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

Порядок выполнения работы

1.Измерить диаграмму направленности элементарного электриче-

ского излучателя в секторе углов от 0 до 180 градусов с шагом 10 градусов.

2.Построить нормированную ДН в декартовых и полярных координатах.

3.Измерить диаграмму направленности элементарного магнитного

излучателя в секторе углов от 0 до 180 градусов с шагом 10 градусов. 4. Построить нормированную ДН в декартовых и полярных коорди-

натах.

Содержание отчета

Цель работы, описание стенда измерения, таблицы с измеренными данными, диаграммы направленности электрического и магнитного излучателя, выводы.

Контрольные вопросы

1.Что такое элементарный электрический излучатель?

2.Что такое элементарный магнитный излучатель?

3.Что такое вектор Пойнтинга?

4.Как определяется направление вектора Пойнтинга?

5.Дайте понятие ближней и дальней зоны элементарного излуча-

теля.

6.Каковы особенности полей в ближней и дальней зоне?

7.Что такое диаграмма направленности?

8.Что такое мощность и сопротивление излучения?

9.Какой излучатель будет иметь большее сопротивление излучения при сравнимых геометрических размерах – электрический или магнитный?

10.Сформулируйте принцип перестановочной двойственности.

61

10.ИЗМЕРЕНИЕ ДН

ИКУ ПИРАМИДАЛЬНОГО РУПОРА

Цель работы

1.Изучение основ техники измерения диаграмм направленности и коэффициента усиления антенн.

2.Исследование направленных свойств рупорной антенны.

Введение

Волноводно-рупорные антенны являются широкополосными устройствами, обеспечивающими полуторное перекрытие по диапазону, с низким уровнем бокового излучения. Они распространены в сантиметровом диапазоне волн. Рупорные антенны представляют собой волновод с плавно увеличивающимися размерами поперечного сечения (рис. 21). Конструкция рупоров достаточно проста. Они используются как в качестве самостоятельных антенн, в частности при проведении измерений ДН и КУ, так и в качестве облучателей более сложных антенн, например, рупорно-параболических, рупорно-линзовых.

Существующие типырупоров можно разделитьна пирамидальные, секториальные, конические и их разновидности. У секториальных рупоров расширяется одна пара стенок. В зависимости от того, в какой плоскости происходит расширение, различают Е-секториальные и Н-секториальные рупоры. Распределение амплитуд поля в раскрыве рупора такое же, как и у питающего волновода – при возбуждении волной типа Н10 направления векторов поля имеют следующую ориента-

цию (рис. 22).

62

Вплоскости Е раскрыва рупора распределение поля равномерное, а

вплоскости Н – косинусоидальное. Размеры пирамидального рупора

выбираются по требуемой ширине ДН в соответствующей плоскости. При синфазном возбуждении ширина ДН связана с размерами рас-

крыва ap и bp следующим образом:

Однако поле в раскрыве рупора в принципе несинфазно. Это можно объяснить тем, что центральный и периферийные лучи проходят разные путиотгорловиныдораскрыварупора.Засчетэтогофазыполянакраях рупора будут иными, чем в центре, и возникают фазовые ошибки.

Чем больше угол раскрыва рупора, тем больше разность хода между центральным лучом и периферийным лучом, приходящим к краю рас-

крыва,итембольшефазовыеискажениянаегокраях: k r .Фазовые

искажения в раскрыве рупора подчинены приблизительно квадратичному закону. В секториальных рупорах получается цилиндрический фронт волны, в пирамидальных – сферический фронт. Нарушение синфазности излучающей поверхности приводит к искажениям ДН рупора. Из-за этого происходит расширение главного лепестка ДН, увеличивается интенсивность боковых лепестков, исчезают нулевые провалы между лепестками. В плоскости Е (при равномерном амплитудном распределении) ДН искажается больше, чем в плоскости Н (при косинусоидальном распределении).

Рупоры, размеры которых соответствуют максимальному значению коэффициента направленного действия (КНД), называются оптимальными. Для оптимального рупора фазовые ошибки в плоскости Е не пре-

вышают 90 , а в плоскости Н – 135 .

Коэффициент направленного действия оптимального рупора можно вычислить по формуле

63

где S – площадь раскрыва; – длина волны; – коэффициент использования поверхности.

Для оптимального рупора = 0.61.

В случае когда размеры рупора отличны от оптимального, коэффициент направленного действия пирамидального рупора вычисляется по следующей формуле:

где DE КНД Е-секториального рупора; DH КНД Н-секториального

рупора.

Коэффициент усиления рупора, как и любой антенны, связан с коэффициентом направленного действия соотношением

где коэффициент полезного действия антенны. Для рупоров КПД практически равен единице.

Существенный недостаток рупорных антенн – сравнительно большая длина рупоров, которая пропорциональна квадрату размеров раскрыва. Это накладывает ограничения на использование рупоров в качестве остронаправленных антенн, поэтому рупорные антенны применяются в случаях, когда не требуется очень направленная ДН. Частотный диапазон рупорной антенны ограничен только питающим волноводом.

Методика измерений

Схема измерения ДН (рис. 23) включает в себя генератор Г4-111 (1), передающую антенну (2), испытываемую антенну (3), анализатор спек-

тра С4-27.

В качестве излучающей антенны устанавливается рупорная, испытываемая рупорная антенна устанавливается на опорно-поворотное устройство(ОПУ),позволяющеесниматьДНантеннывгоризонтальной плоскости в секторе углов от 0 до 360 градусов. Расстояние между антеннами должно соответствовать дальней зоне излучения. Ориентация вектора E вертикальная. Начальная установка антенны на ОПУ для удобства отсчета углов и ориентация осей антенн в пространстве представлены на рис. 24.

64

180

Устанавливается частота генератора, указанная преподавателем, сигнал непрерывный. Принимаемый сигнал измеряется в соответствии сп.9.2.1изтехническогоописанияанализатораспектракакотносительное измерение уровня спектральных составляющих. Вращением ОПУ вокруг осей определить направление максимального сигнала. Вращая

ОПУ вокруг горизонтальной оси в секторе углов 90 через 3…5 градусов, определить уровни спектральных составляющих относительно сигнала, соответствующего главному максимуму, для каждого отсчета углов в децибелах.

Оба рупора на 90 разворачиваются вокруг собственных осей, измерения повторяются в плоскости Е. Измеренные значения нормируются относительно максимального.

Строятся зависимости полученных значений относительной мощности от углов для обеих плоскостей и из графика определяется ширина по уровню –3 дБ.

Измерение коэффициента усиления проводится методом сравнения с эталонной антенной. Этот метод заключается в сравнении коэффициента усиления исследуемой антенны с коэффициентом усиления эталонной антенны, в качестве которой обычно используется оптимальный пирамидальный рупор. В методе сравнения при ориентации измеряемой антенны главным максимумом на облучающую антенну изме-

ряют мощность сигнала ( Ри ) на выходе антенно-фидерного тракта. За-

тем, не меняя уровня излучаемой мощности и чувствительности приемника, на место измеряемой антенны устанавливают эталонную (об-

разцовую) антенну с аттестованным коэффициентом усиления Gэт ,

65

эталонную антенну ориентируют главным максимумом на облучающую антенну, измеряют мощности амплитуды ( Рэт ) сигнала. Значение

КУ испытываемой антенны определяют из соотношения Gи Gэт

(Pи Pэт ), дБ .

Порядок выполнения работы

1.По формулам (10.1) и(10.2) рассчитать ширину ДН рупоравплоскостях Е и Н, исходя из размеров рупора.

2.Измерить и построить диаграммы направленности в двух ортогональных плоскостях (E- и H-плоскости), определить ширину ДН по

уровню 0,5 Pmax (–3 дБ по мощности) по данным эксперимента. 3. Измерить значение КУ.

Содержание отчета

Титульный лист, цель работы, краткое описание принципа действия рупорныхантенн,схемаизмерения,таблицыизмеренныхзначений,графики ДН в декартовой системе координат, выводы.

Контрольные вопросы

1.Область применения рупорных антенн, типы рупорных антенн.

2.Каково распределение амплитуд электромагнитного поля в раскрыве рупорной антенны; как оно связано с распределением в питающем волноводе?

3.Из-за чего возникают фазовые искажения в раскрыве рупора?

4.Как определяется ширина ДН по уровню половинной мощности в Е- и Н-плоскостях?

5.Что такое оптимальный рупор?

6.Что такое коэффициент усиления, КНД?

7.Чему равен коэффициент полезного действия рупора?

8.Как влияют фазовые искажения в раскрыве рупора на ДН?

9.Фазовые искажения для оптимального рупора.

10.Сущность измерения КУ методом сравнения с эталонной антен-

ной.

66

11. АНТЕННЫ ЭЛЛИПТИЧЕСКОЙ ПОЛЯРИЗАЦИИ

Цель работы

Измерение электрических параметров антенн с эллиптической поляризацией.

Введение

Применение антенн с эллиптической поляризацией увеличивает дальность обнаружения целей, уменьшает помехи от дождя и снега за счет перемены направления вращения сигнала, отраженного от капель, обеспечивает устойчивый прием сигналов при потере ориентации объекта.

В последние годы происходит интенсивная замена традиционных технических решений для антенн мобильных и стационарных систем. В качестве основного конкурента спиральных антенн выступают микрополосковые излучатели (МПИ) различных форм, излучающие в зависимости от способа возбуждения поля с линейной либо с круговой поляризацией.

Основноепреимуществоспиральнойантенны–хорошийкоэффици- ент поляризации (не хуже –2 дБ) в двукратной полосе частот.

Входное сопротивление спиральной антенны (рис. 25) равно 130…140 Ом во всей рабочей полосе, что составляет проблему для согласования на нагрузку 50 Ом. Кроме того, для антенн с малым числом витков существует проблема отражения от конца антенны, которую приходится решать с помощью введения экспериментально отрабатываемых оконечных нагрузок, снижающих эффективность антенны. Главным недостатком спиральных антенн являются большие габариты.

Кнедостаткам спиральных антенн относится также сравнительно большой уровень боковых лепестков, невозможность получения узких диаграмм направленности.

Кпреимуществам микрополосковых антенн с эллиптической поляризацией относится следующее: простота конструкции, работа и с эллиптической, и с линейной поляризацией поля, малый поперечный размер. К недостатку можно отнести узкополосность. Основными методами возбуждения поля с круговой поляризацией на микрополосковой антенне являются следующие:

введение щелей в излучатель микрополосковой антенны;

67

использование усеченных углов излучателей микрополосковых антенн;

использование настроечного шлейфа.

На рис. 26 показаны способы возбуждения микрополосковых излучателей для излучения поля с круговой поляризацией. В данном примере возбуждаются две ортогональных моды.

При работе на передачу антенна излучает поле с эллиптической поляризацией; направление вращения вектора электрического поля E зависит от расположения точки запитки (feed) относительно оси симметрии антенны для микрополосковой антенны и направления намотки спирали для спиральной.

При работе на прием антенна принимает либо поле эллиптической поляризации с направлением вращения, как и при передаче, либо поле любой линейной поляризации.

Поле плоской электромагнитной волны с эллиптической поляризацией характеризуется тем, что вектор электрического поля, лежащий в плоскости, перпендикулярной направлению распространения, своим концом описывает эллипс. Полный поворот вектора происходит за один период колебаний электромагнитного поля. Когда полуоси вектора равны, поляризация электромагнитного поля круговая. Если одна из осей равна нулю, поляризация электромагнитного поля линейная.

Линейнаяполяризацияикруговаяполяризация– эточастныеслучаи эллиптической поляризации (рис. 27).

68

Решение обратной задачи определения вектора поляризации по двум заданным значениям и r дается с помощью следующих формул:

Горизонтальной линейной поляризации соответствует r = 0 и = 0,

вертикальной r = 0 и = /2. При линейной поляризации вектор поля колеблется по времени вдоль одного направления.

Конецвектораэлектрическогополяможетперемещатьсяпоэллипсу

вту или в другую сторону, соответственно представляя эллиптически правоили левополяризованное поле.

Если амплитуды горизонтальной и вертикальной компоненты вектора электрического поля равны между собой, эллипс поляризации превращается в окружность.

Соотношения амплитуд и фаз компонент векторов поля изменяются

впространстве, поэтому каждому направлению будет соответствовать свой эллипс поляризации. Чтобы однозначно характеризовать поляризационные свойства поля, создаваемого антенной, коэффициент эллиптичности определяют в направлении главного максимума и в направлениях, соответствующих уровням половинной мощности (–3 дБ).

Поляризацию поля излучения антенны обычно исследуют с помощью индикаторной антенны с линейной поляризацией, которая ориентируется в направлении приходящего сигнала. Изображенная графически зависимость интенсивности принимаемого сигнала от угла поворота индикаторной антенны вокруг ее продольной оси называется поля-

ризационной диаграммой.

Методика измерений

Собирается схема измерения ДН. Она (рис. 28) включает в себя аналоговый генератор ВЧ сигналов N9310A (1), испытываемую антенну (2), приемную антенну (3), анализатор спектра R&S®FSC3.

В качестве приемной антенныустанавливают рупорную наопорноповоротное устройство, обеспечивающее вращение вокруг вертикальной оси и вокруг продольной оси антенны; испытываемую антенну с эллиптической поляризацией устанавливают на опорно-поворотное

70