9. ЭЛЕКТРОМАГНИТНЫЕ ПОЛЯ ЭЛЕМЕНТАРНЫХ ИЗЛУЧАТЕЛЕЙ

Цель работы

Исследованиеполейэлементарныхэлектрическогоимагнитногоизлучателей.

Введение

Под элементарным электрическим излучателем (вибратором) понимают прямолинейный проводник с переменным током достаточно ма-

лых размеров по сравнению с длиной волны (l << ) и равномерным по длине излучателя распределением амплитуды тока. Реализовать такой излучатель в чистом виде принципиально невозможно, так как распределение тока при любых размерах излучателя отличается от равномерного. Уменьшение его длины проблему не решает, так как на концах его ток проводимости всегда равен нулю,а в точках подключения внешнего источника возбуждения ток не равен нулю. Физическая реализация элементарногоэлектрическоговибраторабылавыполненаГ.Герцемв виде

55

симметричноговибратораизтонкихпроводов,наконцахкоторогоустановлены металлические шары, имеющие большую емкость. В результатесосредоточенияэлектрическихзарядовнаконцахвибратораамплитуда тока слабо меняется вдоль провода. Такой излучатель был назван диполем Герца. Расчет поля такого вибратора проводится в сферической системе координат (рис. 20).

Рис. 20. Электрический излучатель в сферической системе координат

При расчете полей вводятся следующие ограничения:

излучатель находится в безграничном пространстве в идеальной среде без потерь;

длина излучателя l << . Такое условие позволяет пренебречь запаздыванием по длине излучателя – амплитуда и фаза тока постоянны. Хотятокявляетсяпеременным,наконцахдиполяскапливаютсязаряды;

расстояния r, на которых определяется напряженность поля, много больше размеров излучателя;

переменный ток в излучателе изменяется по гармоническому за-

кону.

Для элементарного электрического излучателя характерно наличие в

пространстве трех составляющих электромагнитного поля: Н , Еr , E –

азимутальной, радиальной и меридиональной соответственно. Интенсивность составляющих электрического и магнитного поля

зависит от угла . Элементарный электрический излучатель создает в пространстве сферическую волну.

56

Критерием для ближней и дальней зоны элементарного излучателя является величина kr. Если kr << 1 и r << , то это ближняя зона, если

kr >> 1 и r >> , то это дальняя зона.

Напряженность поля в ближней зоне очень быстро уменьшается по мере удаления от излучателя пропорционально r13 или r12 , а электри-

ческие и магнитные поля отличаются на множитель j. Если в какой-то момент магнитное поле минимально, то электрическое поле макси-

мально, т. е. электрические и магнитные поля сдвинуты по фазе на 90 относительно друг друга.

Направление движения энергии в электромагнитном поле всегда перпендикулярно ориентации векторов Е и Н и определяется правилом

векторного произведения (Вт/м2 ):

П – вектор Пойнтинга, показывает направление переноса энергии и характеризует плотность потока энергии, проходящей через единичную площадку в единицу времени в направлении, перпендикулярном поверхности. Вычисление потока вектора Пойнтинга через замкнутую поверхность за время, равное одному периоду, определяет величину средней излучаемой мощности:

Определим вектор Пойнтинга для ближней зоны излучения. Вектор Пойнтинга имеет две составляющие: Пr , П .

Мгновенные значения данных составляющих можно выразить так:

Из формулы (9.3) видно, что обе составляющие изменяются по закону sin2 t , т. е. принимают как положительные, так и отрицательные

57

мгновенные значения. Очевидно, что среднее значение составляющих вектора Пойнтинга за период колебаний равно нулю.

Таким образом, в ближней зоне излучения энергии нет, движение энергии поля имеет колебательный характер.

В дальней зоне имеются отличные от нуля составляющие Н , E и

они изменяются по фазе. Пср 0, а радиальная составляющая Er E , и ею можно пренебречь. Составляющие Н , E убывают пропорцио-

нально 1r , в дальней зоне отношение E H k а a a Zc

определяется параметрами среды и называется характеристическим сопротивлением Zс . Для вакуума а 0 , а 0 , а Zс = 120 = 377 Ом.

Вектор Пойнтинга в дальней зоне имеет только одну составляющую

Пr E E .

Мгновенные значения этой составляющей можно выразить так:

Re Пr E m cos( t kr)H m cos( t kr)

(9.4)

E m H m cos2( t kr).

Мгновенное значение вектора Пойнтинга всегда положительно. Это означает, что энергия движется только в одном направлении – от излучателя и представляет собой энергию излученной электромагнитной

рактеристикой направленности излучателя. В пространстве данная функция представляет собой тор, а в меридиональной плоскости – две

соприкасающиеся окружности. В направлениях = 90 излучение мак-

симально, а при = 0 , или 180 излучение отсутствует. Мощность излучения можно представить как

58

В соответствии с выражением (9.5) мощность излучения пропорциональна квадрату амплитуды переменного тока, протекающего по излучателю. Существует прямая аналогия между обычным выражением для мощности переменного тока, выделяемой на некотором активном сопро-

тивлении:P 12 I 2R . Поэтому мощность излучения можно выразить как

где Rизл l2k2 4 – сопротивление излучения. 8 а 3

Диаграмма направленности и сопротивление излучения – это понятия из теории антенн, используемые для оценки различных антенных устройств.

Одной из важных характеристик является также коэффициент направленного действия излучателя D, определяемый как

D П , (9.7)

Пизт

где П – плотность потока энергии в заданном направлении, Пизт – значение вектора Пойнтинга, найденное в предположении, что излучение равномерно во всех направлениях:

Для направления максимального излучения ( = 90 )

В теории излучения используется понятие колеблющегося магнитного диполя, называемого магнитным диполем Герца. По аналогии с электрическим вибратором у магнитного вибратора на концах должны быть сосредоточены магнитные заряды, которые в природе отсутствуют. Физическую модель элементарного магнитного вибратора можно выполнить, используя одиночную рамку с периметром, много меньшим длины волны, либо другие модели.

59

Принцип перестановочной двойственности устанавливает правило перехода от полей, создаваемых элементарным электрическим излучателем, к полям, которые создает элементарный магнитный излучатель. В соответствии с этим принципом поля, создаваемые магнитным излучателем, можно выразить через составляющие поля электрического из-

Методика измерений

Стенд измерения состоит из генератора сигналов, передающей антенны, анализатора спектра и испытываемой антенны.

В качестве испытываемой антенны по очереди используются электрический и магнитный излучатель, установленные на опорно-поворот- ное устройство (ОПУ). При снятии диаграммы направленности отсчет углов ведется по лимбу ОПУ.

Установить частоту генератора, указанную преподавателем, сигнал генератора непрерывный. Измерение принимаемого сигнала проводить по п. 9.2.1 технического описания анализатора спектра С4-27, как относительное измерение уровня спектральных составляющих или анализатора спектра R&S®FSC3 согласно руководству по эксплуатации него. Вращая ОПУ вокруг осей, определить направление максимального сигнала. Вращая ОПУ вокруг горизонтальной оси в секторе углов

180 через несколько градусов, определить уровни спектральных составляющих относительно сигнала, соответствующего главному максимуму, по линейной шкале для каждого отсчета углов в децибелах.

60