Игнатов Лабораторный практикум

Интенсивность I монохроматической волны пропорциональна квадрату амплитуды напряженности электрического поля:

Таким образом, измеряя квадрат амплитуды напряженности электрического поля, можно определить интенсивность волны с точностью до постоянного коэффициента.

Антенной называется устройство для излучения и приема радиоволн. Антенна является конвертером электрического тока радиочастотного диапазона в электромагнитное излучение и наоборот. Форма, размеры и конструкция антенн разнообразны, и зависят как от длины излучаемых и принимаемых волн, так и от назначения антенны.

В данной работе используется пирамидальная рупорная антен-

на, схема устройства которой показана на рис. 4.8.1.

Рис. 4.8.1

Она представляет собой участок прямоугольного волновода с переменным (расширяющимся) сечением, с открытым излучающим концом.

На рис. 4.8.1 показано направление вектора электрического поля

E . Форма фронта излучаемой волны изменяется по мере удаления от антенны; так, вблизи среза рупора антенны фронт волны можно считать плоским, на некотором удалении от антенны волна при-

41

ближается к сферической. Интенсивность сферической волны в не поглощающей среде изменяется обратно пропорционально квадрату расстояния от источника, как показано на рис. 4.8.2.

Рис. 4.8.2

Важной характеристикой антенны является ее диаграмма направленности. Диаграммой направленности антенны по полю называют

зависимость комплексной амплитуды вектора E от угловых координат точки наблюдения в горизонтальной и вертикальной плоскостях. Отдельные пики напряженности электрического поля на диаграмме направленности принято называть лепестками. В зависимости от формы диаграммы направленности различают остро- (рис. 4.8.3, а) или слабонаправленные (рис. 4.8.3, б) антенны.

Для остронаправленных антенн характерна диаграмма направленности с выраженным, достаточно узким главным лепестком и относительно слабыми боковыми лепестками (см. рис. 4.8.3, а). Такие антенны используются в радиолокации, в системах дальней радиосвязи и т.п. Антенны с диаграммой направленности, более или менее приближающейся к диаграмме изотропного излучателя (см. рис. 4.8.3, б), находят применение, например, в радиовещании.

42

Рупорная антенна имеет довольно узкий основной лепесток с малым относительным уровнем интенсивности в боковых лепестках, т.е. может быть отнесена к разряду остронаправленных.

Рис. 4.8.3

Для характеристики поля излучения антенн такого типа вводит-

ся понятие коэффициента направленного действия (КНД):

Здесь I0 есть интенсивность, создаваемая данной антенной в направлении основного излучения, а IS – интенсивность, создаваемая в той же точке гипотетическим изотропным (ненаправленным) излучателем, имеющим такую же мощность.

КНД рупорной антенны может быть рассчитан по формуле:

0,6 ≤ k ≤ 0,8 – коэффициент, учитывающий особенности конструкции антенны.

Экспериментально величина D может быть определена следующим образом. Если измерить угловую зависимость интенсивности

волны I(θ, ϕ) в двух взаимно-перпендикулярных плоскостях – в

43

плоскости колебаний вектора E и вектора H , то получим кривые, подобные изображенным на рис. 4.8.4 и 4.8.5. В частности, на

рис. 4.8.4 изображено угловое распределение интенсивности I(θ, ϕ = 0) в плоскости колебаний магнитного вектора H , а на рис. 4.8.5 – угловое распределение интенсивности I(θ = 0, ϕ) в

плоскости колебаний электрического вектора E . Можно показать, что

00

Сучетом того, что доля энергии в боковых лепестках пренебрежимо мала по сравнению с энергией, «уходящей» в главный лепесток, КНД может быть приближенно вычислен по формуле:

Здесь константа b = (4,7 103)о, а Δθ1/4 и Δϕ1/4 – угловые ширины главных лепестков (в градусах), измеренные, соответственно, в

плоскостях колебаний векторов H и E , на уровне I = 14 I0 .

Рис. 4.8.4

44

Таким образом, напряжение, измеряемое мультиметром, будет пропорционально интенсивности исследуемой волны.

Рис. 4.8.6

Примечание. В модифицированном варианте работы в качестве приемника может использоваться также рупорная антенна, на которой смонтирован приемный диод.

ПРАВИЛА ТЕХНИКИ БЕЗОПАСНОСТИ

Строго соблюдайте общие правила техники безопасности при работе с электроприборами.

Не оставляйте включенную установку без присмотра.

В установке используется электромагнитное излучение СВЧдиапазона, которое при длительном воздействии на организм человека может быть вредно для здоровья. В связи с этим следует включать генератор ТОЛЬКО НЕПОСРЕДСТВЕННО НА ВРЕМЯ ИЗМЕРЕНИЯ! ПО ОКОНЧАНИИ ИЗМЕРЕНИЙ ОТКЛЮЧИТЕ ГЕНЕРАТОР!

46

При работе клистрон сильно нагревается. Будьте осторожны – в ходе эксперимента не прикасайтесь к корпусу клистрона во избежание ожога!

Находясь вблизи установки, выключайте мобильные телефоны и другие средства беспроводной связи – их работа может существенно повлиять на результаты измерений.

ЗАДАНИЯ

Задание 1. Подготовка установки к измерениям

Прежде, чем приступить к работе с установкой, убедитесь, что излучающая антенна и приемник находятся на достаточной высоте (не менее 40 см от поверхности стола). Проверьте, чтобы соединительный кабель между приемником и мультиметром не проходил в непосредственной близости от высокочастотного кабеля генератора, а также вблизи каких-либо других токоведущих проводов или электрических розеток. Все это может стать причиной возникновения помех, приводящих к искажению результатов измерений.

В течение всего эксперимента следите за положением измерительного кабеля!

1.Включите цифровой мультиметр. С помощью кнопки DC/AC выберите режим измерения переменного напряжения (АС). Переключатель режимов работы/диапазонов установите на измерение напряжения (V) и выберите предел измерения «200mV».

Внимание! Мультиметр оборудован системой автоматического отключения питания. Если более 15 мин с мультиметром не выполняются никакие манипуляции, а также остается постоянным входное напряжение, прибор автоматически отключится. В этом случае для возобновления работы необходимо дважды нажать кнопку включения/выключения.

2.Включите генератор и прогрейте его в течение 5 мин. Установите регулятор «Reflektor spanning» в среднее положение. На панели «Modulator» с помощью кнопок управления режимом модуля-

ции установите режим модуляции гармонической модуляции

«» и «int».

3. Расположите приемный диполь в плоскости колебаний вектора Е (т.е. параллельно узкой стороне рупора). Такое положение соответствует максимальному уровню принимаемого сигнала.

47

4. Найдите направление основного излучения антенны. Для этого установите приемный диполь на расстоянии около 30 см от среза рупора антенны. Поворачивая штангу с детектором на небольшие углы вблизи нулевого значения, найдите такое положение, при котором напряжение принимаемого сигнала будет наибольшим. Это положение штанги соответствует направлению основного излучения. Установка готова к измерениям.

Задание 2. Определение зависимости интенсивности волны от расстояния

Установите штатив с детектором на расстоянии r = 10 см от среза рупора антенны. Запишите значение напряжения на детекторе. Снимите зависимость напряжения от расстояния r от антенны до приемного диполя. Измерения проводите с шагом 5 см от 10 см до наибольшего возможного удаления. Измерения повторите не менее трех раз, занося результаты измерений в табл. 4.8.1.

1. Снимите зависимость напряжения детектора от угловой координаты U(θ) (в горизонтальной плоскости, которая в данном

случае совпадает с плоскостью колебаний вектора H ). Для этого установите детектор на расстоянии 20 см от антенны. Поворачивая столик с антенной, проведите измерения напряжения детектора с

шагом 5о для углов θ в диапазоне ±45о, считая от направления основного излучения. Данные измерений занесите в заранее подготовленную табл. 4.8.2.

48

2.Третья строка таблицы заполняется после определения фоновой составляющей напряжения U. В окружающем пространстве всегда и неизбежно присутствуют электромагнитные колебания радиочастотного диапазона. Они имеют как естественное, так и

(преимущественно) техногенное происхождение. Величина Uf (напряжение, соответствующее фоновому значению интенсивности электромагнитного поля) определяется по наименьшему из измеренных значений напряжения.

Измерения повторите для расстояния между антенной и детектором 40 см.

3.Для измерения зависимости U(ϕ) (в вертикальной плоскости,

соответствующей плоскости колебаний вектора E ) необходимо изменить конфигурацию установки. Отключите источник питания клистрона. Ослабьте зажим, фиксирующий цилиндрический хвостовик антенны излучателя. Поверните антенну на 90о и вновь зафиксируйте хвостовик. Следите за тем, чтобы ось антенны была направлена по нулевой отметке градусной шкалы.

4. Поверните также и рупор детектора. Для этого аккуратно снимите детектор со штатива. Вывинтите цилиндрический держатель из крепежной втулки приемной антенны, и ввинтите его в боковое отверстие. Вновь укрепите рупор на штативе. Теперь плос-

кость колебаний вектора E расположена в горизонтальной плоскости.

5. Включите источник питания. Установите приемник на расстоянии 20 см от среза рупора антенны. Тщательно отъюстируйте взаимное расположение рупоров излучателя и приемника таким образом, чтобы при положении штанги напротив отметки «0» на градусной шкале оси излучающей и приемной антенн совпадали. При этом напряжение, измеряемое на приемном детекторе, будет максимальным.

49

6. Повторите измерения, аналогично пп. 1–2, для расстояний между антенной и приемником 20 и 40 см.

По окончании измерений верните антенны излучателя и приемника в исходное положение.

ОБРАБОТКА РЕЗУЛЬТАТОВ ИЗМЕРЕНИЙ

1. Усредните данные измерений задания 2 и рассчитайте среднее значение напряжений <U(r)> и погрешность случайного раз-

броса величины напряжения σU. Постройте графики зависимостей

вет на вопрос: подтверждается ли гипотеза о сферичности исследуемой волны? Изложите и обоснуйте этот вывод в заключении к работе.

2. По данным измерений в задании 3 рассчитайте величины

U (θ) и U (ϕ) , где U0 – значение напряжения на направлении ос-

U0 U0

новного излучения. Рассчитайте также погрешность значений

U (θ) и U (ϕ) (исходя из приборной погрешности мультиметра).

U0 U0

3. Постройте на одном чертеже графики зависимостей U (θ)

U0

для расстояний r = 20 см и r = 40 см. Такие же графики постройте

для зависимости U (ϕ) . Определите из графиков величины Δθ1/4 и

U0

Δϕ1/4. Рассчитайте по формуле (4.8.6) значение коэффициента направленного действия D рупорной антенны. Полученное экспериментальное значение КНД сравните с величиной, рассчитанной по формуле (4.8.4).

ПРЕДСТАВЛЕНИЕ РЕЗУЛЬТАТОВ РАБОТЫ И ВЫВОДЫ

В заключении к работе необходимо указать значение коэффициента направленного действия D рупорной антенны в сравнении с расчетным значением КНД.

50